مقاله درمورد لاستيک، نيتريل، بوتادين

نوامبر 30, 2018 0 By admin4
پایان نامه  

تبديل هاي مختلف 116
جدول ‏4-20- دستور خوراک آزمايش هاي تک عاملي بر اساس دستور خوراک بهينه 120
جدول ‏4-21- قطر متوسط حجمي آزمايش هاي NBR-EM 1 و NBR-EM 2 121
جدول ‏4-22- درصد ژل براي نمونه هاي NBR-TE 1 و NBR-TE 2 123
جدول ‏4-23- فرمولاسيون مورد استفاده جهت تهيه نمونه لاستيک نيتريل براي آزمون هاي خواص مکانيکي 125
جدول ‏4-24- مانايي فشاري، سختي و جهندگي براي نمونه بهينه NBR-FF6 126
جدول ‏4-25- خواص کششي نمونه بهينه 126
جدول ‏4-26- ويسکوزيته موني و خواص کششي نمونه هاي تک عاملي 128
جدول ‏4-27- خواص کششي نمونه هاي تهيه شده در دو دماي 10 و °C 15 128
چکيده
با استفاده از روش هاي طراحي آزمايش دستور خوراک بهينه براي تهيه لاستيک نيتريل تعيين شد. در ابتدا براي تعيين فاکتورهاي موثر بر سرعت پليمريزاسيون، آزمايش هاي غربال گري مطابق با روش پلاکت-بورمن که تعداد زيادي فاکتور را با تعداد کمي آزمايش بررسي مي کند طراحي شد. بر اين اساس 9 فاکتور در قالب 12 آزمايش در دو سطح و به منظور تعيين فاکتورهاي موثر بر روي درصد تبديل واکنش طرح ريزي شد. نتايج حاکي از آن بود که غلظت پتاس بيشترين اثر معني دار را بر روي درصد تبديل پس از 8 ساعت مي گذارد. دما، غلظت سولفات آهن (II) فاکتورهايي بودند که سبب افزايش درصد تبديل در 8 ساعت مي شدند ولي اثرات آن ها معني دار نبود. به منظور آگاهي از بر همکنش هاي ميان اجزاي سيستم شروع کننده و با کمک از نتايج حاصل شده از روش غربال گري پلاکت-بورمن دسته ديگري از آزمايش ها که بر اساس روش آماري تمام عاملي بود طراحي شد. در روش تمام عاملي، 4 عامل در دو سطح و در قالب 16 آزمايش طراحي شد. اجراي 16 آزمايش مشخص کرد که غلظت عامل کاهنده (سديم فرمالدهيد سولفوکسيلات) در سيستم شروع اکسيداسيون-احيا به طور معني داري سبب افزايش درصد تبديل پس از 4، 6 و 8 ساعت مي گردد. ساير عوامل و بر همکنش ميان آن ها اثر معني داري بر روي درصد تبديل نداشتند. علاوه بر درصد تبديل، ويسکوزيته موني لاستيک نيتريل سنتز شده پارامتري بود که بر اساس آن دستور خوراک بهينه تعيين شد. بررسي اندازه ذرات لاتکس نمونه بهينه توسط آزمون DLS نشان داد که اندازه ذرات در محدوده ريزتري نسبت به پليمريزاسيون هاي امولسيوني رايج قرار دارند که تائيدي بر مکانيسم هسته گذاري همگن به دليل تفکيک پذيري بالاي آکريلونيتريل در فاز آب مي باشد. آزمون DSC براي نمونه بهينه نشان داد ساختار کوپليمر تقريباً از يکنواختي خوبي برخوردار است به طوري که فقط يک Tg براي نمونه مشاهده شد. همچنين آزمون 1H-NMR بر روي نمونه بهينه، توزيع مناسب کومونومرها