بتن پلیمری

قرن بیستم را به حق باید قرن پلیمر ها نیز دانست ، محصولات پلیمری از لحاظ حجمی در سال 1990 بر حجم محصولات آهنی فایق آمد و پیش بینی می شود که در قرن حاضر ، از لحاظ وزن نیز بالاتر رود . صنایع ساختمان بزرگترین مصرف کننده موادّ پلیمری ، 25 تا 30 درصد از کلّ پلیمر ها را مصرف می کند .

یکی از مواردی که در ساختمان به وفور استفاده می شود بتن است . این مادّه به دلیل هزینه پایین تولید ، راحتی استفاده و استحکام فشاری ، یکی از موادّ پرمصرف در سازه هاست ولی به دلیل نقایصی که دارد ( نقایصی چون : 1 – تخریب یخ زدگی و ذوب 2 – تخریب پذیری توسّط موادّ شیمیایی خورنده 3 – استحکام کششی کم   4- دیرپخت بودن و …. ) همزمان با تولید این مادّه ، ترکیب آن با فولاد ( مسلّح کردن بتن )‌ و ایجاد خاصیّت تاب خمشی مطرح شد و از همان موقع ، استفاده از موادّ و ترکیبات شیمیایی ، برای بهبود خواصّ آن مورد توجّه قرار گرفت . حاصل تحقیقیاتی که در این زمینه صورت گرفت این نتیجه را در بر داشت که جایگزینی مناسبی ، با موادّ پلیمری انجام شده است و با به کارگیری آنها به روش های مختلف ، خواصّ بتن ارتقا می یابد . ( این تحقیقات بیشتر در ژاپن ، آمریکا و روسیه انجام شده است ) . در این رابطه خانواده بتن های پلیمری ، بهترین خاصیّت ها را از خود نشان دادند . خواصّ این نوع بتن ، برتر از بتن های سیمانی بود و گاهی خواصّ
منحصر به فردی از خود نشان می دهد . با توجّه به ‌نیاز بیشتر به استحکام در سازه ها و برتری های این نوع بتن ، بتن پلیمری مورد علاقه دانشمندان واقع شد و با وجود آنکه مدّت زیادی از اختراع آن نمی گذرد و علیرغم قیمت بالایی نیز که داراست مورد استقبال روزافزون قرار گرفته است . بتن های پلیمری از حدود سال 1950 وارد بازار شده اند و پیش بینی می شود در طیّ دهه پیش رو ، مصرفشان 10 برابر شود . کاربرد این نوع پلیمرها به دو شاخه استفاده جامد و استفاده غیر جامد تقسیم می شود .
در حالت جامد محصولات پلیمری به جای فولاد جایگزین می شوند و بتن را مسلّح می کنند که در این حالت ، پلیمر به صورت رشته ، شبکه و یا میلگرد در بتن استفاده می شود . در حالت غیر جامد با تزریق پلیمر های پودری و مایع ، در دوام بتن بهبود حاصل می شود .

در کشور ما کار خاصّی روی بتن پلیمری صورت نگرفته است و هنوز در سطح یک موضوع تحقیقاتی برای دانشجویان
باقی مانده است ، موضوعی که منابع تحقیق آن نیز غالباً خارجی هستند .

بتن های پلیمری ( Polymer Concrete )  حالت جامد :

اکثر موادّ و مصالح طبیعی به دلیل ناپیوستگی های سطحی و ترکیباتی که در خود دارند ، دارای مقاومت لازم برای تحمّل
تنش های زیاد نیستند و لازم است تا با موادّ دیگری مسلّح شوند . دانشمندان به دنبال موادّی هستند که در ضمن مسلّح کردن بتن ، دارای وزن کمتر ، مقاومت بیشتر در برابر عوامل جوّی ، رفتار بهتر در بارگذاری های متناوب باشد و بتواند مقاومت خود را در دماهای بالا مثل دمای کوره حفظ کند و …..از این قبیل.

 یکی از مشهورترین این مصالح ، کامپوزیت های پلیمری می باشند . اوّلین باری که کامپوزیت ها در بنا استفاده شد در زمان جنگ جهانی دوّم بود . در آن زمان بر روی ساختمان هایی که باید رادار نصب می کردند ، استفاده از سازه های فلزّی و یا حتّی بتن آرمه ، مشکل ایجاد می کرد ، با مسلّح کردن بتن توسّط کامپوزیت های بتنی ، این مشکل برطرف شد . همچنین در همان بحبوحه جنگ بعضی از قسمت های هواپیماهای جنگی را از پلی استرهایی که با رشته های شیشه تقویت شده بودند
می ساختند .

در ساختمان های مسکونی از کامپوزیت هایی با فیبر شیشه ای یا پلی استر استفاده می شد . (‌ سازه کامپوزیتی GPR ) ، دو ساختمان استثنایی با سازه کامپوزیتی ساخته شده است که یکی سازه گنبدی شکل در بن غازی (‌ 1968 )‌ و دیگری سقف فرودگاه دبی ( 1972 )‌ است که تأثیر محسوسی بر استفاده از این نوع سازه ها داشته است .

