روش هایی ساده برای شناسایی پلاستیک ها – قسمت اول

به گزارش صنایع پلاستیک، از امروز شروع به انتشار بخش به بخش کتاب ارزشمند «روش های ساده برای شناسایی پلاستیک ها» می نماییم. این کتاب، یکی از تالیفات فنی مهندس احمدعلی ساعت نیاست، و همانطور که در تلگرام ماهنامه صنایع پلاستیک به اطلاع رساندیم مجوز نشر آن به صورت بخش به بخش را، از ایشان در فضای مجازی دریافت نموده ایم، علت هم تعدد درخواست ها برای در اختیار قرار دادن این کتاب یا سایر مکتوبات فنی ایشان نظیر کتاب “رفع غیب قطعات تزریق پلاستیک” و …. می باشد.

مطالعه این کتاب برای دانشجویان مبتدی صنعت پلیمر تا کاربران حرفه ای و تجربی این صنعت، می تواند حائز نکات نو و تازه ای باشد که هیچ کجای دیگر مشابه آنرا نخواهند یافت. انشالله اگر عمری باشد، قصد داریم این کتاب الکترونیکی را هم در انتهای این سلسله مقالات در قالب فایلی پی دی اف و به صورت یک جا تقدیم خوانندگان و همراهان گرامی نماییم. پر واضح است که تمام سعی ما اینست که هر بخش، با توجه به مضمون آن، از بخش دیگر جدا شده و هر قسمت انسجام محتوا داشته باشد.  در این بخش، به «شکل ظاهری پلیمرها» و «کلیات» آن می پردازیم. با تشکر از مهندس ساعت نیا که این مهم را با در اختیار قرار دادن مجوز نشر الکترونیکی این کتاب میسر ساختند.

روش های ساده برای شناسایی پلاستیک ها

شکل ظاهری پلیمرها
کلیات

پلاستیک ها مواد آلی با وزن مولکولی زیاد هستند و به طور معمول با استفاده از مواد ساده با وزن مولکولی کم و به صورت مصنوعی ساخته می شوند. این مواد را همچنین می توان از طریق اصلاحات و ایجاد تغییرات شیمیایی در ساختمان مواد طبیعی که دارای وزن مولکولی زیاد هستند ( به ویژه سلولز) به دست آورد. مواد خام مورد نیاز برای تولید پلاستیک ها اغلب نفت، گاز و ذغال سنگ هستند. این موا را می توان با آب، هوا و یا کلرور سدیم ترکیب نمود و از آن منومرهای فعال را برای ساختن پلیمر اصلی، به وجود آورد.

مهمترین روش فرآیند سنتز صنعتی برای تولید پلاستیک ها از منومرها را می توان بر اساس ساز و کار (مکانیسم) واکنش های تشکیل پلیمرها، طبقه بندی نمود؛ مثل واکنش های پلیمری شدن رادیکالی و پلیمری شدن تراکمی. بنابراین، از آنجا که امکان تولید چندین نوع از ماده پلاستیک که از نظر شیمیایی با هم یکسان هستند از طریق چندین روش گوناگون و از مواد خام اولیه مختلف وجود دارد، لذا این نوع طبقه بندی برای تجزیه و تحلیل و شناسایی نمونه های نامعلوم پلاستیک، مفهومی محدود پیدا می کند. از سوی دیگر، علاوه بر بررسی های شیمیایی، شکل ظاهری پلاستیک ها و همچنین رفتار آنها در برابر گرما، اطلاعاتی مفید را برای شناسایی آنها به دست می دهد.

همانند تاثیر متقابل میان مولکول ها در مواد با وزن مولکولی کم، مابین هر یک از ماکرومولکول هایی هم که مواد پلاستیک را تشکیل می دهند، تاثیرات فیزیکی متقابل وجود دارد.این اثرات فیزیکی متقابل در ساختار پلاستیک ها، در واقع عامل چسبندگی بین مولکولی و همچنین ویژگی های وابسته به این خاصیت مثل استحکام، سختی و رفتار نرم شدن (در دمای بالا) آن ها می باشد. پلاستیک ها از مولکول هایی تقریبا خطی و شبیه نخ (۱) و یا ماکرومولکول هایی که دارای اتصالات شبکه ای زیاد نیستند، تشکیل شده اند. به طور معمول در برابر گرما، نرم شده و در بسیاری از موارد ذوب(۲) می شوند. بنابراین، هنگامی که یک ماده پلیمری تا بالاتر از دمایی مشخص گرم می شود، ماکرومولکول هایی که آن ماده را تشکیل داده اند و حرکت آن ها در دمای پایین محدودست، شروع می کنند بر روی یکدیگر حرکت کردن. به این حالت که موجب تشکیل مذابی با گرانروی (ویسکوزیته) بالا می گردد، حالت ذوب پلیمری گفته می شود.

