پلی استر غیر اشباع

پلی استر چیست

پلی استرها گروه مهمی از کوپلیمرهای سنتزی هستند که شامل پیوندهای کربنی در زنجیره اصلی خود می‌باشند و به طور کلی از الکل‌های دی هیدریک ودی کربوکسیلیک اسیدها تولید می‌شوند. پلی استرها به طور گسترده‌ای به عنوان فایبر، پلاستیک‌ها، کامپوزیت‌ها و پوشش‌ها کاربرد دارند.

در سال 1847، Berzelius اولین تحقیقات روی سنتز پلی استرهای حاصل از تارتاریک اسید و گلیسرول را انجام داد. پس از او نیز تحقیقات گسترده‌ای روی پلی استر صورت گرفت تا اینکه در سال‌های 1927، Carothers توانست پلی استری با ساختار خوب پلیمری تولید کند و از آن زمان پلی استرها در صنعت مورد توجه قرار گرفتند.

انواع پلی استر

رزین پلی استر به چهار گروه کلی رزین پلی استر اشباع، رزین پلی استر غیر اشباع، آلکید و وینیل استر تقسیم می‌شود.

رزین آلکید

آلکیدها محصولا واکنش الکل‌های پلی هیدریک با اسیدهای چرب و یا اسید دی بیسیک هستند و به طور گسترده در صنعت رنگ و جوهرهای چاپ به کار گرفته می‌شوند.

رزین استر وینیل

از مهمترین کاربردهای رزین استر وینیل می‌توان به پوشش‌ها، تخته مدار چاپی، ورقه فویل فلزی، مصالح ساختمانی، قطعات خودرو، فوم‌های سخت و کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف اشاره کرد. یک رزین استر وینیل معمول از طریق واکنش بین رزین اپوکسی (بیسفنول A (DGEBA)، نوالاک) با مونوکربوکسیلیک اسید غیر اشباع (اکریلیک اسید، متاکریلیک اسید) تولید می‌شود. رزین استر وینیل ترکیبی از خواص مکانیکی و حرارتی رزین اپوکسی و فرایند سریع و آسان رزین پلی استر غیر اشباع را دارد. از مهمترین ویژگی‌های رزین استر وینیل می‌توان به مقاومت در برابر طیف وسیعی از مواد شیمیایی اشاره کرد.

رزین پلی استر اشباع

این نوع رزین‌ها محصولات حاصل از اسیدهای دی بیسیک و یا کلرید اسید دی بیسیک با دی ال ها است و به طور گسترده در صنعت نساجی کاربرد دارد. مانند: پلی اتیلن ترفتالات.

رزین پلی استر غیر اشباع

رزین پلی استر غیر اشباع نوعی پلیمر ترموست حاصل از واکنش پلی کندانسیون پلی اسیدها و پلی الکل‌ها می‌باشد که کاربردهای بسیاری در انواع صنایع دریایی، ساختمانی، خودرو و … دارد.

تا اینجا توضیحات مختصری در مورد سه گروه از پلی استرها ارائه شد و از این پس تمرکز اصلی این مقاله روی رزین پلی استر غیر اشباع خواهد بود به این دلیل که رایج ترین نوع رزین است.

رزین پلی استر غیراشباع

رزین پلی استر غیر اشباع ماکرومولکول‌هایی با وزن متوسط بین 1000 تا 3000، نوعی پلیمر خطی با پیوندهای استری و پیوندهای دوتایی است که حاصل از واکنش پلی کندانسیون پلی اسیدها (اسیدهای اشباع نشده یا انیدریدها) و پلی الکل (دی ال یا پلی ال) ها می‌باشد. از آنجا که مهمترین نوع رزین پلی استر، رزین پلی استر غیر اشباع است، آن را به طور اختصاری رزین پلی استر و یا حتی پلی استر می‌نامند.

