شناسايی پلیمرها و تست‌های آزمايشگاهی مربوطه

(قسمت اول)

شناسایی كیفی و كمی قطعه های پلیمری شامل شناسایی جنس پلیمر پایه، پركننده ها، نرم كننده ها ، حلال، دوده و سایر مواد افزودنی (عوامل پخت، تسریع كننده، ضد تخریب و…) و همچنین در صد وزنی هر یك از این اجزاء و بطور كلی مهندسی معكوس برای قطعات پلیمری در حیطه عملكرد آزمایشگاه شناسایی می باشد.

همچنین بررسی كنترل كیفی قطعات پلیمری از جمله خواص مكانیكی( استحكام مكانیكی، مدول، ازدیاد طول تا پارگی)، خواص حرارتی و دینامیكی،  مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر نور ماورابنفش، مقاومت در برابر ازون،‌ بررسی خواص رئولوژیكی از جمله ویسكومتری، كنترل خواص فیزیكی از جمله نقطه ذوب، نقطه جوش، دانسیته، مقاومت الكتریكی، اشتعال پذیری و همچنین بررسی تخریب در شرایط جوی و حرارتی نیز در محدوده عملكرد آزمایشگاه شناسایی است.

در شناسایی پایه پلیمر بعضی تست‎های مقدماتی همراه با مشاهده ویژگیهای مانند حلالیت، دانسیته، نرمی و ذوب، رفتار در لوله احتراق (پیرولیز) و شعله باز (تست شعله) نیز بسیار مهم‎اند. مرحله اول تشخیص گونه پلیمر از لحاظ گرما نرم (پلاستیك ها و لاستیك های خام) و یا گرما سخت ( رزین های گرماسخت و لاستیك های پخت شده) از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همچنین شرایط سرویس دهی قطعه پلیمری نیز اطلاعات مفیدی را جهت شناسایی آن ارایه می نماید.

مرحله بعدی جدا سازی اجزاء مختلف تشكیل دهنده قطعه پلیمری است. جدا سازی شامل استخراج با حلال های مختلف و یا روش های كروماتوگرافی می باشد. اجزاء جدا شده با روش های آنالیز دستگاهی و یا شیمیای تجزیه و تحلیل می شوند.

استفاده از دستگاه های آنالیز و تجزیه تحلیل داده ها از جمله وظایف آزمایشگاه شناسایی است. دستگاه های معمول مورد استفاده عبارتند از:

الف ) FTIR

برای بررسی ساختار پلیمر و مواد افزودنی آلی و معدنی طیف سنجی زیر قرمز FTIR استفاده می شود. اطلاعات حاصله شامل بررسی های كیفی از جمله تعیین گروه های عاملی، تعیین خلوص، شناسایی موادآلی و معدنی و بلورینگی و همچنین كاربرد های كمی در سنتز و بررسی سینتیك واكنش های پلیمریزاسیون، پخت، تخریب و اصلاح شیمیایی و یا فیزیكی است.

ب) RAMAN

اطلاعات حاصل از دستگاه رامان نیز همانند FTIR تشخیص مولکول های آلی، پلیمرها، ملکول‌های زیستی و عناصر غیر آلی، تشخیص اکسیدهای غیرآلی، تشخیص انواع مختلف کربن و اندازه گیری کرنش و تنش و ساختار کریستالی در نیمه رساناها و دیگر مواد كاربرد دارد.

پ) NMR

طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هستهNMR در تعیین ساختار مولكولی تركیبات آلی، پلیمری و مولكول های مواد جامد، مطالعه فیزیولوژی سلول‌ها و غلظت درون یاخته‌های سلولی و وزن مولكولی پلیمر ها بكار می رود.

اهميت شناخت مواد:

يكي از بزرگ­ترين مشكلات مبتلا به صنايع پليمري و بازیافت پلیمرها، عدم شناخت مراكز توليدي و یا فروش مواد اولیه از مواد پلیمری است و همين امر سبب مي­گردد مواد مناسبی خریداری نشود و یا قطعه تولید شده با افت کیفیت مواجه گردد.

برای مثال:

1-      پس از اتمام مواد، جايگزيني آن­ها درست انجام نمی شود و خواصّ محصول جديد با مشخصات توليدات قبلي تفاوت­هاي محسوسی دارد، حتي اگر جنس و نوع انتخاب شده ساخت همان شرکت قبلي باشد ولي به دلیل متفاوت بودن گونه افت خواصّ زيادی در قطعات جديد بوجود می آید.

