پلی پروپیلن - کامپوزیت.شیمی.پلاستیک.چسب.رزین.الاستومر.پلیمر

معرفی پلی پروپیلن:
الیاف پلی الفین طبق تعریف دارای حداقل 85 درصد نسبت به وزن کل خود،اتیلن پروپیلین ویا الفین دیگری می باشند . پلی پروپیلن وسپس پلی اتیلن با اهمیت کمتر ،مهمترین الیاف الفینی را تشکیل می دهند که به گروه الیاف مصنوعی تعلق دارند. اولین الیاف الفیتی از پلی اتیلن سبک در اواخر دهه 1930در انگلستان تهیه گردیدند که به مصرف پوشش صندلی اتمبیل می رسید . عدم پایداری ابعاد ومقاومت کم در مقابل نور از مشکلات الیاف الفینی اولیه بوده است.
در سال 1957پلی اتیلن سنگین برای تولید الیاف بکار گرفته شد. پلی اتیلن سنگین به روش فیلیپس ارگانومتالیک کاتالیست ولید گردید. الیاف حاصل داردی خصوصیات بهتری نسبت به نوع حاصل از پلی اتیلن سبک بودند .این الیاف علاوه بر پوشش مبلمان به مصارف صنعتی مثل طناب وکابل هم می رسیدند . نقطه ذوب پائین (135-130درجه سانتیگراد) وعدم امکان رنگرزی با روشهای معمولی وهمچنین جهندگی کم از مشکلات الیاف پلی اتیلن می باشد که کماکان تا به امروز هم باقی مانده است .
الیاف پلی پروپیلن که از طریق پلیمریزاسیون پروپیلن به صورت یک پلیمر خطی تهیه می گردند و به اختصار پ-پ نامیده می شوند بعد از پیدا شدن کاتالیست زیگلرناتا تولید شدند این کاتا لیست تولید پلی پروپیلن ایزو تاکتیک که قادر به متبلور شدن می باشد را امکان پذیر ساخت . این الیاف در سال 1960در ایتالیا با نام تجاری مراکلون به صورت صنعتی تولید شده وبه بازار عرضه گردیدند . خصوصیات پروپیلن باعث رشد سریع آن در سطح بین المللی گردید وبعد از مدتی نسبتاً کوتاه ، پلی پروپیلن توانست از نظر مقدار تولید ، چهارمین مقام را بعد از پلی استر ، نایلون وآکریلیک کسب نماید .
عدم امکان رنگررزی الیاف پروپیلن به روشهای متداول برای دیگر الیاف ، باعث جلو گیری از رشد بیشتر این لیف مصنوعی گردیده است.
الیاف و نخ های نواری که دو کاربرد پلی پروپیلن را تشکیل می دهند نسبتاً به آسانی به روش ذوب ریسی تهیه می گردند و آسان بودن تولید این نوع الیاف و پائین بودن هزینه تولید استقبال بسیار گستردهای از آن را به همراه داشته است . با بکار گیری مواد بالا برنده مقاومت در مقابل اشعه ماوراء بنفش سعی شده است عیب کم بودن مقاومت پلی پروپیلن در مقابل این اشعه مرتفع گردد.
پلی پروپیلن دارای دمای ذوب بالا تر (175-165درجه سانتیگراد)در مقایسه با پلی اتیلن می باشد . از نقطه نظر استحکام ومقاومت در مقابل سایش ،پلی پروپیلن با پلی اتیلن تفاوت زیاد ندارد . همانطور که گفته شد پلی پروپیلن هم مثل پلی اتیلن با روش های معمول قابل رنگرزی نبوده و به روش رنگرز ی توده که در آن قبل از تشکیل الیاف ، به پلیمر مذاب اضافه می شود رنگرزی می گردد . لازم به ذکراست که الیاف الفینی اصلاح شده به روش شیمیایی که قادر به رنگرزی شدن با روشهای معمولی می باشند تولید شده اند . به عنوان مثال پلی پروپیلن حاوی پلی ونیل پیریدین به صورت پخش شده ویا ونیل پیریدین که جزئی ماکرو مولکول را تشکیل می دهد با رنگینه های اسیدی قابل رنگرزی است و به هر حال قیمت تمام شده این نوع الیاف باعث گردیده است که از رنگرزی توده به عنوان مهم ترین روش برای رنگرزی این نوع الیاف استفاده گردد.