اکثر این سازه ها دارای سازه اصلی بتن مسلّح بود و برای ساخت پانل ها از GPR (Glass Polymer Reinforced )  بهره می برد ، همانند سازه قوسی فضاکار زمین فوتبال شهر منچستر (‌1980 ) ، مهمّترین کاربردهای GPR به قرار زیر است :

1-    ساختمان هایی که تحت اثر خوردگی شدید هستند .

2-     سازه های پیشرفته رادارها .

3-    ساختمان هایی که کنترل کیفیّت آنها مهم است .

4-    ماهواره ها .

5-    آنتن های بزرگ .

پیش از بیان انواع بتن های پلیمری لازم است با فرآیند پلیمریزاسیون بیشتر آشنا شویم :  

پلیمریزه شدن : از اتّصال واحد های مونومر به یکدیگر ، رشته یا شبکه های مولکولی سطحی یا فضایی
 تشکیل می شود که دارای وزن مولکولی بالایی هستند و به آنها پلی مر می گویند ، این فرآیند را پلیمریزه شدن می گویند .

انواع بتن های پلیمری بدین قرارند :

1- بتن های باردار شده توسّط پلیمر ( PIC ) : شامل بتن پورتلند پیش ریخته شده است که توسّط یک سیستم مونومری باردار گردیده است (‌ آماده واکنش است )‌ و متعاقباً در محلّ ، پلیمریزه می شود .

2-    بتن های پلیمر – سیمان (PCC)  : شامل یک مونومر است که به مخلوط آبی بتن تازه افزوده می شود و متعاقباً در محلّ، پلیمریزه می شود .

3- بتن های پلیمری (PC) : شامل یک سیستم مخلوط از سنگریزه  ( Aggregate ) و پرکننده ( Filler )   در مونومر می باشد که متعاقباً در محلّ ، پلیمریزه می شود .

4-    بتن های پلیمر – گوگرد  (PSC ) : شامل یک سیستم مخلوط از بتن های گوگردی است که توسّط پلیمر ها اصلاح خواصّ پیدا کرده باشد .

نحوه تولید بتن پلیمری (‌حالت غیر جامد ) :

بتن های پلیمری از 80 تا 95 درصد پرکننده های معدنی و گاهی آلی تشکیل شده اند و حدود 5 تا 20 درصد بایندر پلیمری نیز

بتن را نگاه می دارد ( بایندر  ( Binder )  به معنای پیوند دهنده یا متّصل کننده است و منظور همان محلول مونومر است که پس از فرآیند پلیمریزاسیون بتن را نگاه می دارد ) ، خواصّ بتن های پلیمری برتر از بتن های سیمانی است .

با انتخاب : الف ) بایندر مناسب    ب) نوع و میزان مناسب پرکننده   ج ) به کار بردن افزودنی های مناسب

می توان طیف وسیعی از بتن های پلیمری را با خواصّ فیزیکی ، مکانیکی ، دینامیکی ، الکتریکی ، حرارتی ، شیمیایی ، تزئینی و … تهیّه کرد . در صورتیکه این طیف وسیع برای بتن های سیمانی وجود ندارد . از مجموعه موادّ رایج به عنوان بایندر پلیمری سه نوع رایج ترند که عبارتند از : 1 – اپوکسی ( Epoxy )    2- پلی استر    3 – پلی یورتان

از پرکننده های رایج نیز دو نوع رایج ترند که عبارتند از : 1 – سیلیس (Silica)    2- کربنات کلسیم

بر اساس آزمایش هایی از نوع برزیلی ، نتایج زیر حاصل شد :

1 – نمونه های بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی استر ، استحکاک بالاتری دارند .

2- نمونه های بتن پلیمری با بایندر پلی یورتان ، ازدیاد طول بسیار زیادی دارند . ( تعریف اپوکسی و …. در همین مقاله گفته خواهد شد . )

بایندر های پلیمری 90% کلّ قیمت بتن را شامل می شوند . با وجود این ، قیمت بتن های پلیمری ، بسیار کمتر از
پلاستیک هاست . انتخاب مناسب بایندر و پر کننده مناسب ، می تواند سبب هر یک از حالات زیر شود :

1 – بتن هایی با دی الکتریک بالا   2 – برعکس بتن هایی با هدایت الکتریکی بالا   3 – قطعاتی مناسب برای ایجاد خلاء و ..

تغییر خواصّ بتن پلیمری بر حسب تغییر پرکننده ها :

پرکننده ها از دو دسته تشکیل می شوند : 1- جزء زبر ( دانه بندی درشت )   2- جزء نرم ( دانه بندی ریز )

پرکننده های سبک وزن شامل سه دسته سنگ های رسی سبک ، پرلیت و سنگ پا  ( Pumice )  می شوند و پر کننده های سنگین شامل 4 دسته قطیر ، هماتیت ، ایلمنیت ، باریت می شوند .

