آشنایی با مواد پلیمری – جلسه پنجم: پلی آمید

پلی آمید یکی از پلاستیکهای مهندسی با ویژگیهای منحصر بفرد از جهت استحکام و چغرمگی می باشد. افزودن الیاف شیشه به پلی آمید باعث افزایش خواص استحکامی و مقاومت حرارتی و سایشی آن می گردد.


مقدمه

برای اولین بار در سال ۱۹۳۵ پلی آمید (نایلون) به صورت الیاف مصنوعی به بازار عرضه شد و در ده ۱۹۵۰ انواع مختلف آن جهت ساخت قطعات به روش های تزریقی به صورت تجاری وارد بازار شد. اولین شرکت تولید کننده پلی آمید به صورت تجاری، دوپونت (Dupont)بود و نایلون هم نام تجاری محصول این شرکت آمریکایی است.

این پلیمر به صورت دانه های استوانه ای شکل (گرانول) به رنگ شیری (به صورت خالص) و رنگ های دیگر موجود است و به کمک دستگاه های تزریق فشاری و دمشی و همچنین دستگاه اکسترودر شکل می پذیرد.

در کامپاند (آمیزه سازی) پلی آمید ها می توان از انواع افزودنی ها مانند پایدار کننده های حرارتی و نوری، نرم کننده ها، ضد حریق ها، الاستومرها، رنگدانه های و … استفاده کرد. همچنین برای تقویت پلی آمید ها آنها را با الیاف پر می کنند این الیاف اغلب الیاف شیشه هستند اما از الیاف معدنی، کربن و کولار نیز برای کاربرد های خواص استفاده می شود، بنا به نوع مصرف درصد های مختلف الیاف افزوده می شود. پلی آمید های پر شده با الیاف مقاومت بهتری در مقابل خزش، ضربه و شکاف دارند.

حلال:
پلی آمید ۶ و پلی آمید ۶٫۶: اسید فرمیک یا همان جوهر مورچه (Formic Acid)
پلی آمید ۱۱: دی متیل فرمامید DMF یا (Dimethylformamide)

دانسیته:
پلی آمید ۶: ۱٫۱۲ تا ۱٫۱۵ g/cm3
پلی آمید ۶٫۶: ۱٫۱۳ تا ۱٫۶۰ g/cm3
پلی آمید ۱۱: ۱٫۰۳ تا ۱٫۰۵ g/cm3

نکته: انواع مختلف پلی آمید را نمی توان با آنالیز طیف IR تشخیص داد و این کار به وسیله اندازه گیری دانسیته انجام پذیر است، به عنوان مثال پلی آمید ۶ و ۶٫۶ در محلول ۱۰% نمک طعام در آب غوطه ور می شود و نایلون ۱۱ در آب شناور می ماند.

دمای ذوب (Tm):
پلی آمید ۶: برابر ۲۱۵ درجه سانتی گراد
پلی آمید ۶٫۶: برابر ۲۷۰ درجه سانتی گراد

دمای انتقال شیشه ای (Tg):
پلی آمید ۶: برابر۴۰ درجه سانتی گراد
پلی آمید ۶٫۶: برابر۵۰ درجه سانتی گراد

ویژگی های اشتعال (روش شناسایی آسان)

در شعله می سوزد و بعد از حذف شعله خاموش می شود.

شعله زرد کوچک با پایه آبی تقریباً نامرئی دارد.

بدون دود می سوزد.

حباب های کوچک تشکیل می دهد.

در شعله چکه می کند.

بوی سوختن مانند موی سوخته است.

پلی آمید تقویت شده با الیاف شیشه
پلی آمید یکی از پلاستیکهای مهندسی با ویژگیهای منحصر بفرد از جهت استحکام و چغرمگی می باشد. افزودن الیاف شیشه به پلی آمید باعث افزایش خواص استحکامی و مقاومت حرارتی و سایشی آن می گردد.
با توجه به افزایش خواص مکانیکی و فیزیکی و حفظ خواص چغرمگی ، پلی آمید تقویت شده دارای خواص ویژه و کاربردهای منحصر بفردی می باشد.
پلی آمید تقویت شده امروزه جایگزین چدن و سایر فلزات در برخی کاربردها نظیر راه آهن و خودرو شده و بدلیل خواص عایقی و مقاومت حرارتی مناسب ،از این مواد در قطعات الکتریکی نیز استفاده می گردد.