تولید الیاف پلی پروپیلن
ماده اولیه تولید الیاف پلی پروپیلن را پروپیلن(3CH2=CHCH)تشکیل می دهد که به صورت یک تولید جانبی در تولید اتیلن به روش شکستن مولکول نفت درصنعت پتروشیمی شکل می گیرد .گازهای مابع حاوی پروپیلن ، دیگر ماده این منبع را تشکیل می دهند .
پلی پروپیلن از پلیمریزاسیون پروپیلن در شرایط دما و فشار نسبتاً ملایم ودر حضور کاتالیست معروف زیگلر – ناتا انجام می شود . وجود این کاتالیست ، پلیمری به صورت ایزوتاکتیک را تشکیل می دهد که قادر به متبلور شدن تا حدود 90 درصد می باشد . دیگر فرمهای آتاکتیک وسیندو تاکتیک پلی پروپیلن دارا ی خواص مناسب جهت تشکیل الیاف نمی باشند . با توجه به شرایط سرد شدن ، ساختار بلورین پلی پروپیلن دو شکل متفاوت پیدا میکند . چنانچه پلی پروپیلن مذاب سریعاً سرد گردد ، ساختار بلورین پایدار که پاراکریستالین و یاسمکتیک نام دارد شکل می گیرد . چنانچه پلی پرو پیلن مذاب به آرامی سرد گردد . ساختار بلورین معروف به منوکلینیک بوجود می آید.حرارت دادن پلی پروپیلن ازنوع پاراکریستالین به بیش از 80 درجه سانتیگراد باعث تغییر ساختار بلورین آن به شگل منوکلینیک می گردد.
در الیاف پلی الفینی ،پیوندهای شیمیایی ویونی بین ماکرو مولکول های پلی پروپیلن وجود نداشته ونیرو های بین زنجیره ای به نیرو های واندروالس محدودمی گردند . ازاین رو برای کسب خواص فیزیکی مناسب با وزن مولکولی الیاف پلی الفینی در مقایسه با الیاف دیگر بالاتر انتخاب گردد.
با توجه به سرعت تولید و دمای پلیمر مذاب ، سرعت سرد شدن وکشش بعد از تولید ، الیاف پلی پروپیلن ازنظر جهت گیری بلورهای خود نسبت به محور لیف با یکدیگر تفاوت دارند و افزایش سرعت ریسندگی اولیه واعمال کشش بعد از تولید ، جهت گیری بلورها رادر جهت محور لیف افزایش می دهد.
پلیمریزاسیون پروپیلن به سه روش امکان پذیر می باشد . در روش تعلیق که یک روش کلاسیک بحساب می آید پروپیلن در یک محیط رقیق کننده که معمولاً یک هیدرو کربن آلیفاتیک می باشد پلیمریزه می گردد مکمل این روش ، پلیمریزاسیون فاز گاز می باشند.
در ذوب ریسی پلی پروپیلن ، مشابه دیگر الیاف ترموپلاستیک مثل پلی استر وپلی امید ، وزن مولکولی متوسط ، توزیع وزن مولکولی و همچنین شاخص جریان توده پلیمری مذاب (MFI) وخصوصیات الیاف تولید شده را تحت تأثیر خود قرار می دهند . بطور کلی افزایش وزن مولکولی پلیمر ، افزایش استحکام الیاف تولید شده را به همراه دارد.
برای الیاف پلی پروپیلن که به منظور مصرف در صنعت نساجی تولید می گردندوزن مولکولی متوسط و برای الیاف پلی پروپیلن با استحکام زیاد که به عنوان الیاف با کارایی بالا تولید می کردند وزن مولکولی بالا انتخاب می گردد . باتوجه به مربوط بودن شاخص جریان مذاب و وزن مولکولی متوسط به یکدیگر ، شاخص جریان مذاب مناسب درتولید الیاف نساجی 25-15 گرم بر10 دقیقه وبرای الیاف باکارایی بالا 5-3 گرم بر10 دقیقه ذکرشده است.
آزمایشات نشان داده است که محدوده کوچکتر توزیع وزن مولکولی پلیمر ، به قابلیت ریسندگی اولیه بهتر ، کمک می نماید . باتوجه به بالابودن وزن مولکولی پلی پروپیلن که افزایش ویسکوزیته توده مذاب در ریسندگی اولیه آنرا به همراه دارد ، دمای پلی پروپیلن مذاب درریسندگی اولیه آنها70 تا120درجه بیش از دمای پلیمربوده ودرمحدوده 230 تا 280 درجه سانتیگراد انتخاب می گردد . شکل زیر ذوب ریسی رابه صورت شماتیک نشان می دهد.

