رفتار حرارتی پليمرها

رفتار حرارتی (گرمایی):

از دیدگاه علمی مفید ترین تقسیم بندی پلیمرها بر اساس رفتار حرارتی (گرمایی) آنها است (یعنی پاسخ ترمودینامیکی) که در این صورت پلیمرها به 2دسته ترموپلاست (گرما نرم) و ترموست (گرما سخت) تقسیم بندی می شوند.

تعریفی ساده از ترمو پلاستیک ها (Thermoplastic): همان طور که از نامشان پیداست در اثر گرما و فشار نرم می شوند و جریان می یابند و در اثر سرما سخت می شوند و شکل قالب را به خود می گیرند و این چرخه می تواند چندین بار بدون کاهش خواص پلیمر تکرار شود. تعریفی کامل از ترمو پلاستیک ها: موادی هستند که به طور کامل واکنش دادهاند یا پلیمریزه شده اند. این مواد وقتی در معرض حرارت قرار می گیرند نرم می شوند و اعمال فشار باعث جریان یافتن آنها می شود و می توان آنها را شکل دهی کرد و پس از سرد شدن، شکل آنها تثبیت می شود. همچنین اشکال ناقص و ضایعاتی را می توان دوباره ذوب و شکل دهی کرد.
چند نمونه ترمو پلاست: PE,PP,PS,PA 
تعریفی ساده از ترموست ها (Thermoset): این پلیمرها هنگام گرم شدن در اثر واکنش شیمیایی، پیوند های عرضی در آنها ایجاد شده و پلیمر جامد می شود؛ این نوع پلیمرها معمولأ به صورت پودر، مایع و یا به صورت پیش پلیمر وجود دارند و آنها را می توان با اعمال حرارت و فشار به شکل دلخواه در آورد. تعریفی کامل از ترموست ها: موادی هستند که معمولاً واکنش آنها به طور کامل انجام نمی شود و صد در صد پلیمریزه نمی شوند و به کمک عوامل مؤثر مانند حرارت واکنش آنها کامل می شود. محصولات تولید شده از این مواد دارای ساختار شبکه ای بوده و با حرارت دادن مجدداً نرم نمی شوند، بنابراین قابل فرایند مجدد و شکل دهی دوباره نیستند.
چند نمونه ترموست: اوره فرمالدهید UF (Urea Formaldehyde)، فنول فرمالدهید PF (Phenol Formaldehyde) یا (باکلیت Bakelite)، اپوکسی ها EP (Epoxies)، پلی استرهای اشباع نشده UP (Unsaturated Polyesters)، ملامین فرمالدهیدMF (Melamine Formaldehyde).

انواع بتن پليمري

بتن پليمري:

 قرن بيستم را به حق بايد قرن پليمر ها نيز دانست ، محصولات پليمري از لحاظ حجمي در سال 1990 بر حجم محصولات آهني فايق آمد و پيش بيني مي شود كه در قرن حاضر ، از لحاظ وزن نيز بالاتر رود . صنايع ساختمان بزرگترين مصرف كننده موادّ پليمري ، 25 تا 30 درصد از كلّ پليمر ها را مصرف مي كند .

يكي از مواردي كه در ساختمان به وفور استفاده مي شود بتن است .

 اين مادّه به دليل هزينه پايين توليد ، راحتي استفاده و استحكام فشاري ، يكي از موادّ پرمصرف در سازه هاست ولي به دليل نقايصي كه دارد

 

( نقايصي چون :

 1 – تخريب يخ زدگي و ذوب

 2 – تخريب پذيري توسّط موادّ شيميايي خورنده

 3 – استحكام كششي كم

 4- ديرپخت بودن و …. )

 همزمان با توليد اين مادّه ، تركيب آن با فولاد ( مسلّح كردن بتن )‌ و ايجاد خاصيّت تاب خمشي مطرح شد و از همان موقع ، استفاده از موادّ و تركيبات شيميايي ، براي بهبود خواصّ آن مورد توجّه قرار گرفت .