در سال 1929، آروین و کاروترز رزین‌های پلی استر اشباع نشده از اسید مالئیک و اتیلن گلیکول را در دمای 1750-1850 درجه سانتیگراد ایجاد کردند. پس از آن، رزین پلی استر غیر اشباع به طور چشمگیری برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد و آن را به یک سیستم ترموست مهم تبدیل می‌کنند.

شیمی رزین های پلی استر غیر اشباع

طیف وسیعی از مواد اولیه برای تولید رزین‌های پلی استر غیر اشباع وجود دارد. انتخاب اسیدهای دی کربوکسیلیک، دی الکل‌ها و مونومرهای متفاوت و همچنین استفاده از پرکننده‌های مختلف، تقویت کننده‌ها و آغازگرهای رادیکال آزاد منجر به تولید محصولات و پلیمرهای ترموستی با خواص شیمیایی و مکانیکی متنوع می‌شود که برای کاربردهای گوناگون از جمله صنعت ساخت قایق و کشتی، صنعت حمل و نقل، صنعت ساختمان و یا صنایعی که به مقاومت در برابر خوردگی نیاز دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مواد اولیه

دی کربوکسیلیک اسید غیراشباع

مهمترین مشخصه رزین پلی استر غیر اشباع وجود پیوند دو گانه‌ی کربن-کربن در ساختار است که معمولا از طریق دی کربوکسیلیک اسید غیراشباع تولید می‌شود. متداول ترین نوع دی کربوکسیلیک اسید غیراشباع مورد استفاده برای تولید پلی استر غیر اشباع شامل مالئیک انیدرید، مالئیک اسید و فورامیک اسید است.

دی کربوکسیلیک اسید اشباع

درجه‌ی غیر اشباعی از دیگر مشخصات مهم پلی استر غیر اشباع است که روی واکنش پخت و همچنین خواص مکانیکی و مقاومتی محصول نهایی تأثیر گذار است. بدین منظور معمولا ترکیبی از دی کربوکسیلیک اسید اشباع و غیر اشباع استفاده می‌شود. متداول ترین نوع دی کربوکسیلیک اسید اشباع شامل ارتوفتالیک اسید، فتالیک انیدرید، ایزوفتالیک اسید، ایزوفتالیک اسید و آدیپیک اسید هستند.

گلایکول

طیف وسیعی از گلایکول‌ها در تولید پلی استر غیر اشباع استفاده می‌شود که متداول ترین آنها عبارتند از دی اتیلن گلایکول و دی پروپیلن گلایکول. در بسیاری از موارد برای دستیابی به خاص مطلوب ترکیبی از الکل‌ها استفاده می شود.

دی سیکلو پنتادین (Dicyclopentadiene -DCPD)

DCPD یک محصول جانبی از کراکینگ نفتا است که در تولید پلی استر غیر اشباع نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد و خواصی از جمله مقاومت حرارتی بالاتر و همچنین جمع شدگی کمتر را فراهم می‌کند.

مکانیزم واکنش

رزین پلی استر غیراشباع از دو مرحله‌ی مجزا تولید می‌شود.

در مرحله‌ی اول تمامی واکنش دهنده‌ها از جمله پروپیلن گلایکول، دی اتیلن گلایکول، فتالیک انیدرید و مالئیک انیدرید داخل راکتور ریخته می‌شوند و تا دمای 200-210 درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شوند. در حین حرارت دادن واکنش پلی کندانسیون شروع شده و با جدا شدن آب اضافی، پلیمر پلی استر شکل می‌گیرد. این روند ادامه پیدا می‌کند تا درجه‌ی خاصی از پلیمریزاسیون حاصل شود. سپس پلیمر ذوب شده و تا دمای 60-80 درجه سرد می‌شود.

در مرحله دوم پلیمر مذاب به یک مخلوط کن منتقل شده و در مونومر استایرن حل می‌شود و در ادامه برای رسیدن به خواص مطلوب مواد افزودنی به ترکیب مخلوط اضافه می‌شود.