هنگامی که همین ماکرومولکول ها به حالت جامد (سرد شده) در می آیند، به نسبت میزان نظم یا بی نظمی در نحوه قرار گرفتن آن ها در کنار یکدیگر، می توان دوحالت نیمه کریستالی یا کاملا بی شکل (آمورف) را تشخیص داد. (شکل ۱/۱) میزان نظم وصف آرایی منظم ماکرومولکول ها در کنار یکدیگر – که به آن حالت کریستالی پلاستیک ها گفته می شود – تاثیری قابل توجه بر رفتار ماده پلاستیک در برابر دما و حلالیت آن دارد.

به پلاستیک هایی که در برابر گرما، نرم شده و شروع به سیلان می کنند، پلاستیک های گرمانرم (ترموپلاستیک – Thermoplastic ) گفته می شود. این نوع پلاستیک ها پس از سرد شدن مجددا به حالت جامد در می آیند و این فرآیند (گرم و سرد شدن) می تواند به دفعات اتفاق افتد. البته چندین مورد استثنایی هم در این رابطه وجود دارد. مثلا هنگامی که پایداری شیمیایی (۳) یک ماده پلاستیک از میزان چسبندگی بین ماکرومولکول های آن کمتر باشد، در این صورت چنین ماده ای تحت گرما به جای نرم شدن و ذوب شدن، دچار تغییرات اساسی می گردد.

به جز چند مورد استثنایی، یکی دیگر از علائمی که می تواند معرف خطی بودن یا شبکه ای بودن ماکرومولکول ها باشد، میزان حلالیت آن ها در حلال های آلی است. این فرآیند (یعنی حلالیت) بر میزان جاذبه بین ماکرومولکول ها نیز تاثیر می گذارد؛ به این صورت که مولکول های حلال در حد فاصل زنجیره های مولکولی قرار می گیرند.

در مقایسه با مواد گرمانرم، گروهی مواد هم وجود دارند که به آن گرماسخت (ترموست – Thermoset ) گفته می شود. خاصیت این مواد آن است که پس از فرآیند و تبدیل به حالت نهایی، شبکه های عرضی متعدد و پیچیده ای از ماکرومولکول ها را تشکیل می دهند که نمی توان آن ها را ذوب یا حل نمود. ]حال آنکه، ماده اولیه این پلاستیک قابل ذوب و حل شدنی است.[
ایجاد شبکه های عرضی در این گونه مواد به وسیله گرما و تحت فشار و یا بدون فشار صورت می پذیرد. همچنین می توان آن ها را با استفاده از مواد افزودنی و تحت شرایط قالب گیری به مواد گرما سخت تبدیل کرد، که در هر حال نتیجه آن، ایجاد موادی است که ساختمان آن ها از شبکه های سه بعدی ماکرومولکول هایی که به یکدیگر متصل شده و وزن مولکولی زیادی دارند، تشکیل شده است. این ماکرومولکول های عظیم را می توان از طریق شکست شیمیایی شبکه ها به قطعاتی کوچک تر که قابلیت ذوب و حل شدن دارند، تبدیل نمود.

شکستن شبکه های متقاطع ماکرومولکول ها به وسیله استفاده از مواد شیمیایی معین و یا در دمای زیاد رخ می دهد. گرما سخت ها اغلب حاوی پرکننده هایی هستند که به صورت جدی بر شکل ظاهری و ویژگی آن ها تاثیر می گذارند.
و سرانجام، از طریق شکل ظاهری فیزیکی، ما می توانیم مواد پلیمری الاستومر – Elastomer را تشخیص دهیم. این گروه، موادی کائوچو مانند هستند که به دلیل وجود اتصالهای نسبتا ضعیف در ساختارشان، از ویژگی الاستیک قابل برگشت برخوردارند. ایجاد اتصالات عرضی (شبکه ای شدن) در موادی مثل کائوچوی طبیعی یا مصنوعی (سنتزی) به هنگام قالب گیری و طی فرآیندی ا عنوان ولکانیزه شدن (۴)، رخ می دهد. وجود ساختاری با اتصالات عرضی، موجب می شود که الاستومرها تا دمایی نزدیک به دمای تجزیه شان ذوب نشوند و به همین جهت رفتار آن ها با بسیاری دیگر از گرمانرم های الاستیک مثل پی وی سی نرم، متفاوت است.

مهمترین ویژگی این سه گروه از مواد پلیمری در بخش ۱/۲ مورد اشاره قرار گرفته است و با توجه به این ویژگی می توان گفت که علاوه بر خاصیت الاستیک، مس توان از خاصیت های دیگر این مواد مثل رفتار آن ها در برابر گرما، چگالی و حلالیت نیز در تشخیص و شناسایی آنها بهره گرفت. معذلک باید توجه داشت که کاربرد و وجود گروهی دیگر از مواد شاده شیمیایی مثل پرکننده ها، رنگدانه ها و یا عوامل تقویت کننده نظیر دوده سیاه یا الیاف شیشه { که به آن ها مواد افزودنی گفته می شود و استفاده از آن ها در تولید مصنوعات پلاستیک امری رایج است.} موجب بروز انحراف های قابل توجه در انی ویژگی ها می شود. بنابراین این امکان وجود ندارد که همواره بتوانیم بر اساس این الگوها، مواد پلاستیک را شناسایی کنیم و به همین دلیل روش هایی دیگر را نیز بایستی به کار بگیریم.