را در ساختار زنجير نشان داد به علاوه آزمون آناليز عنصري (CHNS) نشان داد درصد آکريلونيتريل در کوپليمر از ابتداي واکنش تا درصد تبديل در حدود 35 % روند افزايش را طي مي کند و از آنجا به بعد اين مقدار در محدوده مورد انتظار 33 تا 34 % آکريلونيتريل ثابت مي ماند. اين رخداد تائيدي بر تفکيک پذيري بالاي آکريلونيتريل در فاز آب مي باشد. بررسي توالي سه تايي هاي مونومري در طي پليمريزاسيون با استفاده از 1H-NMR نشان داد درصد سه تايي AAB در طي پليمريزاسيون رفته رفته کاهش مي يابد و در مقابل سه تايي BBB روند افزايشي را طي مي کند. همچنين آزمايش هايي با تک عامل متغيير اجرا شد و نتايج حاکي از آن بود که مقدار امولسيفاير سبب کاهش اندازه ذرات مي شود به علاوه مشاهده شد دما تاثيري بر روي مقدار ژل ندارد. همچنين ويسکوزيته موني نشان داد مقدار عامل انتقال به زنجير اثر مستقيم بر روي کاهش جرم مولکولي مي گذارد. در انتها خواص فيزيکي و مکانيکي از جمله آزمون کشش، سختي، مانايي فشاري و جهندگي نشان دادند لاستيک نيتريل تهيه شده خواص فيزيکي و مکانيکي مطلوبي براي کاربردهاي عمومي عرضه مي کند به علاوه با مقايسه نتايج ويسکوزيته موني و آزمون کشش مشخص شد جرم مولکولي با مقاومت کششي ارتباط مستقيم دارد.
1- فصل اول : مقدمه
1-1- تاريخچه
در سال 1926 هفت سال پس از توليد لاستيک متيل که به دلايل اقتصادي متوقف شده بود (1916-1919) واحد صنعتي I.G.Farbenindustric در آلمان تحقيقات گسترده‌اي را بر روي لاستيک‌هاي سنتزي از سر گرفت. در شروع اين تلاش، شکل مواد خام و روش پليمريزاسيون از درجه اهميت بيشتري برخوردار بود. زيرا لاستيک متيل از فقدان الاستيسيته رنج مي‌برد. در آن زمان هيچگونه زمزمه اقتصادي براي توليد ايزوپرن که واحد ساختاري لاستيک طبيعي بود به گوش نمي‌رسيد. علاوه بر اين، تست‌هاي مقايسه‌اي نشان دادند که ايزوپرن، لاستيک سنتزي خيلي بهتري نسبت به بوتادين عرضه نمي کند. بنابراين تلاش اصلي بر روي بوتادين متمرکز شد. سرانجام در سال 1926 پليمريزاسيون توده‌اي توسط فلزات قليايي براي توليد انواع پلي‌بوتادين دنبال شد. عليرغم کميابي اين ماده در آن زمان، جلب توجه به پلي‌بوتادين بسيار زياد بود. بنابراين روش‌هاي ديگر پليمريزاسيون به ويژه پليمريزاسيون امولسيوني بررسي شدند. همه تلاش‌ها براي هموپليمريزاسيون بوتادين به روش امولسيوني براي توليد يک لاستيک مفيد با شکست مواجه شد. لاستيک بدست آمده داراي جرم مولکولي بسيار بالايي بود و الاستيسيته بسيار عالي از خود نشان مي‌داد. اما در ديگر خواص مکانيکي ضعيف عمل مي‌کرد. به علاوه فرآيندپذيري آن با مشکل جدي مواجه بود. مشکل ديگر اين لاستيک عمر نگهداري1 کوتاه آن بود [1].
