آنتی اکسیدانها
چکیده
این مقاله به بررسی کاربرد آنتی اکسیدانها به عنوان افزودنی در پلیمرها برای افزایش دوام و عملکرد آنها میپردازد. پلیمرها به دلیل خواص چندمنظوره خود به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرند، اما در صورت قرار گرفتن در معرض عوامل محیطی مانند گرما، نور و اکسیژن مستعد تخریب هستند. ترکیب آنتی اکسیدانها در فرمولهای پلیمری میتواند به طور موثری واکنشهای اکسیداسیون را مهار کند و از فرآیند بریدگی زنجیره جلوگیری کند و در نتیجه طول عمر مواد را افزایش دهد.
کلیدواژه: آنتی اکسیدان، مواد افزودنی، پلیمر
مقدمه
پلیمرها به دلیل خواص متنوع خود به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. با این حال، قرار گرفتن در معرض عوامل محیطی مختلف مانند گرما، نور و اکسیژن میتواند باعث تخریب اکسیداتیو پلیمرها شود و این مسئله منجر به کاهش عملکرد و طول عمر کوتاهتر پلیمرها خواهد شد (شکل 1). اکسیداسیون یکی از عوامل تخریب بسیاری از پلیمرها و پلاستیکها، چه در حین فرایند تولید و چه در طول چرخهی مصرف محصول نهایی میباشد. در نتیجه، امروزه تولیدکنندگان محصولات پلیمری باید از افزودنیهای پلیمری آنتی اکسیدان در راستای ارتقای کیفیت محصول خود و همچنین جلوگیری از اکسیداسیون و تخریب محصولات نهایی خود استفاده نمایند. در نتیجه آنتی اکسیدانها افزودنیهای موثری هستند که برای مهار و یا به تأخیر انداختن چنین فرآیندهای تخریبی در پلیمرها، هر ساله به مقدار بسیار زیادی مورد مصرف صنایع مختلف قرار میگیرند. این گزارش مروری بر آنتی اکسیدانهای مورد استفاده در پلیمرها، از جمله تعریف، خواص، کاربردها، و نتیجه گیری است که خلاصهای از اهمیت آنها را ارائه خواهد داد.
تعریف آنتی اکسیدانها در پلیمرها
آنتی اکسیدانها موادی هستند که با قطع کردن واکنشهای زنجیرهای آغاز شده توسط رادیکالهای آزاد از واکنشهای اکسیداسیون جلوگیری کرده و یا آنها را به تأخیر میاندازند. در پلیمرها، آنتی اکسیدانها از تخریب اکسیداتیو ناشی از حضور رادیکالهای آزاد جلوگیری میکنند چرا که حضور رادیکالهای آزاد و انجام واکنشهای رادیکالی میتواند منجر به شکستن زنجیرههای پلیمری، تغییر رنگ، از دست دادن خواص مکانیکی و سایر اثرات مضر شود. سازوکار عمکلرد این دسته از مواد در شکل 2 نشان داده شده است.
خواص آنتی اکسیدانها
آنتی اکسیدانهای مورد استفاده در پلیمرها دارای خواص کلیدی هستند که به اثربخشی آنها کمک میکند. این خواص عبارتند از:
الف) پایداری حرارتی بالا: آنتی اکسیدانها باید در دماهای بالا در حین عملیات پردازش، پایدار باقی بمانند تا محافظت طولانی مدت از پلیمرها را فراهم آورند.
ب) فراریت کم: آنتی اکسیدانها باید حداقل فشار بخار را داشته باشند تا در طول پردازش و استفاده تبخیر نشوند.
ج) سازگاری: برای اطمینان از توزیع یکنواخت و عملکرد کارآمد باید با ماتریسهای پلیمری سازگار باشند.
د) اثرات هم افزایی: برخی از آنتی اکسیدانها هنگام استفاده در ترکیب با سایر افزودنیها، مانند تثبیت کنندهها یا جاذبهای UV، عملکرد بهتری از خود نشان میدهند.
