سرویس ترجمه انجمن لوله و اتصالات پی وی سی:  PVC به دلیل طیف وسیعی از کاربردهای آن، به یکی از مهم ترین پلیمرهای تجاری تبدیل شده است. این پلیمر در صنعت و ساخت و ساز استفاده می شود که شامل پروفیل پنجره، کرکره غلتکی، دیوارپوش ها و ناودان های بارانی و ... است. pvc در کاربرد های بیرون ساختمان در معرض شرایط هوازدگی شدید (ترکیبی از گرمای تابستان، اشعه ماورابنفش و رطوبت بالا) است.

شکل1- فرمولاسیون استابلایزر کلیدی برای بهبود قابل توجه مقاومت در برابر هوازدگی محصول نهایی

محصولات pvc سفید بسیار مقاوم در برابر گرما و نور هستند که به دلیل خصوصیات بازتاب عالی و استفاده از رنگدانه دی اکسید تیتانیوم است. رنگ های تیره مانند قهوه ای و خاکستری آنتراسیت با این حال خطر سفیدشدگی و تغییر رنگ را در طول زمان در نتیجه تغییر در ساختار شیمیایی را در پی دارد.

در یک مطالعه مشترک پژوهشی Baerlocher و Chemours به دنبال غلبه بر این مشکل، فرمولاسیون جدید برای پروفیل های قهوه ای و خاکستری  با استفاده از استابلایزرهای حرارتی پایه کلسیم و دی اکسید تیتانیوم توسعه یافت.

چالش در فضای باز

در طول تابستان، محصولات pvcدر فضای بیرون ، به ویژه رنگهای تیره به دلیل تابش خورشید خیلی گرم می شود و دمای آنها به 80 درجه سانتی گراد و بالاتر نیز می رسد. علاوه بر این،– قرارگیری این محصولات در معرض اشعه uv- رطوبت می تواند در pvc تجمع یابد و به عنوان یک محیط واکنش عمل کند.

تحت این شرایط انرژی جذب شده uv می تواند با اکسیژن یا مولکول های آب واکنش دهد. رادیکالهای تشکیل شده به اندازه کافی برای از بین بردن پیوندهای آلی پلیمری ماتریس و تخریب pvc واکنش پذیر هستند. حذف اسید هیدروکلریک(HCL) از پلیمر دی هیدروکلراسیون نامیده می شود و به عنوان یک فرایند موازی رخ می دهد. HCLآزاد می تواند به عنوان یک کاتالیست برای واکنش های حذفی بیشتر عمل کندکه منجر به یک مکانیسم خود تسریع شده از تخریب pvc می شود.

رنگدانه ها – رنگدانه های رنگی معدنی یا دی اکسید تیتانیوم سفید- در سطح در دسترس هستند. علاوه براین کربنات  کلسیم (CaCO3) فیلری معمول که استفاده  میشود  از pvc حذف می شود و منجر به تشکیل سوراخ های میکروسکوپی می گردد.

از آنجا که این فرایندهای تخریب منجر به ایجاد یک سطح متخلخل با ظاهر سفید می شود این پدیده اغلب به عنوان  گچی شدن شناخته می شود که علاوه بر تغییر رنگ منجر به از دست دادن براقیت و خواص مکانیکی می گردد.

عملکرد پایدار

Pvc خالص دارای پایداری حرارتی پایین در طول پردازش مذاب است. از این رو افزودنی های پایدار کننده برای محافظت حین پردازش و بهبود محصول نهایی افزوده می شود این پایدارکننده ها معمولا به عنوان سیستم های وان پک استفاده می شوند این مخلوط های تشکیل شده از مواد شامل رباینده های اسید و استابلایزرهای کمکی است.

 استابلایزرهای سابق نمک های فلزی هستند که می توانند HCL آزاد را خنثی نمایند. استابلایزرهای اخیر مواد بر پایه آلی هستند که از رها سازی پیوسته HCL جلوگیری می کند و ساختار شیمیایی PVC را حفظ می کند. علاوه بر این آنتی اکسیدان های آلی به طور معمول به وان پک افزوده می شد تا تخریب اکسیداتیو PVC را سرکوب کند. وان پک حاوی روان کننده های مختلف است هم هیدروکربن های بر پایه نفت و هم وکس های مشتق شده از مواد نفتی(oleochemical)است.

این روان کننده ها رفتار مذاب  PVC را در فرایند تنظیم می کند.از این رو توانایی مقاومت در برابر تنش های برشی درگیر را دارد. در سال های اخیر اکثر پردازنده های PVC ، پایدارکننده های خود را از پایه سرب به پایه کلسیم تغییر داده اند. از نظر مقاومت در برابر هوازدگی محصول نهایی، سیستم های قدیمی نسبت به سیستم های بر پایه کلسیم برتری دارند.

اشعه ی ماورا بنفش از نور خورشید دارای اثرات مضر بر روی انواع محصولات PVC در فضای باز است

نقش Tio₂

 به عنوان یک رنگدانه سفید، Tio₂ به طور گسترده ای به عنوان بخشی از فرمولاسیون محصولات pvcسفید شناخته می شود.توانایی بالای آن برای جذب نور uv می تواند به طور قابل توجهی هوازدگی و دوام محصولات پلیمری رنگ سفید را بهبود دهد. با این وجود، دی اکسید تیتانیوم می تواند نقش مهمی را کاربرد های محصولات تیره رنگ pvc ایفا کند.

