الاستومر چیست؟ کاربرد و انواع الاستومر یا لاستیک
یکی از دسته های مهم مواد پلیمری، الاستومر ها یا لاستیک ها هستند. کلمه الاستومر از ترکیب دو واژه الاستیک و پلیمر به معنای «پلیمر الاستیک» (Elastic Polymer) بوجود آمده است. الاستومرها انواع متنوعی دارند که بیشتر آنها از نوع «رابر» (Rubber) هستند. مبحث الاستومر و لاستیک ها آنقدر مهم هستند که باعث شده که در رشته مهندسی پلیمر و در مقطع کارشناسی تحت عنوان یکی از درس های مهم و اصلی به این مبحث پرداخته شود. همچنین در کنکور کارشناسی ارشد مهندسی پلیمر نیز از درس مهندسی الاستومر بطور میانگین 8 الی 10 سوال داده میشود. در ادامه این گفتاره با ما همراه باشید تا به معرفی مواد الاستومری، خواص، کاربرد ها و انواع بپردازیم.
الاستومر یک ماده پلیمری با خاصیت الاستیسیته یا برگشت پذیری به شمار میآید. در واقع، الاستومر ها، تحت تنش (Stress)، تغییر شکل داده و زمانی که این نیرو (نیرو پس از کشیده یا فشرده شدن) حذف شود، به حالت اصلی خود باز میگردد.
الاستومرها در انواع مختلفی وجود دارند و خاصیت یک الاستومر بستگی به لاستیک، اجزای کامپاند، روش اعمال نیرو و… دارد. از کاربردهای ابتدایی الاستومر این است که میتوانند اثر مداد را پاک کنند. به علاوه الاستومرها در تمام وسایل دارای فنر استفاده میشوند زیرا دمپ و میرایی کندی دارند. الاستومرها در تایرهای خودرو، درز در و پنجره ساخت شلنگ و برف پاک کن ماشین و … به کار میروند.
تاریخچه الاستومر
در سال 1540 برای اولین بار لاستیک مورد استفاده قرار گرفت. در آن موقع از لاستیک بعنوان ضد آب و بصورت خام نه بصورت پخت شده استفاده میشد. در واقع هدف اصلی استفاده از لاستیک ضد آب کردن پارچه بود بطوری که از شیره درختی به نام هوآ لایستیک طبیعی را خارج کرده که بعد ها آن را NR (Natural Rubber) نامیدند و بصورت پوشش روی اجسامی که میخواستند ضد آب باشد از آن استفاده میکردند. اما در سال 1720 از این شیره درخت بعنوان پاک کن استفاده شد و به همین دلیل آن را رابر نامیدند. همچنین به NR کائوچو نیز گفته میشود که به معنی (درختی که گریه میکند) یا به (اشک درخت) میباشد.
hevea درختی است که بیشتر در کشور هایی مثل مالزی و برزیل و تایلند در شرایطی با رطوبت 140% رطوبت رشد میکند. و برای خارج کردن شیره به درخت تیغ میزنند و از طریق یک کاسه NR را از آن بیرون میکشند.
خواص لاستیک ها:
لاستیک ها، از جمله پلیمرهایی با زنجیر هایی بی نظم و آمورف هستند که به طور قابل توجهی، «حرکت قطعهای» دارند.
زنجیر های مواد الاستومری را میتوان شبیه به ساختار ماکارونی دانست که در این ساختار، رشته های ماکارونی به صورت اتصال عرضی (کراسلینک) بین رشتههای پلیمری به هم متصل شوند.
به دلیل همین اتصالات عرضی و کراس لینک ها، الاستومر ها مدول پایینی دارند، اما کرنش شکست بالایی از آن ها مشاهده میشود. پس میشود بیان کرد که الاستومر ها موادی با استحکام پایینی و تحمل کشش بالا هستند. در حقیقت برگشت به شکل اولیه خود بعد از اعمال کشش زیاد، ویژگی خاص آن ها میباشد.