از این موادّ برای تولید بتن های پلیمری با وزن مخصوص بین 640 تا 5200 کیلوگرم بر متر مکعّب می توان استفاده کرد . پرکننده های بسیار نرم برای کاهش حجم خالی بتن به کار برده می شود . مانند پودر سیلیس ، کربنات کلسیم ، خاکستر ، کائولین . میکا تالک ،‌تری هیدرات آلومینا ‌، سولفات کلسیم و سیمان پورتلند . پر کننده ها می توانند سبک باشند مانند
دانه های شیشه ای سوراخ دار ، سرامیک یا گلوله های پلاستیک .

با استفاده از پرکننده های هادی مثل کربن یا پودرهای فلزّی ، می توان بتن را از نظر الکتریکی رساناتر کرد ، افزودنی هایی مثل فیبرهای شیشه ای ،‌آلی و فلزّی برای اصلاح استحکام ضربه ای ، خمشی و همچنین برای کاهش پدیده انقباض ناشی از پخت به کار می رود . عوامل تر کننده باعث کاهش سطحی زیرین مایع و سهولت ترشدگی سطوح پرکننده می شود . جهت تأمین رنگ و همچنین گاهی اوقات به منظور پایداری در مقابل نور از رنگدانه ها استفاده می شود .

با افزودن لاتکس های  SBR  و اپوکسی به بتن معمولی به عنوان بتن سیمان پرتلند ، پلی مری استفاده شده است که باعث بهبود خواصّ‌مهندسی و پایایی بتن می شود و همچنین با افزودن رزین های پلی اسراسیترن و اپکسی به مصالح سنگی
به عنوان بتن پلیمری که در مورد رزین پلی اسراسیترن، خواصّ‌ مهندسی و پایایی بتن به طور چشمگیری بهبود می یابد .

آشنایی با انواع بایندرها :‌

رزین  ( Resin )  : به مادّه آلی جامد یا نیمه جامد یا شبه جامدی گفته می شود که اغلب دارای وزن مولکولی نامشخّص امّا بالایی بوده و وقتی در معرض تنش قرار می گیرد تمایل به جریان دارد .

اپوکسی : اپوکسی نوعی رزین است ، این نوع رزین دارای قطعاتی گرم و نرم است که با گرما آب می شوند .

رزین های اپوکسی : نوع مایع آن از چسبندگی خوبی به الیاف شیشه برخوردارند .

لاتکس : شیر آب محتوی مونومر که برای تولید پلی مر استفاده می شود .  ( SBR )

خواصّ رزین های اپوکسی :

1- مقاومت در برابر خوردگی (Corrosion ) بسیار زیاد .    2- زمان پخت کم .     3- زمان کم برای رسیدن به استحکام ساختمانی .        4 –چسبندگی خیلی خوب به سطوح فلزّی .              5- مقاومت سایشی  ( Abrasion Resistance )  بالا.      6 – استحکام مکانیکی بالا .                                                              7 – مقاومت در برابر موادّ شیمیایی مخرّب .

 8 – چروکیدگی ( Shrinkage )  کم در حین پخت .        9- عدم تولید محصولات فرّار جانبی در واکنش پخته شدن .

10 – حفظ خواصّ و سازگاری حرارتی با فولاد در محدوده دمایی 30 تا 70 درجه سانتیگراد .

رزین اپوکسی مایعی است بی رنگ ، ‌متمایل به زرد ، فرّار و سمّی که در دمای اتاق بخار می شود .

روشی برای تقویّت بتن های معمولی :‌

در بتن های پلیمری از تکنیک آغشته سازی بتن با پلیمر استفاده می شود . در این روش ، یک سیستم مونومری به داخل بتن سخت شده نفوذ می کند و پس از پلیمریزاسیون موجب انسداد مجاری و حفره های درون بدنه و اتّصال بیشتر اجزاء متشکّله و ارتقای بسیاری از خواصّ بتن خواهد شد . در این روش از مونومر های متیل متا کریلات و استایرن استفاده می شود . روش کار بدین ترتیب است که نمونه های بتن را خشک و تمیز نموده و سپس خنک می کنیم . بعد بتن را با سیستم مونومری
آغشته می کنیم و پس از انجام پلیمریزاسیون کاتالیتی حرارتی ، بتن پلیمری آماده است . این بتن ، مقاومت فشاری و نفوذناپذیری اش افزایش پیدا کرده است .

مزایای بتن های پلیمری :

1 – استحکام    2- کرنش های فشاری ، خمشی ، کششی (‌چندین برابر )    3 – میرایی    4 – عمر سرویس

5 – مقاومت سایش و ضربه ای            6 – مقاومت در برابر تغییرات جوّی    7- مقاومت در برابر عوامل شیمیایی

8 – مقاومت در برابر عوامل مخرّب محیطی      9- مقاومت در برابر عوامل مخرّب صنعتی    10- جذب آب کمتر 

11 – افت کمتر خواص    12 – خواصّ فیزیکی و مکانیکی بهتر        13 - دارای خواصّ تزئینی

جدول بالا به خوبی می تواند مزایای بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلیستر را نسبت به بتن سیمانی نشان دهد ، علاوه بر این بتن پلیمری پلی یورتان دارای ازدیاد طول منحصر بفردی است . بتن های پلیمری در برابر شستشوی دائم مقاومند و فراورش و اجرای آسانی دارند .

