مقاله کربنات کلسیم در پلی‌الفین‌ها

[*mishi* 11,920]

 

 

کربنات کلسیم در پلی‌الفین‌ها

در این مقاله کاربردهای مهم کربنات کلسیم در LDPE/LLDPE، HDPE و PP توضیح داده شده و مراحل فرآیندی مورد نیاز و خواص مکانیکی محصول نهایی حاوی کربنات کلسیم مورد بحث قرار خواهد گرفت.

 

1- مقدمه

اصلاح‌کننده‌های معدنی گزینه‌های فراوانی را برای بهبود قیمت محصولات در اختیار فرآیندکنندگان پلی‌الفین‌ها قرار می‌دهند. اصلاح‌کننده‌های معدنی اغلب به شکل پودر هستند، در حالی¬که پلی‌الفین‌ها معمولاً به شکل دانه (گرانول) تولید می‌شوند. بنابراین، مواد معدنی هم¬چون کربنات کلسیم، تالک یا میکا باید در وهله اول با استفاده از یک مرحله آمیزه‌کاری در داخل بسپار پخش شوند. آمیزه‌کاری در حدود 100 تا 250 یورو به ازای هر تن هزینه دارد. از این رو استفاده از مواد معدنی همواره منجر به صرفه اقتصادی نمی‌شود، اما با این وجود به دلیل ایجاد مزایای فنی سبب افزایش بازده می‌گردد.

اکستروژن مستقیم یک مورد خاص است. در این روش، مرحله آمیزه‌کاری حذف شده و مواد معدنی به عنوان ماده‌ای با قیمت کمتر به کار گرفته می‌شوند.

 

2- کربنات کلسیم‌های طبیعی

کربنات کلسیم به دلایل زیر برای فرآیندکنندگان پلی پروپیلن دارای جذابیت است:

- فاقد فلزات سنگین است.

- غیرسمی، بدون بو و مزه و مورد تأیید سازمان‌های غذایی(FDA/BgVV) است.

- توزیع اندازه ذرات و اصلاحات سطحی خاص از آنها در دسترس است.

- شکل کروی، سختی کم و میزان کوارتز پایین میزان خوردگی دستگاه¬ها را حداقل می‌کند.

انتخاب کربنات کلسیم مناسب بستگی به این دارد که کدامیک از خواص محصول نهایی باید بهبود یابد. تنها MILLICARB® OG اصلاح‌سطحی نشده و دلیل آن توزیع اندازه ذرات (با سطح ویژه کم) بوده که اغلب در مقادیر کم و به عنوان عامل ضدخشک¬چسبی در فیلم‌ها، عامل ضد¬رشته‌ای شدن در الیاف رافیا (raffia) و مستربچ‌های فیلم‌های براق مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اصلاح سطحی مزایای زیر را به دنبال دارد:

- سطح آب گریز

- تنظیم کشش سطحی ماده معدنی و پلی الفین‌ها و در نتیجه پخش بهتر (حتی در مورد ریزترین ذرات)

- عدم جذب عوامل ضد پیرشدگی فنولی و نسبتاً اسیدی

- بهبود سطحی (جلا) قطعه نهایی

 

3- مزایای استفاده از کربنات کلسیم در پلی‌الفین‌ها

3-1- هدایت حرارتی

به دلیل بالاتر بودن قابل ملاحظه هدایت حرارتی کربنات کلسیم نسبت به بسپار ، حرارت ایجاد شده در حین فرآیند از داخل آمیزه سریع¬تر انتقال پیدا می‌کند. گرما در حین سرمایش نیز سریعتر خارج می‌شود. بنابراین، زمان هر چرخه کاهش یافته و در نتیجه توان عملیاتی افزایش می‌یابد. در فرآیند اکستروژن نیز میزان خروجی افزایش می‌یابد.

