انواع پلاستيك و متخصصد آن؛ انقلاب عصر مدرن كه جهان را تغيير داد
معرفي و استفاده‌ي گسترده از پلاستيك در متخصصدهاي روزانه، كه تا قبل از آن به مواد سنتي مانند فلز، شيشه يا پنبه تكيه داشتند، از نوآوري‌هاي مهم قرن گذشته است. پلاستيك به‌دلايلي در صنايع مختلف انقلاب ايجاد كرده است، اين ماده با توجه به نوع آن نسبتا مقاوم، به‌طور كلي براي انسان بي‌خطر، مقرون‌به‌صرفه و در دسترس است كه در زمينههاي گوناگون از آن استفاده ميشود.
امروزه پلاستيك به جزو جدايي‌ناپذير عصر مدرن تبديل شده و ما در لحظات مختلف زندگي خود از آن استفاده مي‌كنيم، زماني كه تلويزيون تماشا مي‌كنيم، با رايانه كار مي‌كنيم، سوار اتوبوس، قطار يا هواپيما مي‌شويم همواره در حال استفاده از پلاستيك‌ها هستيم. زماني كه به مطب پزشك يا بيمارستان مراجعه مي‌كنيم يا مشغول خريد در فروشگاه مواد غذايي هستيم باز هم از پلاستيك‌ها استفاده مي‌كنيم. اما پلاستيك دقيقا چيست و از كجا آمده است؟
پلاستيك از مواد موجود در طبيعت مانند گاز طبيعي، نفت، زغال سنگ، مواد معدني و گياهان مشتق شده است و اولين پلاستيك‌ها توسط طبيعت توليد شدهاند. بشر در دهه‌ي ۱۸۰۰ ميلادي و براي جايگزين كردن مواد كميابي مثل عاج فيل و لاك لاك‌پشت به توليد پلاستيك علاقه‌مند شد و اولين پلاستيك‌هاي مصنوعي از سلولز موجود در گياهان و درختان به‌دست آمده است. سلولز با مواد شيميايي گرم ميشود و نتيجه‌ي آن ماده‌اي با دوام به‌نام پلاستيك است. مواد اوليه‌ي پلاستيك‌هاي امروزي از منابع مختلفي مي‌آيند اما اغلب پلاستيك‌ها از هيدروكربن‌هايي كه در گاز طبيعي، نفت و زغال‌سنگ وجود دارند، توليد مي‌شوند.
پلاستيك انواع مختلفي دارد كه در ادامه به برخي از رايج‌ترين آنها اشاره خواهيم كرد و با مفهوم كد بازگرداني حك‌شده روي پلاستيك‌ها آشنا مي‌شويم. براي تسهيل در فرايند بازيافت و ساير فرايندهاي انجام‌شده روي مواد مختلف از كد بازگرداني استفاده ميشود كه با توجه به آن مي‌توان فهميد هر نوع كالا از چه ماده‌اي ساخته شده است. هرچه رقم كد بازگرداني بيشتر باشد بازيافت آن سخت‌تر انجام مي شود. پلاستيك از جمله موادي است كه براي آن كد بازگرداني تعريف شده و عدد درج‌شده به عنوان كد بازگرداني نشان‌دهنده‌ي نوع آن پلاستيك است.
امروزه استفاده از پليمرها به‌اندازه‌اي رايج شده است كه مي‌توان گفت بدون استفاده از آنها بسياري از نيازهاي روزمره‌ي ما مختل خواهد شد. پليمرها، بخش عمده‌اي از مشتقات نفتي هستند كه در انواع مختلف در صنعت پتروشيمي توليد مي‌شوند و در صنايع گوناگون مورد استفاده قرار مي‌گيرند. هنگامي كه تركيبات آلي در دماي بالا حرارت داده مي‌شوند، به تشكيل تركيبات آروماتيك تمايل پيدا مي‌كنند. بنابراين مي‌توان نتيجه گرفت كه پليمرهاي آروماتيك بايد در مقابل دماهاي بالا مقاوم باشند.
انواع وسيعي از پليمرها كه واحدهاي تكراري آروماتيك دارند، در سال‌هاي اخير توسعه و تكامل داده شدهاند. اين پليمرها در صنايع هوا-فضا مورد استفاده قرار مي‌گيرند، زيرا در برابر دماي زياد پايداري مطلوبي از خود نشان مي‌دهند.
براي اين كه يك پليمر در برابر حرارت و در برابر گرما مقاوم تلقي‌شود، نبايد در زير دماي ۴۰۰ درجه‌ي سانتيگراد تجزيه شود. همچنين بايد خواص مورد نياز و سودمند خود را تا دماهاي نزديك به دماي تجزيه حفظ كند. اين گونه پليمرها داراي Tg بالا و دماي ذوب بالا هستند. پس مي‌توان گفت پليمرهاي مقاوم حرارتي به پليمرهايي مي‌گويند كه در دماي بالا به‌كار برده مي‌شوند، به‌طوري كه خواص مكانيكي، شيميايي و ساختاري آنها، با خواص ساير پليمرها در دماهاي پايين متفاوت باشد.
پليمرهاي مقاوم حرارتي به‌طور عمده در صنايع اتومبيل‌سازي، صنايع هوا-فضا، قطعات الكترونيكي، عايق‌ها، لوله‌ها، انواع صافي‌ها، صنايع آشپزي و خانگي، چسب‌ها و پوشش سيم‌هاي مخصوص مورد استفاده قرار مي‌گيرد؛ پليمرهاي يادشده هم به روش آلي و هم به روش معدني تهيه مي‌شوند. روش آلي متداول‌تر و اغلب پژوهش‌ها توسط دانشمندان پليمر در اين زمينه‌ها به ثمر رسيده است.
پليمرهاي آروماتيك به‌دليل قابليت حلاليت كم، سخت‌تر از ساير پليمرها هستند
امروزه در زمينه‌ي پليمرهاي مقاوم حرارتي پيشرفت هاي زيادي حاصل شده است. پژوهشگري به نام كارل اسي مارول كه يك پژوهشگر برجسته در زمينه‌ي مقاومت حرارتي پليمرها است، باعث توسعه تجارتي پلي بنزايميدازول، با نام تجاري PBI، شده است كه به شكل الياف براي تهيه‌ي لباس فضانوردان مورد استفاده قرار مي‌گيرد. البته اين تنها يكي از موارد متخصصدهاي متنوع پليمرهاي مقاوم حرارتي در برنامه‌هاي فضايي است. بدون‌شك اگر سال‌ها پژوهش علمي و آزمايش‌هاي گوناگون موجب كشف الياف پليمري مقاوم براي تهيه‌ي لباس فضانوردان نمي‌شد، هيچ فضا‌نوردي نمي‌توانست به فضا سفر كند.
