HANIKO
18th September 2011, 03:24 AM
پایداری حرارتی
پایداری حرارتی پلیمرها، تابع فاكتورهای گوناگونی است. از آنجا كه مقاومت حرارتی تابعی از انرژی پیوندی است، وقتی دما به حدی برسد كه باعث شود پیوندها گسیخته شوند، پلیمر از طریق انرژی ارتعاشی شكسته می شود. پس پلیمرهایی كه دارای پیوند ضعیفی هستند در دمای بالا قابل استفاده نیستند و از بكار بردن منومرها و هم چنین گروه های عاملی كه باعث می شود این پدیده تشدید شود، باید خودداری كرد.
البته گروه هایی مانند اتر یا سولفون، نسبت به گروه هایی مانند آلكیل و NH و OH پایدارتر هستند، ولی وارد كردن گروه هایی مانند اتروسولفون و یا گروههای پایدار دیگر صرفاً بخاطر بالا بردن مقاومت حرارتی نیست، بلكه باعث بالا رفتن حلالیت نیز می شوند. تاثیرات متقابلی كه بین دو گونه پلیمری وجود دارد، ناشی از تاثیرات متقابل قطبی- قطبی، و پیوند هیدروژنی (۶-۱۰ Kcal/mol) است كه باعث بالا رفتن مقاومت حرارتی در پلیمرها می شوند. این قبیل پلیمرها باید قطبی و دارای عامل هایی باشند كه پیوند هیدروژنی را بوجود آورند، مانند: پلی ایمیدها و پلی یورتانها. انرژی رزونانسی كه به وضوح در آروماتیك ها به چشم می خورد، مخصوصاً در حلقه های هتروسیكل و فنیلها و كلاً پلیمرهایی كه استخوان بندی آروماتیكی دارند باعث افزایش مقاومت حرارتی می شوند.
در مورد واحدهای تكراری حلقوی، شكستگی یك پیوند در یك حلقه باعث پایین آمدن وزن مولكولی نمی شود و احتمال شكستگی دو پیوند در یك حلقه كم است. پلیمرهای نردبانی یا نیمه نردبانی پایداری حرارتی بالاتری نسبت به پلیمرهای زنجیره باز دارند. بنابراین اتصالات عرضی موجب صلب پلیمرهای خطی می شوند كه شامل حلقه های آروماتیك با چند پیوند یگانه مجزا هستند. با توجه به نكاتی كه ذكر شد برای تهیه پلیمرهای مقاوم حرارتی باید نكات زیر رعایت شوند.
- استفاده از ساختارهایی كه شامل قوی ترین پیوند های شیمیایی هستند. مانند تركیبات هتروآروماتیك، آروماتیك اترها و عدم استفاده از ساختارهایی كه دارای پیوند ضعیف مثل آلكیلن- آلیسیكلیك و هیدروكربن های غیر اشباع می باشند.
- ساختمان تركیب باید به گونه ای باشد كه به سمت پایدار بودن میل كند، پایداری رزونانسی آن زیاد باشد و بالاخره ساختارهای حلقوی باید طول پیوند عادی داشته باشند، به نحوی كه اگر یك پیوند شكسته شد، ساختار اصلی، اتم ها را كنار هم نگه دارد.
مقاومت در برابر حرارت
هنگامی كه از پلیمرهای مقاومت حرارتی صحبت می شود باید مقاومت حرارتی آنها را برحسب زمان و دما تعریف كنیم. افزایش هر كدام از فاكتورهای ذكر شده موجب كاهش طول عمر پلیمر می شود و اگر هر دو فاكتور افزایش یابند طول عمر به صورت لگاریتمی كاهش می یابد. به طور كلی اگر یك پلیمر به عنوان پلیمر مقاوم حرارتی در نظر گرفته می شود، باید به مدت طولانی در ۲۵۰ درجه سانتی گراد، در زمان های متوسط در پانصد درجه سانتی گراد و در كوتاه مدت در دمای یكهزار درجه سانتی گراد خواص فیزیكی خود را حفظ كند. به طور دقیق تر یك پلیمر مقاوم حرارتی باید طی سه هزار ساعت و در حرارت ۱۷۷ درجه سانتی گراد، یا طی یكهزار ساعت در ۲۶۰ درجه سانتی گراد، یا طی یك ساعت در ۵۳۸ درجه سانتی گراد و یا طی ۵ دقیقه در ۸۱۶ درجه سانتی گراد، خواص فیزیكی خود را از دست ندهد.