چگونگی تولید

پلی آمید ها یا نایلون ها جزو پلاستیک های مهندسی به حساب می آیند و به روش پلیمریزاسیون تراکمی یک دی آمین و یک اسید دو عاملی و یا پلیمریزاسیون آمینو اسیدها تولید می شوند. این پلیمرها دارای رشته های منظم و هم اندازه هستند که به همین خاطر بلورینگی (کریستالینیتی) زیادی از خود نشان می دهند.

پلی آمید ها با یک عدد شناخته می شوند که نشان دهنده تعداد اتم های کربن در آمینو اسید اولیه (مانند پلی آمید ۶) و یا تعداد اتم های کربن در دی آمین و تعداد اتم های کربن در دی اسید (مانند پلی آمید ۶٫۶) است. (آمین ها می توانند از ۲ تا ۱۰ اتم کربن و اسیدها می توانند از ۲ تا ۱۸ اتم کربن داشته باشند.) پر کاربرد ترین آنها پلی آمید های ۶ و ۶٫۶ و ۱۱ می باشند، تفاوت اصلی پلی آمید ۶ و ۶٫۶ در حداکثر دمای قابل استفاده است که پلی آمید ۶٫۶ مقاومت حرارتی بیشتری دارد همچنین تفاوت اصلی پلی آمید های ۶ و ۶٫۶ با پلی آمید ۱۱ در جذب آب و پایداری ابعادی است که پلی آمید ۱۱ در این خصوص بهتر عمل می کند. (لازم به ذکر است که خواص و قیمت پلی آمید ۱۱ و ۱۲ تقریباً مشابه هم است).

مزایا: پلی آمید ها (نایلون ها) موادی چقرمه، با مقاومت سایشی بالا، ضربه پذیر، دارای مقاومت ترکیدگی بالا، مقاومت ترک خوردگی بالا در خم شدن های متوالی.
معایب: گران بودن، جذب رطوبت (جذب آب سبب افت مدول و کاهش استحکام کششی و کاهش مقاومت الکتریکی و افزایش استحکام ضربه ای می شود)، نداشتن مقاومت در برابر اسید های قوی، دارای خواص ضعیف لغزشی Slip)، با وسایل معمول سیل پذیر حرارتی نمی شوند، نفوذ ناپذیری پائین فیلم های آن در مقابل بخار آب (که این ضعف اغلب به کمک یک روکش PVDC بهبود می یابد).
دیگر خواص: نفوذ ناپذیری عالی در برابر بوها، اکسیژن، نیتروژن و دی اکسید کربن، مقاومت در برابر روغن ها، مقاومت شیمیایی عالی، مقاومت در برابر بنزین، مقاومت در برابر حلال های آلی، مقاومت در برابر آب نمک و محیط های دریایی، خواص نوری خوب.
 
خصوصیات کلی الیاف پلی آمید

الیاف پلی آمید از جمله الیافی هستند که در محیط های اسیدی ضعیف مقاومند. محیط های اسیدی قوی سبب متلاشی شدن آنها می شوند مثلا اگر پلیمر های پلی آمیدی در محلول غلیظ اسید کلریدریک به مدت ۲ الی ۳ ساعت قرار بگیرد می توان هیدرو کلراید و آدیپیک اسید به دست آورد. جهت شناسای الیاف پلی آمید می توان از فنول یا اسید فرمیک استفاده کرد. هر دو معرف حتی در درجه اتاق نیز نایلون را در خود حل می کنند. الیاف پلی آمیدی درصد جذب رطوبت پایینی دارند بین (۱۵-۲۰%) این الیاف در برابر محیط های قلیایی قوی مقاومند. مقاومت بیولوژیکی الیاف پلی آمیدی بالاست. میکرو ارگانیزم ها تاثیر چندانی روی این الیاف ندارند کما این که اگر آزمایش مدفون کردن در زباله در شرایط استاندارد آزمایشگاهی انجام شود به این نتیجه میرسیم که پس از ۶ ماه فقط در حدود ۴ الی ۵ در صد از مقاومت اولیه کاسته می شود و پس از طی یک ماه الیاف کاملا متلاشی می گردد. وقتی این پارچه ها در معرض نور خورشید انبار می شوند گروه های آمین انتهایی اکسید شده و تخریب می شوند. دراین صورت پارچه ها نسبت به رنگرزی آنیونیکی تمایل به جذب کمتری خواهند داشت.