طي سال‌هاي اخير گونه‌هاي وسيعي از پليمرهاي آروماتيك و آلي فلزي مقاوم در برابر گرما، توسعه و تكامل داده شدهاند كه تعداد كمي از آنها به علت ارزش بالاي آنها در تجارت قابل قبول نبوده‌اند. پليمرهاي آروماتيك، به خاطر اسكلت ساختاري صلب، دماي گذار شيشه‌اي Tg و ويسكوزيته‌ي بالا، قابليت حلاليت كم دارند، بنابراين سخت‌تر از ساير پليمرها هستند. در حال حاضر بالاترين حد مقاومت گرمايي از پليمرهاي آلي به‌دست‌آمده، بنابراين در سال‌هاي اخير تاكيد روي معرفي تفاوت‌هاي ساختاري پليمرها بوده است.
پيوستن گروههاي انعطاف‌پذير مانند اتر يا سولفون در اسكلت، يك راه‌كار است. هر چند اين اقدامات باعث حلاليت بيشتر، ويسكوزيته‌ي كمتر و معمولا پايداري حرارتي كم ميشود. نگرش ديگر براي وارد كردن گروههاي آروماتيك حلقه‌اي اين است كه به صورت عمودي در اسكلت صفحه‌اي آروماتيك قرار مي‌گيرد. اين ساختارها كه «كاردو پليمر» ناميده مي‌شوند معمولا پايداري بالايي دارند، بدون اين كه خواص دمايي آنها از بين برود. وارد كردن اسكلت با گروههاي فعال كه در اثر گرما موجب افزايش واكنش حلقه‌اي بين مولكولي مي‌شوند، راهي ديگر براي پيشرفت روندكار است.
مهم‌ترين و پرمحصول‌ترين راه از نقطه‌انديشه متخصصين توسعه‌ي تجارتي، سنتز اليگومرهاي آروماتيك يا پليمرهايي است كه با گروههاي پاياني فعالي، خاتمه داده شدهاند. اليگومرهايي كه انتهاي آنها فعال شدهاند، در دماي نسبتاً پايين ذوب مي‌شوند و در انواع حلال‌ها نيز حل مي‌شوند. همچنين در موقع حرارت دادن به پليمرهاي شبكه‌اي پايدار تبديل مي‌شوند.
پايداري حرارتي
پايداري حرارتي پليمرها، تابع فاكتورهاي گوناگوني است. از آنجا كه مقاومت حرارتي تابعي از انرژي پيوندي است، وقتي دما به حدي برسد كه باعث شود پيوندها گسيخته شوند، پليمر از طريق انرژي ارتعاشي شكسته ميشود. پس پليمرهايي كه داراي پيوند ضعيفي هستند در دماي بالا قابل استفاده نيستند و از به‌كار بردن منومرها و همچنين گروههاي عاملي كه باعث ميشود اين پديده تشديد شود، بايد خودداري كرد.
پليمرهاي نردباني پايداري حرارتي بالاتري نسبت به پليمرهاي زنجيره‌ي باز دارند
البته گروه‌هايي مانند اتر يا سولفون، نسبت به گروه‌هايي مانند آلكيل، NH و OH پايدارتر هستند، ولي وارد كردن گروه‌هايي مانند اتر و سولفون يا گروههاي پايدار ديگر فقط براي بالا بردن مقاومت حرارتي نيست، بلكه باعث بالا رفتن حلاليت نيز مي‌شوند. تاثيرات متقابلي كه بين دو گونه‌ي پليمري وجود دارد، ناشي از تاثيرات متقابل قطبي-قطبي و پيوند هيدروژني است كه باعث بالا رفتن مقاومت حرارتي در پليمرها مي‌شوند. اين نوع پليمرها بايد قطبي و داراي عامل‌هايي باشند كه پيوند هيدروژني را به‌وجود آورند، مانند: پلي‌ايميدها و پلي‌يورتان‌ها.
انرژي رزونانسي كه به وضوح در آروماتيك‌ها به چشم مي‌خورد، مخصوصا در حلقه‌هاي هتروسيكل و متخصصل‌ها و كلا پليمرهايي كه استخوان‌بندي آروماتيكي دارند، باعث افزايش مقاومت حرارتي مي شوند. در مورد واحدهاي تكراري حلقوي، شكستگي يك پيوند در يك حلقه باعث پايين آمدن وزن مولكولي نمي‌شود و احتمال شكستگي دو پيوند در يك حلقه كم است.
پليمرهاي نردباني يا نيمه‌نردباني پايداري حرارتي بالاتري نسبت به پليمرهاي زنجيره‌ي باز دارند. بنابراين اتصالات عرضي موجب صلب پليمرهاي خطي مي‌شوند كه شامل حلقه‌هاي آروماتيك با چند پيوند يگانه‌ي مجزا هستند. براي تهيه‌ي پليمرهاي مقاوم حرارتي بايد نكات زير رعايت شوند:
۱. استفاده از ساختارهايي كه شامل قوي‌ترين پيوندهاي شيميايي هستند. مانند تركيبات هتروآروماتيك، آروماتيك اترها و عدم استفاده از ساختارهايي كه داراي پيوند ضعيف مثل آلكيلن-آليسيكليك و هيدروكربن‌هاي غيراشباع هستند.
۲. ساختمان تركيب بايد طوري باشد كه به سمت پايدار بودن ميل كند، پايداري رزونانسي آن زياد باشد و ساختارهاي حلقوي بايد طول پيوند عادي داشته باشند، به نحوي كه اگر يك پيوند شكسته شد ساختار اصلي، اتم‌ها را كنار هم نگه دارد.
