روشهاي کاهش هزينه عامل گسترش استفاده از عوامل شيميايي اسفنج ساز

روشهاي کاهش هزينه عامل گسترش استفاده از عوامل شيميايي اسفنج ساز

افزايش قيمت بسپار ها و بهبود در فراورش در پس استفاده روزافزون و گسترده از عوامل شيميايي اسفنج ساز در کاربردهاي پلاستيکي قرار گرفته است. جنيفر مارکاريان در مورد چگونگي کاهش قيمت تمام شده و منافع چشمگير استفاده از عوامل اسفنجساز گزارش مي دهد. عوامل اسفنجساز که به نام عوامل«پف دهنده» نيز شناخته مي¬شوند در توليد پلاستيکهاي اسفنجي به شکل ورق، پروفيل اکسترود شده، تزريقي و يا قالبگيري چرخشي کاربرد گستردهاي دارند. عمده بازار اينگونه عوامل شيميايي اسفنج ساز در آسيا و به خصوص چين ميباشد که مقادير زيادي از آن در کالاهاي مصرفي بکار ميروند. براساس تخمين هاي ارائه شده توسط «فرد گاستوک» تحليلگر Townsend ، 159 ميليون کيلوگرم(359 ميليون پوند) عوامل اسفنجساز براي محصولات گرمانرم در سال 2005 به کار رفته است که از اين ميزان 46% در چين 23% در ديگر کشورهاي آسيايي، 17% در اروپا ، 6% در آمريکاي شمالي، 8% در ديگر نقاط دنيا مصرف شدهاند. عرضه جهاني اين محصولات در تسلط کشورهاي آسيايي است.Dongin Semichem Co.,ltd در کره، Otsuka chemical co.,ltd و Eiwa chemical در ژاپن برترينهاي توليد جهاني اين محصولات اند و پس از آنها Lanxess از آلمان قرار دارد و Chemtura بزرگترين توليد کننده آمريکاي شمالي است. بطور کلي پيش بيني ميشود که مصرف عوامل اسفن جساز تا سال 2009 با سرعت 5.5% AAGR رشد خواهد داشت. براساس تخمين آقاي Gastrok که چين رشد 8% و ديگر مناطق 2 تا 4% رشد خواهند داشت. عوامل متعددي در جهت کاهش هزينه ها استفاده از اين عوامل را گسترش ميدهد. توليدکنندگان قطعات با کاربرد اين مواد، ميزان مواد خام مصرفي را کاهش ميدهند که با توجه به بالا رفتن قيمت بسپارها از اهميت ويژه اي برخوردار است. Manfred Dicks رئيس شرکت Additives master batches – توليدکنندهي جهاني رنگ و مستربچ هاي افزودني از جمله عوامل اسفنج ساز- اشاره دارد که «کاهش 5% وزن قطعه هزينه استفاده از عوامل اسفنجساز را جبران ميکند در حاليکه اگر 20 تا 40% کاهش وزن داشته باشيم صرفهجويي درهزينه بسيار بيشتر خواهد بود.» عوامل اسفنجساز همچون شرکت هايي که بر بهبود فراورش متمرکزند شانس پيشرفت دارند CFA ها- عوامل شيميايي اسفنج ساز- نه تنها وزن را کاهش ميدهند بلکه زمان چرخه توليد را به عنوان روان کننده کاهش و ميزان محصول را افزايش ميدهد. به گفته ي آقاي Dicks «کاهش زمان چرخه توليد براي توليدکنندگان بسيار مورد توجه است.» در کاربرد به عنوان روان کننده عوامل اسفنج ساز گرانروي مذاب را کاهش داده و جريان مذاب را تسهيل ميکند. Michael Reedy رئيس شرکت Reedy International توليدکننده ي آمريکايي عوامل اسفنجساز SAFOAM و SAFTEC در توضيح اضافه ميکند که «بهبود جريان سيال به معني کاهش دروازه ها، ديواره هاي نازکتر، کاهش شکلگيري تحت فشار و کاهش سوختگي به خاطر گرما برشي ميباشد». توليدکنندگان قطعات از مواد CFA براي بهبود پرکردن