پیوند کربنی دو گانه در پلی استر می‌تواند با پیوند کربنی دوگانه از یک مونومر دیگر از طریق واکنش پلیمریزاسیون و با استفاده از یک آغازگز رادیکال ارتباط برقرار کند. این واکنش، فرایند پخت و یا اتصال عرضی (cross-linking) نام دارد. حاصل آن یک شبکه اتصال عرضی سه بعدی است که در نهایت یک محصول جامد تشکیل می‌دهد.

ویژگی های رزین پلی استر غیراشباع

از مشخصات مهم این پلیمر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مقاومت در برابر حرارت، پایداری ابعادی در برابر تغییرات دما
• مقاومت کششی و فشاری بالا
• قدرت خمش بالا
• مقاومت در برابر خوردگی و عوامل شیمیایی
• خواص عالی دی الکتریک
• سیالیت خوب هنگام گرم شدن
• مقاومت در برابر سایش
• مقاومت مکانیکی خوب

انواع رزین پلی استر غیر اشباع

رزین‌های پلی استر غیراشباع را معمولا با توجه به خواص طبقه بندی می‌کنند. از مهمترین طبقه بندی‌ها می توان انواع زیر اشاره کرد. برخی از رزین‌ها می‌توانند در بیش از یک گروه جای بگیرند.

رزین پلی استر انعطاف پذیر

رزین های پلی استر انعطاف پذیر برای کاربردهایی که به حرکت نیاز دارند ترجیح داده می شوند. این رزین ها مقاومت خوبی  در برابر کشیدگی و شکست از خود نشان می‌دهند.

رزین پلی استر دارای مقاومت در برابر مواد شیمیایی

بسیاری از فرمولاسیون های رزین پلی استر مقاومت خوبی در برابر طیف وسیعی از عوامل شیمیایی از خود نشان می‌دهند و از این رو در بسیاری از صنایع شیمیایی و غذایی کاربرد دارند.

رزین پلی استر تخصصی

تولیدکنندگان ممکن است بنا بر هدف و نیاز خود به ترکیب و یا مشخصات خاصی نیاز داشته باشند که برای کاربردهای دیگر مناسب نباشد.

رزین پلی استر مقاوم در برابر الکتریسیته

رزین‌های پلی استر مقاوم در برابر جریان الکتریکی را می‌توان با استفاده از دی بیسیک اسیدهایی مانند ایزوفتالیک اسید، مالئیک انیدرید و… به جای فتالیک انیدرید تولید کرد. همچنین با اضافه کردن افزودنی‌هایی مانند کائولین و کلسیم کربنات می‌توان خاصیت مقاومتی را بهبود بخشید.  این گروه از رزین پلی استرهای غیر اشباع در بردها، تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

رزین پلی استر مقاوم در برابر آتش

رزین پلی استرهای با مقاومت در برابر آتش را می‌توان با استفاده از اسید بیسیک های هالوژنه مانند تتراکلروفتالیک انیدرید و تترابروموفتالیک انیدرید به جای فتالیک انیدرید و پروپیلن گلایکول تولید کرد. همچنین خاصیت ضد آتشی را می‌توان از طریق اضافه کردن افزودنی‌های بازدارنده شعله بهبود بخشید. این رزین‌ها به طور گسترده در ابزارهای الکتریکی، پنل‌های ساختمانی و قایق ها کاربرد دارند.

رزین پلی استر غیر اشباع با انتشار کم استایرن

در رزین‌های معمول از استایرن به عنوان عامل اتصال دهنده عرضی و همچنین کاهش دهنده ویسکوزیته استفاده می‌شود. اما عیب اصلی آن احتمال بروز مشکلات زیست محیطی و سلامتی برای افراد است. از این رو از دهه 1980 تلاش‌هایی برای یافتن جایگزینی برای استایرن با استفاده از مهار کننده‌های انتشار استایرن صورت گرفته است.

