رزین های پلی استرغیر اشباع

معرفی

پلی استرهای غیر اشباع،  ماکرو مولکول های با وزن مولکولی 3000-1000 گرم بر مول هستند که از واکنش تراکمی الکل‎های و اسیدهای دو یا چند عاملی  بدست می­ آیند. بعضی از دی­ کربوکسیلیک­ ها دارای باند­های  دوگانه غیر اشباع هستند که حضور آن­ها در زنجیر پلیمری منجر به تولید رزین ترموست پلی­ استر غیر اشباع خواهد شد. از آنجا که رزین­های ترموست قابلیت پخت شدن و در نهایت سخت شدن را دارند، بنابراین به طور وسیعی در صنعت کامپوزیت مورد استفاده قرار می­گیرند. در سال 2018 میزان معاملات رزین پلی استر غیر اشباع در حدود 9/2 میلیارد دلار بوده است که پیش بینی می­شود این رقم در سال 2023 به بیش از 12/1 و در سال 2027 به 18/9 میلیارد دلار برسد. نمودارهای زیر حجم مصرف پلی استر غیر اشباع در کشورهای مختلف و همچنین افزایش مصرف آن ­را در سال­های اخیر نشان می­دهد. همچنین پیش بینی می­شود در سال 2022 مصرف رزین پلی استر غیر اشباع به بیش از 7/5 میلیون تن برسد.

رزین پلی استر غیر اشباع در صنعت به رزینی اطلاق می ­شود که به صورت ترکیب با یک مونومر با باند دوگانه غیر اشباع وجود دارد. استایرن رایج ­ترین مونومری است که به صورت ترکیب با پلی استر غیر اشباع مورد استفاده قرار می­ گیرد. وجود باند دوگانه کربن-کربن در این مونومر باعث می ­شود تا تحت شرایط خاصی (افزودن کاتالیست و شتاب­ دهنده)، با باند دوگانه موجود در زنجیر پلیمری رزین پلی استر واکنش دهد. این واکنش منجر به تشکیل اتصالات عرضی بین زنجیرها (crosslink) و تشکیل شبکه ­های سه بعدی (network) شده که جرم مولکولی را به شدت بالا می ­برد و در نهایت یک پلی ­استر جامد بدست می ­آید که دیگر قابلیت ذوب شدن با گرما را ندارد.

پلیمریزاسیون تراکمی و واکنش پخت

مطابق شکل ارائه شده، اسیدهای دو عاملی مانند مالئیک انیدرید و فتالیک انیدرید با الکل دو عاملی مانند پروپیلن گلایکول واکنش داده و در حین واکنش شیمیایی آب تولید می­ شود که برای پیشرفت واکنش نیاز است که آب از سیستم خارج شود و این کار با تجهیزات خاصی صورت می­ گیرد. ادامه دادن فرایند منجر به تولید زنجیر بلند پلیمری با تعدادی باند دوگانه خواهد شد. بعد از رسیدن به نقطه مطلوبی از واکنش اسیدها و الکل ها (End Point) استایرن به سیستم اضافه می­ شود که علاوه بر نقش داشتن به عنوان یک مونومر در واکنش پخت، موجب می شود که رزین پلی‌استر غیر اشباع در دمای محیط به صورت مایع قابل استفاده باشد و قابلیت ترکیب آسان با الیاف و سایر فیلرها را  داشته باشد.

