روش تولید پلاستیک
پلاستیک ماده ای مصنوعی با وزن مولکولی بالا است. تولید پلاستیک ریشه در مواد نفتی دارد. اما امروزه شرایطی به وجود آمده است که مونومرهای این مواد می توانند به وسیله مواد خام سلولزی تولید شوند. خاصیت تجدید شوندگی مواد خام سلولزی سبب برتری یافتن آنها نسبت به مواد بر پایه نفت شده است. پلاستیک از کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد و کلر تشکیل شده است اما اساس ترکیب آنها به غیر از سیلیکون ها بر پایه کربن است.
تولید پلاستیک در دو مرحله اصلی که آنها را پلیمریزاسیون و پلی کندسانساسیون مینامند انجام میشود.
مرحله اول: پلیمریزاسیون
در این مرحله، مونومرهای کوچک با یکدیگر واکنش داده و زنجیرههای بزرگی از مولکولها را تشکیل میدهند. مونومرها واحدهای تکرار شونده در پلاستیک هستند و از مواد مختلفی مانند نفت خام، گاز طبیعی، زغال سنگ و مواد گیاهی مانند نشاسته و چربی تشکیل میشوند.
دو نوع اصلی پلیمریزاسیون وجود دارد:
- پلیمریزاسیون افزایشی: در این نوع پلیمریزاسیون، یک مونومر به مونومر دیگر اضافه میشود و این روند تا تشکیل زنجیرههای بلند ادامه مییابد.
- پلیمریزاسیون تراکمی: در این نوع پلیمریزاسیون، دو مونومر با یکدیگر واکنش داده و یک محصول جانبی مانند آب تولید میشود.
مرحله دوم: شکل دهی
پس از تشکیل پلیمر، آن را باید به شکل مورد نظر درآورد. این کار با استفاده از روشهای مختلفی مانند قالب گیری تزریقی، اکستروژن و وکیوم فرمینگ انجام میشود.
ترکیب پلیمرها واحد های تکرار شونده مونومرها است. پلیمر انواع مختلفی دارد که یک نمونه آن پلیمر گرماسخت یا ترموست است که در آن اتصالات کربن در چند بعد شکل می گیرد و بعد از حرارت دادن به صورت غیر قابل برگشت سخت می شود. این نوع از پلیمر ها در تخته لایه، چسب ها و … کاربرد دارند. نوع دیگر پلیمر ها گرمانرم یا ترموپلاستیک است که نقطه آغاز آن تشکیل مولکول های کوچک کربن است و در اثر گرما به راحتی نرم و بر اثر خنک شدن سخت می شوند.
پلیمر ها گرمانرم یا ترموپلاستیک چیست؟
پلیمرهای گرمانرم یا ترموپلاستیک، پلیمرهایی هستند که با افزایش دما نرم میشوند و میتوانند به شکلهای مختلفی شکل داده شوند. این پلیمرها را میتوان به دفعات ذوب و دوباره جامد نمود بدون آنکه تغییر شیمیایی در آنها ایجاد شود.
پلیمرهای گرمانرم از مونومرهای تکرار شونده تشکیل شدهاند که با پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شدهاند. این پیوندها میتوانند با افزایش دما شکسته شوند و پلیمر را نرم کنند.
پلیمرهای گرمانرم کاربردهای زیادی دارند. از آنها در تولید ظروف پلاستیکی، فیلمها، بستهبندیها، اسباب بازیها، قطعات خودرو و بسیاری از محصولات دیگر استفاده میشود.
برخی از انواع پلیمرهای گرمانرم عبارتند از:
- پلی اتیلن (PE)
- پلی پروپیلن (PP)
- پلی استایرن (PS)
- پلی وینیل کلراید (PVC)
- پلی اتیلن ترفتالات (PET)
برای پلیمر شدن مونومر ها در پلاستیک دو نوع واکنش پلیمریزاسیون رخ می دهد.
واکنش افزایشی با اضافه کردن نوعی کاتالیزور برای سرعت بخشیدن به واکنش، آغاز می شود که غالبا پراکسید هیدروژن مورد استفاده قرار می گیرد. در واکنش افزایشی اولین مونومر به مونومر بعدی اضافه می شود و این روند تا تشکیل پلیمر ادامه می یابد. این نوع از واکنش فاقد محصولات جانبی است.
نوع دوم واکنش، واکنش تراکمی است. در این نوع واکنش با افزودن کاتالیزور مونومر با مونومرهای مجاور خود واکنش می دهد که سبب تولید دو مونومر به علاوه محصول جانبی می شود. در این واکنش برای رسیدن به محصول اصلی باید مواد اضافی که غالبا آب است جدا شود.
