كيمياء

الخصائص الحرارية للبوليسترين


التمدد الحراري

عند تسخينها ، تزداد الحركة الحرارية للذرات والجزيئات. كقاعدة عامة ، يؤدي هذا إلى زيادة متطلبات المساحة للجزيئات.

معامل التمدد الخطي
معامل التمدد الخطيα يُعرَّف بأنه التغير النسبي في الطول لكل كلفن.

α يعتمد بشكل كبير على المادة.

تعكس القيم الاختلافات الكبيرة في قوة الرابطة. إذا كانت الذرة أو الجزيء مرتبطًا بإحكام شديد ، فإن الزيادة في الطاقة الحرارية تؤدي فقط إلى زيادة طفيفة في متوسط ​​الانحراف عن موضع السكون. زجاج الكوارتز ، بشبكته ثلاثية الأبعاد من الروابط القطبية ، لديه معامل تمدد خطي أصغر بكثير من ثاني كبريتيد الكربون ، حيث تتجمع جزيئاته في سائل بواسطة قوى فان دير فال الضعيفة.

تقع قيم اللدائن الحرارية بين هذين النقيضين. في البولي إيثيلين (PE) ، ترتبط الذرات تساهميًا على طول سلسلة البوليمر ، بينما تعمل قوى Van der Waals فقط بين جزيئات البوليمر. في PVC و PS ، تعمل قوى الجذب بين لحظات ثنائية القطب دائمة ، ناتجة عن الروابط القطبية ، والتي تنتج عن تأثير سحب الإلكترون من ذرات الكلور أو حلقات الفينيل. لذلك ، فإن معاملات التمدد لهاتين المادتين أقل من تلك الخاصة بـ PE.

يكون التمدد الحراري لجميع اللدائن الحرارية الشائعة أكبر بكثير من تمدد الحديد وبالتالي ليس له تأثير ضئيل. يعتبر معامل التمدد الخطي متغيرًا مهمًا لمعالجة اللدائن الحرارية. بعد تشكيله في الحرارة ، يبرد الجزء المصبوب الجديد إلى درجة حرارة الغرفة ويتقلص في هذه العملية. يجب أن يؤخذ هذا الانكماش في الاعتبار إذا كان للجزء الأبعاد المحددة.


ستيرين

ستيرين (أيضًا فينيل بنزين ، ستايرين ، وفقًا لتسمية IUPAC فينيلثين) هو سائل عديم اللون وسهل (0.7 مللي باسكال * ثانية20 درجة مئوية) ، سائل ذو رائحة حلوة. تستخدم بشكل أساسي لتصنيع المواد البلاستيكية مثل البوليسترين و ABS. يتبلمر السائل حتى في درجة حرارة الغرفة وله خصائص بلمرة استثنائية. الستيرين هو أحد الأرينات ، أي الهيدروكربونات العطرية. الستايرين قابل للاشتعال وضار.

مزيد من المعرفة المتخصصة الموصى بها

ما هي حساسية الميزان الخاص بي؟

افهم تأثيرات الكهرباء الساكنة على الميزان الخاص بك

الفحص البصري اليومي لأرصدة المختبر


يتكون ضوء الأشعة تحت الحمراء والإشعاع الكهرومغناطيسي الآخر من موجات عرضية. إذا كانت إزاحة أو تموج الموجة في زوايا قائمة على الاتجاه الذي تتدفق فيه طاقة الموجة ، فإن الموجة هي موجة عرضية ، وفقًا لـ Serway's College Physics.

موجات ضوء الأشعة تحت الحمراء لها أطوال موجية فريدة خاصة بها. يبلغ أقصر أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء حوالي 0.7 ميكرومتر ، وفقًا لقسم علم الفلك والفيزياء الفلكية بجامعة شيكاغو. ومع ذلك ، لا يوجد اتفاق عام حول الحد الأعلى. تبلغ أطول موجات الأشعة تحت الحمراء حوالي 350 ميكرومترًا ، وفقًا لتقنيات بيئة الفضاء. وفقًا لـ RP Photonics ، يبلغ الحد الأعلى حوالي 1000 ميكرون. الميكرومتر هو جزء من المليون من المتر.