مقاومت در برابر حرارت
هنگامي كه از پليمرهاي مقاومت حرارتي صحبت ميشود بايد مقاومت حرارتي آنها را برحسب زمان و دما تعريف كنيم. افزايش هر كدام از اين فاكتورها باعث كاهش طول عمر پليمر ميشود و اگر هر دو فاكتور افزايش يابند طول عمر به‌صورت لگاريتمي كاهش مي‌يابد. به‌طور كلي اگر يك پليمر به‌عنوان پليمر مقاوم حرارتي در انديشه متخصصين گرفته ميشود، بايد به مدت طولاني در ۲۵۰ درجه‌ي سانتيگراد، در زمان‌هاي متوسط در ۵۰۰ درجه‌ي سانتيگراد و در كوتاه‌مدت در دماي ۱۰۰۰ درجه‌ي سانتيگراد خواص فيزيكي خود را حفظ كند.
يك پليمر مقاوم حرارتي بايد طي سه هزار ساعت و در حرارت ۱۷۷ درجه‌ي سانتيگراد، طي ۱۰۰۰ ساعت در ۲۶۰ درجه سانتي گراد، طي يك ساعت در ۵۳۸ درجه‌ي سانتيگراد يا طي ۵ دقيقه در ۸۱۶ درجه‌ي سانتيگراد، خواص فيزيكي خود را از دست ندهد.
برخي از شرايط ضروري براي پليمرهاي مقاوم حرارتي، بالا بودن نقطه‌ي ذوب، پايداري در برابر تخريب اكسيداسيوني در دماي بالا، مقاومت در برابر فرآيندهاي حرارتي و واكنش گرماي شيميايي است. سه روش اصلي براي بالا بردن مقاومت حرارتي پليمرها وجود دارد: افزايش بلورينگي، افزايش اتصال عرضي و حذف اتصال هاي ضعيفي كه در اثر حرارت اكسيد مي‌شوند. افزايش بلورينگي، متخصصد پليمرها را در دماي بالا محدود مي‌كند، زيرا موجب كاهش حلاليت و اختلال در فرآورش ميشود. برقرار كردن اتصال‌هاي عرضي در اليگومرها روش مناسبي است و خواص پليمر را به‌طور واقعي اما غير قابل برگشت تغيير مي‌دهد.
پوشش‌هاي پلي‌يورتان و پلي‌يوريامي از پيشرفته‌ترين پليمرهاي توسعه‌يافته، هستند
اتصالا‌هاي ضعيفي كه بايد حذف شود شامل اتصال هاي آلكيلي، آليسيكلي، غير اشباع و هيدروكربن‌هاي غير آروماتيك و پيوند NH است. اما اتصالاتي كه مفيد است شامل سيستم‌هاي آروماتيكي، اتر، سولفون، ايميد و آميدها هستند. اين عوامل پايداركننده به‌صورت پل در ساختار پليمر واقع و موجب پايداري آنها مي‌شوند. از طرفي ضروري است كه پليمر از قابليت به‌كارگيري و امكان فرآورش مناسب برخوردار باشد.
بايد تغييرات ساختاري طوري باشد كه حلاليت و فرآورش مناسب‌تر داشته باشند. براي اين منظور بايد از واحدهاي انعطاف‌پذير اتر، سولفون، آلكيل و همچنين از كوپليمره كردن و تهيه‌ي ساختارهايي با زنجير نامنظم استفاده كرد. براي حفاظت سطوح در برابر خردگي، تلاش‌‌هاي زيادي را جهت فرموله كردن محصولات پوششي با خواص متنوع، در صنعت امروز مي‌طلبد.
به‌طور كلي پليمرهاي مقاوم حرارتي به چهار دسته تقسيم مي شوند: پليمرهاي تراكم ساده، مانند پليمرهايي كه از حلقه‌ي آروماتيك تشكيل شدهاند و با اتصالات تراكمي به يكديگر متصل هستند. پليمرهاي هتروسيكل، يعني پليمرهايي كه از حلقه‌هاي آروماتيك تشكيل شدهاند اما از طريق حلقه‌هاي هتروسيكل به هم وصل شدهاند. كوپليمرهاي تركيبي تراكمي هتروسيكل، يعني پليمرهايي كه شامل تركيبي از اتصال‌هاي تراكمي ساده و حلقه‌هاي هتروسيكل و پليمرهاي نردباني كه شامل دو رشته زنجير هستند.
در طي سال‌هاي اخير، دانشمندان و مهندسين شيمي نوآوري‌هايي را در صنعت پليمر عرضه كرده‌اند تا جوابگوي اين نياز باشند. از جمله پيشرفته‌ترين پليمرهاي توسعه‌يافته، پوشش‌هاي مدرن پلي‌اورتان و پلي‌يوريامي هستند. از آنجايي كه يك سيستم ايده‌آل حفاظت از خوردگي بايد در كليه‌ي مراحل اعمال، نصب و سويس با محيط زيست سازگار باشد، دوام و مقاومت بالايي در برابر شرايط محيطي، صدمات مكانيكي و مواد شيميايي داشته باشد و همچنين از انديشه متخصصين هزينه‌ي مواد، اجرا، تعميرات و نگهداري، مقرون به صرفه باشد، پوشش‌هاي پلي‌يورتان و خصوصا پلي‌يورياي ۱۰۰ درصد جامد، به‌دليل خواص ويژه‌ي خود، تمام اين نيازها را برآورده مي‌كنند.
انواع پلاستيك
ترموپلاستيك يا گرمانرم به پليمرهايي گفته ميشود كه با افزايش دما بدون تغيير شيميايي ذوب مي‌شوند؛ اين پليمرها را مي‌توان به دفعات ذوب و دوباره جامد كرد. به زبان ساده‌تر مواد پلاستيكي‌اي هستند كه توسط حرارت به مايع تبديل مي‌شوند، پس از شكل گيري و حذف گرما شكل نهايي خود را پيدا مي‌كنند و هر چند بار كه بخواهيم مي‌توانيم آن را بارها ذوب كرد و تغيير فرم داد. ترموپلاست‌ها داراي مجموعه‌ي ۱۰ خانواده‌اي هستند.
ترموست‌ها يا گرماسخت‌ها پلاستيك‌هايي هستند كه پس از پخت و شكل‌گيري، ديگر نمي‌توان با استفاده از حرارت شكل آنها را تغير داد. ترموست‌ها داراي سختي بالا، سفتي، مقاومت در برابر حرارت و حلال‌هاي شيميايي و مقاومت الكتريكي بالايي هستند.