دمای انتقال شیشه ای پایین از دیگر ویژگی های بسیار مهم پلیمر الاستیک ها است. دمای انتقال شیشه ای به دمایی گفته می شود که در آن دما، مولکول های یک الاستومر شروع به حرکت می کنند. بنابراین این دما باید با دمای محیط، اختلاف زیادی داشته باشد. در این صورت هنگامی که در دمای محیط قرار می گیرد، انعطاف بالایی را نشان خواهد داد. در ادامه خواص دیگر مواد الاستومری آمده است:
- قیمت پایین
- انعطاف پذیر بودن به خصوص در دماهای پایین
- مقاوم در برابر آب
- مقاوم در برابر ضربات
- مقاومت کم در برابر اوزون
- مقاومت کم در برابر نور خورشید
- مقاومت بسیار کم در برابر روغن
- مقاومت بسیار پایین در برابر بنزین
- آسیب پذیری در برابر اشتعال
خاصیت الاستیسیته ناشی از توانایی زنجیرههای طویل برای بازآرایی مجدد جهت توزیع نیروی اعمال شده است. کراسلینکهای کووالانسی به طور ویژه سبب میشوند تا در اثر حذف تنش اعمال شده، الاستومر به شکل اصلی خود بازگردد. در نتیجه چنین انعطافپذیری، بسته به نوع ماده، الاستومرها بین 5 تا 700 درصد خاصیت الاستیسیته خواهند داشت. در غیاب کراسلینک، تنش وارد شده سبب تغییر شکل دائمی خواهد شد. دمای پلیمر نیز بر الاستیسیته آن تاثیر دارد. الاستومرهایی که از طریق سردسازی به فازهای بلوری یا شیشهای رسیدهاند، زنجیرههایی با تحرک کمتر و به دنبال آن، الاستیسیته کمتری دارند.
ترموپلاستیک و ترموست
مواد پلیمری در برابر گرما واکنشهای مختلفی نشان میدهند. دستهای از آنها در برابر حرارت دیدن یا سخت شده یا بسیار نرم میشوند و بعد از آن در همان حالت باقی میمانند. این دسته ترموست ها نام دارند. در مقابل دستهای از پلیمرها هستند که در برابر گرما دیدن خاصیت ارتجاعی پیدا میکنند به این دسته از پلیمرها ترموپلاستیک میگویند.
ترموپلاستیک الاستومر دستهای از مواد هستند که از ترکیب پلاستیک با رابر یا همان لاستیک ساخته میشوند. این مواد خاصیت ارتجاعی داشته و از مقاومت بالایی در برابر مواد مختلف برخوردار هستند به همین علت در صنایع مختلفی از جمله صنعت تولید کفش، خودرو، عایق و… مورد استفاده قرار میگیرند. اما انواع الاستومرها چه هستند؟ چه خواصی دارند؟ و با توجه به خواصشان چه کاربردی دارند؟ با ما همراه باشید تا به بررسی خواص و کاربرد انواع الاستومر بپردازیم.
انواع الاستومر
الاستومر یا لاستیک ها با توجه به پیوندهای بین مولکولی بینشان به دو دسته زیر تقسیم می شوند:
- الاستومرهای اشباع
- الاستومرهای غیراشباع
با توجه به این که نوع الاستومر چیست، سیستم پخت و خواص آن متفاوت است. با ما همراه باشید تا در مورد هر کدام از انواع الاستومر اطلاعات بیشتری به دست بیاوریم:
- الاستومرهای اشباع
این دسته از الاستومرها در ساختارشان پیوندهای یگانه دارند و
با سامانه های گوگردی نمی توانند ولکانیزه یا پخت شوند.
به علت وجود پیوندهای یگانه در ساختار، این گونه از الاستومرها دارای مقاومت بالایی در برابر اکسیژن، حرارت و اوزون هستند.
در واقع اکسیژن، حرارت و اوزون نمی توانند سطح این الاستومرها را تخریب کنند.
البته باید گفت که الاستومرهای اشباع واکنش پذیری کمتری دارند؛
یعنی به خاطر پایدار بودن ساختارشان کمتر در واکنش های شیمیایی شرکت می کنند.
لاستیک پلی اکریلیک و سیلیکون از نمونه الاستومرهای اشباع هستند.
- الاستومرهای غیراشباع
این نوع از الاستومرها دارای پیوند دوگانه در ساختارشان هستند.
این الاستومرها می توانند با سامانه های گوگردی ولکانیزه شوند؛
اما مقاومتی در برابر اکسیژن، اوزون و حرارت ندارند.
زمانی که الاستومر غیراشباع در معرض موارد فوق قرار بگیرد سطح آن تخریب می شود.
برای جلوگیری از تخریب سطحی این الاستومرها از مواد ضد اکسید و ضد اوزون به عنوان افزودنی استفاده می کنند.
لاستیک بوتیل و پلی ایزوپرن طبیعی نمونه هایی از الاستومر غیراشباع هستند.