"نموذج" مثالي لإنتاج البوليسترين الكبير المسام ، يتم بلمرة مستحلبات الزيت الرغوي في الماء المصنوعة من الستايرين والماء والجلسرين وكبريتات دوديسيل الصوديوم بضوء الأشعة فوق البنفسجية مع إضافة عامل ضوئي. يتم نقل هيكل الرغوة للسلائف مباشرة إلى البوليمر ، والمواد التي تم الحصول عليها تحتوي على خلايا معبأة بكثافة مع نوافذ بين المسام المجاورة (انظر مقياس صورة SEM 250 ميكرون).

تعتبر رغوة البوليمر ذات أهمية تجارية كبيرة ، على سبيل المثال مواد التعبئة والتغليف والعزل وحماية تأثير. 1 اعتمادًا على التطبيق ، يتم وضع متطلبات مختلفة على الرغوة ، وبالتالي تم بذل جهود كبيرة لتتمكن من ضبط خصائص الرغوة بطريقة مستهدفة. العوامل الحاسمة في الإنتاج المخصص لرغوة البوليمر هي التركيب الكيميائي وهيكل الخلية. إن التعقيد الكبير لعمليات التصنيع التقليدية ، حيث يتم الحصول على الرغاوي من مواد صهر البوليمر وعوامل النفخ ، يجعل التحكم في شكل المنتج وخصائصه تحديًا كبيرًا.

في السنوات الأخيرة ، تم تطوير طرق بديلة لإنتاج رغوة البوليمر بناءً على استخدام القوالب. يتم إنشاء النموذج أولاً ثم يتم تصنيع المنتج البوليمري. وقد أثبتت القوالب المناسبة لتركيب المواد المسامية أنها كذلك. مستحلبات B. على وجه الخصوص ، تم فحص مستحلبات الماء في الزيت ذات التركيز العالي من الطور المشتت (مستحلبات المرحلة الداخلية العالية ، HIPEs) على نطاق واسع. 2 تتكون هذه الأنظمة من طور مستمر قابل للبلمرة وطور مشتت ، يتم إزالته بعد ذلك بعد البلمرة. نظرًا لأن معظم المونومرات المستخدمة في إنتاج رغوة البوليمر تكون كارهة للماء ، فإن مستحلبات الماء في الزيت عادة ما يتم بلمرةها. ومع ذلك ، تم أيضًا وصف بعض الأمثلة على بلمرة مستحلبات الزيت في الماء. 3 لقد تم إثبات أنه يمكن ضبط الخصائص المورفولوجية والميكانيكية للرغوة حسب الحاجة باستخدام معلمات النظام. 4 نتج عن المعالجة اللاحقة للبوليمرات المسامية مواد جديدة ، 5 ومؤخراً تم استخدام مستحلبات مثبتة بالجسيمات (مستحلبات بيكرينغ) لتركيب مركبات نانوية مختلفة. السادس

إن اكتشاف أن الجسيمات يمكن أن تمتص أيضًا في واجهة الهواء / الماء وبالتالي تثبيت فقاعات الهواء يشكل أساسًا لطريقة أخرى للإنتاج المتحكم فيه للمواد المسامية باستخدام القوالب. 7 ، 8 لقد تم مؤخرًا إثبات إمكانات هذا النهج في تحضير بوليمرات مسامية مختلفة. 9 وهناك مفهوم آخر واعد بالمثل وهو الإنتاج المباشر لرغوات البوليمر أحادية الانتشار وذات الترتيب العالي باستخدام طرق الموائع الدقيقة. 10

نحن هنا نصف مفهوم جديد لتخليق البوليسترين الكبير المسام عن طريق البلمرة الضوئية التي تبدأ بالأشعة فوق البنفسجية لمستحلبات الزيت الرغوي في الماء. حتى الآن ، كانت هناك دراسات قليلة جدًا عن المستحلبات الرغوية 11 ولم يتم الإبلاغ عن استخدامها في إنتاج الرغوة البوليمرية على حد علمنا. ركزت دراستنا على البلمرة التي تبدأ بالأشعة فوق البنفسجية لرغاوي المستحلب القائمة على الستايرين ، لكننا نعتقد أنه يمكن تطبيق هذا المفهوم على نطاق أوسع بكثير من المونومرات وتقنيات البلمرة. تتكون الطريقة التي قمنا بتطويرها من ثلاث خطوات أساسية. في الخطوة الأولى ، تتم صياغة مستحلب ثابت من الزيت في الماء (هنا: ستايرين في الماء). في الخطوة الثانية ، ن2 عبر المستحلب ، حيث تتم الرغوة. يتم تثبيت كل من المستحلب ورغوة المستحلب بواسطة سلفات الصوديوم دوديسيل الصوديوم (SDS) ، مما أدى إلى أفضل النتائج. في الخطوة الثالثة ، تتم بلمرة رغوة المستحلب التي تم الحصول عليها بالتشعيع بضوء الأشعة فوق البنفسجية (الشكل 1).