 

3-2- مدول کشسان

کربنات‌کلسیم سفتی پلی پروپیلن و پلی اتیلن را در مقایسه با ماده پرنشده افزایش می‌دهد

 

3-3- رفتار ضدخشک¬چسبی

"خشک¬چسبی" به معنای چسبیدن فیلم‌ها و ورق‌ها به هم روی قرقره جمع¬کننده است که مانع از بازکردن فیلم‌ها می‌شود . خواص "لغزشی" در واقع بیان کننده لغزش فیلم‌ها و ورق‌ها بر روی یکدیگر و در حین برهم¬چینی کیسه‌هاست.

 

3-4- رفتار جمع شدگی

از آنجائی¬که کربنات کلسیم ساختار کروی دارد، آرایش یافتگی ذرات در یک جهت خاص نسبتاً غیرممکن است. این موضوع تنش‌های حرارتی باقیمانده را کاهش می‌دهد و در نتیجه قطعه نهایی دچار تاب نخواهد شد

 

4- کاربردهای عمده کربنات کلسیم در پلی‌الفین‌ها

4-1- اکستروژن

فیلم‌ها و ورق‌ها

در عمل، مقادیر زیر از کربنات کلسیم مورد استفاده قرار می‌گیرد:

 

- ضدخشک¬چسبی در فیلم‌ها و ورق‌ها 3-1%

- کیسه‌های حمل مواد سنگین 10-4%

- فیلم‌های جمع شونده 4-3%

- کیسه‌های زباله 10-7%

- فیلم‌ها و ورق‌های صنعتی 20-4%

- فیلم‌های بسته بندی 12-7%

- فیلم قابل تنفس 60-40%

¬استفاده از کربنات کلسیم اقتصادی‌ترین راه برای اثرگذاشتن بر روی رفتار خشک¬چسبی و لغزشی فیلم‌هاست. جداول 3 و 5 تأثیر کربنات کلسیم بر خواص فیلم و ورق LDPE، LLDPE و HDPE با ضخامت‌های مختلف را نشان می‌دهد.

مزایای زیر در مورد فیلم‌ها و ورق پلی‌اتیلن دیده شده است:

- سطح ماده که به راحتی می‌تواند مورد چاپ قرار گیرد.

- رنگ سفید مات و کاهش مصرف رنگدانه‌های گران¬قیمت سفید

- امکان به کارگیری همانند دستمال کاغذی

- سفتی بهبود یافته

- خواص تا‌خوردگی بهبود یافته

 

نوارهای بافته و ریسمان‌ها

بزرگترین مزیت کربنات کلسیم این است که تنها 3 تا 4% از آن برای کاهش رشته‌ای شدن نامطلوب (چند دسته‌ای‌شدن غیرقابل کنترل فیلم پلی پروپیلن کشیده شده) کافی است.

سایر مزایا عبارتند از:

- افزایش خروجی که با افزایش نرخ کشش امکان پذیر خواهد بود

- تمیز کردن خود به خود اکسترودر و دای¬ها

- افزایش طول عمر چاقوهای برش به دلیل استفاده کمتر از دی‌اکسید‌تیتانیوم ساینده

- بهبود مقاومت لغزشی و فراهم‌کردن امکان پیچش

 

کابل

کربنات کلسیم در کابل پلی‌اتیلنی شبکه‌ای شده مورد استفاده قرار می‌گیرد. کربنات کلسیم را می‌توان در اکستروژن کابل‌های عایق و همراه با پلی اتیلن خالص استفاده کرد. 35-25% کربنات کلسیم را می‌توان بدون تأثیرات قابل ملاحظه بر روی خواص مکانیکی استفاده کرد.

 

لوله، پروفیل‌ها و صفحات

کربنات کلسیم را می‌توان در لوله، پروفیل‌ها و صفحات در مقادیر 7 تا 45% استفاده کرد. سفتی بهبود یافته امکان کاهش ضخامت لوله‌ها، صفحات و پروفیل‌ها را فراهم و در نتیجه قیمت را نیز کاهش می‌دهد. از آنجائی¬که مواد معدنی هدایت حرارتی بالاتری دارند، می‌توان با طول ناحیه سردکردن مشابه، اکستروژن را سریعتر انجام داد. بازده را می‌توان با اکستروژن مستقیم حتی بیشتر هم کرد، چرا که کربنات کلسیم و بسپار را می‌توان بدون نیاز به مرحله آمیزه‌کاری گران بلافاصله فرآیند نمود.