2-      مواد پلاستیکی زیادی خریداری می شود بدون تست کردن صحت نوع مواد ادعا شده از طرف فروشنده.برای مثال ادعا می شود که 10 تن فیلم پ.پ است در حالی که پی وی سی است.یا گرانول پلی اتیلن است در حالیکه گرانول پ.پ است.

3-      قطعه ای با خواص عالی برای مثال پ.پ تقویت شده در زمینه کاری ما از شرکت رقیب به دستمان رسیده که می بایست از ماهیت آن مطلع شویم.

پس براي ورود علمي و آگاهانه در اين حوزه و جلوگيري از انتخاب غلط مواد پليمري  بايد ابتدا با سه واژه­ي جنس، نوع و گونه پليمر آشنا شد و سپس از پارامترهاي فني آن­ها اطلاعات لازم را به­دست آورد.

هفت پلاستيك پلي­اتيلن سنگين، پلي­اتيلن سبک، پي­وي­سي، پلي­استايرن، پت , پلی پروپیلن و ABS از اهميت صنعتي و بازرگاني بسيار بالايي برخوردار هستند در www.polymeresabz.com. به اطلاعات بیشتری در این زمینه پرداخته شده است.

در این دوره به بررسی روشهای شناسايي كيفي این پلاستيك­ها پرداخته می شود.

برای این منظور سه مبحث زير بسيار مهم است:

الف: روش‌هاي ساده­ي تشخيص پلاستيك‌ها از لاستيك‌ها

ب: روش‌هاي تشخيص پلاستيك‌هاي گرمانرم از گرماسخت

پ: آزمایشهای ساده و کم هزینه برای تشخیص

پلاستیکها از چه موادی تشکیل شده اند؟

يك آميزه پلاستيكي كه شناخت و معرّفي آن­ها الزامي است عبارتند از:

1 . پليمر پايه (مهمترين جزء آن قطعه است.)

2 . پركننده‌ها

3 . نرم كننده (در صورت امكان)

مهمترين قسمت يك آميزه، پليمر پايه آن است بنابراين اگر شناسايي جنس و نوع درست انجام ‌شود، با اهميت‌ترين بخش فرآيند با موفقيّت صورت ‌پذيرفته است در غير اين حالت اگر تنها افزودني‌هاي آميزه درست شناسايي شده باشند، گزارش­كار گمراه‌كننده و فاقد ارزش خواهد بود.

بنابراین شناسايي كيفي يك قطعه پلاستيكي عبارتست از مشخص نمودن جنس اجزاء اصلي شركت‌كننده در آميزه (فرمولاسيون) آن قطعه، كه معمولاً جنس پليمرپايه آن مشخص مي­شود (صرف­نظر از مقدار آن در آميزه).

مراحل اوليه شناسايي كيفي پلاستيك­ها با استفاده از آزمایش های ساده

اولين گام در شناسايي كيفي يك پلاستيك

گام اول براي شناسايي كيفي يك پلاستيك مجهول عبارتست از استفاده از خواصّ ظاهري و مكانيكي است:

به‌عنوان مثال آیا نمونه شفاف است يا كدري؟

انعطاف­پذير است يا خیر؟

خاصیت  كشسانی‌ دارد؟

سخت است یا نرم؟

دانسيته­ي آن چقدر است؟

و شرايط كاركرد قطعه چیست؟

از هر كدام از اين اطّلاعات مي‌توان سر نخ‌هاي اوليه شناسايي كيفي را به دست آورد.

مثال: از بررسی­های یک نمونه فیلم شفاف نتایج مقدماتی زیر گرفته شده است:

الف. فیلم نمونه مجهول شفاف است

ب. نمونه در برابر حرارت در محدوده حرارتی (111 ˚C) ذوب می­شود

پ. در دمای  نمونه فیلمی روی سطح آب شناور باقی می­ماند به عبارت دیگر دانسیته آن کمتر از یک گرم بر سانتیمتر مکعب است

ت. در اثر تماس با آب جذب آب نمی­کند

ث. در اثر ذوب فیلم توده­ای به دست آمد که دارای ظاهری کدر و ابری رنگ می­باشد

ج. هنگام ذوب شدن و خصوصا با بالا رفتن حرارت بعد از ذوب پلاستیک بویی شبیه به موم و واکس از نمونه به مشام می­رسید.