انتخاب مواد رنگرزی برای نایلون

الیاف نایلون هر دو گروه انتهایی آمین و کربوکسیلیک اسید را در بر دارند و با انتخاب شرایط مناسب جهت رنگرزی یکی از آنها مواد رنگزای کاتیونی یا آنیونی می توانند جذب گردند و همچنین نایلون را می تواند با مواد رنگزای دیسپرس رنگ نمود.

کاربرد های اصلی نایلون

نایلون ۶ و نایلون ۶۶ را نخ کفپوش های تافتینگ نخ خامه قالی پوشاک به ویژه جوراب تشکیل می دهد. انواع نخ های نایلونی با استحکام بالا در مواردی مثل تقویت تایر خودرو و هواپیما مورد استفاده قرار می گیرند. این الیاف دارای مقاومت عالی در مقابل سایش می باشند. الیاف نایلونی با توجه به استحکام بالا و سختی برای تولیدهای مثل طناب، کمربند ایمنی، چتر نجات، نخ و تور ماهیگیری مورد استفاده قرار می گیرند. در صورت احتیاج به الیاف نایلون بریده شده، تولید تعدادی از رشته ساز ها با تعداد بسیار زیاد فیلامنت پس از کشیده شدن استراحت و چین زده شدن به ماشین های تبدیل تغذیه می گردند.

 فرایند آمیزه سازی پلی آمید ۶

فرآیند آمیزه سازی پلی آمید ۶ فرآیند پیچیده ای نیست اما بسیاری از شرکت های تولید کننده آمیزه از موادی خاص و استانداردهای خاص برای دستیابی به کیفیت مشخصی از محصول استفاده می کنند که بدلیل نبودن اطلاعات در مورد آنها که تحت لیسانس شرکت مربوطه قابل دستیابی است، به ناچار به اصول کلی فرآیندمی پردازیم.
در ابتدای کار نیاز به گرید خاصی از نایلون ۶ با خواص فیزیکی و مکانیکی مشخص داریم که در راستای دستیابی به خواص نهایی مطلوب انتخاب می گردد. درصد رطوبت موجود در چیپس نایلون ۶ یکی از موارد بسیار مهم است که در صورت نامناسب بودن در مرحله اکستروژن(کامپاندینگ) مشکلات فراوانی به همراه خواهد داشت.خواص دیگر نایلون نیز باید استاندارد باشد.

در مرحله بعد نایلون ۶ به همراه انواع افزودنی ها در نسبت های مشخص وارد میکسر خارجی می گردد (در صورت استفاده از اکسترودر ساده) که بسته به پیوسته و یا ناپیوسته بودن فرآیند کامپاندینگ، مواد اولیه ممکن است به طور دستی یا اتوماتیک وارد این میکسر گردد. سپس محصول خروجی وارد تانکی می شود که وظیفه تامین خوراک اکسترودر با سرعت مشخص را بعهده دارد. در مرحله بعد این مواد وارد قیف خوراک دهی اکسترودر می شود. اکسترودرها دارای طراحی خاصی هستند تا بتوانند بهترین اختلاط را نتیجه دهند. بنابراین ممکن است از قیف خوراک دهی تا اکسترودر اصلی از یک اکسترودر دو پیچه و بعضاً تک پیچه کوچک جهت اختلاط بهتر و انتقال مواد اولیه با دبی ثابت به داخل اکسترودر اصلی در صورت تک پیچه بودن استفاده گردد که بازده فرآیند اختلاط را تا درصد قابل قبولی افزایش می دهد.

