پلی‌بوتیلن‌ترفتالات (Polybutylene Terephthalate: PBT)

ساختمان و خواص شیمیایی

یک پلاستیک گرمانرم مهندسی است که به خانواده پلی‌استرهای اشباع حلقوی تعلق دارد و فاقد پیوند سیر نشده در واحد تکرار شونده ساختمان مولکولی خود می‌باشد. 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 به آرامی وارد واکنش می‌شود.

با وجودی که این پلی‌استر سیر شده 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 از نظر 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 ارائه شده‌اند.

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 طولانی مدت 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 ایجاد کننده 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 طول موجی 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 T_g=40-60 درجه سانتی‌گراد است و گسترده دمای ذوب آن Tm=221 می‌باشد.

اختلاف زیاد دمای بلورینگی و دمای انتقال شیشه‌ای باعث تشهیل بلوری شدن و سرعت این پدیده در فرآیند قالب‌گیری آن می‌شود. به عبارت دیگر 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 بیان شده است.

Value	Units	Properties
30-60		Glass transition temperature
222-232		Melting Range
21.2	kJ/mol	Heat of Fusion ( )
150 60		HDT (at 0.45 MPa) (at 1.8 MPa)
120		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 به سرعت 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 به تبع 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 مو جب بهبود خواص و افزایش کارایی آن می‌شود.

 

خواص مکانیکی

پلی‌بوتیلن‌ترفتالات مانند بسیاری از پلاستیک‌های مهندسی دارای چند خاصیت برجسته  یا منحصر به فرد نیست بلکه آن چه 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.

با این وجود، 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 تقویت شده اند، 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 باا 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 در بار بیش‌تر و پایداری هیدرولیکی کم‌تر در دمای بالا (نسبت به پلی‌استال‌ها) می‌باشد.

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 می‌باشد.

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 به طور کلی تمایلی به ترک برداشتن، تحت تنش‌های وارده از شرایط و عواما محیطی را ندارد.

PBT در مقایسه با برخی از خواص پلاستیک‌های گرماسخت، دارای کارایی بالاتری است و از چند مزیت کلیدی مهم برخوردار می‌باشد، 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 ارائه شده 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 به عمل آمده 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 آن‌ که قالب گیری PBT آسان است. از نظر جریان مذاب و قالب‌گیری، با پلی‌استال در یک سطح است.

 

انواع و گونه‌های مختلف PBT

در یک طبقه‌بندی کلی انواع پلی‌بوتیلن ترفتالات به سه طبقه 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 تقویت شده‌اند، تأثیر این تقویت‌کنندگی در جدول زیر نشان داده شده 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:

1. تقویت نشده در دمای بالا اگر زیر بار قرار گیرد، مقدار زیادی از خواص خود را از دست می‌دهد.
2. این رزین در برابر آب داغ، قلیاهای قوی، اسیدهای اکسیدکننده و اسید استیک حساس است.
3. از آن‌جا که این رزین کمی رطوبت جذب می‌کند قبل از شروع فرآیند قالب‌گیری می‌باسیت رطوبت جذب شده از پلاستیک گرفته شود، به عبارت دیگر پلیمر باید رطوبت‌گیری یا خشک شود.
4. پیچ و تابی 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 جزء به جزء 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، روتورها، 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 صفحه کلیدهای کامپیوتر، حامل‌های تراشه‌ها و رابط‌ها.

• کاربردهای مخابراتی

وسایل ارتباطی شبکه، جعبه‌های اتصال و لوله بافر فیبر نوری (Fiber Optic Buffer Tubing).

• جابه‌جایی ماده

حلقه‌های زنجیر منتقل‌کننده، چرخ‌دنده‌ها، یاتاقان‌ها، آویزهای منوریل، مخازن پالت فوم‌شده و جعبه‌های ویژه نقل و انتقال.

• کاربردهای صنعتی

لوله‌سازی، اتصالات، رابط‌ها یا مجاری آب‌گذر و لوله‌های سیم‌پوش، نگه‌دارنده‌های قائم، پایه‌ها یا تکیه‌گاه‌های پشت بام، لوله‌کشی، ایمپلرها یا پروانه‌های پمپ، بدنه‌ها و اهرم‌های آب‌پاش، سرلوله‌ها، بدنه‌های مخازن تحت فشار، 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 مورد استفاده 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.