رئولوژی مذاب مخلوط پلیمری پلی اسید لاکتیک و اتیلن سبک
این مقاله، به بررسی خواص رئولوژیکی مخلوط پلیمری پلی اسید لاکتیک (PLA) و پلی اتیلن سبک (LDPE) در حالت مذاب پرداخته است. آزمایشات بر روی یک رئومتر مویرگی انجام شد. همچنین اثر تنش برشی، دما و نسبت اختلاط بر انرژی فعال سازی جریان در تنش برشی ثابت و ویسکوزیته مذاب مخلوط ها شرح داده می شود. نتایج به دست آمده نشان داد که ماهیت مخلوط پلیمری PLA/LDPE شبیه به پلاستیک است و در این محیط، ویسکوزیته با افزایش تنش برشی کاهش می یابد. همچنین، مشخص شد که ویسکوزیته مذاب مخلوط ها با افزایش محتوای PLA در مخلوط به حداقل می رسد.
دو یا چند پلیمر ممکن است به دلایل مختلف با هم مخلوط شوند. یکی از این دلایل، دستیابی به ماده ای حاوی خواص اجزای تشکیل دهندۀ آن است؛ برای مثال، ترکیبی از دو پلیمر که یکی از آنها از لحاظ شیمیایی مقاوم و دیگری سخت است. دومین دلیل، صرفه جویی در هزینه ها با ترکیب یک پلیمر با کیفیت و ارزان قیمت است. از طرفی، این ترکیب پلیمری از چند جهت می تواند به نفع تولید کننده باشد:
1. فرایند پذیری بهبود یافته، یکنواختی محصول و کاهش ضایعات؛
2. تغییرات سریع فرمولاسیون؛
3. انعطاف پذیری طرح و بهره وری بالا؛
4. کاهش تعداد گریدهایی که بایستی تولید و ذخیره شوند.
علاوه براین، می توان آن را ازطریق تراکم مستقیم اسید لاکتیک یا پلیمریزاسیون حلقه باز لاکتید حلقوی سنتز کرد. به این ترتیب، در مرحله اول لاکتید میانی (دایمر حلقوی اسید لاکتیک) تشکیل می شود و سپس پس از حذف آب محصول متراکم، الیگومر PLA به لاکتید دپلیمریزه می شود. در مرحله دوم، لاکتید خالص شده ازطریق پلیمریزاسیون کاتالیزوری حلقه باز به پلی استرهایی با وزن مولکولی بالا تبدیل می شود. این تکنیک های جدید در سنتز PLA، که امکان تولید پلیمر PLA اقتصادی با وزن مولکولی بالا را فراهم می کند، کاربردهای آن را گسترش داده است. PLA به دلیل زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری بالا برای این کار انتخاب شد. همچنین با داشتن خواص منحصر به فردی همچون استحکام و سفتی بالا، مقاومت در برابر چربی ها و روغن ها بعنوان یک پلیمر زیست سازگار، جایگزین مناسبی برای پلاستیک های سنتی محسوب می شود. با این حال، شکنندگی و سایر خواص مانند ویسکوزیته پایین، پایداری حرارتی کم، حساسیت به رطوبت بالا، خواص مانع گاز متوسط، هزینه تولید بالا (در مقایسه با PE، PP و PS) و مقاومت کم در حلال ها (برای مثال آب) اغلب برای بسیاری از این کاربردها کافی نیستند.
خواص PLA را می توان با تکنیک های اختلاط پلیمری اصلاح کرد که در آن با چندین پلیمر مصنوعی و زیستی به منظور افزایش خواص آن و تولید مواد جدید ترکیب می شود. PLA برای تولید مواد جدید با هزینه کمتر و خواص بهبود یافته با لاستیک، نشاسته ترموپلاستیک (TPS)، پلی بوتیلن سوکسینات (PBS)، پلی بوتیلن سوکسینات آدیپات (PBSA)، پلی بوتیلن آدیپات کوترفتالات (PBAT)، اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)، پلی پروپیلن (PP) و پلی استایرن (PS) ترکیب می شود. صنعت پلی الفین هنوز یک تجارت بسیار پویا است که در آن اتیلن سبک (LDPE) نقش کلیدی ایفا کرده و کاربردهای گسترده ای نیز دارد. اتیلن سبک از خواصی همچون هزینه تولید کم، فرایند پذیری، انعطاف پذیری و عدم حساسیت به رطوبت برخوردار است. با این حال، استفاده از آن به دلیل زیست تخریب ناپذیر بودن، خطرات زیست محیطی جدی به همراه دارد؛ به این معنا که توسط میکروارگانیسم های موجود در محیط زیست تجزیه نمی شود. اگرچه از بازیافت می توان برای تجزیه این دسته از مواد استفاده کرد اما ممکن است تمام فرآورده ها پس از