هسته زایی بتا در پلی پروپیلن

چکیده:

عوامل هسته‌زای β با گسترش روند تشکیل کریستال‌های β که چقرمگی و پایداری حرارتی بالاتری را در مقایسه با کریستال‌های α رایج‌تر نشان می‌دهند، نقش مهمی در افزایش خواص پلی‌پروپیلن (PP) ایفا می‌کنند. این مقاله سازوکار هسته‌زایی β، رایج ترین عوامل هسته‌زای β مورد استفاده و همچنین اثرات آن‌ها را بر رفتار تبلور و خواص مکانیکی PP  را مورد بررسی قرار می دهد. افزودن عوامل هسته زای β به PP نه تنها خواص فیزیکی و مکانیکی آن را بهبود می بخشد، بلکه موجب گسترش کاربردهای صنعتی آن نیز می گردد.

1. مقدمه

پلی پروپیلن یکی از پر مصرف ترین پلیمرهای جهان به شمار می رود. این ماده پلیمری با ساختاری نیمه بلورینه می تواند به اشکال متنوع اما عمدتاً در فازهای آلفا (α) و بتا (β) متبلور شود. فاز α پایدارترین شکل بلورین این پلیمر است که با ساختار سلولی مونو کلینیک مشخص می شود، در حالی که فاز β با پایداری کم تر دارای ساختار شبه هگزاگونال است. بسته به نوع تشکیل این ساختارها، خواص مکانیکی ، پایداری حرارتی و فرایندپذیری پلیمر تحت تأثیر قرار می گیرد. فاز α معمولاً استحکام و سفتی بالاتری را ارائه می‌دهد، در حالی که فاز β می‌تواند موجب افزایش میزان چقرمگی، انعطاف‌پذیری و پایداری حرارتی آن شود، که این عوامل به ویژه در کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر ضربه و حرارت دارند، بسیار مورد توجه است. تبلور بیشتر هر یک از این فازها به شرایط ویژه ای وابسته است که بسته به محصول مد نظر، بر روی فرایند تولید کامپاند پلیمری اعمال می شود.

2. مقایسه هسته زایی α و β در پلی پروپیلن:

در جدول زیر به صورت مقایسه ای خلاصه ای از ویژگی های کلیدی هسته زایی α و β در پلی پروپیلن  ارائه شده است:

3. تبلور فاز β

به صورت کلی تبلور فاز β در پلی پروپیلن تحت تأثیر عوامل مختلفی است. شرایط دمایی (دمای تبلور بهینه و نرخ سرد شدن)، فشار و همچنین حضور عوامل هسته‌زای خاص، برخی از این موارد هستند. در ادامه به طور مختصر به تاثیر هر یک از این عوامل پرداخته می شود:

1.3. دمای تبلور بهینه: عمل تبلور فاز β را می توان به طور موثر بین حدود 100 درجه سانتی گراد تا 140 درجه سانتی گراد فراهم کرد. به طور خاص، تبلور همدما در دمای حدود 130 درجه سانتیگراد، تشکیل بلورهای β را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. نرخ‌های خنک‌کننده و گرادیان‌های دما نیز نقش مهمی در تعیین فازی که متبلور می‌شود ایفا می‌کنند.

2.3. نرخ سرد شدن: سرعت سرد شدن کمتر (زیر حدود 50 K/s) برای تشکیل کریستال های β مفید است. سرعت سرد شدن سریع (بین 50 K/s و 300 K/s) تمایل به کاهش کریستالیزاسیون بتا داشته و در عوض منجر به افزایش فاز آلفا خواهد شد.

3.3. فشار: فشار کم (حدود 5 مگاپاسکال) می تواند تشکیل کریستال های β را تسهیل کند، در حالی که فشارهای بالا (بیش از 150 مگاپاسکال) باعث سرکوب تشکیل آنها می شود. این نشان می دهد که محدوده فشار خاصی وجود دارد که کریستالیزاسیون β را بهینه می کند.

4.3. عوامل هسته زای β : استفاده از عوامل هسته‌زای β در سال‌های اخیر به دلیل توانایی آن‌ها در القای نسبت بالاتری از کریستال‌های β توجه زیادی را به خود جلب کرده است. رایج ترین عوامل هسته‌زای β شامل ترکیبات آلی (شکل1)، کمپلکس‌های فلزی قلیایی خاکی و سیستم‌های هیبریدی که چندین عامل هسته‌زا را ترکیب می‌کنند، می باشد . به عنوان مثال، مطالعات اخیر نشان داده اند که برخی نمک های قلیایی خاکی می توانند تا 90٪ تشکیل کریستال β را با حداقل میزان اعمال بار به دست آورند. لازم به ذکر است که عملکرد عوامل هسته زا می تواند بر اساس شرایط فرایندی و فرمولاسیون خاص پلی پروپیلن متفاوت باشد.