از اين رو فقط کشف کوپليمريزاسيون بوتادين با مونوالفين‌ها اين مشکلات پليمريزاسيون را حذف کرد. اين پليمريزاسيون در سال 1929 در يک واحد صنعتي در Leverkusen آلمان کشف شد که شامل کوپليمريزاسيون مخلوطي از بوتادين با ديگر مونومرها بود. تعداد بسيار زيادي از مونومرها بررسي شدند و در نهايت استايرن به عنوان مونومر دوم براي کوپليمريزاسيون با بوتادين انتخاب شد. در طي اين کار Konrad و Tschankur و همچنين Kleiner در سال 1930 يک لاستيک سنتزي از بوتادين و آکريلونيتريل توليد کردند که مقاومت بسيار خوبي نسبت به روغن‌ها و سوخت‌ها از خود نشان مي‌داد. اين لاستيک براي اولين بار Buna N و سپس Perbunan ناميده شد. همچنين مشخص شد اين لاستيک علاوه بر مقاومت بهتر نسبت به روغن‌ها و سوخت‌ها از پايداري حرارتي و مقاومت سايشي بهتر و عبورپذيري کمتر نسبت به گازها برخوردار است [1].
از اين رو همه تلاش‌ها در آن زمان بر روي اين محصول اميد بخش متمرکز شد زيرا بنظر مي‌رسيد که با وجود قيمت پايين لاستيک طبيعي د رآن روزها، از لحاظ اقتصادي يک شانس بزرگ به شمار مي‌آيد. به اين ترتيب در سال 1934 واحد صنعتي تقريباً بي‌رونق لاستيک متيل در Leverkusen توليد لاستيک نيتريل را شروع کرد. اين لاستيک در سال 1937 به آمريکا و بريتانياي کبير صادر شد و سپس در سال 1939، لاستيک نيتريل در آمريکا به مرحله توليد رسيد. پس از آن کشورهاي ديگري از جمله کانادا به جمع کشورهاي معدود توليد کننده لاستيک نيتريل پيوستند و رفته رفته اين لاستيک در کشورهاي ديگر به مرحله توليد رسيد [1].
1-2- ويژگي‌هاي لاستيک نيتريل2
لاستيک نيتريل يک کوپليمر از بوتادين و آکريلونيتريل3‌ است. بخش‌هاي بوتادين در زنجير کوپليمر مسئول الاستيسيته و انعطاف‌پذيري در دماي پايين هستند. همچنين بوتادين داراي پيوند دوگانه غيراشباع است که در طي فرآيند ولکانيزاسيون مکان‌هاي مناسبي را براي اتصالات عرضي فراهم مي کند. از سوي ديگر اين پيوندهاي غيراشباع مکاني براي حمله شيميايي، حرارتي و اکسيداسيوني هستند.
جزء‌ دوم زنجير کوپليمر که آکريلونيتريل مي‌باشد مسئول مقاومت نسبت به سوخت‌ها و روغن‌ها است. علاوه بر اين سختي، مقاومت سايشي و مقاومت کششي مربوط به اين جزء مي‌باشد. با افزايش مقدار آکريلونيتريل، مقاومت حرارتي بهتر و نفوذناپذيري نسبت به گازها مي‌تواند حاصل شود. مقدار آکريلونيتريل لاستيک نيتريل در محدوده بين 15% تا 53% قرار دارد و مقدار آکريلونتيريل در نوع عمومي لاستيک نيتريل در حدود 34 % است. با انتخاب يک الاستومر با مقدار آکريلونيتريل مناسب با توجه به ديگر خواص آن، مي‌توان لاستيک نيتريل را در طيف وسيعي از کاربردها بسته به نوع نياز استفاده کرد.
به طور کلي ويژگي‌هاي شيميايي لاستيک نيتريل به قرار زير است:
1- مقاومت خوب در برابر روغن‌، مواد سوختي و گريس‌ها
2- نفوذپذيري کم در برابر گازها
3- مقاومت خوب نسبت به اسيدها و بازها به غير از آنهايي که اثرات اکسيد کنندگي قوي دارند.
4- مقاومت ضعيف نسبت به متورم شدن در برابر حلال‌هاي اکسيژن‌دار همانند استن و کتون‌ها
5- مقاومت متوسط نسبت به ازن
6- افزايش مقدار آکريلونيتريل مقاومت نسبت به حلال‌ها را افزايش مي‌دهد ولي انعطاف‌پذيري در دماي پايين را کاهش مي‌دهد.