برخی از شرایط ضروری برای پلیمرهای مقاوم حرارتی، بالا بودن نقطه ذوب، پایداری در برابر تخریب اكسیداسیونی در دمای بالا، مقاومت در برابر فرآیندهای حرارتی و واكنش گرمای شیمیایی است. سه روش اصلی برای بالا بردن مقاومت حرارتی پلیمرها وجود دارد. افزایش بلورینگی، افزایش اتصال عرضی و حذف اتصال های ضعیفی كه در اثر حرارت اكسید می شوند. افزایش بلورینگی، كاربرد پلیمرها را در دمای بالا محدود می كند. زیرا موجب كاهش حلالیت و اختلال در فرآورش می شود. برقرار كردن اتصال های عرضی در الیگومرها روش مناسبی است و خواص پلیمر را به طور واقعی اما غیر قابل برگشت تغییر می دهد.
اتصالاتی كه باید حذف شود شامل اتصال های آلكیلی، آلیسیكلی، غیر اشباع و هیدروكربن های غیر آروماتیك و پیوند NH است . اما اتصالاتی كه مفید است شامل سیستم های آروماتیكی، اتر، سولفون و ایمید و آمیدها هستند. این عوامل پایدار كننده به صورت پل در ساختار پلیمر واقع و موجب پایداری آنها می شوند. از طرفی ضروری است كه پلیمر از قابلیت به كار گیری و امكان فرآورش مناسب برخوردار باشد.
پس باید تغییرات ساختاری طوری باشد كه حلالیت و فرآورش مناسب تر داشته باشند. برای این منظور باید از واحد های انعطاف پذیرِ اتر، سولفون، آلكیل و همچنین از كوپلیمره كردن، و تهیه ساختارهایی با زنجیر نامنظم استفاده كرد.به طور كلی پلیمرهای مقاوم حرارتی به چهار دسته تقسیم می شوند. پلیمرهای تراكم ساده، مانند پلیمرهایی كه از حلقه آروماتیك تشكیل شده اند و با اتصالات تراكمی به یكدیگر متصل هستند. پلیمرهای هتروسیكل، یعنی پلیمرهایی كه از حلقه های آروماتیك تشكیل شده اند اما از طریق حلقه های هتروسیكل به هم وصل شده اند. كوپلیمرهای تركیبی تراكمی هتروسیكل، یعنی پلیمرهایی كه شامل تركیبی از اتصال های تراكمی ساده و حلقه های هتروسیكل می باشند و پلیمرهای نردبانی كه شامل دو رشته زنجیر هستند.
پایداری حرارتی پلیمرها، تابع فاكتورهای گوناگونی است. از آنجا كه مقاومت حرارتی تابعی از انرژی پیوندی است، وقتی دما به حدی برسد كه باعث شود پیوندها گسیخته شوند، پلیمر از طریق انرژی ارتعاشی شكسته می شود. پس پلیمرهایی كه دارای پیوند ضعیفی هستند در دمای بالا قابل استفاده نیستند و از بكار بردن منومرها و هم چنین گروه های عاملی كه باعث می شود این پدیده تشدید شود، باید خودداری كرد.
البته گروه هایی مانند اتر یا سولفون، نسبت به گروه هایی مانند آلكیل و NH و OH پایدارتر هستند، ولی وارد كردن گروه هایی مانند اتروسولفون و یا گروههای پایدار دیگر صرفاً بخاطر بالا بردن مقاومت حرارتی نیست، بلكه باعث بالا رفتن حلالیت نیز می شوند. تاثیرات متقابلی كه بین دو گونه پلیمری وجود دارد، ناشی از تاثیرات متقابل قطبی- قطبی، و پیوند هیدروژنی (۶-۱۰ Kcal/mol) است كه باعث بالا رفتن مقاومت حرارتی در پلیمرها می شوند. این قبیل پلیمرها باید قطبی و دارای عامل هایی باشند كه پیوند هیدروژنی را بوجود آورند، مانند: پلی ایمیدها و پلی یورتانها. انرژی رزونانسی كه به وضوح در آروماتیك ها به چشم می خورد، مخصوصاً در حلقه های هتروسیكل و فنیلها و كلاً پلیمرهایی كه استخوان بندی آروماتیكی دارند باعث افزایش مقاومت حرارتی می شوند.
در مورد واحدهای تكراری حلقوی، شكستگی یك پیوند در یك حلقه باعث پایین آمدن وزن مولكولی نمی شود و احتمال شكستگی دو پیوند در یك حلقه كم است. پلیمرهای نردبانی یا نیمه نردبانی پایداری حرارتی بالاتری نسبت به پلیمرهای زنجیره باز دارند. بنابراین اتصالات عرضی موجب صلب پلیمرهای خطی می شوند كه شامل حلقه های آروماتیك با چند پیوند یگانه مجزا هستند. با توجه به نكاتی كه ذكر شد برای تهیه پلیمرهای مقاوم حرارتی باید نكات زیر رعایت شوند.