در محصولات خاکستری و یا آنتراسیت، معمولا با کربن سیاه برای دستیابی به رنگ بهینه ترکیب می شود. محصولات پی وی سی قهوه ای تیره معمولا با رنگدانه های سیاه ، زرد و قرمز تطبیق یافته اند . در بسیاری از کاربردهای قهوه ای ، دی اکسید تیتانیوم به عنوان رنگدانه افزوده نمی شود.با استفاده از مقدار کمی از TiO₂ در تمام محصولات رنگی تیره PVC، ماتریس PVCحفاظت در برابر هوازدگی مضاعف را به دست می آورد. TiO₂خالص به عنوان کاتالیست نوری شناخته شده است و رادیکال های نوری واکنش پذیر را در سطح اصلاح نشده خود تولید می کنند، یک ویژگی که در محصولات PVC نباید باشد.

برای جلوگیری از تخریب کاتالیزوری – نوری، رنگدانه های Tio2 برای کاربردهای pvc در فضای بیرون به طور معمول با اکسیدهای معدنی مانند سیلیکون دی اکسید، آلومینیوم اکسید و غیره پوشش داده شده اند. این اصلاح سطح یک حایل انرژی اضافی را ایجاد می کند و از تشکیل رادیکال های نوری جلوگیری می کند.

فرمولاسیونهای خاص می توانند به افزایش طول عمر ناودان های باران pvc تیره کمک می کند.

جزئیات مطالعه

برای این مطالعه سه رنگ مختلف برای فرمولاسیون پروفیل های pvc انتخاب شدند: سفید، قهوه ای تیره و خاکستری آنتراسیت. برای رنگی کردن،  بر روی دو گرید رنگدانه دی اکسید تیتانیوم تمرکز شده است.

 یک گرید رتایل بسیار با دوام است و گرید بعدی روتایل فوق العاده با دوام با پوشش سنگین تر می باشد. سه بسته متفاوت از برلوخر – برای استفاده در پروفیل pvc مانند ناودان ها،دیوارپوش ها و پروفیل های پنجره- به کار گرفته شد  که شامل یک سیستم بر پایه سرب و دو سیستم بر پایه کلسیم است. این سیستم ها برای استفاده در کاربردهای upvc در معرض هوا مناسب است اما به طور خاص برای رنگ های تیره مطلوب نیست. استابلایزرهای بر پایه کلسیم گرید پرمیوم حاوی سطوح بالاتر از اجزای پایدار کننده نسبت به گرید استاندارد است.

این نتایج در مقیاس بهتر در آزمون پایداری حرارتی کانگو قرمز  از 28 دقیقه در فرمولاسیون پروفیل پنجره سفید در مقایسه با 24 دقیقه در گرید استابلایزر استاندارد مقایسه شده است. روان کنندگی سه بسته به گونه ای تنظیم شده است که شرایط فرایند مشابه برای آماده سازی تمام نمونه ها استفاده می شود.

ترکیبات خشک با استابلایزرهای مختلف یک بسته ای( شامل کمک فرایندها) و رنگدانه های مختلف در یک فرایند مخلوط استاندارد شده تهیه شد. نوارهای اکسترود شده بر روی اکسترودرهای دو مارپیچ مخروطی بایک قالب مسطح و کالیبراتور تهیه شد.

هوازدگی این نوارها برای 4000 ساعت انجام شد.هوازدگی  با لامپ های زنون و چرخه اسپری / خشک در فاصله زمانی 18 دقیقه  در 102 دقیقه اجرا شد.  نمونه ها برای خواندن رنک هر 500 ساعت برداشت شد. این نمونه ها به طور جامع مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت  که شامل اندازه گیری پایداری حرارتی از طریق تست کانگو قرمز  طبق DIN 53381 و آنالیز الکترونی میکروسکوپی سطح است.

نتایج مطالعه

نتایج به وضوح نشان داد که کاربردهای pvc رنگ تیره  فرمولاسیون ماتریس pvc دقیق  با هر دو استابلایزرهای حرارت و رنگدانه های دی اکسید تیتانیوم، کلیدی برای بهبود قابل توجهی برای مقاومت در برابر هوازدگی محصول نهایی است.

این میزان سازی دقیق  وابسته به تنظیمات ویژه مشتری از نظر تجهیزات ماشین آلات و مواد خام است. میزان سازی دقیق شامل بهینه سازی سطوح اجزای پایدارکننده های بحرانی  مانند رباینده اسید ، استابلایزرهای کمکی و روان کننده های داخلی و خارجی است.

در برنامه های کاربرد تیره گرید فوق العاده بادوام  به دلیل عملکرد بهبود یافته هوازدگی و کاهش استحکام رنگ بسیار مناسب است. با مقادیر گرید پرمیوم بر پایه کلسیم پایداری نوری و حرارتی بالایی فراهم می شود و عملکرد هوازدگی بیشتر افزایش می یابد.

این یافته ها بهتر درک خواهد شد که کاهش مقادیر کانگو قرمز را که نشان دهنده تخریب پیوسته pvc در طول هوازدگی است را به حساب آورد. در عوض پایداری حرارتی بالاتر با گرید پرمیوم با پایه کلسیم بدست آمد نشان داد که اثر بخشی این افزودنی ویژه نه تنها در پردازش بلکه همچنین در کاربردهای فضای باز است.

 برای کاربردهای با کاهش و یا بدون الزامات هوازدگی ، دیگر گریدهای ویژه  استابلایزر در دسترس است که مقرون به صرفه تر است. استابلایزرهای پایه سرب  که در اروپا از سال 2016 بر طبق VinylPlus استفاده نمی شود اغلب به خواص بهتر هوازدگی نسبت داده می شود اما مطالعه نشان می دهد که این مورد کارا نخواهد بود.