استفاده از بتن های پلیمری در قطعات پیش ساخته و نماهای ساختمانی:‌

یکی از موارد استفاده از بتن های پلیمری ، تولید قطعات پیش ساخته و نماهای ساختمانی است که البتّه این قطعات ، معایب سنگ های طبیعی را ندارند ، سنگ های طبیعی که در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار می گیرند اغلب دارای معایبی هستند که بعضی از آنها این چنین اند :‌

1 – سنگ های طبیعی چگالی بالایی دارند .        2- در اثر عوامل جوّی و موادّ شیمیایی تخریب پذیرند .

3 – نفوذ پذیری و جذب آب بالایی دارند .           4  –تهیّه آنها در ضخامت کم به دلیل شکنندگی بالایی که دارند
ممکن نیست   .          5 – حمل و نقل آنها سخت است .        6 – عایق صوت و حرارت نیستند .

بتن های پلیمری چگالی پایین ، خواصّ فیزیکی و مکانیکی سطح بالا را دارا هستند و امکان اعمال طرح های تزئینی متنوّع در آنها وجود دارد و جایگزینی مناسب برای سنگ های تزئینی و نماهای خارجی رایج خواهند بود. (‌مرمر ، گرانیت انیکس و .. )

با انتخاب موادّ اوّلیّه خاصّ برای تولید این نوع بتن تزئینی و فراورش مناسب ، سنگ نمای مصنوعی سبکی تولید خواهد شد که معایب سنگ های تزئینی طبیعی را نداشته و دارای خواصّ و برتری های ذیل می باشد :

1 – چگالی 3/1 گرم بر سانتی متر مکعّب .       2 – درصد جذب آب 19% (‌یک شصتم بتن سبک و یک سی ام بتن معمولی )

3 – قدرت چسبندگی بیشتر بر روی بتن سیمانی      4 – مقاومت در برابر ضربه .       5 – سازگاری حرارتی بسیار خوب در محدوده دمایی 30 تا 70 درجه سانتیگراد     6 - مقاومت بسیار عالی در برابر شرایط محیطی شیمیایی 7 – استحکام فشاری ، خمشی و کششی بالاتر .   8 – تنوّع رنگ بسیار زیاد .

نکته جالب این است که با وجود تمام محاسنی که ذکر شد ، این نوع تولیدات ، قیمت کمتری نسبت به سنگ های طبیعی دارند .

کاربرد بتن های پلیمری به عنوان صفحات ضدّ گلوله :

برای تولید صفحات ضدّ گلوله در صورتی که وزن و حجم ، عوامل محدود کننده ای نباشند ، بتن سیمانی در تهیّه و ساخت موانع ضدّ‌گلوله به کار می رود . در صورتی که به جای سیمان از رزین پلیمری ، به عنوان حامل در ترکیب بتن استفاده شود ، مقاومت مکانیکی بتن افزایش چشمگیری می یابد و‌ سرعت گیرش و پخت سازه مورد نظر به صورت محسوسی بالا می رود .

در این ترکیب پلیمری که شامل 12 درصد رزین است ، 3 درصد تقویت کننده شامل پودر و لاستیک الیاف کوتاه شیشه ،
ایجاد خواهد شد ، این صفحه ضدّ گلوله ،‌ برای ساخت هدفی با حدّ اقل ضخامت 5 تا 6 سانتی متر به کار می رود و می تواند گلوله ای با انرژی معادل 2400 ژول را مهار کند و کمترین خسارات را متحمّل شود .

کاربرد بتن های پلیمری سبک در ساخت تابلوهای ایمنی راه :

با توجّه به گسترش جادّه ها و ازدیاد مسافرت ها ، نیاز به علایم رانندگی هر روز بیش از پیش احساس می شود . این علایم عمودی و افقی هستند و نوع قائم آن از پایه و سر تابلو تشکیل شده است و عموماً از جنس فلز ساخته می شود ؛
 با توجّه به اینکه مصرف این تابلوها در کشور بسیار زیاد است و فلزّ به کار رفته در آن ورقی و وارداتی و ارزبر است و از طرف دیگر منابع فراوان تولید بتن و سیمان در کشور وجود دارد ، مسئولین بر آن شدند تا از بتن سبک در تولید علائم ایمنی شهری بهره برداری کنند . این تابلو ها باید به گونه ای باشند که اوّلاً در برابر عوامل جوّی و یخبندان مقاوم باشند ، ثانیاً‌ از
نظر اقتصادی ، مقرون به صرفه باشند و ثالثاً دارای سطحی صاف و بدون خلل و فرج باشند تا بتوان شبرنگ ها را بر روی آنها چسباند . از این رو در حال حاضر به دستور سازمان مدیریّت و برنامه ریزی ، محقّقین در حال تحقیق در زمینه استفاده از
بتن های پلیمری برای تولید پایه و سر تابلوهایی هستند که خاصیّت های مذکور را دارا باشند ، چنانچه بتوان به این مهم
دست یافت ، حدود 30 الی 50 درصد کاهش هزینه نسبت به علایم فلزی خواهیم داشت و به عبارتی سالیانه حدود چندصد میلیون تومان کاهش هزینه خواهیم داشت .