قالب، کاهش فرورفتگي در قالبگيري تزريقي و براي کمک به کنترل ابعادي و کنترل جمعشدگي سطح قطعه استفاده ميکند. به گفته¬ي آقاي Dicks کاربرد CFA نزد توليدکنندگاني که قبلا از آنها به عنوان عامل اسفنج کردن استفاده ميکردند در حال افزايش است، اگر چه براي توليدکنندگاني که شروع به فرايند اسفنجها ميکنند نيز چنين است. براي شرکتهايي که به تازگي شروع به فرايند اسفنج ها ميکنند بسيار مهم است که تجهيزاتشان را پيش از اينکه از CFAها استفاده کنند براي اين کاربرد ارزيابي کنند. طراحي مناسب بدنه اکسترودر، ماردون و كلگي داي براي جلوگيري از افت فشار اهميت دارد زيرا افت فشار باعث اسفنج شدن پيش از زمان ميگردد که نامطلوب است. آقاي Masterson به اين نکته اهميت مي دهد که «براي درک مزيتهاي عوامل اسفنجساز به صورت بازده فرايند در هر فرايند ممکن است نياز به تنظيماتي داشته باشيم.» عوامل اسفنج ساز چگونه کار ميکنند؟ عوامل شيميايي اسفنج ساز (CFAها) به صورت پودر يا مستربچ با بسپار به فرايند وارد ميشوند. در ديواره اکسترودر تحت گرما تجزيه ميگردند و موادي همچون دي اکسيد کربن يا نيتروژن را بوجود ميآورند، اين مواد حاصل که تحت فشار فرايند مايع هستند با بسپار مذاب مخلوط ميگردند. هنگاميکه که در داي و يا قالب افت فشار رخ مي دهد دي اکسيد کربن و نيتروژن تحت فشار موجب انبساط شده و حبابهاي گازي را در ماتريس بسپاري ايجاد ميکنند، بسپار سرد ميشود و حبابها در مکان خود ثابت ميشوند و به اين شکل يک پلاستيک اسفنجي تشکيل ميگردد. CFAها نياز دارند که در دماي تجزيه مناسب خودشان بطور يکنواخت پراکنده شده باشند، لذا اسفنج شدن مناسب زماني رخ مي دهد که بسپار از داي خارج شده است. در حالت مايع محصولات تجزيه CFAها بهعنوان روانکننده عمل ميکنند و انجام فرايند در دماي کمتر را ممکن مي سازند. کاهش دماي فرايند، زمان سرد شدن را کاهش ميدهد لذا براي فرايندهايي که زمان سرد شدن محدوديت زماني فرايند محسوب ميگردد کاهش زمان سرد شدن به کاهش چرخه فرايند ميانجامد. سازوكار مهم ديگر CFAها اثر هسته زايي آنهاست که وقتي با ديگر عوامل فيزيکي پفدهنده همچون هيدروکربنها بکار ميروند باعث کاهش اندازه سلولها ميشود. ريختشناسي بسپار عامل مهمي در اسفنجسازي است. بسپارهاي بيريخت (حالت قرار گيري بدون نظم زنجيرها) با زنجيرهاي شاخهاي و مقاومت مذاب بالا بسيار آسانتر نسبت به بسپارهاي بلوري، خطي و با مقاومت بسپار کم، اسفنج ميشوند. صنعت بسپار در اين زمينه نيز فعال است بعنوان مثال اخيرا پليپروپيلن با مقاومت بالا تهيه شده که قابليت اسفنج شدن بالايي دارد. Reedy International به گفته خود شركت در حال توليد نوعي عامل اسفنجساز است که مقاومت بسپار را بالا ميبرد. با توجه به احتمال تشکيل سطح مشترک بين ديگر افزودنيها با عوامل اسفنجساز توجه به کل فرمولبندي از اهميت بسزايي برخوردار است. انواع عوامل شيميايي اسفنجساز : پرکاربردترين عوامل شيميايي اسفنجساز آزودي¬کربن¬آميد(ADCA) يک عامل گرمازاست که نيتروژن توليد ميکند. CFAهاي گرمازا ،توليد گاز بسيار بالايي دارند و موجب