 حاصل تحقيقياتي كه در اين زمينه صورت گرفت اين نتيجه را در بر داشت كه جايگزيني مناسبي ، با موادّ پليمري انجام شده است و با به كارگيري آنها به روش هاي مختلف ، خواصّ بتن ارتقا مي يابد . ( اين تحقيقات بيشتر در ژاپن ، آمريكا و روسيه انجام شده است ) .

 در اين رابطه خانواده بتن هاي پليمري ، بهترين خاصيّت ها را از خود نشان دادند . خواصّ اين نوع بتن ، برتر از بتن هاي سيماني بود و گاهي خواصّ

منحصر به فردي از خود نشان مي دهد .

 با توجّه به ‌نياز بيشتر به استحكام در سازه ها و برتري هاي اين نوع بتن ، بتن پليمري مورد علاقه دانشمندان واقع شد و با وجود آنكه مدّت زيادي از اختراع آن نمي گذرد و عليرغم قيمت بالايي نيز كه داراست مورد استقبال روزافزون قرار گرفته است .

 بتن هاي پليمري از حدود سال 1950 وارد بازار شده اند و پيش بيني مي شود در طيّ دهه پيش رو ، مصرفشان 10 برابر شود . كاربرد اين نوع پليمرها به دو شاخه استفاده جامد و استفاده غير جامد تقسيم مي شود .

 در حالت جامد محصولات پليمري به جاي فولاد جايگزين مي شوند و بتن را مسلّح مي كنند كه در اين حالت ، پليمر به صورت رشته ، شبكه و يا ميلگرد در بتن استفاده مي شود . در حالت غير جامد با تزريق پليمر هاي پودري و مايع ، در دوام بتن بهبود حاصل مي شود .

 

در كشور ما كار خاصّي روي بتن پليمري صورت نگرفته است و هنوز در سطح يك موضوع تحقيقاتي براي دانشجويان باقي مانده است ، موضوعي كه منابع تحقيق آن نيز غالباً خارجي هستند .

 بتن هاي پليمري ( Polymer Concrete ) حالت جامد :

 اكثر موادّ و مصالح طبيعي به دليل ناپيوستگي هاي سطحي و تركيباتي كه در خود دارند ، داراي مقاومت لازم براي تحمّل تنش هاي زياد نيستند و لازم است تا با موادّ ديگري مسلّح شوند . دانشمندان به دنبال موادّي هستند كه در ضمن مسلّح كردن بتن ، داراي وزن كمتر ، مقاومت بيشتر در برابر عوامل جوّي ، رفتار بهتر در بارگذاري هاي متناوب باشد و بتواند مقاومت خود را در دماهاي بالا مثل دماي كوره حفظ كند و …..از اين قبيل.

 

يكي از مشهورترين اين مصالح ، كامپوزيت هاي پليمري مي باشند .

اوّلين باري كه كامپوزيت ها در بنا استفاده شد در زمان جنگ جهاني دوّم بود . در آن زمان بر روي ساختمان هايي كه بايد رادار نصب مي كردند ، استفاده از سازه هاي فلزّي و يا حتّي بتن آرمه ، مشكل ايجاد مي كرد ، با مسلّح كردن بتن توسّط كامپوزيت هاي بتني ، اين مشكل برطرف شد . همچنين در همان بحبوحه جنگ بعضي از قسمت هاي هواپيماهاي جنگي را از پلي استرهايي كه با رشته هاي شيشه تقويت شده بودند

مي ساختند .

در ساختمان هاي مسكوني از كامپوزيت هايي با فيبر شيشه اي يا پلي استر استفاده مي شد . (‌ سازه كامپوزيتي GPR ) ، دو ساختمان استثنايي با سازه كامپوزيتي ساخته شده است كه يكي سازه گنبدي شكل در بن غازي (‌ 1968 )‌ و ديگري سقف فرودگاه دبي ( 1972 )‌ است كه تأثير محسوسي بر استفاده از اين نوع سازه ها داشته است .

