پلی‌بوتیلن‌ترفتالات و کاربردهای ویژه آن
ساختمان و خواص شیمیایی
یک پلاستیک گرمانرم مهندسی است که به خانواده پلی‌استرهای اشباع حلقوی تعلق دارد و فاقد پیوند سیرنشده در واحد تکرارشونده ساختمان مولکولی خود هست. نام صحیح‌تر این پلاستیک پلی(تترامتیلن‌ترفتالات) است زیرا چهار متیلن در واحد ساختمانی آن وجود دارد که در این صورت (PolyTetra Methylene Terephthalate) PTMT نیز خوانده می‌شود.
وجود عامل استری و گروه آلیفاتیک چهار متیلنی در واحد ساختمانی تکرارشونده این پلاستیک سبب می‌شود تا تعداد نسبتاً زیادی از حلال‌های شیمیایی بتوانند به آن حمله کنند و یا تماس با آن‌ها موجب تورم این پلاستیک خصوصاً در درجه حرارت‌های بالاتر از دمای انتقال شیشه‌ای آن خواهد شد.
مزایای پلی‌بوتیلن‌ترفتالات
پلیمر PBT مقاومت عالی در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مانند اترها، استرها، هیدروکربورها و محلول‌های غلیظ اسیدها و بازها دارد ولی در دمای بالا با آب به‌آرامی وارد واکنش می‌شود.
با وجودی که این پلی‌استر سیرشده از قابلیت جذب رطوبت کمی برخوردار است اما برای تماس دائم با آب داغ در حالت غوطه‌وری و یا محلول‌های غلیظ گرم، توصیه نمی‌شود.
اصولاً PBT و PET به آب جوش و حتی آب گرم دارای درجه حرارت بالاتر از 60 درجه سانتی‌گراد حساسیت دارند و در اثر واکنش با آن سختی سطح و چقرمگی قطعه در اثر تخریب هیدرولیتیک کاهش می‌یابد.
با در نظر گرفتن این حقیقت که PBT مانند PET نسبت به هیدرولیز حساس و مستعد انجام این واکنش است بنابراین گرانول‌های آن قبل از فرآیند قالب‌گیری باید کاملاً خشک شوند.
پلی‌بوتیلن‌ترفتالات ازنظر مولکولی دارای ساختاری تخت، تقریباً خطی و نیمه بلوری است و واحدهای بلوری آن از نوع تری کلینیک (Triclinic) هستند.
در جدول زیر تعدادی از خواص شیمیایی و فیزیکی پلی‌بوتیلن‌ترفتالات ارائه‌شده‌اند.
|
Non-reinforced PBT |
Units |
Properties |
|
Resistant |
- |
Effect of weak acids |
|
Attacked by oxidizing acids |
- |
Effect of strong acid |
|
Resistant |
- |
Effect of weak alkalis |
|
Attacked |
- |
Effect of strong alkalis |
|
Discolor very slightly |
- |
Effect of sunlight |
|
Resistant |
- |
Effect of greases & oil |
|
Good resistance |
% |
Outdoor weathering = |
|
25 |
% |
LOI |
|
1.31-1.38 |
- |
Specific gravity |
|
Opaque |
- |
Clarity |
|
0.08-0.09 |
% |
Water absorb on (24 hr.) |
تجربه نشان می‌دهد که تماس طولانی‌مدت این پلیمر با مواد شیمیایی اکسنده ماند کلر موجود در مخازن جمع‌آوری آب‌های شهرداری، موجب تخریب این پلاستیک می‌شوند که در حال حاضر برای چنین کاربردهایی از آن استفاده نمی‌شود.
پلیمر PBT در برابر لکه‌هایی که از طرف برخی از مواد ایجادکننده لکه به وجود می‌آیند مانند چای، آب انگور، قهوه، سس کچاپ و... مقاوم است.
اگر در ساخت قطعه‌ای از PBT یا PET استفاده شود، طوری که در حین خدمت و عملکرد آن قطعه در معرض اشعه فرابنفش قرار گیرد لازم است که افزودنی جاذب اشعه فرابنفش مناسب با طول‌موجی که هر یک از این دو پلاستیک دچار تخریب فوتونی یا نوری می‌شوند، به آمیزه این پلاستیک‌ها اضافه شود.