نتیجه گیری :

با توجّه به آشنایی مختصری که در این مقاله نسبت به بتن پلیمری به دست آمد ، می توان پیش بینی کرد که در آینده از بتن پلیمری به صورت عمده ، هم در داخل ساختمان به عنوان تحمّل کننده بار و هم در خارج از ساختمان به عنوان نما استفاده خواهد شد ، بدون شک آنچه که باعث افزایش استفاده از بتن پلیمری شده است ، قابلیّت تغییر در خواصّ آن با تغییر دادن نوع و درصد پرکننده ها و بایندر های پلیمری است .

امید است دانشمندان و دانش پژوهان ایرانی از عرصه تحقیقاتی وارد عرصه ازمایشگاهی شوند تا بدین ترتیب صنعت ساختمان کشور بهبود فن آوری یابد .

1-     بتن پلیمری :  حسین کلاگر ، حسان بابا شاه ( دانشجوی دانشگاه آزاد اسلامشهر ) - آذر1382

2-     مرکز اطّلاعات و مدارک علمی ایران (‌وزارت علوم )

3-     چکیده پایان نامه پیمان دشتی زاده (‌کارشناسی ارشد تربیت مدرّس )

4-     چکیده مقاله کنفرانس بین المللی سواحل و بنادر و سازه های دریایی ( دکتر مهرداد کوکبی ، قادر خانبابایی )‌

5-     چکیده پایان نامه علی نیک پی (‌کارشناسی ارشد تربیت مدرّس )‌

6-     چکیده پایان نامه رضا افشارپور (‌کارشناسی ارشد صنعتی اصفهان )‌

7-     چکیده پایان نامه حمیدرضا زمانی (‌کارشناسی ارشد دانشگاه تهران )

8-      چکیده پایان نامه بابک اسماعیلی (‌کارشناسی ارشد تربیت مدرّس )

9-      چکیده پایان نامه فرامرز زمودی ( کارشناسی ارشد تربیت مدرّس )

10     - چکیده مقاله زهره خانی ، محمّدرضا حسینیان (‌ماهنامه سیمان )

11     - پروژه های سازمان مدیریّت و برنامه ریزی

متخصصان ایرانی، با ساخت ‌آزمایشگاهی نوعی نانوکامپوزیت پلی(استایرن) فوم‌شونده با آب، گام بزرگی برای رفع مشکل آتشگیری فوم های پلی‌استایرنی برداشتند.

پژوهشگران دانشگاه تهران بر این باورند که با افزودن نانورس اصلاح شده به فرمولاسیون دانه‌های پلی‌استایرن قابل انبساط با آب، می‌توان میزان اشتعال‌پذیری این دانه‌ها و همچنین فوم‌های آنها را کاهش داد.
هرچند سنتز نانوکامپوزیت‌های پلی‌استایرن قابل انبساط با آب اولین بار در سال 2006 گزارش شده، اما تاکنون تحقیقی در مورد اثر پارامترهای ساختاری نانورس بر مراحل سنتز و خواص محصول نهایی انجام نشده است.
از این رو، "نادر طاهری قزوینی" و همکاران، پژوهشی را برای بررسی ارتباط ساختار-خواص فوم‌های نانوکامپوزیتی پلی‌استایرن قابل انبساط با آب انجام دادند.
آنها اثر مقدار و ویژگی‌های سطحی چند نوع نانورس اصلاح شده را بر نحوه‌ پراکنش آن در ماتریس پلی‌استایرن بررسی کرده و بر مبنای آن، ویژگی‌هایی نظیر نحوه‌ توزیع عامل پف‌زا در دانه‌ها، اندازه و توزیع اندازه ذرات دانه‌ها، چگالی، مورفولوژی و ویژگی‌های آتش‌گیری اسفنج نهایی را مورد ارزیابی و بررسی قرار دادند.
بررسی‌ها نشان می‌دهد که افزودن نانورس اصلاح شده باعث افزایش میزان آب در دانه‌های قابل انبساط می‌شود.
علاوه بر این، نتایج حاکی از اثرگذاری مدل پراکنش نانورس در ماتریس پلی‌استایرنی بر اندازه دانه‌ها، چگالی دانه‌ها قبل از انبساط، مورفولوژی سلول است و بهترین نتیجه در حالت پوسته پوسته، یعنی در حداکثر میزان پراکندگی ذرات نانورس، به دست آمده است.
در این کار تحقیقاتی، در مرحله اول و به صورت جداگانه، محلول پلی‌استایرن در مونومر آن، پراکنه یکنواختی از نانورس در مونومر استایرن و همچنین مخلوط پایداری از یک پلیمر آبدوست در مونومر استایرن تهیه شده است.
در مرحله دوم محلول و پراکنه‌های حاصل از مرحله اول را با یکدیگر مخلوط و در نهایت پس از تعلیق آنها در محیط آبی و انجام پلیمریزاسیون تعلیقی، ذرات نانوکامپوزیتی نهایی حاصل شده است.
پس از سنتز، ابتدا شناسایی ساختاری و مورفولوژیکی ذرات انجام و سپس ذرات اولیه با استفاده از روش‌های گوناگون منبسط شدند. در انتهای کار، شناسایی مورفولوژی فوم حاصل و بررسی خواص کاربردی آن انجام شد.
نتایج این پژوهش می‌تواند در صنایع بالادستی پتروشیمی (برای تولید محصولات جدید) و در صنایع پایین‌دستی به ویژه صنعت ساختمان، کاربرد بسیار زیادی داشته باشد.
همچنین با توجه به آتشگیری بسیار زیاد این فوم‌ها، استفاده از نوع نانوکامپوزیتی آن که آتشگیری کمتری دارد، می‌تواند مزیت‌های بی‌شماری داشته باشد.
جزییات این پژوهش که با همکاری خانم "رفیعه ‌السادات نوروزیان امیری"، دکتر "ناصر شریفی سنجانی" و دکتر "محمد براری" انجام شده، در مجله Journal of Macromolecular Science R (جلد48، صفحات 955–966، سال 2009) منتشر شده است.