دراین روش پلیمربه صورت گرانول از تغذیه کننده (هاپر) وارد مارپیچی ذوب کننده شده بر اثر گرمایش توسط مارپیچی ذوب می گردد . پلیمر مذاب سپس به کمک پمپ تغذیه از طریق ***** به رشته ساز تغذیه شده وپس از خروج از روزنه های رشته ساز تحت تاثیر نیروی کششی قرار می گیرد و با از دست دادن گرما به محیط خود جامد گردیده وسر انجام روی بسته ای پیچیده شده ویا آنکه به صورت مداوم به بخشی دیگر از خط تولید نهایی تغذیه می گردد . از آنجایی که پلی پرو پلین دارای گرمای ویژه بالا (KJ/Kg-K2-6/1) وضریب هدایتی کم (J/m.s.k3/0-1/0) می باشد ، لذا طول منطقه سرد کننده بعد از رشته ساز در مقایسه با الیافی مثل نایلون ویا پلی استر ، باید طویل تر انتخاب گردد . به همین ترتیب سرعت های تولید بالاتر به منطقه سرد کننده طویل تری احتیاج دارند . از این رو ، طول ستون ریسندگی ممکن است به 10متر برسد .
با توجه به پائین بودن دمای ترانزیسیون ثانویه الیاف الفینی از دمای اطاق ، تبلور الیاف نه تنها در سرد شدن در ستون ریسندگی اولیه شکل می گیرد بلکه این فرآیند ممکن است بعداً هم روی بوبین ادامه پیدا می کند بنابراین شرایط انجماد در ستون ریسندگی و همچنین شرایط نگهداری بوبین پس از تولید ، تبلور الیاف الفینی را تحت تأثیر خود قرار می دهند تعداد روزنه های رشته سازهای تولید کننده نخهای فیلامنتی ممکن است با توجه فیلامنت های مورد احتیاج بین 150- 10 متغیر میباشد رشته سازهایی که برای تولید الیاف به منظور بریده شدن و مورد استفاده قرار گرفتن به صورت کوتاه ( استیپل) به کار گرفته میشوند ممکن است تا 20000 روزنه داشته باشند .
با توجه به سرعت تولید ، الیاف تولید شده ممکن است تا 6 برابر طول اولیه خود کشیده شوند تا خواص مکانیکی مطلوب را بدست آورند . درجه کشش قابل کسب برای پلی پروپیلن پاراکریستالین بیشتر از پلی پروپیلن منو کلینیک می باشد واین تفارت به مکانیک تغییر شکل مختلف برای ساختار منو کلینیک پاراکریستالین ربط داده شده است .
پدیده های فیزیکی مهم در ذوب ریسی را می توان به صورت زیر خلاصه نمود:
-رفتار توده مذاب از نقطه نظر رئولوژی
-کاهش قطر جریان در روزنه رشته ساز
-سرمایش جریان
-تبلور وتشکیل ساختار لیف
با اعمال کشش به الیاف بعد از ریسندگی اولیه ، نظم داخلی آنها افزایش یافته وتبلور بیشتری شکل می گیرد . با توجه به دمای تبدیل شیشه ای پائین این نوع الیاف ، کشش آنها با سرعت کم به مقدار 3تا8 برابر بدون گرمایش امکان پذیر است. کشش الیاف بدون گرمایش به کشش سرد معروف است.برای افزایش سرعت کشش ،الیاف پلی پروپیلن حرارت داده می شوند .کشش همراه با گرمایش به کشش گرم معروف است.ساختار جدید بعد از کشش ، معمولاً با سرد نمودن الیاف پایدار می گردد.
الیاف پلی پروپیلن با توجه به قیمت ارزانتر انها نسبت به الیاف دیگر برای طیف گسترده ای از کاربرد ها مورد استفاده قرار گرفته اند .به عنوان مثال ،نخ کفپوش های از نوع تافتینگ،نخ خامه قالی ، الیاف کفپوشهای نمدی ،کاربردهای نساحی الیاف پلی پروپیلن را تشکیل می دهند.کاربردهای صنعتی پلی پروپیلن را طناب، منسوجات کشاورزی و***** ، منسوجات عمرانی (کاربرد در عمران)گونی ،توری وموارد دیگری تشکیل می دهند . برای کاربردهای صنعتی هم از الیاف پلی اتیلن استفاده می شود .
سبک بودن پلی اتیلن وپلی پروپیلن از آب وهمچنین عدم جذب آب توسط این الیاف ودر نتیحه عدم تغییر در خواص مکانیکی انها بر اثر تماس با رطوبت از خصوصیات بارز این دو نوع لیف در مقایسه با الیاف دیگر است.