انواع آنتی اکسیدانها
انواع مختلفی از آنتی اکسیدانها در کاربردهای مختلف پلیمری مورد استفاده قرار میگیرند، از جمله:
الف) آنتی اکسیدانهای اولیه:
این آنتی اکسیدانها با انتقال اتمهای هیدروژن به رادیکالهای آزاد به عنوان جاذب رادیکال عمل کرده و در نتیجه واکنش زنجیرهای اکسیداسیون را خاتمه میدهند. به عنوان مثال میتوان به برخی از ساختارهای فنلی با گروههای عاملی دارای ممانعت فضایی بالا (به عنوان مثال، Irganox 1010 که در شکل 3 ساختار موکلولی آن آورده شده است) و برخی تثبیتکنندههای نوری آمینی با ممانعت فضایی بالا (Hindered amine light stabilizers, HALS) اشاره کرد. البته ذکر این نکته لازم است که استفاده از آنتی اکسیدانهای آمینی بر روی رنگ محصول نهایی اثرگذار بوده و استفاده از آنها در بسیاری از کاربردها با محدودیت روبهرو است.
ب) آنتی اکسیدانهای ثانویه:
این آنتی اکسیدانها سبب تجزیه پراکسیدهای تشکیل شده در طی فرآیند اکسیداسیون میشوند. آنتی اکسیدانهای ثانویه رایج که دارای گروههای فسفیت یا فسفونیت و یا ترکیبات حاوی گوگرد آلی و دی تیوفسفوناتها هستند، به طور گسترده در این زمینه استفاده میشوند. برخی دیگر از آنتی اکسیدانهای ثانویه رایج عبارتند از تیواسترها مانند دیلاوریل تیودی پروپیونات (Dilauryl thiodipropionate, DLTDP)، دی استئاریل تیودی پروپیونات (Distearyl thiodipropionate, DSTDP) و برخی از فسفیتها (به عنوان مثال Irgafos 168 که ساختار مولکولی آن در شکل 4 نشان داده شده است). لازم به ذکر است که فسفیتها به همراه آنتی اکسیدانهای اولیهی فنلی خاصیت هم افزایی از خود به نمایش میگذارند. آنتی اکسیدانهای فنلی و ترکیبات فنلی فسفیت، محافظت عالی در برابر تخریب ترمو اکسیداتیو و تغییر رنگ پلیمرها ارائه میدهند.
انتخاب آنتی اکسیدان مناسب به چه عواملی بستگی دارد؟
انتخاب آنتی اکسیدانها به عوامل مختلفی از جمله:
1) نوع پلیمر پایه،
2) دمای اکستروژن،
3) و اهداف عملکردی برای کاربرد محصول نهایی، بستگی دارد.
به عنوان مثال، برای محصولات بستهبندی بهتر است از آنتی اکسیدانهای ثانویه نظیر آنتی اکسیدان ۱۶۸ استفاده شود. چرا که اکسیداسیون آنها عمدتاً در طول فرآیند تولید رخ میدهد. در حالی که، برای محصولات پلاستیکی مورداستفاده در فضای آزاد باید از ترکیب آنتی اکسیدان ۱۰۱۰ و آنتی اکسیدان ۱۶۸ استفاده شود، چرا که اکسیداسیون برای این گونه محصولات هم در فرآیند تولید و هم در طول چرخه مصرف میتواند رخ دهد.
همچنین آنتی اکسیدانهای اضافه شده در فیلمهای کشاورزی برای بهبود پایداری حرارتی، جلوگیری از تغییر رنگ و حفظ شفافیت مورد استفاده قرار میگیرند. استفاده از آنتی اکسیدانهای مناسب در لولهها نیز حائز اهمیت است چرا که این محصولات در فضای باز و به مدت طولانی در معرض عوامل محیطی خارجی قرار میگیرند که این امر منجر به اکسیداسیون آنها میشود.
کاربرد آنتی اکسیدانها در صنعت پلیمر و سایر صنایع
همانطور که پیشتر نیز اشاره شد آنتی اکسیدانها کاربردهای گستردهای در انواع محصولات پلیمری مختلف دارند، شکل 5 برخی از این کاربردها را به نمایش میگذارد:
در ادامه به صورت مختصر، موارد استفاده از آنتی اکسیدانها در پلیمرهای مختلف آورده شده است:
الف) پلی الفینها: آنتی اکسیدانها در پلی اتیلن (PE) و پلی پروپیلن (PP) برای جلوگیری از تخریب ناشی از گرما، نور و پردازش، مورد استفاده قرار میگیرند.