منظور از پلیمرهای پلی‌سولفاید، پلیمرهای آلیفاتیک دارای پیوندهای گوگردی در زنجیره اصلی پلیمر است. این اتصالات می‌توانند دو، سه و... گوگردی باشند. پلیمرهای پلی‌سولفایدی، شامل الاستومرهای جامد با وزن مولکولی بالا، پلیمرهای مایع با وزن مولکولی پایین و محلول‌های آبی این الاستومرها و یا پلیمرهای مایع هستند. در این میان، بیشترین کاربرد را پلیمرهای پلی‌سولفاید مایع دارند و در تولید درزبندها[1] به کار می‌روند. از جمله خواص منحصر بفرد این درزبندها که در هیچ درزبند دیگری دیده نشده و باعث شده است تمایل زیادی به استفاده از آنها در صنایعی حساس مانند هوافضا (که عمده‌ترین مصرف این درزبندها را دارا است) به‌وجود آید، خاصیت خود ترمیمی[2] آنهاست که به دلیل جابجایی‌های بین مولکولی باندهای گوگرد-گوگرد و یا واکنش آنها با گروه‌های «مرکاپتان» باقی مانده رخ می‌دهد. همین خاصیت، موجب می‌شود که این درزبندها به درزبندهای از قبل پخت شده چسبندگی خوبی داشته باشند. لذا هنگام تعمیرات، هزینه و آسیب کمتری متوجه تجهیزات، از قبل درزبندی شده می‌شود. کاربردهای آنها در صنایع هوافضا در آب‌بندی مخازن سوخت و کابین‌های تحت فشار، درزبندی اتصالات موجود در بال، بدنه و اطراف پنجره‌ها و نیز محافظت از لوازم الکتریکی است. نوع سیستم پخت و درجه پخت، از مهم‌ترین عوامل تعیین‌کننده خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی محصول نهایی است. ساختار منحصر بفرد زنجیره اصلی پلیمرهای پلی‌سولفاید، سهم بسزایی در خواص مطلوب محصولات ساخته شده توسط این ماده را دارد. خواص درزبندهای ساخته شده از این پلیمر عبارتند از: مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر حلال‌ها و سوخت‌ها، انعطاف‌پذیری خوب و چسبندگی به بسیاری از سطوح نظیر استیل، آلومینیم، شیشه، لاستیک‌ها، بتون، چوب و... از نارسایی‌های این درزبندها می‌توان به پایین بودن مقاومت حرارتی و مقاومت در برابر خزش و بوی بد اشاره کرد که با فرمولاسیون مناسب می‌توان این مسائل را تا حد زیادی برطرف کرد. مقاومت در برابر فرسودگی و سیالات و انعطاف‌پذیری در دمای پایین متناسب با درصد پلیمر موردمصرف در فرمولاسیون محصول است. با توجه به حساسیت کاربرد در درزبندهای هواپیما و سایر وسائل موردمصرف در صنایع هوافضا (عمده‌ترین کاربرد این پلیمر) درصد وزنی پلیمر در کامپاند بالای 60درصد است. به همین دلیل درجه پخت و سیستم پخت به‌کار گرفته شده که استحکام‌دهنده پلیمر پایه‌اند، اساسی‌ترین نقش را در خواص فیزیکی و مکانیکی محصول نهایی خواهند داشت.