در داخل اکسترودر مراحلی چون ذوب و اختلاط مواد اولیه تحت تاثیر نیروهای برشی و گرمای حاصل از آن و گرمای تولید شده توسط المنت های تعبیه شده بر روی اکسترودر پشت سر گذاشته می شود. گازهای تولیدی نیز توسط vent های تعبیه شده خارج گشته تا در محصول خروجی پیوستگی لازم را داشته باشیم. بر روی اکسترودر ممکن است محل هایی برای افزودن بعضی از مواد تعبیه شده باشد که اصولا در تولید گریدهایی با کارایی ویژه به آنها نیاز داریم تا کیفیت مطلوب را بدست آوریم.

در مرحله پایانی توسط یک دای استاندارد مواد خروجی با دبی ثابت و شکل مشخص خارج می گردد و سپس توسط دستگاه کشنده کشیده شده و توسط کاتر برش خورده و به شکل چیپس و حبه در می آید. در مرحله بعد وارد دستگاه خنک سازی شده و سپس به انبار حمل می گردد.

موارد کاربرد

 مخازن بزرگ نگهداری (با قابلیت لغزندگی بالا) – چرخ دنده – قطعات پمپ – قطعاتی که در ساخت اتومبیل مورد استفاده قرار می گیرد (از جمله: قسمتهای قطعات قفل – چرخ دنده ها – قسمت های پوششی در تماس با سوخت موتور و برای سایر قطعات) امکان پذیر است.
کاربرد ها: مهم ترین کاربرد آن در صنعت پارچه بافی است که از آن به عنوان الیاف مصنوعی استفاده می شود این الیاف شباهت و استحکامی شبیه ابریشم طبیعی دارند، چتر های نجات، طناب های محکم، پرزهای مسواک، نخ های بخیه، رگ های مصنوعی، الیاف مصنوعی و پوشاک، ساختن قطعاتی که نیاز به ویژگی های مکانیکی بالایی دارند، تولید لوله و شلنگ برای ترمز های بادی موتورهای بنزینی و دیزلی و خطوط لوله هیدرولیکی، قطعات خودرو، قطعات کوپلینگ، یاتاقان، چرخ دنده، پیچ و مهره، اتصالات، پاشنه کفش و …

پلی آمید آروماتیک (آرامید)

نوعی پلی آمید آروماتیک (آرامید) نیز وجود دارد که به آن پلی پلی ـ فنیلن ترفتالات گویند و به نام کولار ((Kevlarمعروف است و شناخته می شود. این ماده عموماً به شکل الیاف مورد استفاده قرار می گیرد و به دلیل داشتن خواص مکانیکی بالا و مقاومت پارگی فوق العاده بالا، از آن در تهیه جلیقه های ضد گلوله، کاربرد های نظامی و فضایی و ساخت سیم های تله کابین استفاده می شود.

 آرامید متعلق به خانواده نایلونهاست نایلون های متداول مانند نایلون ۶۶ خصوصیات ساختاری خوبی ندارند.حلقه های ارامیدی به کولار پایداری حرارتی داده این در حالی است که ساختار پارا به ان استحکام و مدول .بالا می بخشد.

 مدول کششی و قدرت استحکامی کولار ۲۹ به طور تقریبی قابل مقایسه با الیاف شیشه می باشد. البته اغلب دانسیته ان حدودا نصف الیاف شیشه است. لذا با تخمین اولیه میتوان الیاف کولار را به عنوان جایگزین خوبی برای الیاف شییه ای که وزن پایین تری از انها مد نظر است در نظر گرفت.

 کولار از الیاف شیشه گرانتر است در کنار استحکام بالا و وزن مولکولی ان فواید دیگری را نیز در بر دارد.مانند گرافیت دارای ضریب انبساط حرارتی منفی بوده که این امر به لایه های کولار کمک می نماید که در برابر حرارت پایدار باشد .اما برتری اصلی ان نسبت به گرافیت مقاوم بودن در برابر فشار و ساییدگی است .و می توان از ان به عنوان یک لایه محافظت کننده نسبت به لایه های گرافیتی استفاده نمود .همچنین می توان جهت افزایش مقاومت در برابر تخریب وبالا بردن استحکام در حد پارگی گرافیت ان را با کولار ترکیب نمود بدین صورت از گسیختگی های ناگهانی ان نیز جلوگیری می شود.