خواص حرارتی
درجه حرارت انتقال شیشه‌ای پلی‌بوتیلن‌ترفتالات Tg=40-60 درجه سانتی‌گراد است و گسترده دمای ذوب آن Tm=221 هست.
اختلاف زیاد دمای بلورینگی و دمای انتقال شیشه‌ای باعث تسهیل بلوری‌شدن و سرعت این پدیده در فرآیند قالب‌گیری آن می‌شود. به‌عبارت‌دیگر رشد درجه بلورینگی در طول زمان کوتاهی از سیکل قالب‌گیری افزایش می‌یابد (دمای قالب حدود 50 درجه سانتی‌گراد است).
PBT تا دمای 150 درجه سانتی‌گراد در برابر حرارت مقاوم است، این پلاستیک را می‌توان با اضافه کردن مواد افزودنی به تأخیراندازنده شعله به آمیزه آن، در مقابل شعله مقاوم‌تر کرد.
در جدول زیر خاصیت مهم حرارتی پلی‌بوتیلن‌ترفتالات بیان‌شده است.
|
Value |
Units |
Properties |
|
30-60 |
°C |
Glass transition temperature |
|
222-232 |
°C |
Melting Range |
|
21.2 |
kJ/mol |
Heat of Fusion ( ) |
|
150 60 |
°C |
HDT (at 0.45 MPa) (at 1.8 MPa) |
|
120 |
°C |
Upper working temperature |
|
1.35 |
w/(m.K) |
Thermal conductivity |
|
1.17-2.23 |
kJ/(kg.K) |
Specific heat |
در بالاتر از درجه حرارت 270 این پلاستیک به‌سرعت تخریب می‌شود بنابراین فرآیند شکل‌دهی آن باید در درجه حرارت کم‌تر از این دما و در گستره 270-240 درجه سانتی‌گراد انجام گیرد.
گران‌روی گونه‌هایی از آن در حالت مذاب کم و به‌تبع جریان‌یابی این پلاستیک زیاد است که همین ویژگی فرآیندپذیری آن را آسان می‌کند.
اضافه کردن افزودنی‌هایی مانند تأخیرانداز شعله و یا تقویت‌کننده‌های مکانیکی به آمیزه این پلاستیک موجب بهبود خواص و افزایش کارایی آن می‌شود.
خواص مکانیکی
پلی‌بوتیلن‌ترفتالات مانند بسیاری از پلاستیک‌های مهندسی دارای چند خاصیت برجسته یا منحصربه‌فرد نیست بلکه آنچه سبب شده است این پلیمر در گروه پلاستیک‌های مهندسی پذیرفته شود در حقیقت موازنه چند ویژگی خوب این ماده است به این صورت که:
الف) این پلاستیک چقرمگی بالای پلی‌کربنات را ندارد.
ب) فاقد مقاومت در برابر سایش پلی‌آمیدهای خطی است.
پ) جذب رطوبت بسیار کم PCTFE را ندارد.
ث) از قابلیت پایداری حرارتی PEEk، PPSU، PPS بی‌بهره است.
بااین‌وجود، خواص مکانیکی پلی‌بوتیلن‌ترفتالات را می‌توان به کمک الیاف شیشه و یا الیاف کربن بهبود بخشید و قابلیت‌های بسیار بهتری را از آن به دست آورد.
گونه‌هایی از PBT که با الیاف شیشه تقویت‌شده‌اند، نقطه نرمی آن‌ها افزایش پیدا می‌کند و رفتار مکانیکی آن‌ها با پلی کربنات‌ها و پلی‌فنیلن‌اکسایدهای بهبودیافته قابت می‌کند.این پلاستیک در مقایسه با نایلون‌ها و پلی‌استال‌ها در برخی از ویژگی‌ها، مزیت‌ها و برتری‌هایی دارد.در مقایسه با نایلون‌ها، PBT خواص جذب آب کم‌تر، مدول بالاتر، پایداری ابعادی بیش‌تر و مقاومت در برابر ضربه کم‌تری دارد.
