پایدار سازهای پلیمری کدامند؟
پایدار سازهای پلیمری دسته ای از مواد افزودنی شیمیایی می باشند که معمولا به ساختار پلیمری اضافه میشوند همانند پلاستیک ها تا از تخریب پذیری این مواد جلوگیری کنند. اما ممکن است این پلیمرها در معرض سطحی از فرایندهای تخریبی قرار بگیرند همانند اکسایش، آسیب دیدگی ناشی از قرارگیری در برابر اشعه فرابنفش، تجزیه گرمایی، اوزونکافت و یا ترکیبی از روش های اکسایش نوری و واکنش با مواد باقیمانده و کاتالیزوری و یا سایر ناخالصی ها. تمامی فرآیندهای یاد شده باعث میشوند تا پلیمر درسطح شیمیایی تخریب شود و برش زنجیره در آن اتفاق میافتد که در نهایت این موضوع نیز بر خواص مکانیکی ماده همانند استحکام و چکش خواری موثر است و همچنین می تواند ظاهر و رنگ آن را تغییر دهد. انواع بسیار متفاوتی از مواد مکانیکی با خواص شیمیایی متمایز وجود دارند و نحوه تخریب پذیری آنها نیز با توجه به ساختار شیمیایی اولیه می تواند متفاوت باشد و هچنین می توان اشاره کرد که انواع بسیار گوناگونی از پایدارسازها نیز وجود دارد. بازار پایدار سازهای های آنتی اکسیدانی به تنهایی در سال ۲۰۱۷ برابر با مقدار یک میلیارد و ۶۹ میلیون دلار تخمین زده شده و این مقدار برای تمامی پایدارساز ها می توانند تا ۵.۵ میلیارد دلار تا سال ۲۰۲۵ برسد.
نگاه کلی به پایدار سازه های پلیمری
بیشتر انواع پلیمر های کربنی در طی زمان و بر اثر قرارگیری در معرض نور، اکسیژن های اتمسفری و سایر فاکتورهای محیطی تخریب میشوند. در پلاستیک ها نیز موارد یاد شده می توانند باعث از بین رفتن رنگ ماده و ایجاد شکنندگی در آن شوند که در نهایت طول عمر آن را کاهش خواهد داد. پایدار سازها نیز با بازداری از انواعی از فرآیندهای تخریب پذیری همانند اکسایش، قطع زنجیره و یا ترکیبات کنترل نشده و شبکه سازی از بروز انها جلوگیری میکنند. معمولاً به پایدارساز های متفاوتی نیاز است تا در ترکیب با یکدیگر استفاده شوند و بتوانند هر کدام از بروز نوعی از تخریبهای نام برده شده جلوگیری کنند. اثر بخشی پایدار سازها بر انحلال پذیری، توزیع پذیری در داخل پلاستیک، توانایی آنها در پایدارسازی و میزان خسارت در طی فرآوری و کاربرد بستگی دارد. تاثیرات یاد شده بر روی میزان چسبندگی ماده پلاستیکی هم یکی از مهمترین گزینههایی هستند که در طی فراوری باید به آن توجه شود.
