کاربردهای مستقیم و جایگزینی مواد ابداعی جدید در صنعت خودرو و بوی‍ژه در قطعات پلیمری، به دلیل فشارهای شدید قیمت در حال شکل‌گیری هستند. یکی از مهمترین جایگزینی‌ها،‌ جایگزینی مواد ترموپلاستیک الاستومر (TPE) با ترموست الاستومرهاست.

ترموپلاستیک الاستومرها که گاهی «ترموپلاستیک رابرها» نیز نامیده می‌شوند،‌ دسته‌ای از کوپلیمرها یا ترکیبی فیزیکی از پلیمرها (عموماً یک پلاستیک و یک رابر) هستند که هم دارای خواص ترموپلاستیک‌ها بوده و هم از خواص الاستومرها برخوردارند. اغلب الاستومرها، ترموست هستند و غیرقابل بازیافت. این الاستومرها دارای فرایند تولید گران و نسبتاً پیچیده‌ای بوده اما خواص الاستیکی آنها کاربردهای وسیع دارد. ترموپلاستیک‌ها دارای فرایند تولید نسبتاً آسانتری هستند.

در واقع،‌ ترموپلاستیک الاستومرها مزایای ویژه هر دو گروه مواد ترموپلاستیک و الاستومر را از خود نشان می‌دهند. برای مثال می‌توانند همانند ترموپلاستیک‌ها براحتی فرایند و بازیافت شده و همانند الاستومرها، خاصیت الاستیکی و جذب شوک را از خود نشان دهند.

معرفی

الاستومرها به صورت کلی به دو دسته ذیل تقسیم می‌شوند:

1. ترموپلاستیک‌ها
2. ترموست‌ها

ساختار

ترموپلاستیک الاستومرها، موادی هستند که وقتی گرم می‌شوند،‌ مکرراً نرم/ ذوب می‌شوند و وقتی سرد می‌شوند، سخت می‌گردند. در واقع، ترموپلاستیک‌ها در دمای مناسب ذوب شده و فرایند شکل‌دهی (به عنوان مثال قالبگیری یا اکستروزن) بر روی آنها اعمال شده و پس از سرد شدن، ‌شکل دلخواه را به خود می‌گیرند.

اغلب ترموپلاستیک‌ها، در حلال‌های مخصوص حل می‌شوند و تا برخی درجات می‌سوزند. دمای نرم‌شدگی یا ذوب با نوع گونه (گرید) پلیمر تغییر می‌کند. به خاطر حساسیت دمایی ترموپلاستیک‌ها می‌بایستی مراقب تخریب، تجریه و احتراق این مواد بود.

اغلب زنجیره‌های مولکولی در ترموپلاستیک‌ها را می‌توان مستقل و همانند رشته‌های درهم پیچیده اسپاگتی، در نظر گرفت (نمودار1).

نمودار1: زنجیره‌های ترموپلاستیک

این مواد،‌ وقتی گرم می‌شوند (مثلاً برای قالبگیری) لغزش زنجیره‌های منفرد آنها باعث جریان پلاستیک می‌شود و وقتی سرد می‌شوند زنجیره‌های مولکولی و اتمی،‌ مجدداً محکم نگه داشته می‌شوند.

خاصیت امکان تکرار چرخه ذوب و سخت شدن،‌ امکان بازیافت ترموپلاستیک‌ها را از قطعات تولیدی و نیز تبدیل مجدد آنها به محصول جدید را به وجود آورده است. البته با هر بار ذوب شدن، خواص کیفی محصول جدید،‌ افت خواهد کرد.

در تعداد چرخه‌های حرارتی و سرمایشی محدودیت‌هایی تجربی وجود دارد. این محدودیت‌ها را می‌توان قبل از اینکه خواص ظاهری و مکانیکی ترموپلاستیک‌ها تحت تاثیر قرار گیرند، به آنها اعمال کرد.