کاربرد الاستومر ها
الاستومر ها کاربرد های بسیار زیادی دارند. در حقیقت امروزه دارای نقشی بسیار مهم در زندگی انسان ها می باشند. اگر با دقت به اطراف خود نگاه کنید، اثری از الاستومر ها را خواهید دید. چرم مصنوعی، کفش، لاستیک و در ماشین، ضربه گیر، واشر، لرزه گیر، دستگیره در، دسته چاقو، لوله، تایر خودرو، برف پاک کن، چسب، پارچه، کفی کفش، پستانک بچه، وسایل سیلیکونی، لوازم خانگی، درزگیر، خودکار، مواد اولیه در ساخت سیم ها و کابل ها، تسمه، قالب، ابزار صنعتی، شلنگ، پوشش ها و مواد ضد آب، فیلم، نوار، ساخت مواد پلاستیکی، وسایل آب بندی و غیره همگی از الاستومر ساخته میشوند.
الاستومر ها برای تولید عایق های بروتی- حرارتی و همچنین عایق های صوتی کاربرد بسیار زیادی دارند. مدل رابر را می توان جهت پوشش دهی برج ها، انواع مختلف لوله، مخازن و غیره مورد استفاده قرار داد. الاستومر ها همچنین در پزشکی نیز کاربرد فراوانی دارند. زیرا در واقع زیست سازگار بوده و برای بدن بیمار ضرری ندارند. بنابراین محصولاتی مانند اجزای دستگاه های پزشکی، کیسه های نگهداری محلول ها، وسایل یکبار مصرف همچون سرنگ، دستکش پزشکی، شیلنگ و تولید قطعاتی مانند ایمپلنت نیز از این ماده پلیمری است. در ادامه مقاله، از میان انواع مختلف الاستومر ها، تعدادی از آنها را به همراه کاربردشان به اختصار شرح می دهیم.
در ادامه بعضی از کاربردهای مهم الاستومرها را توضیح خواهیم داد:
- وسایل نقلیه: الاستومرها بعد از فرآیند پخت ترموست می شوند؛ یعنی به راحتی ذوب نمی شوند.
به همین علت در طراحی ساختار قسمت هایی از وسایل نقلیه از آن استفاده می شود.
به ویژه بخش هایی از وسیله نقلیه که در معرض حرارت قرار می گیرند.
پلی بوتادین یکی از الاستومرهایی است که مقاومت سایشی بالایی دارد و در تایرهای خودرو از آن استفاده می شود. - محصولات مصرفی روزمره: این دسته از الاستومرها کاربرد وسیعی در زندگی ما دارند.
کفی کفش، وسایل سیلیکونی، پستانک بچه و خیلی موارد دیگر را می توان در این دسته از الاستومرها قرار داد. - محصولات صنعتی: الاستومرها در ساخت ابزار صنعتی، لوازم خانگی، قالب ها، تسمه و… قابل استفاده هستند.
- سیم و کابل: مواد اولیه برای ساخت سیم ها و کابل ها باید مقاومت بالایی در برابر حرارت داشته باشند،
به راحتی تغییر شکل دهند و عایق الکتریکی باشند.
الاستومرهایی مثل نئوپرن بهترین گزینه برای ساخت سیم و کابل هستند. - محصولات پزشکی: الاستومرهایی مانند سیلیکون با مقاومت شیمیایی و حرارتی بالا بهترین گزینه برای ساخت محصولاتی چون پروتز هستند.
از الاستومرها به طور گسترده ای برای ساخت کالاهای پزشکی استفاده می شود.
انواع الاستومر
الاستومر طبیعی (NR) :
الاستومر یا رابر طبیعی خاصیت ارتجاعی بالایی دارد. اما این محصول در برابر نمکها، مواد قلیایی، روغنها و ازن ، اکسیژن و مواد نفتی، اکسید شده و مقاوم نیست. به دلیل این خاصیت الاستومر طبیعی را در بعضی صنایع نمیتوان استفاده کرد. به همین دلیل الاستومرهای یا همان رابرهای مصنوعی ساخته شدهاند.
رابر طبیعی یا سیس – ۱ و ۴- پلیایزوپرن دارای منومر اولیه سیس – ۱ و ۴- ایزوپرن (این ماده گاهی کائوچو نامیده میشود) است.
رابر طبیعی توسط فرآوری عصاره درخت رابر (Heva Brasiliensis) با بخار، و ترکیب آن با عوامل ولکانیزه، آنتیاکسیدانها و پرکننده تهیه میشود.
رابر طبیعی، براحتی توسط مواد شیمیایی اکسیدکننده، اکسیژن اتمسفری، ازن، روغنها، بنزن و ستنها مورد حمله قرار گرفته وغالباً دارای مقاومت شیمیایی کم در مقابل نفت و مشتقات آن و بسیاری مواد شیمیایی آلی هستند، بهطوریکه در معرض آنها نرم میشوند.