جمع بندی و استفاده از این اطّلاعات در مباحث آینده مطرح خواهد شد

گام دوم آزمون‌هاي اوليه شناسايي كيفي پلاستيك­ها

آزمايش‌هاي مقدّماتي كه در اين مبحث معرفي مي­شوند در عين سادگي، ارزاني و امكان انجام سريع، اطّلاعات كليدي و مهمي را از ماهيّت پليمر مجهول آشكار مي‌سازند.

2-1 آزمون­هاي تجزيه حرارتي

در بررسي­هاي مقدماتي و غير کمّي، از دو روش تجزيه حرارتي (پيروليز) و سوزاندن زياد استفاده مي­شود .

نتايج هر دو روش مکمل هم بوده و براي دستيابي به اطلاعات مورد نياز به کار مي­رود.

نکته قابل تذکر اين است که، کاربرد اين دو روش، بايد قوه تشخيص، حس بويايي قوي، تجربه لازم و صبر و دقت کافي در پردازش اطّلاعات فراوان به دست آمده از اين روش­ها را داشته باشد.

2-2 تعيين PH گازهاي حاصل از تخريب حرارتي پليمر

قطعه كوچكي از يك پلاستيك به اندازه يك عدس بزرگ را درون يك بوته چيني يا لوله آزمايش كوتاه در معرض هوا، به صورت تماس غيرمسقيم با شعله يك چراغ الكلي، حرارت مي‌دهند تا پليمر به تخريب حرارتي خود برسد و گازهايي كه در اثر تخريب و تجزيه حرارتي از عوامل و عناصر سازنده پلاستيك به­وجود آمده‌اند، متصاعد گردند.

در چنين حالتي PH گازهاي خارج شده را توسط معرفّ­ها (انديكاتورها) اندازه‌گيري مي‌كنند، در اثر اين تجزيه ملكولي، برخي از عناصر كليدي تشكيل­دهنده زنجيره پليمر و گروه‌هاي جانبي آن مشخّص مي‌گردند.

بسته به ماهيت اسيدي، خنثي يا بازي بودن PH گازهاي متصاعد شده، گروهي كه پليمر مجهول به آن وابسته است مشخص مي­شود.

در شكل (1) يك نمونه پلاستيكي در حال انجام آزمايش PH متري ديده مي­شود (هنوز گازهاي ناشي از تخريب حرارتي از دهانه لوله به سمت متصاعد نشده­اند).

2-3آزمون شعله

آزمون شعله غالباً در راستاي شناسايي كيفي پلاستيك‌ها و الياف كاربرد فراوان دارد، در حقيقت هدف از انجام اين آزمايش بررسي و تحقيق پيرامون رفتار و پديده‌هايي ‌است كه يك پلاستيك هنگامي كه در داخل شعله قرار مي‌گيرد، در درون آتش و پس از خروج از آتش از خود بروز مي‌دهد.

از ويژگي‌هاي آزمون شعله سرعت انجام، سهولت آزمايش و اقتصادي‌بودن آن است ضمن اين كه مجموعه اطّلاعات به دست آمده، متنوع و بسيار كاربردي هستند.

توجه: معمولاً تنها با انجام يك آزمايش مانند شعله نمي­توان از صحّت شناسايي كيفي يك پلاستيك مجهول مطمئن شد، همان­طور كه در مبحث قبل بيان گرديد با تعيين PH گازهاي حاصل از يك نمونه مجهول نيز به تنهايي شناسايي جنس پلاستيك مجهول امكان پذير نبود، با اين مقدمه بايد اذعان كرد جنس پلاستيك مجهول را با مجموعه­اي از نتايج چند آزمون مختلف كه كنار هم گذاشته شوند تا اطمينان كامل از صحّت تشخيص كيفي فراهم گردد.

نتايج حاصل از آزمايش شعله

گرم نمونه را به وسيله اسپاتول فلزي روي لبه خارجي شعله بگيريد. مقدار کمي در حدود نيم

اگر نمونه بلافاصله شعله­ور نشد، به مدت چند ثانيه آن را درون شعله قرار دهيد و سپس آن را از شعله دور کنيد.

سهولت در شعله وري، بو، خود اطفائي، تغيير رنگ، ذوب و تجزيه نمونه، سوختن نمونه، رنگ شعله بايد مورد توجه قرارگيرد.

پس از آن نمونه بايد به منظور تعيين جنس خاکستر نيز سوزانده شود.

با پاسخ به سوالات زير و در نظر داشتن عناصر تشکيل دهنده پليمر مجهول و جداول پيوست مي­توان پلاستيك را تاحدودي شناسايي کرد .

الف- آيا نمونه به حالت مذاب در مي­آيد؟

ب- آيا پلاستيك به آساني شعله­ور مي­شود؟

پ- آيا ماده به سختي مي­سوزد؟

ت- شعله چه رنگي است؟

ث- آيا از نمونه در حال سوختن قطره مي­چكد؟

ج- آيا قطرات در حين چكيدن مشتعل هستند؟

چ-  آيا نمونه پس از سوختن از خود خاکستر بجا مي­گذارد؟

ح-  آيا نمونه پس از بيرون آمدن از شعله خود به خود خاموش مي­شود؟

خ- آيا نمونه ذغالي مي­شود؟

د-  چه بويي از سوختن پلاستيك حاصل مي­شود؟

هر كدام از اين ويژگي­هاي ده­گانه به عناصر شركت­كننده در واحد تكرار شونده، ساختار ملكولي و پيوندهاي فيزيكي بين زنجيرها بستگي دارد كه آشنايي با آن­ها باعث شناسايي كيفي پلاستيك تحت آزمون خواهد شد.

بررسي بوهاي متصاعد شده در حين آزمون شعله پلاستيك‌ها

بوهايي كه از سوختن پلاستيك‌ها ايجاد مي‌شود برانگيخته از ساختار ملكولي و مواد افزودني آن­ها است، اغلب پلاستيك‌هاي گرمانرم خالص، در حين سوختن بوهاي كاملاً مشخصي توليد مي‌كنند.

بايد توجه داشت كه پركننده‌هاي آلي، پايداركننده‌ها، و ساير افزودني‌هاي اضافه شده به آميزه پلاستيك در حين سوختن روي بوي پليمر خالص تاثير مي­گذارند، بنابراين هرقدر پليمر خالص­تر باشد بوي متصاعد شده بهتر قابل تشخيص خواهد بود.

چند مثال برای تشخیص :

بويي كه از سوختن پلي‌اتيلن نسبتاً خالص بوجود مي‌آيد رايحه‌ی پارافين‌ها و واكس‌ها را تداعي مي‌كند زيرا با ساختمان ملكولی آن­ها تشابه دارد.

بويي كه از سوختن پلي‌استايرن خالص به مشام مي­رسد عطر‌ی نسبتاً خوش و شبيه به شكلات دارد كه سوختن آن با ايجاد دوده همراه است.

پلي‌آميدها بخاطر مشابهت ملكولي با پلي‌پپتايدها كه پروتئين‌ها از آن­ها مشتق مي شوند اغلب بويي شبيه سوختن شاخ حيوانات (داراي پايه پروتئيني هستند) را منتشر مي سازند.

2-4 آزمون بررسي گستره ذوب پلاستيك‌هاي گرمانرم

در پديده ذوب يك پليمر، حرارت دريافت شده نيروهاي بين زنجيرهاي پلاستيك را تا آن حد كاهش مي‌دهد كه زنجيرها مي‌توانند روي هم بلغزند و جاري شوند يا تحت تنش وارد بر آن، ملكول‌هاي پلاستيك مذاب به­حركت در آيند آن­چه شايان دقّت است پديده ذوب در پلاستيك­ها فقط در گروه پلاستيك­هاي بلوري و نيمه بلوري ديده مي­شود، و اين تغيير حالت فيزيكي پلاستيك در آمورف­ها حتي در زير دستكاه ميكروسكوپ داراي صفحه داغ[1] چندان ملموس نيست.

چون در فرآيندهاي پليمريزاسيون مواد پليمري توزيع جرم ملكولي وجود دارد و همه زنجيرها داراي جرم ملكولي يكسان نيستند، در حين ذوب ابتدا زنجيرهاي سبك‌تر و سپس سنگين‌تر ذوب مي شوند كه همين امر موجب به­وجود آمدن پديده­ي گستره ذوب در پلاستيك­ها مي‌شود.  در جدول (1) گستره ذوب شش پلاستيك مهم ارائه شده است.

آزمون تعيين دانسيته

دانسيته يا وزن مخصوص هر قطعه عبارتست از وزن واحد حجم آن، و مقدار آن از فرمول d = M/V gr/cm3 محاسبه مي‌شود. هر قدر قطعه­ي پليمري كه در نظر است وزن مخصوص آن اندازه­گيري شود خالص‌تر باشد (داراي مواد افزودني كمتر)، دانسيته آن به مقادير مندرج در كتب و جداول نزديك‌تر خواهد بود.

در جدول (4) دانسيته تقريبي تعدادي از مهمترين پلاستيک­های صنعتی و پرمصرف با‌هم مقايسه شده‌اند.

تعيين دانسيته يك قطعه پلاستيكي از نظر كنترل كيفيت بسيار مهم، ولي از جهت كمك به شناسايي كيفي حائز اهميت زيادي نيست.

آزمون قابليت انحلال

در آزمون حلالیّت مساله­ی انحلال یا عدم انحلال یک پلاستیک در یک یا چند حلال در دمای محیط یا بالاتر مورد بررسی قرار می­گیرد.

حلاليت نه تنها به اجزاي تشکيل دهنده يک پليمر بلکه به درجه پليمرشدن، ميزان شاخه اي بودن، شبکه­اي بودن و ايزومري ، نظم فضايي، و بلورينگي مواد پليمري بستگي دارد.

در آزمون انحلال، بايد موارد زير يادداشت شود و بر مبنای این مشاهدات نتیجه­گیری به عمل آید:

الف – آيا پليمر در حلال متورم مي­شود؟

ب – آيا مقدار کمي­ از پليمر حل ميشود؟

پ – آيا محلول گرانرو مي­شود؟

ت – آيا تغييري در رنگ محلول ايجاد مي­شود؟

ث – آيا محلول کدر مي­شود؟

در صورت بروز هرگونه شبهه درباره مواد حل شده، محلول بايد روي يک شيشه ساعت براي تعيين مواد حل شده تبخير شود. با پاسخ به سوالات يک تاپنج و با استفاده از جداول مربوطه ميتوان پليمر مجهول را تاحدودي شناسايي کرد.

آزمون رنگ

آزمون رنگ، بر اساس واکنش پليمر بامعرف است که منجر به تشکيل رنگ ناشي از توليد فراورده مي­شود .

واکنش­هاي تشکيل رنگ هنوز مفيدترين آزمون براي شناسايي مشخصات ساختاري و گروههاي عاملي حتي در آزمايشگاه­هايي که داراي تجهيزات پيشرفته هستند، مي­باشد . از مزاياي آزمون رنگ، مي­توان به­ حساسيت، مهارت، صرفه اقتصادي، زمان، مکان و حداقل تجهيزات با کاربري آسان اشاره نمود.

نتیجه­گیری:

هدف از طرح مباحث فوق این است که به محض ديدن يك قطعه پليمري با استفاده از ابتدايي‌ترين حركات و آزمون‌ها مانند بازتاب قطعه در برابر كشيدن، خم كردن، پيچاندن، فشار دادن آن بين دو ناخن، ارزيابي برجهندگي و عكس‌العمل آن در اثر برخورد با زمين، شفافيّت ظاهري و ساير آزمایش های اوليه نظیر دانسیت ,پ هاش متری و حلالیت بتواند به‌سرعت تشخيص دهد که پليمر مجهول به كدام يك از خانواده‌هاي پلاستيك يا لاستيك وابسته است و در ادامه بتواند استنباط كند که مجهول مورد نظر به کدام يک از گروه­هاي پلاستيک­ها تعلق دارد و متناسب با ماهيت آن بايد راه‌كارهاي عملي را براي تشخيص نوع آن در پيش گيرد.

بيشتر پليمرها در مجموعه­ي پلاستيك‌ها جاي دارند و لاستيك‌ها از نظر تعداد در مقايسه با پلاستيك‌ها بسيار محدودترند، بنابراين ضروري است كه کاربر پليمر، اطّلاعات وسيع در زمينه‌هاي مختلف پلاستيك‌ها داشته باشد.

منابع و مآخذ

Hawley G G., The Condensed Chemical Dictionary, Van Nostrand Reinhold Comp., 1981.

Polymers, identification and analysis preliminary test method, ISIRI 8391, 1st edition, 1384.

Braun D. , Identification of plastics, Hanser publication, Germany, 1984.

4. كراوس آ، لانگ آ، آشنايي با تجزيه شيميايي پلاستيك­ها(تئوري و عملي)، ترجمه دكتر محمود محراب­زاده، مركز نشر دانشگاهی، چاپ اول، 1365.
5. نعمتي سعيد ، آناليز و شناسايی کيفی و کمّی  پليمرها(تئوري و عملي)، جهاد دانشگاهی اميرکبير، چاپ اول، 1391