موضوع مقاله: پلاستیک‌های پرکارایی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پلاستیک‌های پرکارایی | مقدمه: این پلاستیک‌ها عمدتاً از نظر پایداری دمایی، مقاومت شیمیایی و ویژگی‌های مکانیکی برتر هستند، اما گران‌تر بوده و در حجم کمتری تولید می‌شوند. | ## بخش 1: پلاستیک‌های پرکارایی | دمای بهره‌برداری پیوستهٔ آن‌ها بنا بر تعریف همواره بالاتر از ۱۵۰ درجهٔ سلسیوس است. پیشینهٔ توسعهٔ پلاستیک‌های پرکارایی به اوایل دههٔ ۱۹۶۰ میلادی بازمی‌گردد و نیازهای صنایع هوافضا و فناوری هسته‌ای نیروی محرکهٔ اصلی این پیشرفت بوده‌اند. سهم بازار این پلاستیک‌ها در حدود ۱ درصد از کل پلاستیک‌ها است و دو بخش صنعت برق و الکترونیک (۴۱ درصد) و صنعت خودروسازی (۲۴ درصد) بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان آن‌ها به‌شمار می‌روند. تعریف پلاستیک‌های پرکارایی عمدتاً بر پایهٔ پایداری دمایی از پلاستیک‌های استاندارد و پلاستیک‌های مهندسی متمایز می‌شوند، هرچند مقاومت شیمیایی، ویژگی‌های مکانیکی، حجم تولید و قیمت نیز در این تمایز نقش دارند. مترادف‌های گوناگونی برای این اصطلاح وجود دارد، از جمله: پلاستیک‌های دمابالا، پلیمرهای پرکارایی، گرمانرم‌های پرکارایی و پلاستیک‌های فناوری‌بالا. نام «پلاستیک‌های دمابالا» از آنجا ریشه می‌گیرد که دمای بهره‌برداری پیوسته آن‌ها بنا بر تعریف بالاتر از ۱۵۰ درجهٔ سلسیوس است. اصطلاح «گرمانرم‌های پرکارایی» بر این نکته تأکید دارد که دوروپلاست‌ها و الاستومرها خارج از این طبقه‌بندی قرار دارند و دسته‌های جداگانه‌ای را تشکیل می‌دهند. مرز میان پلاستیک‌های پرکارایی و سایر پلاستیک‌ها در طول زمان تغییر کرده‌است؛ برای نمونه نایلون و پلی‌اتیلن ترفتالات در زمان معرفی خود پلاستیک‌هایی بسیار پیشرفته شمرده می‌شدند، اما امروزه کاملاً عادی به‌حساب می‌آیند. پیشینه بهبود ویژگی‌های مکانیکی و پایداری دمایی همواره هدفی مهم در پژوهش پلاستیک‌های نو بوده‌است. از اوایل دههٔ ۱۹۶۰ میلادی، توسعهٔ پلاستیک‌های پرکارایی در پاسخ به نیازهای صنایع هوافضا و فناوری هسته‌ای شتاب گرفت. مسیرهای سنتز PPS, PES و PSU در دههٔ ۱۹۶۰ به‌دست شرکت‌های فیلیپس، آی‌سی‌آی و یونیون کارباید توسعه یافت و ورود آن‌ها به بازار در اوایل دههٔ ۱۹۷۰ صورت پذیرفت. از آنجا که سنتز الکتروندوستی به‌طور کلی گزینش‌پذیری پایینی به سوی پلیمرهای خطی دارد و از واکنش‌دهنده‌های تهاجمی بهره می‌گیرد، این محصول تنها مدت کوتاهی در بازار دوام آورد. به همین دلیل، بخش عمدهٔ پلاستیک‌های پرکارایی امروزه از راه فرایندهای چندتراکمی تولید می‌شوند. در فرایندهای تولید بر پایهٔ چندتراکمی، خلوص