فوم سازی در پردازش پلیمری

بررسی روندهای اخیر فوم سازی در پردازش پلیمری

فوم های پلیمری از چگالی کم، عایق حرارتی و صوتی خوب، استحکام بالا و مقاومت سایشی بالایی برخوردار بوده و کاربردهای عمرانی و صنعتی گسترده ای نیز دارند. در این مقاله به بررسی طبقه بندی فوم های پلیمری، اصول فرایند فوم سازی، انواع عوامل دمنده و مواد اولیه فوم های پلیمری پرداخته می شود. از طرفی، توسعه تحقیقات در مورد روش های مختلف فوم سازی، مشکلات فعلی و راه حل های احتمالی را مورد بحث قرار داده است.

فوم پلیمری یک ماده پلیمری مهم است که ماتریس پلیمری آن حاوی تعداد زیادی حفره های کوچک فومی در داخل و همچنین مواد پلیمری غیرمتخلخل شناخته شده است. در مقایسه با دیگر مواد حجیم شدۀ پلیمری، فوم پلیمری دارای خواص و مزایای منحصر به فردی است من جمله چگالی کم، عایق حرارتی، تأثیرات عایق صوتی خوب، استحکام بالا و مقاومت سایشی بالایی. در حال حاضر، فوم پلیمری یکی از مواد پلیمری پرکاربرد است که نقش مهمی در صنعت پلیمر دارد. این فوم از فوم پلیمری مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی تهیه شده است. تکنیک های پردازش آنها عمدتآ شامل روش های قالب گیری اکستروژن و تزریقی می شود. این روش های قالب گیری با یک سیال فوق بحرانی مانند دی اکسید کربن (CO₂) یا نیتروژن (N₂) می توانند با وزن سبک تر و پایداری ابعاد بالاتر فوم های پلیمری نسبت به دیگر سیالات فرایند فوم سازی را بهبود بخشند. این فوم ها کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارند. برای مثال از فوم نرم پلی یورتان (PU) می توان در ساخت مبلمان، پارچه های کامپوزیتی، لباس، کفش، کلاه، کوسن خودرو و تجهیزات ورزشی استفاده کرد؛ اما فوم سخت PU در ساخت یخچال، فریزر و تجهیزات یخچال کاربرد دارد. فوم پلی پروپیلن (PP) در ملزومات روزانه، صنایع نظامی، حمل و نقل، هوافضا، تولید انواع بالشتک صندلی، عایق حرارتی، ضربه گیر، بسته بندی و مصالح ساختمانی استفاده می شود. فوم فنولیک اساسآ در حوزه های معماری، خودرو، الکتریکی و الکترونیکی، صنعت آهن و فولاد، و حتی هوافضا به کار می رود. این امر می تواند نیازهای عایق حرارتی و مصالح ساختمانی مقاوم در برابر احتراق را در مکان های ورزشی و تفریحی در مقیاس بزرگ، ساختمان های بلند و وسایل نقلیه پرسرعت برآورده کند. علاوه براین، فوم پلی آمید (PI) با عایق حرارتی بالا، پایداری حرارتی بالا، اشتعال پذیری کم در حوزه هوافضا، هواپیما و تجهیزات دریایی استفاده می شود. با توسعه مداوم فوم های پلیمری، استفاده از آنها نیز افزایش خواهد یافت. این فوم ها بعنوان مهمترین محصولات پلیمری صنعتی فضای وسیعی برای توسعه و پیشرفت خواهند داشت. این مقاله به معرفی انواع فوم های پلیمری، روش های فوم سازی، مشکلات فعلی و راه حل های ممکن می پردازد.

طبقه بندی فوم های پلیمری

فوم های پلیمری را می توان براساس چگالی، اندازه سلول و چگالی سلولی تفسیر کرد. روش های مختلفی برای طبقه بندی این فوم ها وجود دارد که رایج ترین آنها فوم ها را به سه دسته با ساختار سخت، چگالی و فومی تقسیم می کند:

ساختار سخت

در شرایط دمایی 23 درجه و رطوبت نسبی 50 درصد، فوم های های پلیمری عمدتآ براساس اندازه مدول الاستیک به سه دسته طبقه بندی می شوند. الف. اگر مدول الاستیک یک فوم کمتر از 68.6 مگاپاسکال باشد، فوم پلیمری بعنوان فوم نرم نامیده می شود. برای مثال پلی وینیل کلرید (PVC) نرم، پلی وینیل فرمال (PVF) و فوم PP. ب. اما اگر بین 686-68.6 مگاپاسکال باشد، آن را نیمه سخت می نامند مانند فوم های نیمه سخت PU و PI. پ. اگر مدول الاستیک آن بیشتر از 686 مگاپاسکال باشد، فوم پلیمری را سخت می گویند همچون PU سخت، پلی استایرن و فوم های فنلی.