عبارتی که عموماً برای انتشار زنجیر و اتصالات عرضی پلیمرهای مایع در چسب‌ها و درزبندها استفاده می‌شود، «پخت»[3] است. پخت در واقع همان فرایند vulcanization است که فرایندی برگشت‌ناپذیر از اتصالات بین مولکولی زنجیرهای پلیمری و ایجاد شبکه‌ای سه بعدی می‌باشد. باید توجه داشت که پخت از این دست، به معنای تبخیر حلال نیست.

پخت بر اثر اکسیداسیون

لاستیک پلی‌سولفاید دارای گروه‌های هیدروکسیل، توسط اکسید روی، پخت می‌شود. این در حالی است که لاستیک دارای ساختاری نظیر پلیمرهای مایع تجاری، با استفاده از پراکسید روی، پخت می‌شود. فرایند اخیرالذکر که اکسیداسیون گروه‌های انتهایی و شاخه‌ای مرکاپتان و تشکیل باندهای دی‌سولفاید است. (شکل1) اساس پخت برای اکثر درزبندها و پوشش‌های تجاری مبتنی بر پلیمرهای پلی‌سولفاید مایع است.

شکل1: مکانیسم پخت پلیمرهای پلی سولفاید

دی‌اکسید منگنز به‌عنوان عامل پخت

یکی از رایج‌ترین عوامل پخت در تکنولوژی پلی‌سولفایدها، دی‌اکسیدمنگنز است. (اکسید منگنزIV) که در درزبندها بخش شیشه‌های عایق و هواپیما کاربرد دارند. برای پی بردن به ساختار دی‌اکسید منگنز و مکانیزم پخت آن، روش رزونانس پارامغناطیسی الکترون (EPR) به‌کارگرفته می‌شود. با بررسی تغییرات سیگنال‌های حاصل از پخت پلی‌سولفاید توسط دی‌اکسید منگنز، هر دو مکانیزم رادیکال آزاد[4] و تراکمی[5] در کنار هم برای این پخت پیشنهاد شده‌اند. در آزمایشات، وقتی درصد اکسیژن موجود کاهش می‌یابد، می‌توان توسط تکنیک‌های اسپینی، درصد و انواع رادیکال‌های آزادی را که در واکنش دی‌اکسید منگنز فعال با پلی‌سولفاید با گروه انتهایی مرکاپتان و یا با گروه‌های مرکپتاید وجود دارند، مشخص کرد. رادیکال تیل ) ( تشکیل شده از SH- به وجود آمده است و نه از تجزیه SS-- و پخت بر اثر اتصال تعداد زیادی از رادیکال‌ها به وجود می‌آید. در آزمایشاتی که اکسیژن زیادی در آنها وجود دارد، عمر رادیکال‌های آزاد کاهش می‌یابد، اکسیژن مصرف می‌شود و سرعت پخت تشدید می‌یابد. آنالیز توسط NMR نشان می‌دهد که محصول با آنچه که در آزمایش تهی از اکسیژن به دست می‌آید، تفاوتی ندارد. در آزمایشات اسپینی دیگری که انجام شد، رادیکال‌های و و و نیز آنیون رادیکال ^- مشخص شدند. شکل2، مکانیسم پخت پلی‌سولفایدها توسط دی‌اکسید منگنز را نشان می‌دهد.

شکل2: واکنش‌های پخت پلی سولفایدها توسط MnO₂

معرفی مواد و تجهیزات مورداستفاده

رزین پلی‌سولفاید مورد مصرف از نوع NVB II ساخت شرکت کازان[6] روسیه، دوده SRF ساخت کربن پارس، کربنات کلسیم کوت شده وینداور ایرانی، سیلیکا Cabosil ساخت cobat امریکا، روغن پارافین کلره، ساخت شرکت C.P.Hall امریکا، دی‌اکسید منگنز ساخت Kychem چین، و شتابدهنده‌های TMTD و DPG به ترتیب vulkacit thioram و vulkacit D ساخت شرکت Bayer AG آلمان، استئاریک اسید ساخت Natoleo مالزی، رزین فنولیک ساخت BASF آلمان و آب‌مقطر.

رئومتر MDR2000 ساخت شرکت Monsanto برای تعیین زمان پخت (t90 در 60درجه سانتی‌گراد)، زمان برشتگی و ماکزیمم و مینیمم گشتاور برشی. دستگاه کشش Instron 1114 برای اندازه‌گیری استحکام کششی، درصد افزایش طولی، استحکام برشی و مقاومت پوستگی. دستگاه سختی‌سنج Zwick 3100 از نوع Shore A برای تعیین سختی.

تمام آزمون‌های یادشده، برطبق استاندارد AMS3269 (تدوین شده در 1993) انجام شد.

طراحی آزمایشات و کارهای تجربی

اجزای کامپاند برای بررسی میزان تاثیر بر خواص، مطابق با جدول 1 انتخاب شدند. این جدول، شامل اجزای متغیر در هر فرمولاسیون به همراه سطح تغییرات هر یک از آنهاست. مقادیر داده شده برحسب phw (قسمت نسبت به صد قسمت وزنی رزین پلی‌سولفاید) است. با توجه به روش تاگوچی در طراحی آزمایشات، برای این تعداد متغیر با سطوح تعیین شده جدول استاندارد طراحی آزمایشات برابر آرایه‌های متعامد L32 وجود دارد.