بالای مواد اولیه اهمیت فراوانی دارد. افزون بر این، فضاشیمی (استریوشیمی) در دستیابی به ویژگی‌های مطلوب نقش ایفا می‌کند. از این رو، توسعهٔ پلاستیک‌های پرکارایی نوین ارتباط تنگاتنگی با توسعه و تولید اقتصادی مونومرهای سازندهٔ آن‌ها دارد. ویژگی‌ها پلاستیک‌های پرکارایی به‌سبب ویژگی‌های مکانیکی برتر، مقاومت شیمیایی بالاتر و/یا پایداری حرارتی بیشتر، نیازمندی‌های بالاتری را نسبت به پلاستیک‌های استاندارد و مهندسی برآورده می‌سازند. | ## بخش 2: پلاستیک‌های پرکارایی | به‌ویژه همین پایداری حرارتی بالا فرایند ساخت آن‌ها را دشوار می‌کند و اغلب ماشین‌آلات تخصصی لازم است. بیشتر پلاستیک‌های پرکارایی برای یک ویژگی خاص (مانند پایداری حرارتی) بهینه شده‌اند و در این زمینه با پلاستیک‌های مهندسی تفاوت دارند که عملکرد میانه‌ای در طیف گسترده‌ای از ویژگی‌ها ارائه می‌دهند. هم ویژگی‌های مکانیکی و هم ویژگی‌های حرارتی پلاستیک‌های پرکارایی به ساختار مولکولی آن‌ها بازمی‌گردد (رابطهٔ ساختار-ویژگی). ساختارهای آروماتیک دو ویژگی کلیدی برای مقاومت در برابر دمای بالا را در خود گرد آورده‌اند: نخست آنکه پیوند C−H آروماتیک با انرژی ۴۳۵ کیلوژول بر مول به‌مراتب پایدارتر از پیوندهای C−H آلیفاتیک (۳۵۰–۴۰۰ کیلوژول بر مول) است که تشکیل رادیکال‌های آزاد در هنگام تجزیهٔ حرارتی یا سوختن را دشوار می‌سازد. دوم آنکه سفتی زنجیرهٔ پلیمرهای آروماتیک بیشتر از پلیمرهای آلیفاتیک است که دمای انتقال شیشه (Tg) را افزایش می‌دهد و حلال‌پذیری را کاهش می‌دهد. پلیمری از واحدهای صرفاً آروماتیک مانند پلی (پارا-فنیلن) نقطهٔ نرمش بسیار بالایی (حدود ۵۰۰ درجهٔ سلسیوس) دارد، اما فرایندپذیری آن بسیار دشوار است. برای یافتن تعادلی میان فرایندپذیری و پایداری، در همهٔ پلاستیک‌های پرکارایی تجاری گروه‌های عاملی انعطاف‌پذیر مانند گروه اتری به‌صورت دی‌فنیل اتر (مثلاً در پلی‌اتر کتون‌ها)، اتم گوگرد به‌صورت گروه دی‌فنیل سولفید (مثلاً در PPS) یا گروه‌های نسبتاً سخت مانند سولفون در PES و گروه ایمید در PEI یا PAI وارد زنجیره شده‌اند. بر پایهٔ ویژگی‌های پلاستیک‌های استاندارد، برخی بهبودهای مکانیکی و حرارتی را می‌توان با افزودن پایدارکننده‌ها یا مواد تقویتی (مانند الیاف شیشه و الیاف کربن) یا با افزایش درجه پلیمریزاسیون به دست آورد. دمای بهره‌برداری تا ۱۳۰ درجهٔ سلسیوس با جایگزینی واحدهای آلیفاتیک با واحدهای آروماتیک قابل دستیابی است. دوروپلاست‌ها (که جزو پلاستیک‌های پرکارایی نیستند) پایداری دمایی مشابهی تا ۱۵۰ درجهٔ سلسیوس دارند. دمای بهره‌برداری بالاتر با پیوند آروماتیک‌ها از طریق اکسیژن (به‌صورت گروه دی‌فنیل اتر مانند PEEK)، گوگرد (به‌صورت گروه دی‌فنیل سولفون در PES یا گروه دی‌فنیل سولفید در PPS) یا نیتروژن (به‌صورت گروه ایمید در PEI یا PAI) به دست می‌آید. دمای بهره‌برداری حاصل ممکن است از ۲۰۰ درجهٔ سلسیوس در مورد PES تا ۲۶۰ درجهٔ سلسیوس در مورد PEI یا PAI متغیر باشد. افزایش پایداری دمایی با گنجاندن واحدهای آروماتیک بدان سبب است که پایداری حرارتی یک پلیمر به مقاومت آن در برابر تجزیهٔ حرارتی و مقاومت اکسایشی آن وابسته است. تجزیهٔ حرارتی عمدتاً از طریق شکست آماری زنجیره رخ می‌دهد؛ واپلیمرش و جداشدن ترکیبات کم‌وزن‌مولکولی نقش فرعی دارند. تخریب حرارتی-اکسایشی یک پلیمر در دماهای پایین‌تر از تخریب صرفاً حرارتی آغاز می‌شود و هر دو نوع تخریب از سازوکار رادیکالی پیروی می‌کنند. آروماتیک‌ها حفاظت مناسبی در برابر هر دو نوع تخریب ارائه می‌دهند، زیرا رادیکال‌های آزاد می‌توانند از طریق سامانهٔ π آروماتیک نامتمرکز و پایدار شوند. در عمل بیشترین مقاومت دمایی (حدود ۲۶۰ درجهٔ سلسیوس) با فلوئوروپلیمرها به دست می‌آید که در آن‌ها اتم‌های هیدروژن هیدروکربن‌ها با اتم‌های فلوئور جایگزین شده‌اند. | ## بخش 3: پلاستیک‌های پرکارایی | با این حال، پلیمرهای فلوئوردار به‌سبب ویژگی‌های مکانیکی ضعیف (استحکام و سفتی پایین و خزش شدید زیر بار) به‌عنوان مادهٔ ساختاری مناسب نیستند. بلورینگی پلاستیک‌های پرکارایی مانند همهٔ پلیمرها به دو دستهٔ بی‌شکل (آمورف) و نیمه‌بلوری تقسیم می‌شوند. پلیمرهای بلوری (به‌ویژه آن‌هایی که با پرکننده‌ها تقویت شده‌اند) حتی بالاتر از دمای انتقال شیشه نیز قابل بهره‌برداری‌اند. این بدان سبب است که پلیمرهای نیمه‌بلوری افزون بر دمای انتقال شیشه‌ای Tg، دارای نقطهٔ ذوب بلوری Tm هستند که معمولاً بسیار بالاتر است. برای نمونه PEEK دارای Tg برابر ۱۴۳ درجهٔ سلسیوس است اما تا ۲۵۰ درجهٔ سلسیوس قابل بهره‌برداری باقی می‌ماند. مزیت دیگر پلیمرهای نیمه‌بلوری مقاومت بالای آن‌ها در برابر مواد شیمیایی است: PEEK مقاومت بالایی در برابر اسیدهای آبی، قلیاها و حلال‌های آلی دارد. برخی مانند PEEK تنها در اسیدهای قوی (مانند اسید سولفوریک غلیظ) حل‌پذیرند و در این فرایند سولفوناسیون رخ می‌دهد. کاربرد و بازار پلاستیک‌های پرکارایی نسبتاً گران هستند: قیمت هر کیلوگرم ممکن است بین ۵ دلار (PA 46) تا ۱۰۰ دلار (PEEK) متغیر باشد و میانگین آن اندکی کمتر از ۱۵ دلار آمریکا در هر کیلوگرم است. پلاستیک‌های پرکارایی بدین ترتیب نزدیک به ۳ تا ۲۰ برابر گران‌تر از پلاستیک‌های مهندسی هستند. در آینده نیز کاهش چشمگیر قیمت انتظار نمی‌رود، زیرا هزینه‌های سرمایه‌گذاری برای تجهیزات