7- سازگاري با مواد گرمانرم قطبي (به عنوان مثال اتيلن- وينيل استات و پلي‌وينيل کلرايد)
همچنين اين لاستيک از لحاظ خواص و فرآيندپذيري ويژگي‌هاي زير را دارد:
1- انعطاف‌پذيري متوسط و خوب در دماي پايين
2- مانايي فشاري کم
3- مقاومت سايشي زياد
4- داراي تنوع سيستم پخت
5- چسبندگي متوسط
6- آميزه‌سازي لاستيک نيتريل براي بهبود انعطاف‌پذيري آن در دماي پايين،‌ مقاومت نسبت به حلال‌ها و روغن‌ها را کاهش مي‌دهد.
7- براي آميزه سازي لاستيک نيتريل استفاده از مواد تقويت کننده همانندکربن سياه براي دستيابي به استحکام بالا مورد نياز مي‌باشد زيرا اين لاستيک در طي فرآيند کشش آميزه پخت شده کريستاليزه نمي‌شوند.
به طور کلي با آميزه‌سازي مناسب مي‌توان تعادلي نسبتاً خوب ميان خزش پايين، جهندگي خوب، ‌مانايي دائمي و مقاومت سايشي خوب حاصل کرد.
1-3- کاربردهاي لاستيک نيتريل
ويژگي‌هاي لاستيک نيتريل آن را به عنوان ماده اي عالي براي کاربردهاي درزبندي معرفي کرده است. محبوبيت لاستيک نيتريل به دليل مقاومت عالي آن نسبت به فراورده‌هاي نفتي و همچنين توانايي آن براي سرويس در دماهاي بالاتر از °C120 است. با اين مقاومت دمايي ترکيبات لاستيک نيتريل مي‌توانند در همه جا مقاومت داشته باشند اما بيشترين سرويس‌دهي را در کاربردهاي اتومبيل‌سازي دارند. با بهره‌مندي از ويژگي‌هاي لاستيک نيتريل مي‌توان آميزه‌ها و قطعات قالب‌ گيري شده انتخابي را توليد کرد. از جمله کاربردهاي لاستيک نيتريل مي‌توان به موارد زير اشاره کرد: شيلنگ‌هاي حمل سوخت و روغن، آب‌بندها و درزگيرها (نظير اورينگ‌ها)‌، واشرهاي استاتيک، درزگير ياتاقان، درزگير محفظه روغن، درزگير بالايي پيستون، درزگير اسفنجي، درزگير جعبه دنده، ديافراگم پمپ سوخت، درزگير پمپ آب، لنت ترمز، ضربه‌گير، ‌درزگير براي شفت و ميل‌لنگ، گردگيرهاي خرطومي، کوپلينگ، پوشش غلتک‌ها، شيلنگ‌هاي هيدروليک و بادي، تسمه نقاله‌ها، درزگيري انواع لوله‌کشي‌ها و تجهيزات و اتصالات، غلتک چاپ، تخت کفش، دستکش، کف‌پوش‌ها، عايق‌هاي متخلخل اسفنجي جهت لوله‌ها، پوشش ظروف، شيلنگ‌هاي مقاوم در فشار بالا و آسترهاي ترمز و کلاچ [2]. شکل1-1 توزيع مصرف لاستيک‌هاي نيتريل را در سال 2010 براي کاربردهاي مختلف را نشان مي‌دهد [3] :
1-4- ساختار شيميايي
لاستيک نيتريل کوپليمري بي‌نظم با جرم مولکولي بالا از 3،1 بوتادين و آکريلونيتريل است. جرم مولکولي وزني متوسط نمونه‌هاي صنعتي بين 250000 تا 400000 گرم بر مول با توزيع نسبتاً پهن گزارش شده است. ساختار پليمر بسته به شرايط پليمريزاسيون مي‌تواند بسيار خطي تا بسيار شاخه‌اي و شبکه اي شده باشد. توزيع واحدهاي مونومري در پليمر توس