به عنوان مثال چگالی هایی که در توضیحات بخش بعدی آورده شده اند، فقط اعدادی تخمینی برای برخی از مواد جامد هستند و از روی نمونه، در حالی که اسنفج ها دارای چگالی تقریبی ۰.۱ گرم بر سانتی متر مکعب () و یا کمتر هستند، چگالی اسفنج های ساختاری که دارای پوشته ای غیر اسفنجی و مغزی متخلخل می باشند، بین ۰.۲ تا ۰.۹ گرم بر سانتی متر مکعب متغییر است و اغلب نمی توان از روی شکل خارجی، آن ها را به عنوان اسفنج شناسایی کرد.

با توجه به اینکه صنایع پلاستیک امروز جهان توانایی آن را دارند تا که با استفاده از روش های کوپلیمری کردن یا اصلاح شیمیایی، ترکیب های زیادی از ویژگی ها را برای مواد { و در نتیجه کاربردهای } مورد نیاز خود به دست آورند، لذا شناسایی پلاستیک های مربوطه بسیار دشوار می شود و به همین جهت این امکان وجود ندارد، که بتوانیم در اینجا ویژگی های تمام گروه های مواد پلاستیک را که زیر مجموعه های گروه های اصلی هستند، مورد بحث و بررسی قرار دهیم. بنابراین، استفاده از شکل ظاهری فیزیکی مواد و طبقه بندی آن ها به صورت گرمانرم، گرما سخت و الاستومرها، این اجازه را به ما می دهد که بتوانیم در موارد ساده، ساختار شیمیایی یک ماده پلاستیک را تشخیص دهیم.

ساخت تعدادی قابل توجه از مخلوط ها و یا آلیاژهای پلیمری طی سال های اخیر برای تولید محصولاتی تازه که دارای ویژگی های متفاوت و شکل ظاهری دگرگون شده هستند، کار شناسایی آن ها را با استفاده از روش های ساده گرمایی مثل آزمایش شعله و یا تجزیه شیمیایی به گمک گرما (پیرولیز – Pyrolysis ) بسیار دشوار نموده است. همچنین استفاده از عدد PH محصولات بازمانده از تجزیه شیمیایی به کمک گرما و جداسازی و طبقه بندی مواد در گروه های مختلف بر این اساس (بر اساس PH)، نمی تواند به ما اجازه دهد که بتوانیم در شناسایی مواد پلاستیک به نتایج قطعی برسیم. در برخی موارد، اگر اجزای تشکیل دهنده یک مخلوط پلیمری دارای حلالیت های مختلف باشند، این امکان وجود دارد که بتوانیم ابتدا آن ها را جداسازی کرده و سپس هر یک از اجزا را شنسایی نماییم. معذلک در همین رابطه هم امکان توصیه یک روش کاربردی عمومی برای جداسازی اجزای مخلوط یا آلیاژهای پلیمری و شناسایی آن ها وجود ندارد.

آزمایش و شناسایی مخلوط های پلی آمید و پلی اولفین ها نسبتا ساده است، زیر جز پلی آمید را می توان به وسیله آبکافت (هیدرولیز – Hydrolysis) اسیدی تجزیه کرد، و آن را به اجزای با وزن مولکولی کم تبدیل نمود و سپس بر اساس روش های شناسایی منحصر به پلی آمید، آن ها را شناسایی کرد.  جدول ۱/۱، فهرست مهمترین آلیاژهای پلیمری را همراه با اسامی تجاری و تولیدکنندگان آن ها نشان می دهد.

گرچه ساختمان شیمیایی الیاف مصنوعی و الاستومرهای مصنوعی همانند پلاستیک هاست، اما نمی توان آن ها را در گروه اخیر طبقه بندی کرد. بنابراین روش شناسایی آن ها در این کتاب، منحصر به مواردی است که این مواد به صورت پلاستیک مورد ارزیابی قرار می گیرند. به طور مثال پلی کاپرولاکتام (نایلون ۶) کههم برای تولید الیاف و هم برای تولید قطعات قالب گیری شده مورد استفاده قرار می گیرد.

پانوشت ها:

۱-طول مولکول ها نزدیک چندین صدنانو متر و قطر آن ها چند دهم نانومتر است.

۲- ذوب، حالتی است که در مورد عناصر با وزن مولکولی کم، مثل مواد ساده شیمیایی، صادق است و مفهوم دارد، اما در مورد پلاستیک ها به حالت نهایی نرم شدگی آن ها در حداکثر دمایی که می توانند تحمل کنند، اطلاق می گردد.

۳-این معیار را می توان به وسیله دمایی که تجزیه شیمیایی ماده در آن محدوده اتفاق می افتد؛ توضیح داد.

۴- ولکانیزه شدن یا Vulcanization عبارت است از فرآیند پخت کائوچو به وسیله گوگرد. در این واکنش اتم گوگرد مثل یک پل میان ماکرومولکول های الاستیک (کشسان) کائوچو قرار گرفته و شبکه های عرضی و اتصالات برگشت ناپذیر را در کل ساختار آن به وجود می آورد.