ترموست الاستومرها، فقط یک تغییر شیمیایی را تحمل می‌کنند. این امر باعث غیرقابل حل/ ذوب‌شدن دائمی آنها می‌شود. این فرایند ولکانیزاسیون یا پخت نامیده می‌شود که پس از شکل‌دهی از طریق اعمال حرارت،‌ شکل قطعه تثبیت می‌شود و به دلیل ایجاد اتصالات عرضی بین زنجیره‌های مولکولی،‌ امکان ذوب مجدد قطعه وجود ندارد.

تفاوت اصلی ترموست الاستومرها و ترموپلاستیک الاستومرها، نوع پیوندهای اتصالات عرضی در ساختار آنهاست. در واقع، اتصالات عرضی، عامل ساختاری بحرانی این مواد بوده و در خواص الاستیک آنها سهم بسزایی دارد. اتصالات عرضی در پلیمرهای ترموست، پیوند کووالانسی است که طی فرایند ولکانیزاسیون ایجاد می‌شود. اتصالات عرضی پلیمرهای ترموپلاستیک الاستومر، پیوندهای هیدروژنی،‌ یا دو قطبی ضعیف‌تر بوده و یا تنها در یکی از فازها وجود دارد.

از آنجا که مواد TPE می‌توانند قالبگیری یا اکسترود شده و مجدداً همانند ترموپلاستیک‌ها مورد استفاده مجدد قرار گیرند، از قابلیت بازیافت برخوردار بوده و مضافاً دارای خواص ویژه الاستیک رابرها نیز هستند که به دلیل دارا بودن مشخصات ترموستی، برگشت‌پذیر نیستند.

همانگونه که در نمودار 2 می‌توان دید،‌ هنگامی که ترموست‌ها سفت شده یا پخت می‌شوند، اتصالاتی عرضی بین مولکول‌های مجاور تشکیل می‌شوند و شبکه‌ای به هم پیوسته و پیچیده را به وجود می‌آورد.

نمودار2: شبکه به هم پیوسته ترموست الاستومر پس از پخت

این پیوندهای عرضی، از لغزش زنجیره‌های منفرد جلوگیری کرده و مانع از جریان پلاستیک به هنگام افزوده شدن دما می‌شوند.

اگر بعد از تکمیل پیوندهای عرضی، دمای بیش از اندازه به ترموست الاستومر داده شود، پلیمر بجای ذوب، تخریب خواهد شد.

فرایند

قابلیت تکرار فرایند در ترموپلاستیک الاستومرها، عمده‌ترین مزیت TPEها نسبت به ترموست رابرهاست. دیگر تفاوت‌های کلیدی فرایند، در جدول 1 ارائه شده است.

جدول 1: تفاوت‌های کلیدی فرایند

در نمودار 3، تفاوت مراحل فرایند بین تولید با TPE و رابرها نمایش داده شده است. براساس این نمودار، کاهش مراحل تولید، کاهش زمان تولید و بازیافت محصول، کاملاً مشهود است.

نمودار3: فرایند در ترموپلاستیک الاستومر و رابر

مزیت‌های TPE نسبت به ترموست‌ها

1. انعطاف طراحی
2. هزینه تولید کمتر
3. زمان فرایند کوتاهتر
4. اختلاط کم یا بدون نیاز به اختلاط
5. بازیافت ضایعات
6. سازگاری محصولات
7. امکان قالبگیری دمشی
8. امکان ترموفرم
9. مصرف انرژی پایین‌تر
10. کنترل کیفیت بهتر بر روی محصول
11. فرایند ساده‌تر
12. محدوده وسیع‌تر چگالی
13. هزینه تمام‌شده محصول پائین‌تر به ازای هر قطعه
14. زیست سازگاری بهتر

یکی از مزیت‌های اصلی کاربرد TPEها، زیبایی محصول و قدرت تزیینی آنهاست. در شکل یک چند مثال از تاثیرات بصری استفاده از TPEها به جای رابرها، ارائه شده است.

شکل 1: معایب ترموپلاستیک الاستومرها در مقایسه با الاستومرها یا ترموست‌ها

دسته جدید TPEها، واحد عیب عمده قیمت بالاتر مواد اولیه است. (شکل2) همچنین عدم امکان استفاده از پرکننده‌های ارزان‌قیمت مانند دوده در آنها که باعث می‌شود نتوان از TPEها در تولید تایر استفاده کرد.