- استفاده از ساختارهایی كه شامل قوی ترین پیوند های شیمیایی هستند. مانند تركیبات هتروآروماتیك، آروماتیك اترها و عدم استفاده از ساختارهایی كه دارای پیوند ضعیف مثل آلكیلن- آلیسیكلیك و هیدروكربن های غیر اشباع می باشند.
- ساختمان تركیب باید به گونه ای باشد كه به سمت پایدار بودن میل كند، پایداری رزونانسی آن زیاد باشد و بالاخره ساختارهای حلقوی باید طول پیوند عادی داشته باشند، به نحوی كه اگر یك پیوند شكسته شد، ساختار اصلی، اتم ها را كنار هم نگه دارد.
مقاومت در برابر حرارت
هنگامی كه از پلیمرهای مقاومت حرارتی صحبت می شود باید مقاومت حرارتی آنها را برحسب زمان و دما تعریف كنیم. افزایش هر كدام از فاكتورهای ذكر شده موجب كاهش طول عمر پلیمر می شود و اگر هر دو فاكتور افزایش یابند طول عمر به صورت لگاریتمی كاهش می یابد. به طور كلی اگر یك پلیمر به عنوان پلیمر مقاوم حرارتی در نظر گرفته می شود، باید به مدت طولانی در ۲۵۰ درجه سانتی گراد، در زمان های متوسط در پانصد درجه سانتی گراد و در كوتاه مدت در دمای یكهزار درجه سانتی گراد خواص فیزیكی خود را حفظ كند. به طور دقیق تر یك پلیمر مقاوم حرارتی باید طی سه هزار ساعت و در حرارت ۱۷۷ درجه سانتی گراد، یا طی یكهزار ساعت در ۲۶۰ درجه سانتی گراد، یا طی یك ساعت در ۵۳۸ درجه سانتی گراد و یا طی ۵ دقیقه در ۸۱۶ درجه سانتی گراد، خواص فیزیكی خود را از دست ندهد.
برخی از شرایط ضروری برای پلیمرهای مقاوم حرارتی، بالا بودن نقطه ذوب، پایداری در برابر تخریب اكسیداسیونی در دمای بالا، مقاومت در برابر فرآیندهای حرارتی و واكنش گرمای شیمیایی است. سه روش اصلی برای بالا بردن مقاومت حرارتی پلیمرها وجود دارد. افزایش بلورینگی، افزایش اتصال عرضی و حذف اتصال های ضعیفی كه در اثر حرارت اكسید می شوند. افزایش بلورینگی، كاربرد پلیمرها را در دمای بالا محدود می كند. زیرا موجب كاهش حلالیت و اختلال در فرآورش می شود. برقرار كردن اتصال های عرضی در الیگومرها روش مناسبی است و خواص پلیمر را به طور واقعی اما غیر قابل برگشت تغییر می دهد.
اتصالاتی كه باید حذف شود شامل اتصال های آلكیلی، آلیسیكلی، غیر اشباع و هیدروكربن های غیر آروماتیك و پیوند NH است . اما اتصالاتی كه مفید است شامل سیستم های آروماتیكی، اتر، سولفون و ایمید و آمیدها هستند. این عوامل پایدار كننده به صورت پل در ساختار پلیمر واقع و موجب پایداری آنها می شوند. از طرفی ضروری است كه پلیمر از قابلیت به كار گیری و امكان فرآورش مناسب برخوردار باشد.
پس باید تغییرات ساختاری طوری باشد كه حلالیت و فرآورش مناسب تر داشته باشند. برای این منظور باید از واحد های انعطاف پذیرِ اتر، سولفون، آلكیل و همچنین از كوپلیمره كردن، و تهیه ساختارهایی با زنجیر نامنظم استفاده كرد.به طور كلی پلیمرهای مقاوم حرارتی به چهار دسته تقسیم می شوند. پلیمرهای تراكم ساده، مانند پلیمرهایی كه از حلقه آروماتیك تشكیل شده اند و با اتصالات تراكمی به یكدیگر متصل هستند. پلیمرهای هتروسیكل، یعنی پلیمرهایی كه از حلقه های آروماتیك تشكیل شده اند اما از طریق حلقه های هتروسیكل به هم وصل شده اند. كوپلیمرهای تركیبی تراكمی هتروسیكل، یعنی پلیمرهایی كه شامل تركیبی از اتصال های تراكمی ساده و حلقه های هتروسیكل می باشند و پلیمرهای نردبانی كه شامل دو رشته زنجیر هستند.