تولید، توسعهٔ زمان‌بر و هزینه‌های بالای توزیع ثابت خواهند ماند. حجم تولید این پلاستیک‌ها بسیار اندک است و سهم بازار آن‌ها در حدود ۱ درصد از کل پلاستیک‌هاست. در میان پلیمرهای پرکارایی، فلوئوروپلیمرها ۴۵ درصد سهم بازار (نمایندهٔ اصلی: PTFE)، پلیمرهای آروماتیک گوگرددار ۲۰ درصد (عمدتاً PPS)، پلی‌آریل اترها و پلی‌کتون‌های آروماتیک ۱۰ درصد (عمدتاً PEEK) و پلیمرهای بلور مایع (LCP) ۶ درصد سهم بازار را در اختیار دارند. از جملهٔ کاربردهای گوناگون این پلاستیک‌ها می‌توان به لوله‌کشی جریان سیال، عایق‌بندی سیم‌های برقی، معماری و فیبر نوری اشاره کرد. نمونه‌ها پلاستیک‌های زیر در زمرهٔ پلاستیک‌های پرکارایی شمرده می‌شوند: پلی‌آریل‌ها: پلیمرهایی که در آن‌ها حلقه‌های آروماتیک از طریق اتم‌های اکسیژن یا گوگرد و گروه‌های CO یا SO۲ به هم پیوسته‌اند. از جمله: پلی‌فنیلن سولفید (PPS)، پلی‌اترسولفون (PES) و پلی‌اترکتون‌ها پلی‌استرهای آروماتیک (پلی‌آریلات‌ها) و پلی‌آمیدهای آروماتیک (پلی‌آرامیدها): مانند پلی-متا-فنیلن ایزوفتالامید (PMI) که الیاف آن استحکام کششی بسیار بالا و پایداری دمایی خوبی دارند و تا حدود ۴۰۰ درجهٔ سلسیوس تغییر شکل نمی‌دهند پلیمرهای ناجورحلقه‌ای: پلی‌ایمیدها: تا ۵۵۰ درجهٔ سلسیوس پایدارند و مقاومت شیمیایی بسیار خوبی دارند. | ## جمع‌بندی | کاربرد آن‌ها در مهندسی مکانیک (سوپاپ‌ها، بلبرینگ‌ها) و صنعت برق (بدنهٔ سیم‌پیچ، عایق کابل و زیرلایهٔ بردهای مدارچاپی) است پلی‌اترایمیدها (PEI): نقطهٔ نرمش پایین‌تری (حدود ۳۶۰ درجهٔ سلسیوس) دارند و با فرایندهای استاندارد صنعت پلاستیک مانند قالب‌گیری تزریقی قابل فراوری هستند پلی‌بنزایمیدازول‌ها (PBI): در لباس‌های حفاظتی و پارچه‌های نسوز در هواپیماها کاربرد دارند پلیمرهای بلور مایع (LCP) فلوئوروپلیمرها: مانند PTFE با پایداری دمایی تا ۲۶۰ درجهٔ سلسیوس ویژگی‌های مکانیکی در جدول زیر برخی ویژگی‌های پلاستیک‌های استاندارد (PE-LD و ABS)، پلاستیک مهندسی پلی‌آمید ۶٫۶ (PA 6.6) و پلاستیک‌های پرکارایی (PEEK, PES و PAI) آمده‌است (همگی بدون تقویت): چگالی (g·cm−۳) دمای ذوب (°C) HDT/A (°C) مدول الاستیسیته (MPa) تنش تسلیم (MPa) PE-LD ۰٫۹۱۵–۰٫۹۳۵ ۱۰۵–۱۱۸ – ۲۰۰–۴۰۰ ۸–۱۰ ABS ۱٫۰۳–۱٫۰۷ ۲۳۵ ۹۵–۱۰۵ ۲۲۰۰–۳۰۰۰ ۴۵–۶۵ PA 6.6 ۱٫۱۳–۱٫۱۵ ۲۵۵–۲۶۰ ۷۰–۱۰۰ ۲۷۰۰–۳۳۰۰ ۷۵–۱۰۰ PEEK ۱٫۳۰ ۳۴۳ ۱۵۲ ۳۵۰۰ ۱۰۰ PES ۱٫۳۶–۱٫۳۷ – ۲۰۰–۲۰۵ ۲۶۰۰–۲۸۰۰ ۷۵–۸۰ PAI ۱٫۳۸–۱٫۴۰ – – ۴۵۰۰–۴۷۰۰ ۲۷۵ چنان‌که از جدول پیداست، با حرکت به سوی پلاستیک‌های پرکارایی، چگالی، ویژگی‌های حرارتی (دمای ذوب و HDT/A)، ویژگی‌های مکانیکی (مدول الاستیسیته و تنش تسلیم) افزایش می‌یابند.