مشابه سایر الیاف مضراتی نیز در بر دارد الیاف به خودی خود رطوبت جذب می نمایند . از این لحاظ کامپوزیت های کولار نسبت به الیاف شییه یا گرافیت از حساسیت بیشتری نسبت به محیط برخوردار هستند و با وجود بالا بودن استحکام کششی خصوصیت فشرده شوندگی این الیاف ضعیف است.در نهایت این که کولار سخت بریده می شود و نیاز به استفاده از قیچی های مخصوصی جهت بریدن پارچه های خشک و به کار بردن مته های دریل جهت سوراخ کردن ورقه ها (لایه ها ) می باشد .بریدن این لایه ها بدون ایجاد فرسودگی در الیاف به سختی صورت می گیرد.

میتوان از کولار هم به صورت الیاف خام و هم به صورت کامپوزیت استفاده نمود…

واژه ی آرامید در الیاف آرامیدی فرم کوتاه شده ی پلی آمیدهای آروماتیک است.همانگونه که می دانیم پلی آمیدهای سنتی ومرسوم مانند نایلون دارای واحدهای آلیفاتیک وسیکلو آلیفاتیک در ساختار زنجیره ی ماکرو ملکولی شان هستند وآرامید نام عمومی گروه مهمی از الیاف است. هیئت تجارت فدرال ایالات متحده ی امریکا، آرامید ها را این گونه تعریف می کند: آرامیدها،الیافی مصنوعی هستند که مواد تشکیل دهنده ی این الیاف پلی آمیدهای مصنوعی با زنجیره ی طویل هستند. ۸۵% از اتصالات آرامیدی در این پلیمرها به طور مستقیم به دو حلقه ی آروماتیک متصل است. نام های تجاری مختلفی برای الیاف آرامیدی انتخاب شده است. کمپانی دوپون نام های کولار ((kevlarونومکس(Nomex) را برای این الیاف انتخاب کرده است.همچنین کمپانی تیجین ( (Teijinنام های تجاری تی جین کنکس (Teijin conex) وتکنورا (Tech nora) وکمپانی آکزو((Akzoنام تجاری توارون ( (Twaron را انتخاب کرده است. تفاوت اصلی میان کولارونومکس دراین است که کولار دارای حلقه های آروماتیک درحالت پاراست درحالی که نومکس دارای حلقه های آروماتیک درحالت متاست. درواقع کولار دارای یک ملکول متقارن است که پیوندهای اتصالی به هر حلقه ی آروماتیک حالت موازی دارد ولی نومکس دارای زاویه ی پیوند ۱۲۰درجهاست.

توارون بلک

برای رفع نیاز مشتریان قایق های بادبانی و صنایع تولید لوازم ورزشی و شرکت تیجین الیاف آرامید جدیدی به نام تجاری توارون بلک تولید میکند. مقامات شرکت تیجین اظهار میکنند درالیاف توارون این شرکت رنگهای مختلفی را به کار برده اند و به زودی بادبان قایق های شرکت ولوو با الیاف سیاه توارون بلک تولید خواهند شد.برای اینکه الیاف مذکور کاملا سیاه رنگ باشند,آنها را در مرحله آخر تولید رنگ نمیکنند همچنانکه الیاف پنبه نیز در مرحله آخر رنگ آمیزی نمی شوند.برای رنگ آمیزی الیاف آرامید جدید طی فرآیند تولید الیاف مذکور رنگ سیاه را داخل آنها تزریق میکنند.به این ترتیب برای اولین بار الاف آرامید با رنگ سیاه تولید می شوند و همان خواص استاندارد الیاف آرامید طلایی را دارا می باشد.