آنتی اکسیدان ها
آنتی اکسیدانها از بروز خود اکسایش جلوگیری میکنند که با قرارگیری ماده پلیمری در معرض اکسیژن ها و واکنش با آنها به وجود می آید. برای بسیاری از ترکیبات این حالت می تواند به تدریج و در دمای اتاق اتفاق افتد ولی تقریبا تمامی پلیمرها در خطر اکسایش گرمایی هستند به خصوص زمانی که در دمای بسیار بالایی فراوری میشوند. قالبگیری و ریخته گری مواد پلاستیکی همانند قالب گیری تزریقی در صورتی انجام خواهد گرفت که دمای این مواد بالاتر از نقطه ذوب و یا دمای انتقال شیشه ای باشد و تحت چنین شرایطی واکنش با اکسیژن با سرعت بسیار بیشتری صورت خواهد گرفت. زمانی که واکنش آغاز شود خود اکسایشی از طریق واکنش های زنجیره های رادیکال های آزاد انجام خواهد گرفت که میتواند حالت خود کاتالیزوری داشته باشد. تلاش میشود که سطح اکسیژن موجود کاهش پیدا کند اما امکان حذف کامل آن ها وجود نخواهد داشت و حتی وجود میزان بسیار کمی از اکسیژن می تواند باعث تخریب ماده شود. حساسیت به اکسیژن با توجه به نوع پلیمر کاربردی متفاوت خواهد بود. در صورت عدم وجود پایدارساز ها انواع پلیمرها همانند پلی پروپیلن و پلیمرهای اشباع نشده مانند لاستیک در دمای اتاق با سرعت کمی تخریب خواهند شد و این در حالی است که پلی استایرن میتواند در دمای اتاق وضعیتی پایدار داشته باشد. آنتی اکسیدان ها با توجه به مکانیزم رفتاری خود ممکن است در دسته اولیه یا ثانویه قرار بگیرد.
آنتی اکسیدان های اولیه (به دام اندازنده رادیکالی)
آنتی اکسیدان های اولیه که با نام آنتی اکسیدان های قوی کننده زنجیره شناخته می شوندو به عنوان انواعی از بازدارنده های رادیکالی به کار برده می شوند، می توانند رادیکالهای پراکسی و همچنین رادیکالهای آلکوکسی، رادیکال های هیدروکسیل و رادیکال های الکیل را از بین ببرند. اکسایش با شکلگیری رادیکالهای آلکیل آغاز میشود و این در حالی است که دمای بالا و فشار برشی زیاد در طی فرآیند باعث قطع زنجیره پلیمری به روش کافت جور شده است. رادیکالهای آلکیل با سرعت با اکسیژن مولکولی واکنش می دهندو رادیکالهای پراکسی را تولید می کنند تا هیدروژن ها از بخش تازه ماده پلیمری در مرحله انتشار جدا شده و رادیکالهای آلکیل جدید بوجود اید. از آنجایی که واکنش پذیری با اکسیژن با سرعت بسیار بالایی صورت میگیرد به دام اندازی رادیکال های آلکیل اولیه بسیار سخت خواهد بود و فقط میتوان آن را با استفاده از انواعی از انتی اکسیدانهای ویژه انجام داد. این در حالی است که اغلب آنتی اکسیدان های اولیه با رادیکالهای پراکسی پایدار واکنش می دهند. مهمترین پایدار سازهای تجاری BHT و یا انواع مشابه آن میباشند و آمین های آروماتیک ثانویه همانند دیفنیل امین الکیلی نیز در همین دسته قرار می گیرد. آمین ها معمولاً از اثربخشی بالاتری برخوردارند ولی میتوانند تا حدودی رنگ ماده را از بین ببرند که خود یک ویژگی نامطلوب است به خصوص برای تولید و بسته بندی مواد غذایی، پوشاک و یا سایر موارد. محصول نهایی به دست آمده از این واکنش ها در اغلب موارد با نام کوئینون متید شناخته میشودکه خود سهمی در تغییر رنگ ماده خواهد داشت.
آنتی اکسیدان های ثانویه
آنتی اکسیدانهای ثانویه به منظور رفع هیدروپراکسید های ارگانیک به کار برده می شوند که از طریق آنتیاکسیدانهای اولیه ساخته شدند. هیدروپراکسید ها در مقایسه با انواع رادیکال واکنش پذیری کمتری دارند اما میتوانند دستهای از واکنش های رادیکالی جدید را به وجود آورند. از آنجایی که واکنش پذیری این مواد کمتر می باشد بنابراین به پایدارسازهای فعال تری نیاز دارند همانند فسفید استرها که میتوانند هیدروپراکسید های پلیمری را به الکل تبدیل کنند و به فسفات های آلی در طی فرایند اکسایش شوند. امکان تبادل ترانس نیز وجود خواهد داشت که در آن پلیمرهای هیدروکسیله با یک فنول جابجا میشوند. این جابجایی خود باعث میشود تا با آزادسازی آنتیاکسیدانهای اولیه ماده پلیمری پایدارتر شود. به همین دلیل فسفید ها گاهی اوقات به عنوان آنتی اکسیدان های چند کاره در نظر گرفته می شوند زیرا قادرند هر دو نوع فعالیت را انجام دهند.
