کامپوزیت های پلیمر بر پایه پی وی سی نرم شده

کامپوزیت های پلیمری بر پایه پی وی سی نرم و پودر پسماند لاستیک نیتریل ولکانیزه برای لوله های آبیاری

1. مقدمه

   بازیابی کارآمد پسماندهای حاصل از تولید کالاهای لاستیکی مکانیکی را می‌توان با مصرف آن‌ها در تولید مواد کامپوزیت الاستومر ترموپلاستیک بدست آورد. این کامپوزیت ها را میتوان به عنوان جایگزین مواد ترموپلاستیک استفاده کرد. چنین جایگزین هایی درحالیکه پسماندهای پلاستیکی صنعتی را بازیابی میکنند به خاطرصرفه جویی در مواد ترموپلاستیک هزینه های کمتری در بردارند. علاوه بر آن، تولید این نوع مواد،هیچ پسماندی ایجاد نمیکند زیرا بازیافت شده اند.

   مواد کامپوزیت بر پایه پودر لاستیک و ترموپلاستیک با مخلوط پرکننده کشسان پراکنده و ترموپلاستیک در مذابی با حرارت بالاتر از نقطه ذوب ماتریس ترموپلاستیک بر روی دستگاه اکسترودر- گرانولاتور تولید میشوند. این مواد با تکنیکی مشابه فراورش پلاستیک ها و ترکیبات لاستیکی ( فشار، تزریق، اکسترود شدن،…) فراورش/قالب گیری میشوند.

   این مقاله، فعالیت ما را برای تولید کامپوزیت های پلیمری بر پایه پی وی سی نرم و پودر پلاستیک از پسماند لاستیک نیتریل ولکانیزه (NBR) و تست خواص آنها نشان میدهد. و به تطبیق ویژگی های مواد با استانداردهای موادِ استفاده شده در لوله های آبیاری میپردازد.

   پلی وینیل کلراید (PVC) پلیمر چند منظوره ای است که به شکل انعطاف پذیر، نیمه سخت و سخت استفاده میشود. در تولید جهانی پلاستیک، پس از پلی اولفین در رتبه دوم قرار دارد. گسترش و مصرف سریع پی وی سی به دلیل هزینه کمتر، موجودیت بیشتر، خواص مکانیکی خوب، و تنوع خواص آن میباشد. (روان کننده پی وی سی)

   یک ترکیب مهم از لحاظ تجاری NBR و PVC  میباشد. NBR یک روانساز دائمی برای پی وی سی است و به طور همزمان اوزون،پیری حرارتی، و مقاومت شیمیایی NBR را بهبود میبخشد. حضور پی وی سی باعث بهبود مقاومت در برابر پیری NBR میشود، زیرا PVC و NBR هر دو قطبی هستند، و ترکیب NBR با PVC سازگاری را افزایش میدهد.

   با توجه به این مساله، کامپوزیت های بر پایه پی وی سی/پودر لاستیک NBR ولکانیزه برای بهبود خواص، نیاز به هیچ عامل سازگاری ندارند.

2. تجربی

   2.1. مواد

   مواد مورد استفاده برای به دست آمدن کامپوزیت های پلیمر بر پایه پلی وینیل کلراید نرم شده و پودر لاستیک نیتریل ولکانیزه به شرح زیر است:

   1. پی وی سی نرم تهیه شده از پی وی سی با عدد 64 K-wert ( رطوبت و فراریت 0.2 درصد، جذب روانساز DOP 100 درصد)، دی اکتیل فتالات (DOP) (دانسیته 984 g/cm³, pH 7 و خلوص  99.5 درصد)، پایدار کننده پی وی سی LGP 8008 (مقدار فسفیت سرب دواتمی 10-30 درصد، مقدار سولفات سرب سه بازی 30-60 درصد، مقدار استئارات سرب دو اتمی 10-30 درصد)، زینک استئارات ( مقدار روی 11 درصد، نقطه ذوب 127درجه سانتی گراد)، و آنتی اکسیدان Uvinul 5050H ( دانسیته 0.99 g/cm³، گستره دمای ذوب 95-125 درجه سانتی گراد، پایداری حرارتی بالاتر از 300 درجه سانتی گراد، pH 7)،
   2. پودر لاستیک نیتریل ولکانیزه که با صیقل دادن غلتک های فلزی هنگام اصلاح آنها به دست می آید.

   تست های شیمیایی انجام گرفت و نتایج در جدول 1 نشان داده شده است.

   

   جدول 1: خواص پودر لاستیک

   عدد استخراج استون (23.86 درصد)، گوگرد آزاد،تسریع کننده های پخت، آنتی اکسیدان ها، رزین ها، روانسازها، لوبریکانت ها، و مونومرهای موجود در الاستومرها را نشان میدهد. عدد خاکستر (19.61 درصد) حضور این فیلرها را به عنوان اکسیدهای فلزی (اکسید روی)، رسوب گچ، و دیگر فیلرهای غیرفعال نشان میدهد.عدد ماده نامحلول HCl (8.85 درصد)، پرکننده فعالی مانند رسوب سیلیکای موجود در ترکیبات لاستیک را نشان میدهد.