الیاف توارون بلک برخی خواص مکانیکی الیاف آرامید را تواما دارا می باشند.ضمن اینکه از ظاهری زیباتر هم برخوردار میشوند.الیاف سیاه آرامید قبلا هم در جهان تولید میشدند اما خواص مکانیکی آنها مانند الیاف  آرامید توارون استاندارد نبود.

معمولا در قایق ها و دیگر وسایل ورزشی از الیاف آرامیدی استفاده می شود که مقداری الیاف کربن هم در آنها به کار رفته باشد.به عنوان مثال در بادبان قایق های تفریحی مخصوص ورزشکاران حرفه ای یا در ته قایق های کانو از الیاف آرامید طلایی رنگ استفاده می شود.اگر از الیاف توارون بلک استفاده گردد می توان تمام قایق را به صورت یکپارچه ازاین الیاف تولید کرد و خواص الیاف آرامید طلایی را هم در این قایق ها حفظ نمود.

جلیقه ضدگلوله

 کولار بعنوان ماده سازنده جلیقه‌های مقاوم در برابر گلوله و ماسک‌های صورت ضد گلوله استفاده می‌شود . شرکت PASGT که محصولات ارتش امریکا را از ۱۹۸۰ تامین می‌کند از کولار بعنوان ماده اصلی برای ساخت این محصولات استفاده می‌کند . دیگر موارد استفاده آن ماسک‌های ضد گلوله نگهبانهاست .

موارد استفاده آن در شهرها لباسهای موتورسوارانی است که در مقابل خراشیدگی محافظت می‌کند و همینطور در شرایط اورژانسی که مقابله با دمای بالا مورد نیاز است ( آتش نشانی ) و همچنین در گروه‌های ضربت استفاده می‌شود .

ریسمان و کابل

 این فیبر بصورت بافته در کابل هایی که در آنها بوسیله آستینی از پلی اتیلن این فیبرها ثابت نگه داشته شده اند که به نام پارافیل معروف است استفاده میشوند .این فیبرها در پلهای معلق استفاده می شوند، همچنین برای پر کردن ترک‌های ستون‌های تبرید از طریق سانتریفوژ برای بستن و پر کردن ترک‌ها استفاده می شوند .

استفاده در ورزش

کولار بسیار زیاد در قایق‌های مسابقه و همچنین یک لایه داخلی در تایر دوچرخه برای جلوگیری از پنچر شدن و بعلت استحکام عالی آن برای فیتله فایر پوئی و همچنین در لباس‌های موتور سواران علی الخصوص در محل هائی مثل شانه و زانو استفاده می شود.

 لنت ترمز

 فیبرهای تکه تکه شده کولار به عنوان جایگزین برای آزبست در لنت ترمز سرامیکی استفاده شده اند، گردوغبار ناشی از آزبست، سمی می‌باشد حال آنکه آرامیدها یک جایگزین بی خطر برای آن می باشند. استحکام بالا، طول عمر زیاد و مقاومت در برابر حرارت از مهمترین خصوصیات کولار و سرامیک در لنت محسوب میشود.

 گوشی‌های موتورولا

 این ماده به عنوان روکش پشتی در گوشی‌های موتورولا بخصوص سری Droid Razr HD به خاطر مقاومت و سبکی مورد استفاده قرار می گیرد

برای دانلود (جلسه پنجم : پلی آمید) روی تصویر زیر کلیک نمائید

download


مطالب بیشتر...

لاستیک ها به دو دسته تقسیم می شوند، لاستیک های طبیعی و لاستیک های مصنوعی. از ویژگی برجسته لاستیک ها مقاومت شیمیایی و سایشی و خاصیت عایق بودن آنها می باشد.

برای دانلود جزوه آموزشی (آشنایی با فرآیند های پلیمری – جلسه نهم: بازیافت و سوخت) از لینک قرار داده شده در این نوشته استفاده نمایید.

برای دانلود جزوه آموزشی (آشنایی با فرآیند های پلیمری – جلسه هشتم: بازیافت پلاستیک) از لینک قرار داده شده در این نوشته استفاده نمایید.

برای دانلود جزوه آموزشی (آشنایی با ایستگاه های تقویت فشار انتقال گاز) از لینک قرار داده شده در این نوشته استفاده نمایید.