علاوه بر این، در مقابل تابش اشعه UV (به عنوان مثال، قرار گرفتن در معرض نور خورشید) بسیار حساس هستند. در مجموع این ماده برای کاربردهایی که به مقاومت سایشی، مقاومت الکتریکی و خواص جذب ضربه یا ارتعاش نیاز دارند، بسیار مناسب است.
پلی ایزوپرن رابر (PIR) :
ترانس – ۱ و ۴- پلیایزوپرن رابر یک لاستیک مصنوعی است . این ماده خواص بسیار نزدیک به نچرال رابر است.
این ماده اولین بار در طول جنگ جهانی دوم به واسطه مشکلات تأمین رابر طبیعی بطور صنعتی شناخته شد.
فرایند سنتز آن ساده است و گرچه، این ماده حاوی ناخالصیهای کمتری نسبت به رابر طبیعی بوده است اما قیمت این نوع الاستومر بالا است به همین دلیل استفاده از این الاستومر بسیار کم است.
استایرن بوتادین (SBR) :
رابر استایرن بوتادین، یک کوپلیمر استایرن و بوتادین است. این رابر تحت نام تجاری Buna S شناخته شدهاست. این نوع پلیمر از لحاظ مقاومت شیمیایی شبیه به رابر طبیعی است. اما مقاومت این الاستومر در برابر روغنهای معدنی و اکسید کننده ها پایین است.
نیتریل رابر (NR) :
نیتریل رابر، یک کوپلیمر از بوتادین و آکریلونیتریل است.
از این ماده بیشتر در واشرها، درزگیرها، دیافراگم پمپ، زیره کفش و… استفاده میشود.
رابر نیتریل تحت نام تجاری Buna N شناخته شده و نظر به مقاومت در برابر متورم شدن در حالت غوطهوری در روغنهای معدنی، دارای مقاومت بالا در مقابل روغنها و حلالها است.
علاوه بر این، مقاومت شیمیایی آن در مقابل روغنها متناسب با میزان آکریلونیتریل آن است. گرچه این ماده در مقابل اکسیدکنندههای قوی نظیر اسید نیتریک مقاوم نیست، مقاومت خوبی در مقابل ازن و تابش اشعه UV نشان میدهد.
بوتیل رابر:
بوتیل رابر، یک کوپلیمر از ایزوبوتیلن و ایزوپرن است. بوتیل رابر از نظر شیمیایی در مقابل اسیدهای معدنی رقیق، نمکها و قلیاها مقاوم بوده و مقاومت شیمیایی خوبی در مقابل اسیدهای غلیظ به استثنای اسیدنیتریک و اسید سولفوریک دارا است.
این الاستومر مقاومت بالایی در برابر اسیدهای قوی دارد. به علاوه در برابر ازن، نمک و قلیاها نیز مقاومت خوبی از خود نشان میدهد. اما در برابر اشعه UV خورشید حساس است. این نوع الاستومر در تایرها و لاستیک های خودرو بسیار استفاده میشود.
سیلیکون رابر:
سیلیکون رابر در برابر سرما، گرما و هوا مقاومت بالا را نشان داده است و در حقیقت عایق حرارتی خوبی محسوب می شود. اما توجه داشته باشید که خواص مکانیکی بالایی ندارد.
ترموپلاستیک های پلی یورتان (TPU):
خواص مکانیکی ترموپلاستیک های پلی یورتان باعث شده است که آنها در مقابل پارگی و یا سایش بسیار مقاوم باشند.
جمع بندی:
با توجه به اهمیتی که مبحث الاستومرها در صنعت پلیمر دارند و از جمله دروس مهم در رشته مهندسی صنایع پلیمر به شمار میآیند، موسسه جهش پلیمر با مدرس نام آشنای خود دکتر ایمان صاحبی جویباری اقدام به انتشار یک دوره ویدیویی «آموزش مهندسی الاستومر » کرده که از طریق لینک زیر قابل تهیه است. این دوره آموزشی در قالب 6 فصل ارائه میشود و در طول این دوره به طور کامل، در مهندسی الاستومرها آموزش داده میشود.
در فصل اول، با الاستومرها و تاریخچه آن و مطالب مفهومی پایه آشنا خواهید شد و فصل دوم به معرفی الاستومر های معروف و پرکاربرد میپردازد. فصل سوم شرایط اختلاط الاستومر ها و پدیده های ویسکو الاستیک را بیان میکند. در فصل چهارم، پرکنندهها از جمله نانوفیلرها و آزمون های دینامیکی بررسی میشوند. در فصل پنجم به سیستم پخت رابر ها و در نهایت در فصل ششم روش های محاسباتی در مبحث الاستومر بیان میشود.
دیدگاهتان را بنویسید