ترموپلاستيك‌ها را برخلاف ترموست‌ها، مي‌توان به دفعات ذوب و دوباره جامد كرد
ترموست‌ها بر خلاف ترموپلاست‌ها از لحاظ شيميايي پايدار نيستند و با گذشت زمان در آنها اتصالات عرضي ايجاد ميشود. معمولا به ترموست‌ها مواد افزودني مثل خاك اره، خاك رس، خاك چيني و الياف پنبه اضافه مي‌كنند. ترموست‌ها معمولا شكننده هستند اما لاستيك با آنكه يك ترموست است به‌علت وجود اتصالات عرضي در مولكول‌هاي زنجيرهاي آن كه به آن «ولگانيزه» مي‌گويند و عامل ايجاد اتصال آن گوگرد است؛ شكننده نيست و آواي حركت داشته و كاملا ارتجاعي است.
پلاستيك‌هاي زير بر اساس ميزان خطر براي انسان و محيط زيست و البته قابليت بازيافت به هفت دسته تقسيم‌بندي مي‌شوند؛ بنابراين اعداد درج‌شده روي محصولات پلاستيكي نشانه نوع پلاستيك است. توليدكنندگان وظيفه دارند نوع پلاستيك را با درج اين اعداد روي محصولات معرفي كنند تا مراحل جداسازي آنها بهتر انجام شود. اين اعداد هيچ ارتباطي با كيفيت پلاستيك ندارد.
۱. پلياتيلن ترفتالات (Polyethylene Terephthalate)
پلياتيلن ترفتالات بيشتر از ساير انواع پلاستيك در سراسر جهان توليد ميشود. اين ماده شفاف و سفت است و زماني كه در پارچه استفاده ميشود به عنوان پلي‌استر از آن ياد ميشود. يكي از مهم‌ترين متخصصدهاي پلياتيلن ترفتالات در زمينه‌ي بسته‌بندي يا بطري‌هاي نوشيدني است، به‌عنوان مثال براي توليد بطري‌هاي آب معدني به كار مي‌رود و به راحتي قابل بازيافت است. برخي متخصصدهاي اين پلاستيك شامل بطري‌هاي ادويه‌جات، سيني‌هاي مواد غذايي منجمد، ظروف يك‌بار مصرف، بطري دهانشويه و ديگر بطري‌هاي توالت و پوشاك است.
پلياتيلن ترفتالات قابل بازيافت و كد بازگرداني آن #1 است، به عبارت ديگر زماني كه روي كالاي پلاستيكي اين كد را مشاهده مي‌كنيد به معناي آن است كه در ساخت آن از پلياتيلن ترفتالات استفاده شده است. از جمله مزاياي پلي‌اتيلين ترفتالات نسبت به ساير پلاستيك‌ها مي توان به موارد زير اشاره كرد:
- كاربردهاي گسترده‌ي آن به‌عنوان پلي‌استر
- عايق رطوبت بسيار موثر
- مقاوم در برابر خرد شدن
۲. پلياتيلن (polyethylene)
پلياتيلن انواع مختلفي دارد (پايين مطلب) كه از جمله رايج‌ترين آنها مي‌توان به پلياتيلن كم‌چگالي (LDPE) و پلياتيلن با چگالي بالا (HDPE) اشاره كرد كه خصوصيات آنها متفاوت است. پلياتيلن با چگالي كم، نوعي پلاستيك شفاف و منعطف است كه به صورت گسترده در بسته‌بندي‌ها و كيسه‌هاي پلاستيك در فروشگاه‌هاي مواد غذايي استفاده ميشود. اين ماده از انعطاف‌پذيري بالايي برخوردار است اما مقاومت كششي پاييني دارد.
پلياتيلن با چگالي بالا، نوعي پلاستيك سفت است كه براي بسته‌بندي‌هاي پلاستيكي محكم‌تر مانند ظروف شوينده لباسشويي و همچنين متخصصدهاي ساختماني يا سطل‌هاي زباله استفاده ميشود. اين ماده هنگام قرار گرفتن در معرض انواع مواد در برابر خوردگي مقاومت نشان مي‌دهد. پلياتيلن با وزن مولكولي بسيار زياد، نوع ديگري از پلياتيلن است كه استحكام آن حتي از فولاد نيز مي‌تواند بيشتر باشد، از اين پلاستيك بيشتر در برخي تكنيك‌هاي پزشكي مانند ايمپلنت لگن و غيره استفاده ميشود.
پلياتيلن با چگالي پايين گرچه نسبتا بي‌خطر است، اما معمولا بازيافت نمي‌شود
كد بازگرداني پلياتيلن با چگالي بالا #2 و پلياتيلن با چگالي كم #4 است. پلاستيك پلياتيلن با چگالي بالا رايج‌ترين پلاستيك بازيافت شده است و يكي از ايمن‌ترين انواع پلاستيك محسوب مي شود، در حالي كه پلياتيلن با چگالي پايين گرچه نسبتا بي‌خطر است اما معمولا بازيافت نمي‌شود.
۳. پلي وينيل كلرايد (Polyvinyl Chloride)
پيويسي (PVC) از پلاستيك‌هاي شفاف و مقاوم در برابر ضربه و خوردگي است كه بيشتر در متخصصدهاي ساختماني و تجاري همچون لوله‌كشي، عايق‌كاري سيم‌هاي الكتريكي، بسته‌بندي‌هاي محكم مانند ظروف يك‌بار مصرف، لوله‌ها، كفپوش و قاب پنجره استفاده ميشود. در مشاغل ساختماني لوله‌ي پيويسي اغلب با كلمه‌‌ي اسكجول (Schedule) ياد ميشود كه نشان‌دهنده‌ي ضخامت لوله نسبت به طول آن است.
كد بازگرداني اين پلاستيك #3 و بازيافت آن سخت است و كمتر از يك درصد مواد ساخته‌شده از اين نوع پلاستيك بازيافت مي‌شوند. از جمله مزايا و خصوصيات پيويسي نسبت به ساير پلاستيك‌ها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد.