بالاترين کاهش در وزن مخصوص مي-گردند. به گفته آقاي Reedy ، CFAهاي گرماگير واکنش با کنترل بالاتري دارند و ساختار با سلولهاي کوچکتر توليد ميکنند، سلولهاي کوچکتر مقاومت کششي را بالا ميبرند در حاليکه حفرههاي بزرگتر مقاومت فشاري را بالا ميبرند . حفرههاي ريزتر ظاهر سطحي صافتري را موجب ميگردند. عوامل گرمازا ترکيباتي پيچيده هستند که بر پايه مواد شيميايي همچون بي¬کربنات¬سديم/مشتقات اسيدسيتريک تهيه مي¬گردند. آقاي Reedy در مورد عوامل گرمازا که دي¬اکسيدکربن توليد مي¬کنند ميگويد «بهدليل اينکه دي¬اکسيد¬کربن در فشار کم در پلاستيکها بخوبي حل مي گردد دماي ذوب را کاهش ميدهد، جريان مذاب را بهبود ميبخشد و به پرشدن راحتتر قالب کمک ميکند.» 88% از کل محصولات CFAرا ADCAها تشکيل ميدهند، 5% عوامل گرماگير و 7% باقيمانده انواع مختلف شامل 4 و4 اکسي¬بيس¬بنزن¬سولفونيل¬هيدرازيد(OBSH) به دليل مشکلات تکنيکي و تنظيمي CFAهاي گرماگير سريعتر رشد کردهاند همچنين هدف رسيدن به سلولهاي ريزتر نيروي محرک عمده¬ي استفاده از CFAهاي گرماگير در بسياري کاربردها ميباشد. به گفته¬ي آقاي Dicks توليدکنندگان به دنبال جانشيني براي ADCA هستند که بهدليل رنگ زرد آن و بوي شديد آمونياک آن در طي فرايند است. توليدکنندگان اروپايي بهدليل دستور EC/1/2004 اتحاديه اروپايي که استفاده از ADCA در محصولاتي که با مواد غذايي تماس دارند را ممنوع کرده بهدنبال جايگزين کردن عوامل گرماگير به جاي ADCA هستند. اين ممانعت بدليل يافتههاي مرجع سلامت غذايي اروپا(EFSA) است که بهدليل تجزيه¬ي آزودي¬کربن-آميد موجود در درزگيرهاي ظروف مواد غذايي به مواد سمي و مضر است. اگرچه بسياري از صنعت¬گران به نداشتن وقت کافي تحقيق براي پيدا کردن جايگزين ADCA اعتراض کرده¬اند. در آمريکا محدوديتي براي استفاده از ADCA بعنوان عامل پفدهنده وجود ندارد اما در مورد محصولات صادراتي کنارگذاشتن ADCA از محصولات در تماس با مواد غذايي الزامي است. مخلوط عوامل گرمازا و گرماگير نيز بطور وسيعي براي دستيابي به مزاياي هر دو گروه مواد شامل توليد گاز زياد و حفرات ريز مورد استفاده قرار گرفته اند. شرکتهاي متعددي مخلوطهايي را ارائه ميدهند که بهطور مخصوصي طراحي شده و دماي تجزيه شدن، ساختار اسفنج و کاهش چگالي مشخصي براي بسپار و شرايط فرايند خاص را موجب مي شوند. شرکت Reedy اخيرا ترکيبي را از عوامل گرماگير و گرمازا معرفي کرده که براي کاربردهاي لاستيكي و PVC همچون قطعات خودرو، پزشکي، ساختماني و مصارف الکترونيک کاربرد دارد. طبق توضيح آقاي Reedy عوامل گرماگير زمان چرخه توليد را کاهش ميدهند و درمقابل عوامل گرمازا ميزان زيادي گاز توليد ميکنند و براي بسپارهاي کشسان مثل لاستيکها ضروري هستند. پودر اقتصاديترين شکل عوامل اسفنجسازاست اما مستربچ ها فوايدي از قبيل عدم آلوده شدن به گردوغبار، راحتي خوراک دهي و اندازهگيري و در بعضي موارد راحتي پخش در زمينه بسپار را دارند. در حاليکه هنوز شکل پودري غالبترين شکل است، بعضي توليدکنندگان تغييراتي را درجهت توليد CFAها در شکل قرصي انجام داده