همچنین پلیمر های تشکیل شده در دو دسته هموپلیمر و کوپلیمر قرار می گیرند. مونومرهای تشکیل دهنده هموپلیمر یکسان هستند اما در کوپلیمر مونومرهای یکسانی وجود ندارد. این تفاوت در ترکیبات سبب به وجود آمدن محصولات متفاوت با کاربرد متفاوت شده است. به طور مثال پلاستیک هایی که در پوشش مواد غذایی مانند کچاپ استفاده می شود با نوع استفاده شده آن در مواد سفید کننده که ترکیبات شیمیایی دارد متفاوت است و این دو نیز با پوشش پلاستیکی مقاوم خودرو تفاوت دارند.
بررسی ساختار پلیمر پلاستیک
بررسی ساختار پلیمر پلاستیک
ساختار پلیمر پلاستیک را میتوان به دو بخش اصلی تقسیم کرد:
- واحد تکرار شونده: واحد تکرار شونده کوچکترین واحد تشکیل دهنده پلیمر است. این واحد از یک یا چند اتم تشکیل شده است.
- طول زنجیره: طول زنجیره تعداد واحد تکرار شونده در پلیمر است. طول زنجیره بر خواص فیزیکی و شیمیایی پلیمر تأثیر میگذارد.
واحد تکرار شونده
واحد تکرار شونده در پلیمر پلاستیک از یک یا چند اتم تشکیل شده است. این اتمها میتوانند از عناصر مختلفی مانند کربن، هیدروژن، اکسیژن، کلر، فلوئور، ازت، سیلیکون، فسفر و گوگرد تشکیل شوند.
در پلیمرهای مصنوعی، واحد تکرار شونده معمولاً از مونومر تشکیل شده است. مونومر یک مولکول کوچک است که میتواند با سایر مونومرها واکنش داده و پلیمر را تشکیل دهد.
طول زنجیره
طول زنجیره تعداد واحد تکرار شونده در پلیمر است. طول زنجیره بر خواص فیزیکی و شیمیایی پلیمر تأثیر میگذارد.
پلیمرهای با طول زنجیره کوتاه معمولاً انعطاف پذیرتر از پلیمرهای با طول زنجیره بلند هستند. پلیمرهای با طول زنجیره بلند معمولاً قویتر و بادوامتر از پلیمرهای با طول زنجیره کوتاه هستند.
انواع ساختارهای پلیمر
پلیمرها را میتوان بر اساس ساختار زنجیره به دستههای مختلفی تقسیم کرد. برخی از انواع ساختارهای پلیمر عبارتند از:
- خطی: در این نوع ساختار، زنجیرههای پلیمری به صورت خطی و مستقیم قرار گرفتهاند.
- انشعابه: در این نوع ساختار، زنجیرههای پلیمری به صورت شاخهای قرار گرفتهاند.
- شبکهای: در این نوع ساختار، زنجیرههای پلیمری به صورت شبکهای به یکدیگر متصل شدهاند.
اگر ساختار هموپلیمر و یا کوپلیمر از زنجیره طولانی پیوند کربن به کربور تشکیل شده باشند، ساختار آن را همگن می نامند، که پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی استایرن و … نمونه هایی از آن هستند. اما اگر در طول زنجیره اکسیژن یا نیتروژن روند فعالیت را متوقف کند یک ساختار ناهمگنی ایجاد می شود که پلی استر، نایلون و پلی کربنات نمونه ای از آن است.
در ساختار کربن سایر مواد ممکن است ترکیبات متفاوتی وجود داشته باشد. مثلا در پلی وینیل کلراید اتم کلر وجود دارد. همچنین پلیمرها می توانند به پلاستیک خاصیت کریستالی یا آمورف ببخشند که در سختی و کاربرد آنها اثر گذار است.
مواد افزودنی پلاستیک موادی هستند که به پلاستیک اضافه میشوند تا خواص آن را بهبود بخشند. مواد افزودنی پلاستیک میتوانند شامل موارد زیر باشند:
- رنگدانهها: رنگدانهها به پلاستیک رنگ میدهند.
- پرکنندهها: پرکنندهها به پلاستیک استحکام و وزن میدهند.
- روان کنندهها: روان کنندهها به پلاستیک جریانپذیری میدهند.
- ضد آتشها: ضد آتشها به پلاستیک مقاومت در برابر آتش میدهند.