- شكنندگي
- سفت و سخت (گرچه انواع مختلف پيويسي بسيار انعطاف‌پذير نيز طراحي شدهاند)
- استحكام
۴. پلي‌پروپيلن (Polypropylene)
پلي‌پروپيلن نوعي پلاستيك با دوام است كه مي‌تواند در مقابل دماها و مواد مختلفي مقاومت نشان دهد. اين پلاستيك نيمه‌شفاف و داراي سطحي با اصطحكاك پايين است، به خوبي با مايعات واكنش نشان نمي‌دهد، به‌راحتي آسيب‌هاي آن تعمير ميشود و مقاومت الكتريكي خوبي دارد (به‌عنوان مثال عايق الكتريكي خوبي است). همچنين پلي‌پروپيلن به‌دليل انعطاف‌پذيري و سازگاري بالا از پركاربردترين پلاستيك‌هاي بازار به حساب مي‌آيد.
پلي‌پروپيلن از پركاربردترين پلاستيك‌هاي بازار است
از اين پلاستيك در متخصصدهاي مختلف كه شامل بسته‌بندي براي محصولات مصرفي، درپوش بطري‌هاي نوشيدني، ظروف يك‌بار مصرف، بطري‌هاي ادويه، قطعات پلاستيكي براي صنعت خودرو، به‌خصوص ابزاري مانند لولاي زنده و منسوجات استفاده ميشود. كد بازگرداني اين پلاستيك #5 است.
در حال حاضر تنها ۳ درصد محصولات پلي‌پروپيلن در ايالات‌متحده بازيافت مي‌شوند. از جمله مزايا و خصوصيات پلي‌پروپيلن نسبت به ساير پلاستيك‌ها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد.
- استفاده در لولاي زنده
- توليد آسان
۵. پلي‌كربنات (Polycarbonate)
پلي كربنات يك ماده شفاف است كه به دليل بالا بودن مقاومت آن در برابر ضربه نسبت به ساير پلاستيك‌ها شناخته شده است. اين پلاستيك در گلخانه‌ها كه به هر دو قابليت انتقال بالا و استحكام بالا نياز دارند و همچنين در وسايل ضدشورش پليس، استفاده ميشود. از برخي متخصصدهاي اين پلاستيك مي‌توان به استفاده در عينك‌هاي آفتابي، پوشش استخر، انواع نورگيرها و شيشه‌هاي نشكن اشاره كرد. كد بازگرداني اين پلاستيك #7 است. از مزايا و خصوصيات پلي‌كربنات نسبت به ساير پلاستيك‌ها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
- شفاف
- استحكام بالا
۶. اسيد پلي‌لاكتيك (Polylactic Acid)
اسيد پلي‌لاكتيك نسبت به ساير پلاستيك‌هاي ديگر اين ليست منحصربه‌فرد است زيرا از زيست‌توده به جاي نفت مشتق شده است و به همين دليل بسيار بهتر از مواد پلاستيكي سنتي تجزيه ميشود. برخي متخصصدهاي اين نوع پلاستيك شامل ليوان‌ها و ظروف قابل تجزيه، بسته‌بندي‌هاي مواد غذايي، چاپ سه‌بعدي، بطري‌ها و برخي ابزار پزشكي است. كد بازگرداني اين پلاستيك #7 است و پلاستيك‌هايي كه با اين كد بازگرداني ثبت شدهاند معمولا بازيافت نمي‌شوند. از مزايا و خصوصيات اسيد پلي‌لاكتيك نسبت به ساير پلاستيك‌ها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
- تجزيه‌پذيري
- امكان چاپ سه‌بعدي
۷. پلي‌استايرن (Polystyrene)
پلي‌استايرن نوعي پلاستيك همه‌كاره است كه مي‌تواند محكم و شفاف يا به فرم فوم مات توليد شود. از اين پلاستيك به‌صورت گسترده در بسته‌بندي‌ها تحت نام تجاري استيروفوم استفاده ميشود. از جمله متخصصدهاي آن مي‌توان به ظروف يك‌بار مصرف مثل بشقاب‌ها، فنجان، كارد و چنگال، عايق ساختماني و به عنوان يك ماده‌ي شفاف طبيعي براي توليد درب نوشابه‌هاي غير الكلي يا ابزار پزشكي مانند لوله‌هاي آزمايش يا ظروف پتري اشاره كرد. از ديگر مزايا و خصوصيات پلي‌استايرن نسبت به ساير پلاستيك‌ها مي توان به استفاده از آن در متخصصدهاي فوم اشاره كرد. كد بازگرداني اين پلاستيك #6 است و براي بازيافت چندان مورد توجه قرار نمي‌گيرد.
۸. آكريليك (Acrylic)
آكريليك بيشتر به دليل متخصصد آن در ساخت دستگاه‌هاي نوري شناخته شده است. اين ماده به‌شدت شفاف، مقاوم در برابر خراش و سايش، مقاوم در مقابل گلوله و اشعه‌ي UV است و در صورتي كه بشكند احتمال اين كه به بافت‌‌هاي حساس نزديك آن از جمله پوست يا چشم آسيب برساند كمتر است. مقاوم بودن اكريليك ۱۷ برابر بيشتر از شيشه بوده و نگهداري آن راحت‌تر است.
برخي متخصصدهاي آكريليك عبارتند از: استفاده در ساخت آكواريوم، لنز چراغ‌هاي بيروني خودرو، وان حمام، سينك، لنزهاي چشمي و مواد ترميم‌كننده‌ي دندان. كد بازگرداني اين پلاستيك #7 است. از مزايا و خصوصيات آكريليك نسبت به ساير پلاستيك‌ها مي توان به موارد زير اشاره كرد:
- شفاف
- ضد خش
۹. استال (Acetal)
استال يا پلي‌اكسي‌متيلن (POM)، يك پلاستيك مستحكم كششي بسيار بالا با خاصيت ضداصطحكاك است كه به دليل مقاومت بالايش در برابر گرما، سايش، آب و تركيبات شيميايي شناخته شده است. ضريب اصطحكاك پايين به همراه ساير خصوصيات اين پلاستيك باعث شده است از آن در متخصصدهايي مانندچرخ‌دنده استفاده شود، همچنين در ساخت فنر، قطعات پمپ، قطعات ماشين آلات صنعتي، ساخت دستگيره، نساجي، خودروسازي، ساخت لوازم خانگي، هواكش و غيره متخصصد دارد. كد بازگرداني اين پلاستيك #7 است. از جمله مزايا و خصوصيات استال نسبت به ساير پلاستيك‌ها مي‌توان به اصطحكاك پايين آن اشاره كرد.