   2.1.1. تهیه کامپوزیت های پلیمر

   کامپوزیت های پلیمری در دو مرحله به دست آمدند: (1) روانسازی پی وی سی و (2) تهیه ترکیبات بر پایه پودر لاستیک نیتریل ولکانیزه و پی وی سی نرم

   • روانسازی پی وی سی با جذب روانساز DOP به پی وی سی انجام شد. این مخلوط در ظرف plasticorde PLV 330 برابندر با سرعت 70 rpm، در دمای 40 درجه سانتی گراد به مدت 10 دقیقه مخلوط شد.

   برای پایداری حرارتی خوب، پایدار کننده دما و آنتی اکسیدان ها طی زمان استفاده شدند. پی وی سی حاصل روی ورقی که بر روی غلتک آزمایشگاه از طریق الکتریکی گرم شده بود، آماده شد. ورق حاصل در مرحله بعد در تهیه مخلوط استفاده میشود.

   • تهیه کامپوزیت های پلیمری آزمایشی بر پایه پی وی سی نرم شده و پودر لاستیک NBR بر روی آسیاب غلتکی داغ شده.

   متغیرهای فرآیند به شرح زیر هستند: دما: 140-170 درجه، ضریب اصطکاک: 1:1.24. توالی افزودن عناصر: پی وی سی نرم  (7-15’)، پودر لاستیک (5-10’) ، همسان سازی و حذف از آسیاب غلتکی (3-5’).

   جدول 2 دستورالعمل مخلوط روانسازی پودر لاستیک NBR/PVC را نشان میدهد.

   

   جدول 2: فرمولاسیون کامپوزیت های پلیمری بر پایه پودر لاستیک بر پایه پی وی سی نرم / پودر لاستیک NBR ولکانیزه

   کامپوزیت های پلیمر حاصل در دستگاه اکسترودر-گرانولاتور(دانه ساز) آزمایشگاهی مجهز به سیستم گرمایشی (160-175 درجه) در سه مرحله ی دستگاه گرانول سازی، چاقو ها و سیستم خنک کننده دانه دانه شدند.

   نمونه های آزمایش مورد نظر برای خواص مخلوط توسط قالبگیری فشاری آماده شدند. این نمونه ها در ورقه های 2×150×150 mm روی پرس جوش در دمای 160 درجه و فشار 150 MPa  به مدت 10 دقیقه و با تزریق در دو قالب خوشه ای با استفاده از یک وسیله تزریق در دمای 165 درجه و 2’ زمان خنک سازی تهیه شدند. نمونه های قالب گیری شده دور از نور، و در دمای اتاق نگه داشته شدند.

   2.1.2. تست های آزمایشگاه

   خواص مکانیکی نمونه ها با آزماینده کششی Schopper با سرعت عبور 460 mm/min اندازه گیری شد. مدول در کرنش 100%، استحکام کششی، و تست های نقطه شکست طبق شرایط ISO 37/2012 روی نمونه های دمبل شکل نوع 2 انجام شد (دقت و احتمال تست، ±0.64 برای استحکام کششی و 2.95± برای نقطه شکست بود).

   آزمایش‌های مقاومت در برابر پارگی با استفاده از قطعات آزمایشی زاویه‌ای نوع (II) مطابق با SR EN  12771/2003  انجام شد. سختی مواد با مقیاس شور A با نمونه هایی به ضخامت 6 mm با استفاده از سختی سنج طبق ISO 7619-1/2011 اندازه گیری شد ( دقت و احتمال تست 0.05± بود).

   انعطاف پذیری با دستگاه تست Schob با نمونه ای به ضخامت 6mm طبق ISO 4662/2009 ارزیابی شد. کشیدگی باقیمانده، کشیدگی نمونه ی اندازه گیری شده یک دقیقه قبل از پارگی در تست کششی است. که با فرمول زیر محاسبه میشود:

   

   در این فرمول L₀ طول اولیه میان دو نشان و L طول میان نشان ها یک دقیقه پس از شکست نمونه در تست کششی است.

   سنجش پیری تسریع شده طبق استاندارد ISO 188/2007 با روش آون چرخش هوای داغ انجام شد. نمونه های مشابه با نمونه های مورد استفاده برای تست کششی و برای تعیین سختی استفاده میشوند. مدت زمان تست 7 روز و دما 70± 1°C بود. نتایج با نتایج حاصل از نمونه هایی که در معرض پیری قرار نگرفتند مقایسه شدند.