PBT در مقایسه با پلی‌استال‌ها، دارای جذب آب کم‌تر، مقاومت در برابر ضربه بالاتر، HDT کم‌تر دربار بیش‌تر و پایداری هیدرولیکی کم‌تر در دمای بالا (نسبت به پلی‌استال‌ها) هست.رفتار مکانیکی PBT دلالت بر آن دارد که این پلاستیک قابلیت چقرمگی و برجهندگی بالایی دارد و از دو خاصیت مقاومت در برابر سایش و ضریب اصطکاک کم نیز برخوردار هست.زنجیره این پلیمر در مقایسه با PET نرم و انعطاف‌پذیرتر و میزان قطبی بودن آن نیز کم‌تر است. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند تا درجه حرارت ذوب و دمای انتقال شیشه‌ای آن کاهش پیدا کنند.این پلاستیک به‌طورکلی تمایلی به ترک برداشتن، تحت تنش‌های وارده از شرایط و عوامل محیطی را ندارد.
PBT در مقایسه با برخی از خواص پلاستیک‌های گرماسخت، دارای کارایی بالاتری است و از چند مزیت کلیدی مهم برخوردار هست، از آن جمله می‌توان به قابلیت فرآیندپذیری بهتر، رنگ‌پذیری خیلی خوب و امکان کاربری در برابر عوامل محیطی پایداری بیش‌تری دارند و از مقاومت حرارتی خواص مکانیکی بالاتری نیز برخوردار هستند.
در جدول زیر چند خاصیت مهم مکانیکی PBT ارائه‌شده است.
|
Value |
Units |
Properties |
|
52 |
MPa |
Tensile yield strength |
|
4 |
% |
Tensile yield strain |
|
55 |
MPa |
Tensile strength |
|
250 |
% |
Tensile strain |
|
2.6 |
GPa |
Tensile young modulus |
|
110 |
MPa |
Flexural strength |
|
2.3 |
GPa |
Flexural modulus |
|
69-75 |
Scale M |
Hardness, Rockwell |
|
30000-80000 |
gr/mol |
Weight average molecular weight |
|
53-60 |
J/m |
Izod Impact Strength (notched) |
|
3.24 |
- |
Dielectric constant (106 Hz) |
آزمون‌های مختلفی که بر روی این پلیمر به‌عمل‌آمده نشان می‌دهند که ویژگی خاص و خیلی برجسته‌ای در خواص این پلاستیک دیده نمی‌شود، به نظر می‌رسد دلیل اصلی قبول پلی‌بوتیلن‌ترفتالات از سوی صنایع مصرف‌کننده دربرداشتن مجموعه‌ای از خواص قابل مقایسه با پلاستیک‌های مهندسی است ضمن آن‌که قالب‌گیری PBT آسان است. ازنظر جریان مذاب و قالب‌گیری، با پلی‌استال در یک سطح است.
انواع و گونه‌های مختلف PBT
در یک طبقه‌بندی کلی انواع پلی‌بوتیلن ترفتالات به سه‌طبقه مهم تقسیم‌بندی می‌شود.
- انواع رزین‌های پلی‌بوتیلن‌ترفتالات خالص: مانند گرانول‌های خالص و یا نمونه‌های دارای مصرف دربردارنده گران‌روی متوسط و گونه دارای گران‌روی زیاد.
- آمیزه‌‌های بهبودیافته PBT: مانند آلیاژهای پلی‌کربنات/PBT و گونه مقاوم شده در برابر شعله
- گونه‌های تقویت‌شده PBT با الیاف شیشه و الیاف کربن تقویت‌شده‌اند، تأثیر این تقویت‌کنندگی در جدول زیر نشان داده‌شده است.
|
Flexural modulus (GPa) |
Flexural stress (MPa) |
Tensile modulus (GPa) |
Elongation at break % |
Tensile stress (MPa) |
Reinforcement |
|
2.8 |
98 |
1.96 |
50-300 |
57 |
None |
|
8.4 |
193 |
9.1 |
3 |
126 |
30% Glass |
|
17.5 |
245 |
24.5 |
1.5 |
160 |
30% Carbon |
نقاط ضعف PBT
در کاربرد پلی‌بوتیلن‌ترفتالات به سه مورد زیر باید دقت کرد:
- تقویت نشده در دمای بالا اگر زیر بار قرار گیرد، مقدار زیادی از خواص خود را از دست می‌دهد.
- این رزین در برابر آب داغ، قلیاهای قوی، اسیدهای اکسیدکننده و اسید استیک حساس است.