- ضد UV: ضد UV به پلاستیک مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش میدهد.
- ضد باکتریها: ضد باکتریها به پلاستیک مقاومت در برابر رشد باکتریها میدهند.
- ضد اشتعالها: ضد اشتعالها به پلاستیک مقاومت در برابر آتش میدهند.
انواع مواد افزودنی پلاستیک
مواد افزودنی پلاستیک را میتوان بر اساس نوع کاربرد آنها به دستههای مختلفی تقسیم کرد. برخی از انواع مواد افزودنی پلاستیک عبارتند از:
- مواد افزودنی عملکردی: این مواد به بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی پلاستیک کمک میکنند. به عنوان مثال، روان کنندهها به پلاستیک جریانپذیری میدهند.
- مواد افزودنی تزئینی: این مواد به بهبود ظاهر پلاستیک کمک میکنند. به عنوان مثال، رنگدانهها به پلاستیک رنگ میدهند.
- مواد افزودنی محافظتی: این مواد به محافظت از پلاستیک در برابر عوامل محیطی کمک میکنند. به عنوان مثال، ضد آتشها به پلاستیک مقاومت در برابر آتش میدهند.
اهمیت مواد افزودنی پلاستیک
مواد افزودنی پلاستیک نقش مهمی در بهبود خواص پلاستیک دارند. آنها باعث میشوند که پلاستیکها برای طیف گستردهای از کاربردها مناسب شوند. به عنوان مثال، مواد افزودنی عملکردی باعث میشوند که پلاستیکها قویتر، انعطافپذیرتر و مقاومتر شوند. مواد افزودنی تزئینی باعث میشوند که پلاستیکها زیباتر شوند. مواد افزودنی محافظتی باعث میشوند که پلاستیکها در برابر عوامل محیطی مقاوم باشند.
آنتی اکسیدان، رنگ، روان کننده ها، عوامل فوم و … از مواد افزودنی است که به پلاستیک اضافه می شود. مواد افزودنی با هدف افزایش مقاومت فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی در زمان های مختلف به پلاستیک اضافه می شود. همچنین با استفاده از این مواد می توان اثرات تخریبی گرما، نور و باکتری را از بین برد.
پردازش و تولید پلاستیک فرآیندی است که طی آن پلیمر به شکلهای مختلف تبدیل میشود. این فرآیند شامل مراحل زیر است:
- تهیه مواد اولیه: اولین مرحله در فرآیند پردازش و تولید پلاستیک، تهیه مواد اولیه است. این مواد شامل پلیمر، مواد افزودنی و سایر مواد مورد نیاز برای تولید محصول نهایی هستند.
- پلیمریزاسیون: در این مرحله، مونومرها با یکدیگر واکنش داده و پلیمر را تشکیل میدهند. این فرآیند میتواند به دو روش پلیمریزاسیون افزایشی یا پلیمریزاسیون تراکمی انجام شود.
- اختلاط: در این مرحله، پلیمر با مواد افزودنی مخلوط میشود. این مخلوط به نام گرانول شناخته میشود.
- فرآیند شکلدهی: در این مرحله، گرانول به شکلهای مختلف شکل داده میشود. این فرآیند میتواند به روشهای مختلفی انجام شود، از جمله اکستروژن، تزریق، قالبگیری دمشی و قالبگیری فشاری.
روشهای مختلف پردازش و تولید پلاستیک
- اکستروژن: در این روش، گرانول از طریق یک اکسترودر گرم شده و به شکلهای مختلف مانند لوله، فیلم و ورق فشرده میشود.
- تزریق: در این روش، گرانول ذوب شده و تحت فشار به داخل یک قالب تزریق میشود. این قالب شکل محصول نهایی را تعیین میکند.
- قالبگیری دمشی: در این روش، گرانول ذوب شده در داخل یک قالب قرار میگیرد و سپس هوا به داخل قالب دمیده میشود. این کار باعث میشود که پلاستیک به شکل قالب درآید.
- قالبگیری فشاری: در این روش، گرانول ذوب شده در داخل یک قالب تحت فشار قرار میگیرد. این کار باعث میشود که پلاستیک به شکل قالب درآید.
جهت پردازش پلاستیک و تولید محصول نهایی از روش های متفاوتی استفاده می شود که از جمله آنها اکستروژن، Calendering، فیلم Blowing، ریخته گری تزریقی، ریخته گری ضربه، Expanded Bead Blowing، قالب گیری روتاری، قالب گیری فشرده، ریخته گری و Thermoforming اشاره کرد.