جدول1: متغیرهای موردبررسی و سطح تغییرات هر یک

با توجه به ترکیبات تعیین شده از سطوح توسط جدول آرایه‌های استاندارد M32، تعداد 32 کامپاند به دست آمد که در جدول 2 درصد ترکیب اجزا در مقابل شماره کامپاند مربوطه، آمده است. در تمام کامپاندها، اجزای مشخص شده با 100قسمت رزین پلی‌سولفاید ترکیب شدند. ترتیب اختلاط به این صورت بود که ابتدا اجزای شتابدهنده و عامل پخت به همراه قسمتی از روغن ترکیب شده و کامپاند پخت را تشکیل دادند. رزین پلی‌سولفاید نیز با دوده (SRF black)، کربنات کلسیم، سیلیکا (Cabosil)، اسید استئاریک و درصدی از روغن پارافین کلره، مخلوط شد و کامپاند پایه را تشکیل داد. سپس دو جزء را با یکدیگر مخلوط کرده و آمیزه نهایی در دمای 60درجه سانتی‌گراد، پخت شد.

نتیجه‌گیری و بحث

نتایج حاصل از هر یک از آزمایشات انجام شده (جدول 2) توسط روش‌های آماری (روش تاگوچی) مورد آنالیز و بررسی قرار گرفت و سهم هر یک در هر آزمون تعیین شد. بر این اساس، کامپاند بهینه‌ای که تامین‌کننده خواص موردنظر است، طراحی گردید. در شکل 3 نحوه تغییرات درصد تورم، سختی و استحکام پوستگی به صورت شماتیک (در سه ردیف برای بررسی مقایسه بهتر) آمده است.

جدول2 : نتایج آزمونهای خواص بر روی آمیزه های طرح در سیستم MnO₂

مشاهده می‌کنید که چگونگی تغییر این سه خاصیت در هر آمیزه، تقریباً نزدیک به هم بوده و بروز برخی تفاوت‌های موجود، به دلیل نوع اثر بعضی از مواد به واسطه واکنش‌های شیمیایی استوکیومتریک و یا فعالیت سطحی هر یک از اجزا (که تعیین‌کننده میزان اختلاط و یا ضریب انباشتگی در نمونه می‏باشد) بوده است. اثر کربنات کلسیم در سختی تورم و استحکام پوستگی، به عنوان نمونه در شکل 4 ارائه شده است.

با بررسی نوع شکست استحکام پوستگی، مشخص شد که تنها عامل افزایش‌دهنده چسبندگی (رزین فنولیک) تعیین‌کننده نیست، هر چند که با افزایش این عامل، نوع شکست چسبی[7] به مراتب کاهش می‌یابد.

افزایش MnO₂ تا 5 پارت، موجب افزایش خواص و کاهش نسبی سرعت پخت می‌شود. بعد از این مقدار، شاهد کاهش در استحکام نمونه و همچنین افزایش درصد تورم خواهیم بود که بیانگر مقدار بحرانی در استفاده از این عامل پخت می‌باشد.

با بررسی دیگر عوامل مشخص می‌شود عواملی که در پخت اثر تاخیردهندگی دارند، به ترتیب عبارتند از: اسیداستئاریک، رزین فنولیک و سیلیکا که این مورد، ناشی از ماهیت اسیدی مواد ذکر شده بوده و باعث می‌شود در درجات حرارت بالا و فشار زیاد، واکنش‌های هیدرولیز و تخریب پلیمر، افزایش یابند. برعکس، آب، DPG و TMTD به ترتیب اثر تسریع‌کنندگی بر پخت دارند. با بررسی‌های انجام شده، فرمولاسیونی که دربرگیرنده بهینه‌ای از خواص می‌باشد، طراحی شد (جدول3).

جدول3: فرمولاسیون نهایی طراحی شده برای سیستم پخت MnO₂

شکل4: نحوه تأثیرات کربنات کلسیم بر خواص آمیزه در سیستم Mno₂

_منابع:

1. George Odian ,"Principles of polymerization" John Wiley & Sons, Inc, New York, 1991

2. C.Eniss, P.J. Hanhela, R.H.E.Hung, G.J.Long and D.Bernton paul, "General procedures to determine the composition of commercial, two part polysulfide aircraft sealants", J. of applied polymer science, vol. 41,pp. 2837-2856, 1990.

3. Aliphatic polysulfides, a monograph by Heinz Lucke-Huthing and Wepf. Verlag. Heidelberg. 1994.

4. G.B.Lowe, "The cure chemistry of polysulfides", Int. J.Adhesion and Adhesives, 19,pp.345-348,1997.

5. J.R.Panek, "Polysulfide Sealants and Adhesives", Handbook of adhesives, I.Skeits, Ed, chap 16,pp. 307-315,1990.

[1]. Sealants

[2]. Self- repair

[3] cure

[4]. Free radical

[5]. Polycondensation

[6]. Kazan

[7]. Adhesive