اند. Dennis Meade رئيس بخش سرويس هاي فني در شرکت Accel color اشاره دارد که اين شرکت نوعي CFA بهصورت مايعي غليظ را بهتازگي ارائه داده که در سيستمهاي توليد رنگ بهکار ميرود. شرکت Reedy نيز به تازگي يک سري از SAFCAM(UBA) (عوامل پفدهندهي جهاني) را معرفي کرده که با گستره ي وسيعي از بسپار ها سازگاري دارد. UBAها دو سر الفيني و استايرني دارند که باعث سازگاري آنها با مواد ديگر ميشود. اين گونه مواد با هدف کاربرد در اجناس بسپاري با شکلهاي دقيق توليد مي گردند. کاربردهاي عوامل شيميايي اسفنجساز: «در هر کاربردي ميتوان عوامل اسفنجساز را به کار برد.» آقاي Reedy توليد کنندگان، ظروف، بسته بندي ها، اسباب بازي ها، کفش ها، سيم و روکش کابل ها و ... را اسفنجي مي کنند. بالاترين زمينه کاربرد CFAها در کالاهاي مصرفي است اما اين مواد همچنان کاربردهاي جديدي پيدا مي کند و مصرف آن گسترش مي يابد. وسايل نقليه: در کاربردهاي خودرويي بهبود در مقاومت پلي پروپيلن مذاب يک پيشرفت مهم به حساب مي آيد. اسفنج پلي پروپيلن با چگالي کم بهعنوان مثال براي پوشش يک پلاستيک مهندسي و محکم در داشبوردها و قالب درها بکار ميرود. عوامل اسفنجساز در بسپارهاي مختلفي براي حذف فرورفتگي سطح و بهبود ظاهري قطعات خودرو نيز کاربرد دارند. الکترونيک: به گفته¬ي آقاي Reedy در کاربردهاي مصرفي الکترونيکي مثل کاربردهاي خانگي براي تلويزيون، رايانه و چاپگر، فنآوريهاي جديد و بهبود يافتهاي CFAها را بکار گرفتهاند. فنآوريهاي فرايندي که از CFAها بهره مي برند شامل قالبگيري تزريقي 2 جهته، قالبگيري ساختار اسفنجي، تزريق هماهنگ و قالبگيري ساختار اسفنجي با فشار مقابل گاز هستند. کاربرد اينگونه فن¬آوريهاي پيشرفته براي کاهش هزينه فرايند يکي از راههاي باقي ماندن شرکتهاي آمريکاي شمالي در رقابت با شرکتهاي آسيايي است. بستهبندي: در اين زمينه توليدکنندگان علاقه شديدي به بکار بردن عوامل اسفنج ساز همراه پلي لاکتيک اسيد براي توليد ظروف زيست تخريب پذير هستند، فوايد بسته بندي اسفنجي عبارتند از کاهش مواد اوليه مصرفي و بالارفتن سختي محصولات. سازه و ساختمان: کاربردهاي اين زمينه شامل حصارکشي، پوشش سطوح¬وکف و پروفيل در و پنجره است که بازار آن در 5 سال اخير شديدا رشد کرده است، و در آينده نيز با همراهي و موافقت متخصصان صنعتي اين رشد ادامه خواهد يافت. دکتر Elie soad رئيس بخش افزودني¬هاي بسپار در شرکت Functional Chemical Business در Lanxess اشاره دارد که کاربرد صفحات اسفنجي براي ساختن تابلوهاي تزئيني، زمينه بسيار قوي براي رشد اين محصولات است. اگرچه CFA بکار رفته در چندسازههاي چوب پلاستيک بهعنوان بخشي از بدنه ساختمان سهم کمي را به خود اختصاص دادهاند اما انتظار ميرود که در آينده اين سهم افزايش يابد. به گفتهي دکتر Dicks پروفيلهاي اسفنجي کاربردهايي به ويژه درمورد پروفيل هاي PVC پيدا کرده اند زيرا چگالي بالاي PVC خود بعنوان عامل محرک براي سبک سازي از راه اسفنجي کردن بحساب مي آيد. مزاياي اسفنجي کردن PVC عبارتند از: سبک سازي، فراوري راحت تر، سختي بيشتر و همچنين