مصرف بازیافت نشوند و این امر از لحاظ اقتصادی خوشایند نیست. مشکل مدیریت پسماند باعث افزایش دست کم پلاستیک های زیست تخریب ناپذیر شده است؛ واقعیتی که ممکن است با ترکیب فیلرهای زیست تخریب پذیر در مواد اولیه برطرف شود و حتی حجم زباله های پلاستیکی را نیز کاهش دهد. بنابراین، اگرچه اتیلن سبک ذاتآ تجزیه پذیر نیست اما اگر با نشاسته ترموپلاستیک (TPS) ترکیب شود، زیست تخریب پذیری آن افزایش می یابد. با این حال، افزودن TPS ممکن است اثرات منفی بر خواص LDPE داشته باشد. PLA از خواص مکانیکی خوبی برخوردار است و می تواند جایگزین TPS در ترکیب با اتیلن سبک شود. مطالعات متعددی در زمینه ترکیبات PLA/PE توسط بسیاری از نویسندگان انجام شده است. در صورت ترکیب PLA با LDPE، هزینه های تولید را کاهش داده و تجزیه پذیری آن را افزایش می دهد. در این مقاله، مخلوط های PLA/LDPE با استفاده از یک اکسترودر تک پیچ در مقیاس آزمایشگاهی تهیه شد و خواص رئولوژیکی آنها نیز بررسی شد. چنین کارهایی در توسعه کامپوزیت ها و مخلوط های پلی استرهای زیست تخریب پذیر بسیار مهم هستند. قبل از این در گذشته، خواص رئولوژیکی مخلوط های پلیمری PLA/LDPE چندان مورد توجه قرار نگرفته اند.
منحنی های جریان
منحنی های جریان، یعنی نمودارهای تنش برشی در مقابل نرخ برشی برای مخلوط های PLA/LDPE که تمام مخلوط را می پوشانند، با محدوده دمایی 190-170 درجه سانتیگراد در دمای 5 درجه اندازه گیری شده اند. در شکل زیر، نتایج حاصل از منحنی ها در دمای 175 درجه سانتیگراد ارائه شده است.
شکل 1:
این منحنی ها ظاهرآ از رابطه خطی شیب دار به محور نرخ برشی منحرف می شوند؛ به این معنا که هموپلیمرهای PLA، LDPE و ترکیبات آنها شبیه هم هستند. سیالات پلاستیکی غیر نیوتنی شبیه به اکثر مذاب های پلیمری هستند و از قانون توان پیروی می کنند:
در این معادله، K و n به ترتیب به معنای شاخص سازگاری و غیر نیوتنی هستند که براساس شیب خطوط شکل بالا محاسبه می شوند.
ویسکوزیته مذاب
در شکل زیر، نمودارهای ویسکوزیته مذاب در مقابل تنش برشی برای هموپلیمرهای PLA، LDPE و مخلوط آنها در دماهای مختلف نشان داده می شود.
شکل 2:
همچنین، نشان می دهد که ویسکوزیته PLA، LDPE و مخلوط آنها با افزایش تنش برشی کاهش می یابد که خود بیانگر خواص معمولی سیالات غیر نیوتنی شبه پلاستیکی است و این رفتار به هم ترازی یا آرایش بخش های زنجیره های پلیمرها در جهت تنش برشی نسبت داده می شود. برای مشاهدۀ اینکه چگونه ویسکوزیته مذاب با نسبت اختلاط در دماهای مختلف تغییر می کند، نمودارهای متقاطع در این مقاله ارائه شده است. ویسکوزیته در سرعت برش بالا فشار تزریق را کاهش می دهد و برعکس، سرعت تزریق هر چه بالاتر باشد، چرخه آن کوتاه تر می شود.
در این مقاله، به بررسی خواص رئولوژیکی مخلوط های پلیمری PLA/LDPE پرداخته شده است. این مخلوط ها با استفاده از یک اکسترودر تک پیچ تهیه شدند. نتایج رئولوژیکی به دست آمده نشان داد که این مخلوط ها در طبیعت شبه پلاستیک هستند؛ ویسکوزیته آنها همانند اکثر مذاب های پلیمری، با افزایش نرخ برشی کاهش می یابد و ویسکوزیته خالص PLA با بالا رفتن دما به شدت کاهش می یابد، در حالی که ویسکوزیتۀ خالص LDPE فقط با نوسان دما اندکی تغییر می کند. همچنین مشخص شد که ویسکوزیه خالص مخلوط ها با افزایش محتوای PLA کاهش می یابد که به ویسکوزیته پایین PLA نسبت داده می شود. نتایج به دست آمده نشان می دهد که مخلوط های تهیه شده برای استفاده در فرایند قالب گیری تزریقی مناسب هستند چون ویسکوزیته مذاب در این روش پایین است. چنین ترکیباتی در توسعه مواد زیست تخریب پذیر جدید با هزینه تولید بسیار کمتر حرف اول را می زنند.
