عمر پلاستیک ها و کامپوزیت های بر مبنای پلاستیک

عمر پلاستیک ها و کامپوزیت های بر مبنای پلاستیک در چوب پلاست

عمر پلاستیک در چوب پلاست می تواند متفاوت باشد. همه ی پلاستیک ها همانند همه ی مواد آلی، خواص کاربردی خود را فقط در طول یک دوره ی معینی از زمان حفظ می کنند. رویدادهای مختلفی وجود دارند که باعث کوتاه تر شدن عمر پلاستیک می شوند که البته بعضی از اینها به صورت تصادفی می باشد نظیر شکست مکانیکی که از یک بارگذاری نهایی ناشی می­شود ( یعنی بار شکست برای یک پروفیل خاص )، یا مقاومت به ضربه ی بحرانی، یا یک آتش سوزی، و برخی از این ها به طور جمع شونده تاثیر می گذارند، به عنوان مثال فرسودگی یا پاره شدگی و یا اکسیداسیون حرارتی و نوری.

در این فصل ما بررسی اکسیداسیون گرمایی و نوری و اثر ترکیبی آنها بر روی مواد کامپوزیتی معدنی/فیبری پلاستیکی را بحث خواهیم کرد.

عمر پلاستیک در چوب پلاست به عوامل مختلفی بستگی دارد. اکسیداسیون گرمایی پلاستیک ها شامل عرصه ی نسبتا وسیعی از شیمی پلیمر است، ولی در عرصه ی کامپوزیت های ساختمانی توسعه ی زیادی نیافته است.

مقاومت به اکسیداسیون حرارتی پلیمرهای تجارتی معمولا توسط فهرست دمایی ( UL ) مشخص می شود        ( جدول 15.1 ). اين جدول نشان می دهد که پلیمر در چه درجه حرارت دائمی تا 100000 ساعت (11.4 سال ) دوام خواهد آورد. منظور این است که مقاومت به ضربه و یا کرنش در نقطه ی شکست و یا خصوصیت مکانیکی آن تا 50% تنزل نماید.

مطابق برخی داده های دیگر [2]، عمر مفید پلی اتیلن محافظت نشده با رنگ تیره دردمای C50⁰ ( F68⁰ )  10-8 سال است در حالی که برای پلی اتیلن مقاوم سازی شده در شرایط آب و هوایی معتدل و گرمسیری به ترتیب 20-15 و 5-2 سال است.

در رابطه با عمر پلاستیک در چوب پلاست، پلاستیک های تجاری عموما دارای آنتی اکسیدان های افزوده شده هستند که نوعا در مقادیری بین 0.05-0.15 % وزني را شامل می شود و 0.2-0.5 برای تثبیت در آسیاب های مجدد می باشد. این عمل به میزان زیادی باعث افزایش عمر پلاستیک ها در مقایسه با پلاستیک های محافظت نشده می شود، اگرچه بخش زیادی از این در طول فرایندهای بعدی شکل دهی پلاستیک ها مصرف می شود.

جدول 15.1   فهرست دمایی UL برای پلاستیک های کلی [1]

یادداشت نویسنده: داده های این جدول می تواند پلاستیک هایی را توضیح دهد که با مقادیر متفاوت آنتی اکسیدان ها       مقاوم سازی شده است و به عنوان یک فهرست مقاوم به دما برای پلاستیک های خالص نمی تواند آورده شود.

جدول 15.2   ضریب طول عمر در آزمایش OIT  روی پلاستیک  HDPE   که از منابع متفاوتی به دست آمده است.

مقادیر OIT در دمای C190⁰ در اکسیژن خالص اندازه گیری شوند. منابع  HDPE   با بالاترین مقادیر OIT در جدول ارائه نشدند.

در نتیجه، پلاستیک های حامل به حالت صفحه ای، پودري و یا پوسته ای در کارخانه ی کامپوزیت سازی با طول عمرهای متغیری وابسته به سازنده ی پلاستیک، ارائه می شوند( جدول 15.2 ). این طول عمر اغلب در درجه بندی OIT[1] (زمان القاي اکسیدي) اندازه گیری می شود. جزئیات این درجه بندی در این فصل توضیح داده خواهد شد و OIT اساسا حضور یک ماده در یک محفظه ی پر از اکسیژن خالص و درجه حرارت با یک دمای معین شده ⁰C200-180 می باشد. در این دما، ماده حدود 10-1 میلیون بار سریع تر از شرایط جوی اکسید می شود.

به بیان دیگر، اگر اکسیداسیون کامل یک ماده در دمای ⁰C200 ، 1 دقیقه طول بکشد، ممکن است بین 20-2 سال برای اکسید کامل همان ماده در محیط طبیعی طول بکشد. این ها برای نمونه ی زیادی از اکسید ها ارقام قابل قبولی هستند.