ضد ازونانت ها
ازونانتها از تخریب ماده پلیمری توسط اوزون جلوگیری می کنند و یا سرعت آن را کاهش می دهند. این ماده در هوا با غلظت بسیار پایینی موجود می باشد ولی واکنش پذیری آن بسیار زیاد است به خصوص در برابر انواع پلیمر های اشباع نشده مانند لاستیک که میتواند دچار ترک برداری اوزونی شود.
مکانیزم ازونکافت از سایر روشهای اکسایشی متفاوت است و به انواع پایدار سازه های ضد اکسایشی ویژه خودش نیاز دارد. در مواردی پایدارساز ها شامل p-phenylenediamine میشوند و در مقایسه با گروه های عاملی آسیبپذیر پلیمری می توانند با سرعت بیشتری با ازونها واکنش بدهند. انرژی یونیزه سازی در آنها پایین می باشد و به آنها اجازه می دهد تا از طریق انتقال الکترونی با ازون واکنش دهند واین مورد آنها را به کاتیون های رادیکالی تبدیل میکند که توسط ویژگی آروماتیک پایدار میشوند.
پایدار ساز های نوری
پایدار سازهای نوری از بروز اکسایش نوری در مواد پلیمری جلوگیری می کنند که در نتیجه واکنش بین نور و اکسیژن به وجود می آید. این فرایند نیز همانند فرآیند رادیکالهای آزاد نوعی خود اکسایش میباشد و این در حالی است که آنتی اکسیدان های توضیح داده شده میتوانند به عنوان عامل های بازدارنده موثر عمل کنند و انواع دیگری از مواد افزودنی نیز می توانند موثر باشند همانند جذب کننده های اشعه فرابنفش، خاموش کننده ها و HALS (پایدار ساز های نوری آمینی ممانعت شده).
جذب کننده های اشعه فرابنفش
جذب کننده های اشعه فرابنفش انرژی نوری جذب شده از اشعه فرابنفش را بهعنوان گرما و توسط انتقال پروتئینی درون مولکولی برگشتپذیر انتشار می دهند. این اقدام باعث میشود تا جذب اشعه فرابنفش توسط ماده پلیمری کاهش پیدا کند و همچنین میزان تخریب ماده در اثر تغییرات آب و هوایی را نیز کاهش می دهد. معمولاً جذب کننده های اشعه فرابنفش برای پلی کربنات ها و آکریلیک ها عبارتند از بنزوتریازولها و هیدروکسی فنیل تریازین.
خاموش کننده ها
اکسایش نوری می تواند با جذب نور توسط یک رنگساز در ماده پلیمری به وجود بیاید و در نهایت باعث ایجاد حالت برانگیخته در ماده شود. پس از آن ممکن است مواد ایجاد شده با اکسیژن محیط واکنش دهند و آن را به اکسیژن های تکی با قابلیت واکنش پذیری بسیار بالا تبدیل کنند. خاموش کننده ها می توانند انرژی را از طریق مکانیزم Fröster از مولکولهای برانگیخته جذب کنند و سپس آن را بدون هیچ گونه ضرری به حالت نور فلورسنت با فرکانس پایین و یا گرما آزاد کنند.
پایدار ساز های نوری آمینی ممانعت شده
توانایی پایدار ساز های نوری آمینی ممانعت شده در پاکسازی رادیکال هایی که از تغییرات آب و هوایی به وجود آمدهاند، میتواند با شکلگیری رادیکالهای امینوکسیل و از طریق فرایندی با نام چرخه Denisov توضیح داده شود. اگرچه این مواد به صورت کلی به عنوان پایدار ساز های نوری شناخته می شوند ولی ممکن است به منظور پایدارسازی تخریب گرمایی نیز مورد استفاده قرار گیرند.