بعد از تولید رزین جهت استفاده از آن در کارگاه­های ساخت کامپوزیت، رزین با کبالت (به عنوان شتابدهنده) و پراکساید ( به عنوان شروع کننده) و الیاف، فیلر و سایر مواد (به صورت دلخواه) ترکیب شده و واکنش پخت در دمای محیط اتفاق می‌افتد که با مکانسیم پلیمریزاسیون رادیکالی آزاد پیش می‌رود و منجر به ایجاد شبکه‌ای از اتصالات عرضی و یک کامپاند ترموست می‌شود. در برخی موارد لازم است با توجه به شرایط کار، پخت در دمای محیط انجام نشود. به عنوان مثال در فرایندهای SMC- BMC، ابتدا یک کامپاند با استفاده از رزین و سایر فیلرها در یک کارگاه تولید شده و به کارگاه‌های قالبگیری ارائه می‌شود و در کارگاه‌های قالبگیری این خمیرها تحت دما و فشار در قالب‌هایی با اشکال مختلف پخت می‌شود، بنابراین در حین انتقال به کارگاه‌های قالبگیری و تا زمان قالبگیری این کامپاندها نباید پخت شوند. در نتیجه پخت در دمای محیط برای این روش ها مناسب نمی­ باشد. در این موارد از کاتالیست‌های فعال در دمای بالا استفاده شده که افزودن این کاتالیست ها موجب می شود که کامپاند ساخته شده تا چند روز قابل نگهداری و جابه جایی باشد و در زمان مناسب با افزایش دما پخت اتفاق می افتد. در فرآیند پخت باندهای غیراشباع موجود در ساختار پلی استر و مونومر استایرن با یکدیگر واکنش داده و پخت رزین را تکمیل می کنند.

Post-Cure

همچنین به منظور دستیابی به یک پخت کامل می‌توان رزین را تحت دما قرار داده و اصطلاحا آن را post-cure کرد. بسته به کاربرد محصول، آنجا که خواص مکانیکی بالاتری مورد نیاز باشد، برای اینکه پخت به صورت کامل انجام شود می­توان قطعه را در یک مدت زمان لازم post cure کرد. در برخی موارد انعطاف پذیری بهتر قطعه مد نظر تولیدکنندگان است، به همین دلیل در این کاربردها نمونه post cure نمی ­شود تا انعطاف بهتری حاصل شود.

 کاربرد رزین­های پلی استر غیر اشباع

اگرچه از نظر تولید و در مقایسه با فلزات، سبک بودن به تنهایی پارامتر کافی برای انتخاب یک ماده نیست اما داشتن استحکام و سختی قابل قبول رزین­های پلی استر غیر اشباع در ترکیب با الیاف شیشه در کنار وزن مخصوص پایین باعث شده است تا کامپوزیت­ها جای خود را در صنایع لوله­ سازی، FRP/GRP و صنعت ساختمان باز کنند. رزین­های پلی استر غیر اشباع نسبت به فلزات مقاومت شیمیایی قابل قبولی در برابر شرایط جوی و بعضی محیط ­های خورنده مثل آب دریا دارند به همین دلیل به طور وسیعی در صنعت قایق سازی و ساخت مخازن مورد استفاده قرار می­ گیرد. قایق­های ساخته شده با رزین پلی استرغیر اشباع مقاومت خوبی را برای مدت طولانی در تماس با آب شور دریا دارند. برخی از  رزین­های پلی استر غیر اشباع همچنین عایق الکتریکی بوده و برای ساخت قطعات الکتریکی مورد استفاده قرار می­گیرد.

خواص رزین های پلی استر غیر اشباع

به طور خلاصه خواص رزین پلی­ استر غیر اشباع را می­توان به صورت زیر خلاصه کرد:

• استحکام مکانیکی قابل توجه کامپوزیت­های ساخته شده با رزین پلی‌استر غیراشباع در کنار پایین بودن وزن
• قابلیت استفاده از کامپوزیت­ها برای دماهای عملیاتی نسبتا بالا بین 80 تا 120 درجه سانتیگراد
• مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر جذب آب قابل قبول
• گرانروی پایین نسبت به رزین اپوکسی و قابلیت برس‌خوری و لایه­ گذاری دستی
• قابلیت استفاده در ساخت قطعات الکتریکی به علت رسانش پایین
• قابلیت استفاده در انواع زیادی از فرایندهای ساخت و فرایندپذیری راحت­تر نسبت به رزین اپوکسی