ساختار سلولي شبيه چوب که براي کاربرد ابزارهاي چوبي و چفت¬وبست مناسب است. البته کاهش وزن چندسازههاي چوب پلاستيک محدود است زيرا تنها بخش بسپاري آنها قابليت اسفنجشدن دارند. Dennis Keane توليدکننده انواع CFA اشاره دارد که تا 30-40% محتواي چوب قابل اسفنج شدن دارند. WPCها معمولا براي جلوگيري از سوختن در دماي کم فرايند مي شوند لذا نياز به CFAهايي دارند که محدوده¬ي دمايي کم تجزيه گردند، توليدکنندگان CFA نيز به اين نياز توجه دارند و اخيرا شرکت Bergen مخلوط هاي متنوعي از CFAهاي گرماگير و گرماده را براي کاربرد با WPC به بازار ارائه کرده است. طبق توضيح آقاي Keane مخلوط CFAهاي گرماگير و گرماده براي WPC بسيار مناسب است زيرا فرايند چندسازهها نيازمند فشار گاز بالا از عامل گرماده است اما جزء گرماگير نيز اکستروژن راحت تر و سريعتر را به سبب آزاد کردن دي¬اکسيدکربن موجب مي¬گردد. عوامل گرماگير بيشتر براي کاربردهاي همراني (co-extruded) پيشنهاد مي گردند زيرا فشار گاز کمتر چسبندگي بهتري بين لايه ها ايجاد ميکند. عوامل گرماگير علاوه بر هدف سردسازي حفرات ريزي توليد مي کنند که براي ظاهر محصول ضروري مي باشد. آقاي Masterson اضافه مي کند که در wpc اسفنج شده ثبات و پايداري محصول براي داشتن ظاهري مناسب پس از بريدن ضروري مي باشد. هستهسازي براي سيستمهاي گاز مستقيم: به گفتهي آقاي Keane بزرگترين بازار مصرف CFAهاي گرماگير کاربرد آنها بعنوان هستهزا در سيستم هاي گازمستقيم است جايي که بطور مثال گازهايي همچون نيتروژن و ايزوپنتان براي ساخت پلياستايرن و پلياتيلن اسفنجي بکار مي رود. عامل اسفنجساز شيميايي رشد چشمگيري در بکارگيري به جاي هسته¬زاي خارجي همچون تالک ها داشتهاند زيرا اين عوامل نسبت به هستهزاهاي خارجي بازده بالاتري دارند و ساختار حفرهاي ريزتر و يکسان مي دهند و محصولاتي با سطوح نرم تر را موجب مي شوند. محصولات جديد براي بسپارهاي دما بالا: در سال 2005 ، Bergen International يک عامل اسفنجساز گرمازا بصورت مستربچ را معرفي کرد Foamazd xo-230 که براي کاربرد با پليکربنات فرموله شده بود کاربردهاي اسفنج سازي ساختاري، تزريقي و اکستروژن را پوشش مي داد. اين محصول هيچ گونه رطوبتي در طي تجزيه ايجاد نمي کند و لذا مشکلات تخريب بسپار بدليل رطوبت را از بين مي برد. در سال هاي اخير Clariant Masterbatches خانواده هاي متعددي از CFA را براي کاربرد در بسپارها و فرايندهاي ويژه تهيه کرده است. براي مثال CFAهاي Hydrocerol Hx براي بسپارهايي همچون پلي کربنات و نايلون طراحي شده اند که نياز به دماهاي بسيار بالا و حدود 260C دارند. قالبگيري چرخشي: از اينرو که در قالبگيري چرخشي بطور سنتي از پودر آزودي¬کربن¬آميد استفاده ميشده گرايش اين صنعت به سمت محصولات قرصي امکان رشد قرصهاي CFA را فراهم کرده است طبق اظهارات آقاي Keane ميکروقرصهاي CFA در مقايسه با حالت پودري حساسيت کمتري به نحوه و کيفيت پخش در بستر بسپاري دارد، لذا پيگيري اين نياز به محصولات اسفنجي بهتري از قالبگيري چرخشي منتهي مي گردد.

منبع: مجله بسپار