۱۰. نايلون (Nylon)
نايلون از انواع پلاستيك پر متخصصدي ست كه به‌صورت گسترده در زمينههاي مختلف از جمله پوشاك، تقويت‌كننده مواد پلاستيكي مانند لاستيك اتومبيل، در وسايل نقليه و تجهيزات مكانيكي و همچنين به عنوان طناب يا نخ استفاده ميشود. نايلون به دليل استحكام بالا، مقاوم بودن در برابر دماي بالا و سازگاري شيميايي زيادي كه نسبت به ساير پلاستيك‌ها دارد به عنوان جايگزيني براي فلزات كم مقاومت در متخصصدهايي مانند موتورهاي ماشين نيز استفاده ميشود. كد بازگرداني اين پلاستيك #7 است. از جمله مزايا و خصوصيات نايلون نسبت به ساير پلاستيك‌ها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
- استحكام بالا
- مقاومت گرمايي
۱۱. آكريلونيتريل بوتادين استايرن (ABS)
ABS پلاستيكي مقاوم، منعطف، براق، با قابليت پردازش بالا است كه در برابر مواد شيميايي فاسدكننده و ضربه‌هاي فيزيكي بسيار مقاوم است. به‌سادگي مي توان از آن استفاده كرد، به‌راحتي در دسترس است و درجه دماي ذوب پاييني دارد كه باعث ميشود بتوان از آن در چاپ سه‌بعدي استفاده كرد. هزينه‌ي توليد اين پلاستيك نسبتا كم است و اغلب در صنايع خودروسازي و سردكننده‌ها استفاده ميشود.
برخي متخصصدهاي ديگر آكريلونيتريل بوتادين استايرن، شامل استفاده از آن در ساخت جعبه، سرپوش‌هاي محافظ، چمدان و اسباب‌بازي كودكان است. كد بازگرداني اين پلاستيك #7 است. از جمله مزايا و خصوصيات ABS نسبت به ساير پلاستيك‌ها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
- مقاوم در برابر ضربه
- دسترسي ساده
- توليد راحت
- انتخاب اول براي چاپ سه‌بعدي
نماد | مخفف انگليسي | كد بازيافت | نام | كاربرد |
|---|---|---|---|---|
PET | #1 | پلياتيلن ترفتالات | بطري آب‌معدني | |
PEHD | #2 | پلياتيلن، پرچگالي | ظروف مايع ظرفشويي، سطل زباله، بطري پلاستيكي، كيف پلاستيكي، روكش‌هاي لمينت در صنعت چوب، سبدهاي حمل ميوه | |
PVC | #3 | پلي وينيل كلرايد | چارچوب پنجره، بطري‌هاي مواد شيميايي، بطري روغن مايع | |
PELD | #4 | پلياتيلن، كم‌چگالي | كيف پلاستيكي، سطل‌ها، ظروف صابون مايع، لوله‌هاي پلاستيكي، كيسه‌ي نايلون | |
PP | #5 | پلي‌پروپيلن | الياف صنعتي، ظرف ماست، ني نوشيدني‌ها | |
PS | #6 | پلي‌استايرن | اسباب‌بازي، ظرف بيرون نگه‌داشتن مواد غذايي، يونوليت | |
Other | #7 | پلاستيك‌هاي ديگر | كيس كامپيوتر، ظروف غذا | |
ABS | #9 | آكريلونيتريل بوتادين استايرن | اكثر قطعات كامپيوتر، قهوه‌ساز، تلفن همراه، اسباب بازي | |
PA | . | پلي‌آميد | نايلون |
تاريخچه‌ي توليد پلياتيلن
پلياتيلن اولين بار به‌طور اتفاقي توسط شيميدان آلماني هانس فون‌پشمان (Hans Von Pechmanv) سنتز شد. او در سال ۱۸۹۸ هنگام حرارت دادن دي‌آاخبار تخصصيتان، تركيب مومي‌شكل سفيدي را سنتز كرد كه بعدها پلياتيلن نام گرفت. اولين روش سنتز صنعتي پلياتيلن به‌طور تصادفي توسط ازيك ناوست و رينولرگيسون (از شيميدان‌هاي ICI) در سال ۱۹۳۳ كشف شد. اين دو دانشمند با حرارت دادن مخلوط اتيلن و بنزالدئيد در فشار بالا، ماده‌اي موم‌مانند به‌دست آوردند. علت اين واكنش وجود ناخالصي‌هاي اكسيژن‌دار در دستگاه‌هاي مورد استفاده بود كه به‌عنوان ماده‌ي آغازگر پليمريزاسيون عمل كرده بود.
در سال ۱۹۳۵ مايكل پرينريال، يكي ديگر از دانشمندهاي ICI اين روش را توسعه داد و تحت فشار بالا پلياتيلن را سنتز كرد كه اين روش اساسي براي توليد صنعتي LDPE در سال ۱۹۳۹ شد.
انواع كاتاليزورها در سنتز پلياتيلن
اتفاق مهم در سنتز پلياتيلن، كشف چندين كاتاليزور جديد بود كه پليمريزاسيون اتيلن را در دما و فشار ملايم‌تري نسبت به روش‌هاي ديگر امكان‌پذير مي‌كرد. اولين كاتاليزور كشف شده در اين زمينه تري‌اكسيد كروم بود كه در سال ۱۹۵۱، روبرت بانكس و جان هوسن در شركت فيليپس تپروليوم آن‌را كشف كردند. در سال ۱۹۵۳ كارل زيگلر، شيميدان آلماني سيستم‌هاي كاتاليزور را كه شامل هاليدهاي تيتان و تركيبات آلي آلومينيوم‌دار بود، توسعه داد. اين كاتاليزورها در شرايط ملايم‌تري نسبت به كاتاليزورهاي فيليپس قابل استفاده بودند.
سومين نوع سيستم كاتاليزوري استفاده از تركيبات متالوسن بود كه در سال ۱۹۷۶ در آلمان توسط والتر كامينيكي و هانس ژوژسين، توليد شد. كاتاليزورهاي زيگلر و متالوسن از لحاظ كاركرد بسيار انعطاف‌پذير هستند و در فرايند كوپليمريزاسيون اتيلن با ساير اولفين‌ها كه اساس توليد پليمرهاي مهمي مثل VLDPE ،LLDPE و MDPE هستند، مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اخيرا كاتاليزوري از خانواده متالوين‌ها با قابليت استفاده بالا براي پليمريزاسيون پلياتيلن به نام زيركونوسن دي‌كلريد ساخته شده است كه امكان توليد پليمر با ساختار بلوري (تك آرايش) بالا را مي‌دهد.
