در این پژوهش، عملکرد استابلایزر حرارتی آلی (Organic Based Stabilizer – OBS) بررسی شد.
این عملکرد با استابلایزرهای سنتی سربی (Lead-Based Stabilizer – Pb) و کلسیم‌روی (Calcium-Zinc Stabilizer – CaZn) در فرمولاسیون لوله‌های سخت PVC (Rigid PVC Pipes) مقایسه گردید.
نتایج نشان داد که استابلایزر حرارتی آلی PVC (OBS) فرآیندپذیری بهتری ایجاد می‌کند. رفتار فیوژن یکنواخت‌تر و پایداری رنگ اولیه (Color Stability) بالاتری نسبت به Pb و CaZn دارد. این ویژگی عملکرد حرارتی مطلوب‌تری ارائه می‌دهد. همچنین، چرخه‌های مکرر فرآیندی ژلاسیون را افزایش دادند، بدون آن‌که بر استحکام ضربه‌ای یا Thermal Stability of PVC اثر منفی داشته باشند.
OBS با مهار تخریب حرارتی خودکاتالیتیکی و کاهش نرخ دهیدروکلرینه شدن (Dehydrochlorination)، پایداری حرارتی را به شکل قابل‌توجهی افزایش داد.
در مجموع، این پایدارکننده حرارتی آلی دوست‌دار محیط زیست (Eco-Friendly Lead-Free PVC Stabilizer) گزینه‌ای مناسب و غیرسمی برای جایگزینی استابلایزرهای سربی در تولید لوله‌های PVC به شمار می‌آید.
شناخت پلی‌وینیل کلراید (Polyvinyl Chloride – PVC)
- پلی‌وینیل کلراید (PVC) یک پلاستیک کالایی پرکاربرد است. که در قالب‌های سخت و انعطاف‌پذیر، خواص مکانیکی و حرارتی متنوعی ارائه می‌دهد. لوله‌های PVC به دلیل دوام، مقاومت در برابر خوردگی، و قیمت مناسب، در صنایع ساختمانی، فاضلاب، آب‌رسانی و زهکشی استفاده گسترده‌ای دارند.
- با این حال، PVC در دماهای فرآیندی ناپایدار است. و هنگام رسیدن به ۱۷۰–۱۸۰ درجه سانتی‌گراد دچار تخریب حرارتی (Thermal Degradation of PVC) می‌شود. در این فرآیند، کلر و هیدروژن از زنجیره جدا شده و گاز HCl آزاد می‌شود که باعث تیره شدن رنگ و کاهش خواص مکانیکی و فیزیکی ماده می‌گردد.
- به‌منظور جلوگیری از این پدیده، از استابلایزر حرارتی PVC (PVC Heat Stabilizer) استفاده می‌شود. تا پایداری حرارتی و مقاومت در برابر تخریب را افزایش دهد.
- در سال‌های اخیر، با توجه به مقررات زیست‌محیطی، استفاده از استابلایزرهای بدون سرب (Lead-Free Stabilizers) مورد توجه قرار گرفته است. در میان جایگزین‌ها، استابلایزر کلسیم-روی (CaZn) و استابلایزر آلی (OBS) بیشترین پتانسیل را برای تولید PVC Pipes ایمن‌تر و پایدارتر دارند.
مواد و روش‌ها
- رزین PVC نوع سوسپانسیونی با مقدار K=66 به همراه پرکننده کربنات کلسیم و سه نوع استابلایزر شامل Pb، CaZn و OBS استفاده شد. استابلایزر آلی (OBS) تک‌جزئی است و به دلیل ساختار ارگانیکی خاص، خواص بهتری در بهبود Thermal Stability نشان می‌دهد.
- نمونه‌ها در دمای ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد در غلطک دوقلو فرآوری شدند. سپس برای بررسی رفتار حرارتی (Thermal Behavior) و پایداری رنگ (Color Stability)، آزمون‌های TGA، DSC و رئومتر گشتاور انجام گرفت.
نتایج و بحث بررسی عملکرد استابلایزر حرارتی آلی (OBS) در لوله‌های PVC نسبت به Pb و CaZn
- رفتار رئولوژیکی و فرآیند فیوژن :. مشاهدات نشان دادند که زمان فیوژن برای ترکیبات PVC/OBS طولانی‌تر اما پایدارتر از ترکیبات Pb و CaZn است. گشتاور فیوژن (Fusion Torque) در PVC/OBS در محدوده‌ای قرار داشت که نشانگر پایداری فرآیند در دمای بالا بود.
- پایداری حرارتی ایستا :. در آزمون حرارتی در ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد، ترکیب PVC/OBS تا ۵۰ دقیقه بدون تغییر رنگ باقی ماند، در حالی که PVC/Pb در ۳۰ دقیقه و PVC/CaZn در ۴۰ دقیقه شروع به تغییر رنگ کردند. این نشان می‌دهد که Organic Based Stabilizer تأثیر قابل‌توجهی در حفظ رنگ اولیه و جلوگیری از Thermal Degradation دارد.
- تجزیه حرارتی (Thermal Decomposition Analysis): مطالعات TGA (Thermogravimetric Analysis) نشان داد که دمای شروع تخریب در PVC/OBS حدود ۲۹۷°C است. که نسبت به Pb (۲۹۵°C) و CaZn (۲۹۳°C) بالاتر است. همچنین، OBS انرژی فعال‌سازی بیشتری نشان داد که به معنی مقاومت بالاتر در برابر تخریب حرارتی است.
- تحلیل سینتیکی (Kinetic Analysis):. بر اساس روش‌های Kissinger و Flynn–Wall–Ozawa (FWO)، انرژی فعال‌سازی فرآیند دهیدروکلرینه شدن در PVC/OBS حدود ۱۴۸ تا ۱۵۵ kJ/mol بود.
این مقدار نشان‌دهنده پایداری حرارتی بالاتر (High Thermal Stability) است.
- اثر چرخه‌های مکرر فرآوری بر خواص مکانیکی:. در چرخه‌های مکرر فرآوری (تا ۵ بار)، درجه ژلاسیون (Gelation Degree) در PVC/OBS بیشترین پایداری را نشان داد. مقاومت ضربه‌ای نمونه‌های PVC/OBS نیز بالاتر از PVC/Pb و PVC/CaZn بود، که این ویژگی برای لوله‌های PVC صنعتی (Industrial PVC Pipes) بسیار مطلوب است.
- دمای تغییر شکل حرارتی (Heat Deflection Temperature – HDT):. PVC/OBS دارای دمای HDT برابر با ۷۶°C بود که از PVC/Pb (۷۵°C) و PVC/CaZn (۷۴.۵°C) کمی بالاتر است. این امر نشان می‌دهد که استابلایزر آلی می‌تواند در دماهای کاری بالاتر نیز پایداری ساختاری خود را حفظ کند.
بیشتر بخوانید: