مقایسه پلی آمید PA11 و PA12

خواص پلی آمید PA11 و PA12: خواص مکانیکی، حرارتی و ثبات

از لحاظ شیمیایی، پلی آمید 11 (PA11) و پلی آمید 12 (PA12) چارچوب مشابهی دارند و تنها در یک کربن متفاوت هستند. از نقطه نظر مبدأ، PA11 در مقایسه با PA12 با پایه نفتی، یک پلی آمید بیوپلاستیک است که از منابع تجدید پذیر تشکیل شده است. هر یک از آنها نسبت به دیگری از مزایای مختلفی برخوردار است که انتخاب آنها را به یک موضوع چالش برانگیز تبدیل می کند. بر همین اساس باتوجه به کاربرد آنها، هدف، ارزیابی و مقایسه های متنوعی نیاز است. در اینجا، به بررسی این شکاف تحقیقاتی با هدف توصیف و مقایسۀ PA11 و PA12 تولید شده با فرایند پرس گرم در شرایط مکانیکی می پردازیم؛ ازطرفی، این مطالعه برای اولین بار خواص حرارتی و ثبات حرارتی را برای کاربردهای ماتریس مواد کامپوزیتی در آینده مورد بررسی قرار می دهد. باتوجه به این موضوع، تکنیک های متفاوتی برای ورقه های پلیمری تحت پرس گرم اعمال می شود من جمله پراش اشعه ایکس (XRD)، کالریمتری اسکن تفاضلی (DSC)، اسپکتروسکوپی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) و میکروسکوپی الکترونی روبشی (SEM). عملکرد مکانیکی ورقه های PA11 و PA12 براساس آزمایشات کششی و اندازه گیری سختی شور مقایسه می شود. رفتار دوام این دو پلی آمید در شرایط آب و رطوبت نسبی در زمان های مختلف پیری ارزیابی می شود. نتایج تجربی رفتار انعطاف پذیر PA12 را با توجه به PA11 نسبتآ شکننده نشان می دهد؛ هر دو از رطوبت نسبی آب به ترتیب 1.5 و 0.8 درصد وزنی برخوردار هستند. تبلور بالای PA12 با فاز y یکی از پارامترهای پیشرو برای دستیابی به خواص مکانیکی و ثبات بهتر است. اسپکتروسکوپی FTIRهیدرولیز اسیدی نسبی را نشان می دهد. براین اساس، آب یا رطوبت جذب شده باعث پلاستیک سازی نمی شود؛ بنابراین، نه سختی و نه ابعاد تغییر نمی کنند.

نایلون اصطلاحی است که انواع خاصی از پلیمرهای ترموپلاستیک متعلق به خانوادۀ معروف به پلی آمیدها را نشان می دهد. این واژه که از ترکیب نیویورک و لندن گرفته شده است، توسط والاس کاروترز اولین محقق در این زمینه در شرکت شیمیایی Du Pont امریکا در سال 1928 پیشنهاد شد و والاس به این نتیجه رسید که طول یک پوند نایلون به اندازۀ مسافت بین نیویورک و لندن است. طیف گسترده ای از پلی آمیدها با نام های تجاری مختلف تولید و به بازار عرضه شده اند. بطور کلی، نام آنها را میتوان به دو نوع نایلون XY مانند نایلون 66 و نایلون Z مانند نایلون 6 طبقه بندی کرد. X و Y یه ترتیب به تعداد اتم های کربن در دی آمین و دی اسید مونومر اشاره دارند. علاوه براین، نایلون Z به تعداد اتم های کربن در مونومر اشاره دارد. پلی آمیدها را میتوان به دو گروه کلی آروماتیک و آلیفاتیک تقسیم کرد. پلی آمید دوم بعنوان کلاس اصلی پلیمرهای ترموپلاستیک مهندسی و در مقایسه با پلیمرهای دیگر مورد استفاده در صنعت مهمترین خواص مواد را نشان می دهد. این مواد برای چندین دهه در چندین زمینه صنعتی من جمله خودروسازی، نساجی، بسته بندی، برق و الکترونیک، ورزش، صنایع نفت و گاز به دلیل ترکیبات منحصر به فرد و خواصی مانند دوام بالا، استحکام مکانیکی، سهولت در پردازش، نقطه ذوب، مقاومت در برابر دمای بالا و مواد شیمیایی مورد بررسی قرار گرفته اند. در سال های اخیر، تقاضا برای محصولات PA بطور قابل توجهی افزایش یافته است تا جایگزین سازه های فلزی خاص در زمینه ابزارهای برقی، خودرو و سیستم های قطار شود. ساختارهای شیمیایی پلی آمیدها عمدتآ شامل گروه های آمیدی است که در پیوند هیدروژنی حضور دارند و در نتیجه، تحرک بین زنجیره ای کاهش می یابد و براین اساس، باعث دمای ذوب و استحکام بالا می شود.همراه با PA6 و PA66 که تقریبآ 90 درصد استفاده کلی از پلی آمید در جهان را به خود اختصاص داده اند، PA11 و PA12 اعضای تجاری قابل توجه خانوادۀ نایلون تک مونومر هستند. از نقطه نظر ساختاری باتوجه به شکل زیر، PA11 و PA12 که از گروه های آمیدی تشکیل شده اند، توسط گروه های CH₂ 11 و 12 از هم جدا شده و با زنجیره آلیفاتیک طولانی تر، غلظت بالاتر گروه های متیل و پیوند هیدروژنی کمتری در هر واحد جرم در مقایسه با سایر PA ها ساخته شده اند.

شکل 1:

PA12 یک پلی آمید ترموپلاستیک با پایۀ نفتی با ساختار نیمه کریستالی است؛ میتوان آن را از لورولاکتام مونومرها و آمینو اسید مربوطه تهیه کرد. باتوجه به شرایط تبلور، این پلی آمید اشکال کریستالی متفاوتی را نشان می دهد. شکل کریستالی اصلی y که دارای پکینگ شش ضلعی با پیک پراش قوی است، از ذوب در فشار اتمسفر حاصل می شود. شکل آلفا (α) با یک شبکه مونوکلینیک دو پیک پراش با فاصله d در حدود 0.37 و 0.44 نانومتر ایجاد می کند. عملکرد این پلی آمید به شدت به ساختار کریستالی و مورفولوژی آن بستگی دارد. همچنین PA12 از خواص مکانیکی مهمPA6  و PA66 مانند سختی، استحکام کششی، مقاومت ضربه ای بالا، ضریب اصطکاک پایین و مقاومت در برابر هیدروکربن های آروماتیک برخوردار است. علاوه براین، کمترین نقطه ذوب (که هنوز برای اهداف عملی به اندازه کافی بالاست) در بین پلی آمیدها و ظرفیت جذب رطوبت کمتری دارد. باتوجه به زنجیره هیدروکربنی نسبتآ طولانی آن، چگالی PA12 تنها 1.01 گرم/ سانتی متر مکعب است. در مطالعه دیگری، مایر و همکارانش اثر دمای ذوب را بعنوان پارامتر فرایند حیاتی در تکنیک قالب گیری تزریقی برای تولید ورقه های PA12 مورد بررسی قرار دادند. روش پرس گرم همچنان یک روش پردازش محبوب برای تولید پلیمرهای غیرپیچیده است. در مقایسه با قالب گیری تزریقی،  این روش می تواند فشار قالب گیری و زمان پخت طولانی تر را فراهم می کند که منجر به خواص برتر در برخی جنبه ها می شود. علاوه براین، مسئله ناشی از برش در فرایند قالب گیری تزریقی که باعث تغییر شکل یا جهت گیری مولکول می شود، در روش پرس گرم اتفاق نمی افتد. این تکنیک باتوجه به تکنیک های مبتنی بر همچوشی امکان پذیر و مقرون به صرفه تر است.

در این مطالعه، ورقه های PA11 و 12 پرس شده گرم با استفاده از تصویربرداری XRD، DSC، FTIR و SEM مشخص شدند. علاوه براین، PA های تولید شده از نظر خواص کششی، سختی و دوام مقایسه شدند. در مقایسه با سایر تکنیک های تولید، روش پرس گرم از مزایایی من جمله فشار بالا در قالب گیری برخوردار است که میتواند منجر به خواص برتر مواد شود. نتایج حاصل از XRD و DSC نشان داد که فازهای کریستالی غالب در PA11 و PA12 شبه هگزاکونال فاز y و تری کلینیک فاز آلفا هستند که به ترتیب منجر به تبلور 21 و 49 درصدی می شود. با مقایسۀ منحنی های تنش- کرنش و میکروگراف های SEM میتوان نتیجه گرفت که PA12 دارای خواص کششی برتر با رفتار انعطاف پذیر است که منجر به یک سطح شکستگی موجو دار متشکل از چین خوردگی های گرد می شود. به دلیل وجود فازهای کریستالی بیشتر که شکل پذیری بیشتری را فراهم می کنند، خواص کششی PA12 بطور قابل توجهی بهبود یافته است. در مقابل، PA11 با رفتار شبه شکننده و شکستگی صاف سطحی از لاملای خمیده و پیچ خورده تشکیل شده است. پس از دو ماه پیری، آب و رطوبت نسبی در PA11 و PA12 به 50 درصد کاهش می یابد. علاوه براین، کاهش وزن مولکولی و افزایش در –NH پیوندی به معنای هیدرولیز نسبی است. با این حال، مقدار کم آب/ رطوبت جذب شده باعث کاهش پایداری ابعادی یا خواص مکانیکی پلی آمیدها مانند سختی نمی شود. بطور خلاصه، اگرچه PA11 با پایه زیستی از لحاظ زیست محیطی بر PA12 با پایه نفتی برتری دارد؛ عملکرد مکانیکی و دوام بهتر PA12 آن را به گزینه ای مناسب تبدیل کرده است. هدف از کارهای آینده این است که از این دو پلی آمید تجاری بعنوان ماتریس کامپوزیت های هیبریدی برای دستیابی به مواد با کارایی بالا استفاده شود.