همچنين نوع ديگري از كاتاليزورها به نام كمپلكس ايمينوفتالات با فلزات گروه ششم مورد توجه قرار گرفته است كه كاركرد بالاتري نسبت به متالوسن‌ها نشان مي‌دهند. پلياتيلن يكي از ساده‌ترين و ارزانترين پليمرها است. مولكول اتيلن داراي يك پيوند دوگانه C=C است. در فرايند پليمريزاسيون پيوند دوگانه‌ي هر يك از مونومرها شكسته و به‌جاي آن پيوند ساده‌اي بين اتم‌هاي كربن مونومرها ايجاد ميشود و محصول ايجاد شده يك درشت‌مولكول است. طبقه‌بندي پلي‌اتيلن‌ها بر اساس دانسيتهي آنها انجام ميشود كه در مقدار دانسيته اندازه‌ي زنجير پليمري، نوع و تعداد شاخه‌هاي موجود در زنجير دخالت دارد.
انواع پلياتيلن
UHMWPE
پلياتيلن با وزن مولكولي بين سه تا ۶ ميليون را پلياتيلن با وزن مولكولي بسيار بالا مي‌نامند و با پليمريزاسيون كاتاليست متالوسن توليد مي‌كنند. اين ماده از فرايند‌پذيري دشوارتري برخوردار بوده ولي خواص آن عالي است. اين پليمر هنگامي كه از طريق تشعشع يا استفاده از مواد افزودني شيميايي، به‌كلي شبكه‌اي شود، ديگر گرمانرم نخواهد بود. اين ماده با پخت حين قالب‌گيري يا بعد از آن يك گرماسخت واقعي با استحكام كششي، خواص الكتريكي و استحكام ضربه‌ي خوب در دامنه‌ي وسيعي از دماها خواهد بود.
از اين پلياتيلن براي ساخت فيبرهاي بسيار قوي استفاده مي‌كنند تا جايگزين كولار (نوعي پلي‌آميد) در جليقه‌هاي ضد‌گلوله كنند. همچنين صفحات بزرگ آن را مي‌توان به جاي زمين‌هاي اسكيت‌يخي استفاده كرد. پلياتيلن متخصصد فراواني در توليد انواع لوازم پلاستيكي مورد استفاده در آشپزخانه و صنايع غذايي دارد. از LDPE در توليد ظروف پلاستيكي سبك و همچنين كيسه‌هاي پلاستيكي استفاده ميشود. HDPE، در توليد ظروف شير و مايعات و انواع وسايل پلاستيكي آشپزخانه متخصصد دارد.
از پلياتيلن UHMWPE، براي ساخت فيبرهاي بسيار قوي استفاده مي‌كنند
در توليد لوله‌هاي پلاستيكي و اتصالات لوله‌كشي معمولا از MDPE استفاده مي‌كنند. LLDPE به‌دليل بالا بودن ميزان انعطاف‌پذيري در تهيه‌ي انواع وسايل پلاستيكي انعطاف‌پذير مانند لوله‌هايي با قابليت خم شدن متخصصد دارد. اخيرا پژوهش‌هاي فراواني در توليد پلي‌اتيلن‌هايي با زنجير بلند و داراي شاخه‌هاي كوتاه انجام شده است. اين پلي‌اتيلن‌ها در اصل HDPE با تعدادي شاخه‌هاي جانبي هستند و تركيبي از استحكام HDPE و انعطاف‌پذيري LDPE را دارند.
HDPE
اين پلياتيلن داراي زنجير پليمري بدون شاخه است بنابراين نيروي بين مولكولي در زنجيرها بالا و استحكام كششي آن بيشتر از بقيه‌ي پلي‌اتيلن‌ها است. شرايط واكنش و نوع كاتاليزور مورد استفاده در توليد پلياتيلن HDPE، موثر است. براي توليد پلياتيلن بدون شاخه معمولا از روش پليمريزاسيون با كاتاليزور زيگلر-ناتا استفاده ميشود.
LDPE
اين پلي اتيلن داراي زنجيري شاخه‌دار است بنابراين زنجيرهاي LDPE نمي‌توانند بخوبي با يكديگر پيوند برقرار كنند و داراي نيروي بين مولكولي ضعيف و استحكام كششي كمتري است. اين نوع پلي اتيلن معمولا با روش پليمريزاسيون راديكالي توليد ميشود. از خصوصيات اين پليمر ، انعطاف‌پذيري و امكان تجزيه بوسيله ميكروارگانيسم‌ها است.
LLDPE
اين پلي اتيلن يك پليمر خطي با تعدادي شاخه‌هاي كوتاه است و معمولا از كوپليمريزاسيون اتيلن با آلكن‌هاي بلند زنجير ايجاد ميشود.
MDPE
پلياتيلن با دانسيتهي متوسط را MDPE مي‌گويند.
مشهور‌ترين پلاستيك‌هاي تجزيه‌پذير
ترموپلاستيك نشاسته (TPS)
رايج‌ترين بيوپلاستيك در توليدات است كه عمدتا در توليد كيسه‌هاي ذخيره‌سازي مواد غذايي و ظروف غذا متخصصد دارد. ترموپلاستيك نشاسته از نشاسته‌ي پيوند داده نشده‌ي TPS و نشاسته پيوند داده شده‌ي TPGS كه از تركيب اين دو با گرانول‌هايشان و آب، گليسرول يا سوربيتول در مخلوط كن به‌دست مي‌آيد. TPS و TPGS به مانند مواد پلاستيكي رفتار مي‌كنند و خواص مكانيكي آنها بستگي به نوع استفاده از پلاستيك دارد.