- از آنجا که این رزین کمی رطوبت جذب می‌کند قبل از شروع فرآیند قالب‌گیری می‌باسیت رطوبت جذب‌شده از پلاستیک گرفته شود، به‌عبارت‌دیگر پلیمر باید رطوبت‌گیری یا خشک شود.
- پیچ‌وتابی که در قطعه پدید می‌آید از طریق سرعت‌های خنک‌سازی مختلفی ایجاد می‌شود که خود از شکل هندسی قطعه یا طراحی ابزار تبعیت می‌کند که منجر به انقباض درون یا شرینک دیفرانسیلی یا تفاضلی می‌گردد یعنی اگر قطعه مجموعه‌ای از قطعات جزءبه‌جزء شده بی‌نهایت کوچک در نظر گرفته شود، هر جزئی دچار چنین کاهش حجم یا شرینکی خواهد شد.
کاربردها
خانه‌سازی و صنعت ساختمان
کالاها، اسباب و مصالح خانه‌سازی، چمن و باغ.
کاربردهای خودرویی
صفحه مشبک جلوی رادیاتور، پانل‌های اتاق یا بدنه، گل‌گیرها، قالپاق چرخ، اجزای تشکیل‌دهنده برای دستگیرههای در، آینه‌ها و پنجره‌ها، در دلکو، رو تورها، قطعات و اجزای تولید اشتغال، سیستم‌های لامپ جلویی، قطعات مربوط برف‌پاک‌کن شیشه جلوی اتومبیل، واتر پمپ‌آپ و سیستم‌های ترمز.
قطعات الکتریکی و الکترونیکی
کلیدها، رله‌ها، بدنه‌ها موتور، سوکت‌های لوله، مخازن سلول نئون‌الکتریک، مخزن‌های بالاست (راه‌انداز لامپ فوتون)، بدنه‌های فیوز، سرپوش‌های کلید برای صفحه‌کلیدهای کامپیوتر، حامل‌های تراشه‌ها و رابط‌ها.
کاربردهای مخابراتی
وسایل ارتباطی شبکه، جعبه‌های اتصال ولوله بافر فیبر نوری (Fiber Optic Buffer Tubing).
جابه‌جایی ماده
حلقه‌های زنجیر منتقل‌کننده، چرخ‌دنده‌ها، یاتاقان‌ها، آویزهای منوریل، مخازن پالت فوم‌شده و جعبه‌های ویژه نقل‌وانتقال.
کاربردهای صنعتی
لوله‌سازی، اتصالات، رابط‌ها یا مجاری آب‌گذر ولوله‌های سیم‌پوش، نگه‌دارنده‌های قائم، پایه‌ها یا تکیه‌گاه‌های پشت‌بام، لوله‌کشی، ایمپلرها یا پروانه‌های پمپ، بدنه‌ها و اهرم‌های آب‌پاش، سرلوله‌ها، بدنه‌های مخازن تحت‌فشار، حفاظت کابل و اجزای تشکیل‌دهنده شیر.
کاربردهای مصرفی
صفحات یا تیغه‌های فرآیند نمودن غذا، قطعات جاروبرقی، پنکه‌ها و فن‌ها، دنده‌ها، اثاثیه منزل و مبلمان، دستگیرههای اتو، قاب‌های جانبی‌نان‌برشته‌کن (toaster oven)، بدنه‌های مو خشک‌کن و قهوه‌سازها.
- از ابتدا برای ساخت قطعات قالب‌گیری و رقابت با دیگر پلاستیک‌های مهندسی طراحی و عرضه شد.
- این پلاستیک در چهار نوع کاربرد، ساخت قطعه، تهیه آلیاژهای آن، تولید الیاف، همچنین برای تهیه قطعات کامپوزیتی در سطح بسیار وسیعی مورداستفاده قرار می‌گیرد همچنین الیاف منفرد و زیر که برای ساخت الیاف مورد نیاز مسواک و فرچه‌های رنگ به کار می‌روند.
- در ساخت کامپوزیت‌های دارای ماتریس پلاستیک گرمانرم PBT، قطعات ماشین‌های نساجی، نوارهای کاست، دنده، یاتاقان‌ها، قطعات اتومبیل، فیلم، دکمه‌های زینتی، محفظه پمپ‌های کوچک، عایق، دستگاه‌های آب‌پاش و موارد بسیار دیگر به کاربرذه می‌شود.