افزودنی‌هایی همانند کربنات کلسیم که شامل ذرات کروی هستند نمی‌توانند بهبود سفتی (افزایش مدول) را همانند افزودنی‌های صفحه‌ای مثل تالک یا میکا در پی داشته باشند. از طرف دیگر، کربنات کلسیم مقاومت ضربه قاچ¬دار (notched) پلی¬پروپیلن را چندان کاهش نمی‌دهد. گرانروی مذاب نیز بسیار کمتر است.

 

4-2- قالب گیری تزریقی

آمیزه‌ها یا مستربچ‌هایی که تا 88% کربنات کلسیم دارند را می‌توان به راحتی پس از رقیق کردن توسط پلی¬پروپیلن خالص قالب‌گیری تزریقی کرد. استفاده تا مقادیر 50% را می‌توان بدون تغییر در تنظیمات دستگاه فرآیند کرد.

مزایای عمده استفاده از کربنات کلسیم عبارتند از: سفتی بیشتر، جمع شدگی کمتر، دمای تغییر شکل حرارتی تحت بار بالاتر و زمان چرخه کمتر (به لطف هدایت حرارتی بالاتر) به همراه مقاومت ضربه مناسب .

پلی‌پروپیلن پرشده توسط کربنات کلسیم به تدریج کاربردهای فراوانی را در صنایع مبلمان و لوازم منزل و همچنین در بخش خودرو پیدا کرده است. این آمیزه همچنین بازارهای جدیدی را به عنوان جایگزین پلی‌استایرن و ABS و در کاربردهای بدون نیازبه مقاومت خراشیدگی پیدا می‌کند.

 

4-3- مخازن قالب‌گیری دمشی

در کاربردهای قالب‌گیری دمشی، هدایت حرارتی بالاتر مواد معدنی سبب کوتاهتر شدن زمان‌های سرمایش و در نتیجه برونداد (سرعت تولید) بالاتر می‌شود. مقادیر کربنات کلسیم معمولاً 25-7% است.

 

4-4- گرماشکل¬دهی

کربنات کلسیم گرانروی بسیار کم پلاستیک‌های نیمه بلورین را بهبود می‌دهد. در غیراین¬صورت منجر به نازکشدن در هنگام گرماشکل‌دهی در لبه‌های تیز می‌گردد. انتقال انرژی بهبود یافته، فرآیندهای گرمایش و سرمایش را سرعت بخشیده و در نتیجه میزان تولید را افزایش می‌دهد. گونه‌های اصلاح سطحی شده را می‌توان به راحتی تا مقادیر 40% فرآیند نمود. افزودن کربنات کلسیم سفتی و خواص سوراخ شوندگی فیلم‌ها و ورق‌ها را بهبود می‌دهد.

 

5- نتیجه‌گیری

مزایای فراوانی در استفاده از کربنات کلسیم در پلی‌الفین‌ها وجود دارد که در بسیاری از کاربردها، قیمت بالاتر آمیزه‌کاری را توجیه می‌کند. فرآیند مستقیم گرانول‌های پلی الفین‌ها با پودر کربنات کلسیم حتی قیمت قطعات تولید شده را کاهش می‌دهد. این موضوع سبب کاربردهای جدید و جذابی می‌شود. اکسترودرهای آمیزه‌کاری در آینده برای اکستروژن مستقیم لوله، ورق‌های قالب‌گیری حرارتی، فیلم و کابل‌ها و غیره و به منظور فراهم‌کردن امکان فرآیند مجدد مواد بازیافتی بدون تحمیل هزینه‌های اضافی، ساخته می‌شوند.

بسپار