کاربرد های رزین پلی استر غیر اشباع

ساخت قایق

صنعت دریایی یک مثال کاربردی مهم برای رزین پلی استر غیر اشباع  تقویت شده با گلاس  (glass fiber-reinforced plastic-GRP) می‌باشد. در دهه‌ی 1950 از رزین های ارتوفتالیک استاندارد برای تولید انواع قایق‌های پارویی و موتوری استفاده می‌شد. در آن زمان که بیشتر تجهیزات با دست و با موادی از جمله چوب و فلز ساخته می‌شد، ظهور GRP یک پتانسیل بالقوه برای تولید قایق ها وکشتی ها بود. امروزه استفاده از GRP عملکرد خوبی را در این صنعت از خود نشان داده است.

صنعت ساختمان

در صنعت ساختمان سازی از GRP برای تولید بخش‌های مختلف از جمله ورق‌های تخت و موج دار، گنبدها و نورگیرهای سبک، ناودان‌ها، روکش تصفیه خانه‌های فاضلاب، پنجره ها و تزیینات درب استفاده می‌شود. مهمترین مشخصه GRP راحتی در طراحی و همچنین سازگاری بالا با سایر مصالح ساختمانی است. امروزه در تولید پل نیز این ماده کاربرد دارد.

صنعت حمل و نقل

برای ساخت خودروهای شخصی و یا کامیون‌ها نیز می‌توان از GRP در قسمت‌های مختلف مانند سقف و ضربه گیرها استفاده کرد. مزایای GRP برای خودرو سازی شامل موارد زیر است:

وزن سبک تر که منجر به مصرف بهینه سوخت می‌شود، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت فشاری و مقاومت در برابر شرایط جوی و امکان طراحی آسان

تجهیزات فرایندی

مقاومت شیمیایی، مکانیکی و فشاری خوب رزین پلی استر غیر اشباع  موجب می‌شود تا بتوان از آن در تولید تجهیزات کارخانجاتی که نیاز به تحمل شرایط سخت از جمله تغییرات شدید دمایی، قرار گرفتن طولانی در معرض آب، اسیدها، حلال ها و… دارند، استفاده کرد. در این شرایط کمتر ماده‌ای را می‌توان یافت که بتواند با GRP رقابت کند.

تجهیزات انتقال و ذخیره‌ی مواد

نگهداری و یا انتقال مواد در صنایع مختلف به عنوان مثال صنایع مواد غذایی و نوشیدنی نیازمند این است که هیچگونه هوا و اکسیژنی وارد مخازن نشود. ترکیب GRP با سایر مواد (فوم پلی یورتان) برای تولید مخازن انتقال و نگهداری انتخاب مناسبی است.

صنعت معدن

استخراج فلزات از سنگ‌های معدن مستلزم واکنش‌هایی است که شامل محلول‌های اسیدی و انیدریدی است. استفاده از رزین پلی استر غیر اشباع به خاصیت مقاومت شیمیایی بالا در این تجهیزات انتخاب مناسبی است.

سیستم فاضلاب شهری

مقاومت شیمیایی و حرارتی مناسب رزین های پلی استر غیر اشباع موجب استفاده از آنها در سیستم‌های آب و فاضلاب شهری شده است.

تجهیزات مربوط به انرژی بادی

ر این تجیزات نیز می‌توان از رزین پلی استرهای غیر اشباع استفاده کرد. به عنوان مثال تیغه‌های آسیاب های بادی (windmill blades)  از لحاظ دینامیک و هندسه پیچیده هستند. از طرف دیگر سختی و استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر عوامل جوی و مقاومت در برابر ضربه از مهمترین عوامل مؤثر برای تولید تیغه‌های آسیاب بادی است. همچنین سبکی وزن برای داشتن حداکثر بازدهی انرژی بادی و کمترین تعمیرات نیاز است. با توجه به این عوامل رزین پلی استر غیراشباع GRP بهترین انتخاب است.

گردآوری و ترجمه: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر

منابع:

• intechopen.com
• polymerdatabase.com
• resinlibrary.com