پلي هيدروكسي بوتيرات (PHB)
اين ماده، پلي استري است كه با برخي از باكتري‌هاي پردازش گلوكز، نشاسته‌ي ذرت يا فاضلاب توليد شده است. خصوصيات آن شبيه به برخي از ويژگي‌هاي پروپلاستيك پلي‌پروپيلن است. PHB در درجه‌ي اول به خاطر خصوصيات فيزيكي آن شناخته ميشود. اين پلاستيك را مي‌توان در دماي ذوب بالاتر از ۱۳۰ درجه سانتيگراد به يك ورقه‌ي شفاف تبديل كرد و تجزيه‌پذيري آن بدون پسماند است.
تاريخچه‌ي توليد پلاستيك
اولين قدم در مورد صنعت پلاستيك، توسط فردي به نام وايسا هيكات انجام گرفت كه تلاش مي‌كرد ماده‌اي به‌جاي عاج فيل تهيه كند. چون عاج فيل به‌عنوان ماده‌اي سخت، گران‌ارزش و همينطور كمياب متخصصدهاي فراواني داشت. او توانست نيترات سلولز را (كه به‌اشتباه نيتروسلولز گفته ميشود) از سلولز تهيه كند. پس نيترات سلولز اولين پلاستيك با منشا طبيعي است.
يك ويژگي مهم مواد پلاستيكي در صنعت، فرآيند‌پذير بودن (Processible) بودن آن است. اگر ماده‌اي قابل‌ذوب يا قابل‌حل باشد، در صنعت قابل استفاده است و گرنه نمي‌توان از آن استفاده صنعتي كرد، چون نمي‌توانيم آن را براي تهيه مواد به‌كار ببريم.
نيترات سلولز
سلولز نه قابل حل و نه قابل ذوب است و قبل از ذوب تجزيه ميشود، پس فرآيند‌پذير نيست. اما نيترات سلولز هم قابل حل و هم قابل ذوب است. يعني وايسا هيكات، سلولز فرآيند‌ناپذير را به نيترات سلولز فرآيند‌پذير تبديل كرد.
استات سلولز
نيترات سلولز ايراداتي دارد. از اين رو تلاش براي جايگزين كردن يك پلاستيك ديگر به جاي آن آغاز شد. در سال ۱۹۰۸ مايلز، استات را تهيه كرد كه هم مزيت نيتروسلولز را دارد و هم كاركردن با آن آسان‌تر است و خطرات كمتري دارد.
پلاستيك سنتزي
اولين پلاستيك سنتزي، رزين فنل-فرمالدئيد بود كه در تلاش براي ساخت مواد پليمري كاملا سنتزي، در سال ۱۹۰۷ لئو بلكند، موفق شد از متراكم كردن فنل با فرمالدئيد، رزين فنل فرمالدئيد را كه بعدها تحت عنوان بالكيت (به‌عنوان محصول نهايي) ناميده شد، توليد كند. اين رزين هم در محيط‌هاي اسيدي و هم قليايي قابل تهيه است.
فنوپلاست‌ها
از متراكم شدن فنل با فرمالدئيد در محيط اسيدي يا بازي فنوپلاست يا رزين فنل-فرمالدئيد حاصل ميشود. ماكزيمم PH كه در صنعت با آن كار ميشود ۸/۵ است و براي ايجاد اين PH در محيط بازي به محيط، NH3 يا NaOH اضافه ميشود. براي اين كه چسب نجاري حاصل شود، در انتهاي مولكول، بايد گروه OH باشد. هر چه گروههاي OH بيشتر باشد چسبندگي بيشتر خواهد بود. پس براي توليد چسب بهتر، بايد فرمالدئيد اضافي برداريم. بهترين چسب آن است كه گروه فرمالدئيد آزاد داشته باشد.
آمينوپلاست‌ها
آمينوپلاست‌ها از متراكم شدن اوره يا ملامين با فرمالدئيد در محيط اسيدي يا بازي به‌دست مي‌آيند. دماي اين واكنش بايد بين ۶۰ تا ۸۰ درجه سانتيگراد باشد. چسب فنل فرمالدئيد به‌علت بدبويي در بازار نيست. ولي اين چسب، در بازار موجود است. ملامين يا ۸، ۴، ۶ _ تري آمينو _ ۱، ۳، ۵ _ تري آزيد با فرمالدئيد مي‌تواند در محيط اسيدي يا بازي، واكنش چند تراكمي انجام دهد و برحسب شرايط تنظيم واكنش، پليمر يك‌بعدي ايجاد كند.
وقتي كه شرايط را با تنظيم PH در محيط اسيدي و دماي زياد تغيير دهيم، پليمر يك‌بعدي به سه‌بعدي تبديل ميشود و همراه با ۲۰ درصد كائولن تبديل به فرميكا ميشود كه ماده‌ي استخواني روي ميزهاي كابينت‌ها است كه در خلا تحت فشار بالا پرس ميشود. حال اگر ۴۰ الي ۳۰ درصد كربنات كلسيم اضافه كنيم، تبديل به زيرسيگاري و مواد دير اشتعال‌پذير ميشود كه ارزش آن، فوق‌العاده افت مي‌كند، اما قدرت مكانيكي آن بالا مي‌رود؛ كليد و پريز برق بدون استثنا از اين ماده توليد مي‌شوند.
آمينولاست‌ها پليمرهايي هستند كه در اثر فشار، تغيير شكل مي‌دهند و بعد از حذف نيروي خارجي، اين تغيير شكل همچنان ادامه مي‌يابد و باقي مي‌ماند. به عبارت ديگر، خاصيت پلاستيسيتي دارند. اين پليمرها در اثر گرما به‌تدريج نرم و با افزايش دما به حالت فيزيكي جامد خود تبديل مي‌شوند. اين خصلت، متخصصد اين پليمرها را تضمين مي‌كند يا به‌وجود مي‌آورد. اگر ترموپلاستيكي را به‌صورت پودر يا حلقه‌هاي كوچك حرارت دهيم، ابتدا نرم و سپس مذاب و وسيكوز ميشود و اگر آنها را قالب بگيريم، شكل قالب را به‌خود مي‌گيرد.
در آخر بايد گفت با اينكه برخي از كشورها مثل چين، مصرف پلاستيك يك‌بارمصرف را ممنوع مي‌كند، اما تا زماني كه جايگزين مناسب، ارزان، بي‌خطر براي محيط زيست و سلامت انسان وجود نداشته باشد، همچنان پلاستيك‌ها به‌عنوان عناصر جداناپذير زندگي ما باقي خواهند ماند.
هم انديشي ها