   دانسیته نمونه های الاستومر طبق ISO 2781/2010 اندازه گیری شدند ( دقت و احتمال تست ±0.09 بود).

   تعیین مقاومت سایشی طبق ISO 4649/2010 ، و روش استوانه، و با فشار 10 N انجام شد. مقاومت سایشی با افت نسبی حجم، نسبت به کاغذ سنباده کالیبره شده بیان شد.

   سنجشگر سایشی با پوشش سایشی بر پایه اکسید آلومینیوم در بستر پارچه ای با دانه بندی 80-220 میکرومتر با سختی 180-220 میلی گرم استفاده شد.

   نمونه های مورد استفاده از مخلوط غلتک خورده به دست آمدند و توسط برش با قالب چرخان فشرده شدند و شکل استوانه ای به قطر 16 میلی متر و ارتفاع 6 داشتند. دقت و احتمال تست ±0.15 بود.

   مقاومت خمیدگی (Ross Flex) طبق استاندارد SR 7645/1994 تعیین شد. نمونه ها با سوراخ کردن ظرف های لاستیکی به دست آمدند و مستطیلی شکل بودند. سنجش با دستگاه Ross Flex و با پایش شکاف روی هر نمونه در فواصل زمانی 1، 2، 4، 8، 24، 48، 72، و 96 ساعت انجام شد. دقت و احتمال تست ±300 بود.

   مقاومت به تورم طبق استانداردISO 1817/2005 با تغییر در جرم و حجم با روش زیر تعیین شد: قطعات آزمایشی با وزن (W₁) و حجم مشخص (V₁)، در محلول‌های مختلف از جمله آب، روغن دانه‌ آفتابگردان، روغن سویا، چربی حیوانات، اسید سولفوریک 70%، اسید نیتریک 50%، سدیم هیدروکسید 50%، ایزواکتان، تولوئن، ایزواکتان 70% و 30% محلول تولوئن در بطری‌های آزمایش و در دمای اتاق به مدت 22 ساعت غوطه ور شدند. پس از آن، نمونه ها از محلول ها بیرون آورده شدند و سطوح خیس به سرعت با دستمال کاغذی خشک شده و به ترتیب دوباره وزن شدند. شاخص تورم (%) با معادله زیر محاسبه شد.

   

   دقت و احتمال تست ±0.04 است. مقاومت اوزون با دستگاه MAST-700-1 طبق استاندارد SR ISO 1431-1/2002 تعیین شد.

   برای پودر لاستیک، خاکستر طبق ISO 247:2006 و استخراج استون طبق ISO 1407:2011 تعیین شد.

   تمامی اندازه‌گیری‌ها چندین بار انجام شد و مقادیر نتایج بر اساس سه تا پنج بار اندازه‌گیری،میانگین گرفته شد.

3. نتیجه گیری ها

ترکیب پودر پسماند لاستیک نیتریل ولکانیزه با پی وی سی نرم موجب تولید ترکیبات با سختی کم، نقطه شکست بالا و مقاومت کششی بالا شد. دو نوع کامپوزیت تولید شده و جهت تولید لوله های آبیاری مناسب شرح داده شدند. نتایج نشان می‌دهد که برای کامپوزیت‌های پلیمری انتخاب شده، رفتار خوبی در برابر پیری تسریع شده  ISRN، خمیدگی مکرر در دمای اتاق و دمای پایین (منفی 20 درجه سانتیگراد)، مقاومت بسیار خوب در برابر آب، اسیدها و بازها، چربی حیوانات، روغن آفتابگردان و ایزواکتان دارند.

طبق این خواص، ترکیب انتخاب شده مناسب استفاده در گسکت، شیلنگ ها و لوله های لاستیکی، کفش لاستیکی، و تجهیزات حفاظت از لاستیک میباشد.

کامپوزیت های پلیمری حاصل را میتوان در تولید محصولات زیادی از جمله شیلنگ ها، گسکت ها، پاشنه کفش، روسازی های ورقه ای در سالن های ورزشی و غیره با ویژگی های رقابتی نسبت به محصولات مشابه از مواد بکر استفاده کرد.

این یک روش کارآمد برای بازیافت پسماند لاستیکی در نتیجه ی استفاده از کامپوزیت های پلیمری به کار گرفته شده به عنوان جایگزینی برای ترموپلاستیک ها میباشد- از اینرو منجر به صرفه جویی در مواد، و بازیافت ضایعات لاستیکی میشود. هیچ زباله‌ای از فرآوری کامپوزیت‌های پلیمری ناشی نخواهد شد. این کامپوزیت‌ها برای پلاستيک و مخلوط لاستيک با استفاده از تکنيک های فشرده سازی، تزريق، خروج و … قابل فرآوری هستند.

 

مترجم: فائزه السادات احمدی

برای مشاهده منبع مقاله کلیک کنید.