 

اكثر اين سازه ها داراي سازه اصلي بتن مسلّح بود و براي ساخت پانل ها از GPR (Glass Polymer Reinforced ) بهره مي برد ، همانند سازه قوسي فضاكار زمين فوتبال شهر منچستر (‌1980 ) ، مهمّترين كاربردهاي GPR به قرار زير است :

 1- ساختمان هايي كه تحت اثر خوردگي شديد هستند .

 2- سازه هاي پيشرفته رادارها .

 3- ساختمان هايي كه كنترل كيفيّت آنها مهم است .

 4- ماهواره ها .

 5- آنتن هاي بزرگ .

 

مهمّ ترين دلايل افزايش استفاده از كامپوزيت ( Composite ) :

 1 – وزن كم

 2- قابليّت ايجاد معماري هاي زيبا

 3- مقاومت در برابر شرايط جوّي

 4- خواصّ ضدّ خوردگي

 5 – وجود سازه هايي كه در آنها نبايد از فلز استفاده كرد .

 امروزه بسياري از پل هاي بتن آرمه به دليل وجود كلر در آب دريا ، تخريب شده اند كه بتن پليمري اين نقيصه را ندارد و خورده نمي شود ، محصولات پليمري در حالت جامد بيشتر به صورت ميلگرد و شبكه مورد استفاده قرار مي گيرند .

 

انواع بتن هاي پليمري ( حالت غير جامد ) :

 پيش از بيان انواع بتن هاي پليمري لازم است با فرآيند پليمريزاسيون بيشتر آشنا شويم :

 پليمريزه شدن : از اتّصال واحد هاي مونومر به يكديگر ، رشته يا شبكه هاي مولكولي سطحي يا فضايي تشكيل مي شود كه داراي وزن مولكولي بالايي هستند و به آنها پلي مر مي گويند ، اين فرآيند را پليمريزه شدن مي گويند .

 

انواع بتن هاي پليمري بدين قرارند :

 1- بتن هاي باردار شده توسّط پليمر ( PIC ) : شامل بتن پورتلند پيش ريخته شده است كه توسّط يك سيستم مونومري باردار گرديده است (‌ آماده واكنش است )‌ و متعاقباً در محلّ ، پليمريزه مي شود .

 2- بتن هاي پليمر – سيمان (PCC) : شامل يك مونومر است كه به مخلوط آبي بتن تازه افزوده مي شود و متعاقباً در محلّ، پليمريزه مي شود .

 3- بتن هاي پليمري (PC) : شامل يك سيستم مخلوط از سنگريزه ( Aggregate ) و پركننده ( Filler ) در مونومر مي باشد كه متعاقباً در محلّ ، پليمريزه مي شود .

 4- بتن هاي پليمر – گوگرد (PSC ) : شامل يك سيستم مخلوط از بتن هاي گوگردي است كه توسّط پليمر ها اصلاح خواصّ پيدا كرده باشد .

 نحوه توليد بتن پليمري (‌حالت غير جامد ) :

 بتن هاي پليمري از 80 تا 95 درصد پركننده هاي معدني و گاهي آلي تشكيل شده اند و حدود 5 تا 20 درصد بايندر پليمري نيز بتن را نگاه مي دارد ( بايندر ( Binder ) به معناي پيوند دهنده يا متّصل كننده است و منظور همان محلول مونومر است كه پس از فرآيند پليمريزاسيون بتن را نگاه مي دارد ) ، خواصّ بتن هاي پليمري برتر از بتن هاي سيماني است .

 با انتخاب : الف ) بايندر مناسب ب) نوع و ميزان مناسب پركننده ج ) به كار بردن افزودني هاي مناسب

 مي توان طيف وسيعي از بتن هاي پليمري را با خواصّ فيزيكي ، مكانيكي ، ديناميكي ، الكتريكي ، حرارتي ، شيميايي ، تزئيني و … تهيّه كرد . در صورتيكه اين طيف وسيع براي بتن هاي سيماني وجود ندارد .