ب) پلی استایرن(PS) و ABS: آنتی اکسیدانها از این پلیمرها در برابر تغییر رنگ، شکنندگی و از دست دادن خواص مکانیکی در طول پردازش و استفاده طولانی مدت محافظت میکنند.
ج) پلی وینیل کلراید: (PVC)آنتی اکسیدانها پایداری و یکپارچگی محصولات PVC را در معرض گرما، تابش UV و محیطهای اکسیداتیو تضمین میکنند.
د) لاستیک: آنتی اکسیدانها در لاستیکها و همچنین به منظور مهر و موم کردن، برای جلوگیری از پیری، ترک خوردن و تخریب محصولات، مورد استفاده قرار میگیرند.
همچنین در صنعت نساجی، مستربچهای آنتی اکسیدانی برای محافظت از الیاف و پارچهها از آسیبهای اکسیداتیو استفاده میشوند. این مسئله به جلوگیری از تغییر رنگ، کاهش قدرت و زوال ناشی از قرار گرفتن در معرض نور، گرما و عوامل محیطی کمک میکند. مستربچهای آنتی اکسیدان معمولا در تولید الیاف مصنوعی، نخ و منسوجات، به وفور استفاده میشود.
علاوه بر آن مستربچهای آنتی اکسیدان در لوازم آرایشی و محصولات مراقبت شخصی برای جلوگیری از تخریب اکسیداتیو و حفظ ثبات محصول کاربرد دارد. این مسئله به محافظت از فرمولهای حاوی روغنها، چربیها و سایر مواد آسیبپذیر در برابر اکسیداسیون کمک کرده و منجر به ماندگاری طولانیتر و کارایی بیشتر محصولات خواهد شد.
نتیجهگیری
آنتی اکسیدانها با کاهش تخریب اکسیداتیو نقشی حیاتی در حفظ یکپارچگی و عملکرد پلیمرها دارند. این دسته از مواد، با قطع واکنشهای زنجیرهای اکسیداسیون و از بین بردن رادیکالهای آزاد، طول عمر محصول را افزایش داده و خواص پلیمرها را حفظ میکنند. پایداری حرارتی بالا، فراریت کم و سازگاری با ماتریسهای پلیمری، آنها را به افزودنیهای ضروری در کاربردهای متعدد تبدیل میکند. انتخاب مناسب نوع آنتی اکسیدان و غلظت مناسب برای هر سیستم پلیمری، با در نظر گرفتن شرایط پردازش و استفادههای خاص، برای عملکرد بهینه و طول عمر محصول نهایی بسیار حائز اهمیت است.
گردآورنده: زهرا دواتگری
ویرایش: دکتر مهرناز بهادری
منابع
1. Albertsson, A. C. (1998). Degradation and stabilization of polymers. In Polymer degradationand stability (Vol. 59, No. 1-3, pp. 199-207). Elsevier.
2. Bikiaris, D., & Docoslis, A. (Eds.). (2018). Polymer degradation and performance. CRC Press.
3. Sbirrazzuoli, N., & Long, Y. (2019). Antioxidants in polymers: Mechanisms and applications. Polymers, 11(7), 1135.
4. Kamal, M. R., & Ismail, A. H. (2012). Handbook of polymer nanocomposites. Processing, performance and application: volume C: polymer nanocomposites of cellulose nanoparticles. World Scientific.
5. Rao, P. V. (2005). Polymer blends and composites: Chemistry and technology. Springer Science & Business Media.
6. Pospíšil, J. (2016). Radical scavengers for polymers. Polymer Degradation and Stability, 132, 79-85.
7. Gijsman, P. (2000). Polymer stabilisation and degradation. Springer Science & Business Media.
8. Pospíšil, J., & Chodák, I. (2019). Antioxidants in polymers: An overview of principles and applications. In: Antioxidants in Foods and Its Applications. IntechOpen.
9. Jacob, M. (2013). Antioxidants: A review. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 5(3), 271-278.
10. Sathyanarayana, D. N. (2019). Antioxidants in polymers. In Handbook of Antioxidants for Food Preservation (pp. 243-257). Elsevier