داده های HDPE  در جدول 15.1 ( در ⁰C55 ) و در جدول 15.2 ( در ⁰C190 ) عموما علی رغم این که الف) در شرایط دمایی متفاوتی به دست آمدند، ب) HDPE های جدول 15.1 از نوع کلی هستند و ج) اطلاعات ارائه شده در جدول 15.2 نشان دهنده ی کاهش خصوصیات مکانیکی نیست، اما یک درجه ی معینی از تخریب اکسیدی است، به یکدیگر مربوط اند. همان گونه که در زیر ارائه خواهد شد، ضریب حرارتی برای اکسیداسیون حرارتی برای یک کامپوزیتی حاوی HDPE  ( بین ⁰C190- 130 ) برابر با  ⁰C10/2.5-2.0 است. عدد آخر به این معناست که هر تغییر حرارتی به میزان ⁰C10  باعث افزایش یا کاهش سرعت واکنش به میزان 2.5-2.0 برابر می شود. این مورد بر مبنای یک دانش دقیق در این مورد بخصوص نیست.( همچنین این مطلب برای ضریب حرارتی در یک دامنه ی دمایی وسیع صدق می کند ); به هر حال، ما در اینجا با یک دید کلی به مسئله نگاه می کنیم.

ظاهرا نمونه ی آخر HDPE پایین ترین مقدار آنتی اکسیدان ها را دارد(یا ندارد ) و با به کار بردن ضریب حرارتی ⁰C10/2.5 به عنوان یک تقریب، ما می فهمیم که در ⁰C55 طول عمر نمونه ی  HDPE   تقریبا برابر با 90000 ساعت است که فاصله ی زیادی با مقدار 100000 ساعت در جدول 15.1 ندارد. این موضوع دلالت بر این دارد که ما می توانیم ضریب دمایی 2.5 را جهت برآوردهای تقریبی حرارت در فرایند های اکسیداسیون گرمایی در دامنه های دمایی وسیعی که بیشتر از ⁰C100 (⁰F200 ) است به کار بریم.

هم اکنون به طور معمول این گونه فهمیده می شود که با تبدیل یک  HDPE خالص به یک ماده ی مرکب پر شده، طول عمر کامپوزیت حاصل به میزان زیادی، اغلب 100-50 برابر، کاهش می یابد. این بدان معناست که OIT در جدول 15.2 برای مواد مرکب در صورتی که از آنتی اکسیدان ها در فرایند ساخت کامپوزیت استفاده نشود می تواند 0.5-0.3 دقیقه کاهش یابد. افت واقعی در مقادیر OIT به نسبت زیادی به فرایند ترکیب، نوع پرکننده ها، رنگدانه ها، نرم کننده ها و البته نوع ومقدار آنتی اکسیدان های افزوده شده بستگی دارد.

می توان با استفاده از شرایط فوق و ضریب حرارتی ⁰C10/2.5 محاسبه کرد که در OIT 0.3 دقیقه ( در ⁰C180 ) طول عمر تخته ی کامپوزیتي یک لمبه کوبی در ⁰C70 (⁰F 128 ) 62 روز یا فقط 2 ماه خواهد بود. این از زمانی اتفاق می افتد که در پلاستیک استفاده نشوند.

تخمین 2 ماه به عنوان طول عمر برای یک لمبه کوبی کامپوزیتی در شرایط آب و هوایی آریزونا  نسبتا واقع بینانه است و در واقع به کمک مشاهدات مستقیم زمانی که لمبه کوبی های تو خالی ازجنس چوب- پلاستیک حاوی آنتی اکسیدان های افزوده شده نباشند و بعلاوه دارای مقداریHDPE  باشند، این موضوع مسلم می شود. ما مشاهدات زیادی را از طول عمر تخته های لمبه کوبی در آریزونا بین 4 ماه تا 1 سال، وقتی که آنتی اکسیدان در فرمول ساخت کامپوزیت استفاده نشده بودند داریم.

دررابطه با عمر پلاستیک در چوب پلاست ترکیب کنندگان صنعتی نیروی برشی و گرمادهی شدیدی را روی مواد  WPC، علی الخصوص کامپوزیت هایی که شامل ترکیب های فرساینده هستند، اعمال مي کنند. در نهایت این که مقادیر OIT می تواند از مقادیری که در جدول 15.2 نشان داده شده است خیلی پایین تر بیاید. نمونه هایی در بخش های بعدی این فصل نشان داده خواهد شد. بدون آنتی اکسیدان های افزوده شده، در بالای آنچه را که در  HDPE   ارائه شده بود، مقادیر OIT  کامپوزیت مورد نظر می تواند به 1.0-0.3 دقیقه کاهش یابد. ای مقدار ممکن است منجر به طول عمر ناکافی لمبه کوبی های کامپوزیتی مخصوصا در جنوب که می تواند کوتاه تر از 5-3 سال باشد. گاهی اوقات فقط براي چند ماه طول        می کشد.

[1] . The Oxidative Induction Time