 از مجموعه موادّ رايج به عنوان بايندر پليمري سه نوع رايج ترند كه عبارتند از :

1 – اپوكسي . Epoxy

2- پلي استر

3 – پلي يورتان

 از پركننده هاي رايج نيز دو نوع رايج ترند كه عبارتند از :

 1 – سيليس . Silica

2- كربنات كلسيم

 بر اساس آزمايش هايي از نوع برزيلي ، نتايج زير حاصل شد :

 1 – نمونه هاي بتن پليمري با بايندر اپوكسي و پلي استر ، استحكاك بالاتري دارند .

2- نمونه هاي بتن پليمري با بايندر پلي يورتان ، ازدياد طول بسيار زيادي دارند . ( تعريف اپوكسي و …. در همين مقاله گفته خواهد شد . )

 بايندر هاي پليمري 90% كلّ قيمت بتن را شامل مي شوند . با وجود اين ، قيمت بتن هاي پليمري ، بسيار كمتر از پلاستيك هاست . انتخاب مناسب بايندر و پر كننده مناسب ، مي تواند سبب هر يك از حالات زير شود :

 1 – بتن هايي با دي الكتريك بالا

2 – برعكس بتن هايي با هدايت الكتريكي بالا

3 – قطعاتي مناسب براي ايجاد خلاء و ..

 تغيير خواصّ بتن پليمري بر حسب تغيير پركننده ها :

 پركننده ها از دو دسته تشكيل مي شوند :

 1- جزء زبر ( دانه بندي درشت )

2- جزء نرم ( دانه بندي ريز )

 پركننده هاي سبك وزن شامل سه دسته سنگ هاي رسي سبك ، پرليت و سنگ پا ( Pumice ) مي شوند و پر كننده هاي سنگين شامل 4 دسته قطير ، هماتيت ، ايلمنيت ، باريت مي شوند .

 از اين موادّ براي توليد بتن هاي پليمري با وزن مخصوص بين 640 تا 5200 كيلوگرم بر متر مكعّب مي توان استفاده كرد . پركننده هاي بسيار نرم براي كاهش حجم خالي بتن به كار برده مي شود . مانند پودر سيليس ، كربنات كلسيم ، خاكستر ، كائولين . ميكا تالك ،‌تري هيدرات آلومينا ‌، سولفات كلسيم و سيمان پورتلند . پر كننده ها مي توانند سبك باشند مانند دانه هاي شيشه اي سوراخ دار ، سراميك يا گلوله هاي پلاستيك .

 با استفاده از پركننده هاي هادي مثل كربن يا پودرهاي فلزّي ، مي توان بتن را از نظر الكتريكي رساناتر كرد ، افزودني هايي مثل فيبرهاي شيشه اي ،‌آلي و فلزّي براي اصلاح استحكام ضربه اي ، خمشي و همچنين براي كاهش پديده انقباض ناشي از پخت به كار مي رود . عوامل تر كننده باعث كاهش سطحي زيرين مايع و سهولت ترشدگي سطوح پركننده مي شود . جهت تأمين رنگ و همچنين گاهي اوقات به منظور پايداري در مقابل نور از رنگدانه ها استفاده مي شود .

 با افزودن لاتكس هاي SBR و اپوكسي به بتن معمولي به عنوان بتن سيمان پرتلند ، پلي مري استفاده شده است كه باعث بهبود خواصّ‌مهندسي و پايايي بتن مي شود و همچنين با افزودن رزين هاي پلي اسراسيترن و اپكسي به مصالح سنگي به عنوان بتن پليمري كه در مورد رزين پلي اسراسيترن، خواصّ‌ مهندسي و پايايي بتن به طور چشمگيري بهبود مي يابد .