الیاف الفینی علاوه بر داشتن نهایت خاصیت آبگریزی ،در مقابل تعداد زیادی از اسیدهای غیر آلی ، بازها وحلال های آلی در دمای اطاق مقاوم باشند . این خواص تا حدودی به وزن مولکولی بسیار بالای این الیاف مربوط می گردد. سولفوریک ونیتریک اسید وهمچنین دیگر اسیدهای قوی در دماهای بالا قادر به تخریب پلی الفین ها می باشند.پلی پروپیلن معمولی که به بازار عرضه می گردد دارای مقدار زیادی مواد افزودنی می باشد .نمونه هایی از این مواد که به منظور امکان پذیر ساختن تولید پلی پروپیلن به ان اضافه می گردند به قرار زیر است :
ضد اسید
مواد ضد اسید مثل کلسیم ویا سدیم استئارت نقش خنثی سازی بقایای کاتالیست مورد استفاده قرار گرفته در مرحله پلیمریزاسیون را به عهده دارند.در غیر اینصورت امکان تشکیل اسید وجود دارد که می تواند مشکلاتی مثل اثر سوء بر دستگاههای تبدیل را به همراه داشته باشد.
ضد اکسیداسیون
مواد ضد اکسیداسیون به عنوان محافظت از پلیمر در مقابل شکسته شدن ماکرومولکول در حین تولید و بعد از آن مورد استفاده قرار می گیرند.فنل با ممانعت فضایی نمونه ای از مواد ضد دی اکسیداسیون (آنتی اکسیدان )می باشد . لازم به ذکر است که علیرغم به همراه داشتن این مواد افزودنی ،پلی پروپیلن به عنوان اصلاح شده در نظر گرفته نمی شود.
علیرغم مزایای چشمگیر ، الیاف پلی پروپیلن دارای سه مشکل عمده در رابطه با کاربرد خود بصورت زیر می باشند :
الف : دمای ذوب نسبتاً پائین:
تفاوت زیاد بین دمای ذوب الیاف پلی پروپیلن و دیگر الیاف مثل پلی استر و پلی آمید ، کاربرد وسیعتر پلی پروپیلن را محدود ساخته است .
ب : تخریب بر اثر اکسیداسیون
وجود پیوند C-H نوع سوم د رپلی پروپیلن تخریب آنرا بر اثر اکسیداسیون شدت می بخشد . گرما ونور به عنوان یک کاتالیست برای واکنش اکسیداسیون عمل می نماید . از این رو ، مقاومت کم الیاف پلی پروپیلن معمولی در مقابل نور و گرما ، عیب بزرگی برای آنها بشمار می آید . جذب اکسیژن توسط این پلیمر ، باعث شکستن ماکرومولکول و در نتیجه کاهش درجه پلیمریزاسیون بر اثر تشکیل هیدروپراکسیدها در دمای بالا می باشد . به همین علت ، در پلیمریزاسیون آن از مواد ضد اکسید کننده استفاده می شود.
از نقطه نظر تخریب بر اثر گرما ، پلی پروپیلن به علت دارا بودن کربن نوع سوم در معرض خطر بیشتر نسبت به پلی اتیلن قرار دارد . نور خورشید هم از طریق مکانیزم فتواکسیداسیون با اثری مشابه گرما باعث تخریب پلی الفین ها می گردد . بخش ماورای بنفش نور خورشید نقش عمده ای در تخریب به عهده دارد . الیاف ظریف سریعتر از الیاف ضخیم تحت تأثیر نور خورشید قرار می گیرند .
ج : عدم امکان رنگرزی با روشها متداول برای دیگر الیاف
همان طور که قبلاً گفته شد با توجه با عدم وجود گروههای قطبی در پلی پروپیلن ، این لیف بدون اصلاح شدن قادر به قبول تعداد زیادی از رنگینه های مختلف نبوده و رنگرزی نوع معمولی آن امروزه به کمک رنگرزی توده انجام می شود .
برای کاهش کمبودهای پلی پروپیلن سعی شده است که این نوع لیف ترموپلاستیک با توجه به هدف خاص اصلاح گردد . این اصلاح ممکن است که خواص دیگری را نیز تحت تأثیر خود قرار دهد . اصلاحات برای بهبود و حتی کسب خصوصیات دیگر ممکن است از طریق اصلاح شیمیایی پلیمر و یا اصلاح فیزیکی در مرحله تولید و یا بعد از آن انجام شود.