ساختار چگالی

فوم های پلیمری بر حسب چگالی به سه دسته تقسیم می شوند. الف) اگر چگالی فوم کمتر از 0.1 گرم بر متر مکعب باشد، بعنوان پلیمر هایفوم شناخته می شود مانند پلیمرهای هایفوم پلی اتیلن (PE) و PP. ب) اگر چگالی پلیمر بین 0.4-0.1 گرم بر متر مکعب باشد، از میدل فوم برخوردار است مانند میدل فوم PI. پ) اما اگر چگالی آن بیشتر از 0.4 گرم در متر مکعب باشد، کم فوم شناخته می شود همچون فوم PP.

ساختار حبابی

فوم های پلیمری با توجه به ساختار حبابی که دارند، به دو گروه تقسیم می شوند. الف) این گروه حاوی سلول های باز متصل به هم هستند همچون فوم ملامین فرمالدئید و فوم اپوکسی. ب) این گروه دارای سلول های بسته حاوی سلول های جداگانه است برای مثال فوم های PS، پلی متیل آکریل آمید و PE.

عوامل دمنده

با توجه به روش تولید گاز در طی فرایند فوم سازی، می توان عوامل دمنده را به دسته های فیزیکی و شیمیایی تقسیم کرد.

دمنده های فیزیکی

دمنده های فیزیکی نیز به دو گروه دمنده های فیزیکی آلی و معدنی طبقه بندی می شوند. گروه غیر آلی یا معدنی حاوی نیتروژن، دی اکسید کربن، آب و هوا هستند. گروه دوم شامل پنتان، هگزان، دی کلرواتان و فریون می شوند.

دمنده های شیمیایی

این عوامل همانند عوامل دمندۀ فیزیکی به دو گروه آلی و غیرآلی تقسیم می شوند. از طرفی، آنها را هم می توان به دو دسته تجزیه حرارتی و واکنشی دسته بندی کرد. گروه معدنی یا غیرآلی عمدتآ در لاستیک مصنوعی، لاستیک طبیعی و فرآورده های فوم لاستیکی استفاده می شوند. عوامل دمندۀ تجزیه حرارتی معدنی شامل بی کربنات، کربنات و نیتریت می شود. اما دمنده های غیرآلی واکنشی حاوی بی کربنات سدیم یا پودر روی، یک واکنش اسیدی، پراکسید هیدروژن و یک واکنش مخمر هستند. دمنده های آلی از مزایایی همچون پراکندگی خوب، خروجی گاز پایدار و حباب های یکنواخت برخوردار هستند. عوامل دمنده واکنشی آلی حاوی ترکیبات ایزوسیانات هستند.

مهره های پلیمری قابل انبساط

مهرۀ پلیمری قابل انبساط یک ساختار هسته-پوسته است. پوستۀ پلیمر رزین اکریلیک ترموپلاستیک است و هستۀ آن نیز یک میکروذرۀ کروّی توخالی است که از آلکان ها تشکیل شده است. این ساختار برای ایجاد فوم از طریق انبساط میکروسفر عمل می کند. با گرم شدن و حرارت دیدن مهره، حجم آن به سرعت ده ها بار افزایش یافته و می توان به یک فرایند فوم سازی عالی برای فوم هایی مانند PE، PP و PS قابل انبساط دست یافت.

نتیجه گیری

فوم های پلیمری بعنوان ماده سبک وزن در مقایسه با مواد پلیمری حجیم شده دارای خواص منحصر به فردی مانند چگالی کم، عایق حرارتی و صوتی خوب، استحکام بالا و محافظ الکترومغناطیسی هستند که این خواص زمینه را برای کاربرد گستردۀ آنها در حوزه های صنعتی و عمرانی همچون ساخت عایق، صنعت بسته بندی، تجهیزات پزشکی، خودروسازی و هوافضا فراهم می کنند. این فوم ها معمولآ با استفاده از تکنیک های مختلف فوم سازی مانند فوم سازی دسته ای، مهره ای، اکستروژن و قالب گیری تزریقی تهیه می شوند. در مقایسه با روش های فومینگ (فوم سازی) معمولی با استفاده از عامل دمندۀ شیمیایی، فوم میکروسلولی با یک عامل دمنده فیزیکی می تواند فوم های پلیمری با سلول های بسیار ظریف تر تولید کند که خواص بسیار خاصی من جمله پایداری حرارتی خوب، جذب صدای عالی (عایق صوتی)، رسانایی حرارتی پایین و ثبات دی الکتریک دارند. با این حال، هنوز مشکلات زیادی بر سر راه تهیه و کاربرد فوم های پلیمری وجود دارد مانند بلورینگی کم، بازیافت کم و اشتعال پذیری پایین. مطالعات اخیر بر توسعه قالب گیری تزریقی به کمک سیالات فوق بحرانی، توسعه فوم های پلیمری سبز تهیه شده از مواد خام تجدیدپذیر، بازیافت ضایعات این فوم ها و افزایش میزان بلورینگی آنها با استفاده از نانوفیلرها بعنوان عوامل هسته زا متمرکز شده اند.