شکل1: برخی از ساختارهای آلی موجود در عوامل هسته زا

4. کاربرد پلی پروپیلن بتا

بتا پلی پروپیلن یک ماده تخصصی با خواص منحصر به فرد است که آن را برای کاربردهای خاص مناسب می کند. مقاومت حرارتی بالاتر، پایداری ابعادی و مقاومت شیمیایی آن در مقایسه با آلفا، آن را برای قطعات خودرو مانند قطعات موتور و اجزای زیر کاپوت، سیستم های آب رسانی، محفظه های الکترونیکی، ابزار پزشکی، کالاهای مصرفی بادوام و اجزای مختلف صنعتی ایده آل می کند. بتا پروپیلن عملکرد بسیار خوبی را در محیط های سخت ارائه می دهد و یک ماده با ارزش در صنایعی است که به محصولی با تحمل حرارتی و ضربه بالا نیاز دارند.

شکل2: برخی از کاربردهای متنوع بتا پروپیلن در صنعت خودروسازی ،پزشکی و سیستم های انتقال آب

همانطور که پیشتر نیز اشاره شد از β-PP به طور گسترده در سیستم های لوله کشی صنعتی برای توزیع آب و مواد شیمیایی استفاده می شود. استحکام ضربه‌ای بالا و مقاومت در برابر ترک‌خوردگی، آن را برای استفاده در سیستم‌های توزیع آب سرد و گرم و برخی مواد شیمیایی مناسب می‌کند. همچنین از این ماده در صنعت ساختمان سازی و به منظور استفاده در لوله کشی سیستم های گرمایش از کف نیز استفاده میشود، جایی که دوام و مقاومت آن در برابر انبساط حرارتی آن را به گزینه ای ایده آل و مقرون به صرفه تبدیل کرده است. در سال های اخیر لوله های پروپیلن حاوی عوامل هسته زا که تحت عنوانPP-RCT شناخته شده و به فروش میرسند، با استقبال مورد توجهی توسط ساختمان سازان و صنعتگران روبه رو شده است.

مزایای لوله های PP-RCT:

  • مقاومت دمایی بالاتر نسبت به لوله های PP معمولی
  • مقاومت در برابر فشار بالاتر نسبت به لوله های PP معمولی
  • سازگاری بالا
  • روش های اتصال ایمن و ضد نشت برای آنها

5. چشم انداز β -PP

آینده β-PP به ویژه در کاربردهایی با عملکرد و فناوری بالا امیدوار کننده به نظر می رسد. تحقیقات مداوم در مورد عوامل جدید هسته‌زا و روش های پردازش با هدف افزایش بیشتر خواص β-PP، آن را برای کاربردهای بیشتر در صنایعی مانند خودروسازی، بسته‌بندی و محصولات مصرفی مناسب می‌سازد.

6. جمع بندی

افزودن عوامل هسته زای β ابزاری قدرتمند برای بهبود خواص پلی پروپیلن از طریق افزایش کریستال های بتا در ساختار این پلیمر است. با ترویج تشکیل فاز β، برخی از خواص مکانیکی PP مثل چقرمگی و مقاومت در برابر حرارت افزایش میابد. این امر باعث می شود که پلی پروپیلن بتا برای کاربردهای مختلف،انتخابی ارجح باشد.

References:

[1] https://www.mdpi.com/2073-4360/15/14/3107
[2] https://polymer-additives.specialchem.com/selection-guide/nucleating-agents-selection-for-polypropylene
[3] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0141391007002261
[4] https://www.ulprospector.com/knowledge/1916/pe-%CE%B2-nucleating-agents-polypropylene/
[5] https://www.mdpi.com/2073-4360/16/12/1710
[6] https://www.researchgate.net/publication/251153001_Nucleating_Agents_in_Polypropylene
[7]https://www.researchgate.net/publication/276169039_Effect_of_nucleating_agent_on_the_crystallization_behavior_crystal_form_and_  solar_reflectance_of_polypropylene
[8] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.1c00064

گرداورنده: زهرا دوات گری

ویرایش شده توسط: دکتر مهرناز بهادری، مائده پیرغریب نواز