از دیگر معایب آنها می‌توان به مقاومت پایین حرارتی و شیمیایی (در برابر روغن) اشاره کرد. همانطوریکه در شکل 2 دیده می‌شود، مقاومت رابرهای مقاوم مشهور، بالاتر است. البته پیشرفت‌های اخیر باعث تولید مواد TPE با مقاومت شیمیایی (در برابر روغن) و حرارتی بالا شده است. این بهبود با افزایش قیمت مواد اولیه فلوئور و الاستومرها، سیلیکون‌ها و آکریلیک‌ها همراه است.

جدول 2: عیوب TPEها

نکته مهم، مانایی فشاری بسیار بالای TPEهاست. سختی و مانایی فشاری، دو عامل کلیدی برای دستیابی به خواص عملکردی رابرها هستند. شکل 3 مقایسه بین سختی و متنایی فشاری بین TPEها، PVC و رابرها را نشان می‌دهد.

شکل 3: مقایسه سختی و متنایی فشاری TPEها، PVC و رابرها

البته بنا به اظهار سازندگان مواد اولیه، ایراد مقاومت حرارتی/شیمیایی و مانایی فشاری در گریدهای جدید تولید شده مرتفع شده است. (جدول 3).

یکی از موانع جایگزینی TPE در بسیاری از کاربردهای رابرها، ضعیف‌تر بودن خاصیت مقاومت حرارتی/ آسودگی تنش اعمالی آن است.

جدول 3: مزایای تولید با TPE

رویکرد جهانی و اهمیت موضوع

در ساخت و تولید قطعات خودرو بدیهی است که می‌بایستی از موادی استفاده کرد که از توانایی دستیابی به الزامات مواد و فرایند صنعت خودرو، برخوردار باشند.

در جدول 4، الزامات مواد و فرایند در صنعت خودرو ارائه شده و مثال‌های عملی از چگونگی دستیابی و بهبود این خواص با استفاده از قطعات تولیدی با گونه‌های مختلف TPE مطرح شده است.

مشاهده می‌کنید که با استفاده از مواد TPE امکان دستیابی و بهبود تمامی خواص نظیر کاهش وزن، کاهش هزینه‌های تولیدی، نرمی سطح، براقیت پایین، مقاومت روغنی، بدون بو بودن و دیگر مواد، وجود دارد.

جدول 4: قابلیت مواد ترموپلاستیک الاستومر در دستیابی به الزامات مواد و فرایند در صنعت خودرو

TPEهای مورد استفاده در بسیاری از قطعات، از قابلیت رقابت با ترموست الاستومرها برخوردارند. بویژه در تمامی نوارهای آب‌بندی شامل نوارهای: دور در، دور درب صندوق، زیر درب‌موتور، آبگیرهای داخلی، آبگیرهای خارجی، آب‌بندی دور کلاف شیشه درب‌های جانبی، آب‌بندی دور شیشه جلو و عقب و encapهای دور شیشه. تمامی این نوارها، عموماً با لاستیک EPDM تولید می‌شوند. در تصاویر مختلف شکل 4، نمونه‌هایی از نوارهای آب‌بندی تولیدی با TPEها ارائه شده است.

شکل 4: نمونه نوارهای آب‌بندی تولید شده با TPE

TPEها از قابلیت تولید دیگر قطعات پلیمری نظیر درپوش‌ها، ضربه‌گیرها، کورکن‌ها و انواع بست‌ها برخوردارند. (جدول 5)

جدول 5: استفاده از TPE در تولید درپوش‌ها و کورکن هاچ

در جداول 6و7، مزایای تولید این قطعات با TPE بیان شده است.

جدول 6: مزایای تولید درپوش‌ها و کورکن‌ها با TPE

جدول 7: مزایای تولید ضربه‌گیرها با استفاده از TPE

در تصاویر مختلف شکل 5: نمونه‌های درپوش‌ها، کورکن‌ها و ضربه‌گیرهای تولیدشده با TPE نشان داده شده است.