إنتاج البوليمرات الكبيرة التي يسهل اختراقها عن طريق رغوة المستحلبات المحتوية على المونومر والبلمرة اللاحقة.

تم عمل المستحلبات عن طريق الإضافة المتسلسلة للستايرين والماء والجلسرين (بعض العينات لا تحتوي على الجلسرين) و SDS. تم تثبيت المخاليط عن طريق المعالجة بالموجات فوق الصوتية ، ونتج عن ذلك قطرات صغيرة موحدة إلى حد ما بأقطار تتراوح بين 0.5-1 ميكرومتر.

في البداية ، تم إجراء العديد من تجارب الرغوة مع مختلف المواد الخافضة للتوتر السطحي ونسب الماء والستايرين. وقد وجد أن المستحلبات المستقرة بواسطة SDS الرغوية أفضل بكثير من تلك المستقرة بواسطة المواد غير الأيونية الخافضة للتوتر السطحي. ظلت المستحلبات المحتوية على SDS مستقرة على مدى عدة ساعات ، مما أدى إلى افتراض أن نفس الاستقرار يُعطى أيضًا للمستحلبات الرغوية. تبين أن التركيبة المكونة من 65٪ من حجم الستيرين و 35٪ من حيث الحجم المرحلة المحبة للماء (الماء أو الماء + الجلسرين) هي الحل الأمثل بين الرغوة الجيدة والعمر الطويل للرغوة. وتجدر الإشارة إلى أن الكثافة القصوى للتعبئة القريبة من المجالات غير أحادية الانتشار هي 64٪ من حيث الحجم. عند 65٪ من حيث الحجم ، تبدأ قطرات المستحلب في حجب بعضها البعض. من ناحية ، يؤدي هذا إلى زيادة صعوبة الرغوة ، ولكنه من ناحية أخرى يزيد أيضًا من عمر الخدمة بعد تكوين الرغوة بنجاح. 11 أ ، 12 يوضح الشكل 2 أ كمثال فقاعة رغوة واحدة محاطة بقطرات مستحلب معبأة بإحكام. تضمنت خطوات التحسين الإضافية تكييف عملية الرغوة وتغيير تركيبة المستحلب.

أ ، ب) صور مجهرية ضوئية لرغاوي المستحلب. ج) تحديد العمر التشغيلي لرغوة مستحلب تحتوي على 5٪ بالوزن SDS و 15٪ بالحجم الجلسرين. يتم تعريف عمر الرغوة بأنه الوقت الذي يبدأ بعده انهيار كبير لفقاعات الرغوة (والذي يمكن رؤيته على الصورة بعد 8 ساعات). تم إجراء التسجيلات من الرغوات ذات التركيبة المثلى.

تم العثور على المعالجة المثلى لإنتاج رغوة مستحلب مستقرة بدرجة كافية مع كثافة رغوة وأحجام فقاعات مناسبة لتحريك المستحلب باستخدام أداة تقليب KPG عند 1600 دورة في الدقيقة لمدة 4 دقائق (انظر المعلومات الداعمة). يوضح الشكل 2 ب قسمًا نموذجيًا لرغوة مستحلب. يرجع التوزيع الواسع نسبيًا لفقاعات الرغوة إلى عملية الرغوة المستخدمة. يوضح الشكل 2 ج التغيير المعتمد على الوقت في بنية رغوة المستحلب. يجب فهم عمر الرغوة على أنها الفترة الزمنية التي يبدأ بعدها انهيار كبير لفقاعات الرغوة (يظهر في الصورة بعد 8 ساعات).

بعد تحسين عملية الرغوة ، تم تعديل تركيبة المستحلب فيما يتعلق بعمر الخدمة الأمثل. (لم يتم تحسين العملية بأكملها بشكل متكرر ، على الرغم من أن التغييرات في التركيبة قد تتطلب إعادة تصميم عملية الرغوة والعكس صحيح.) تم تحديد محتوى الغاز للرغوة المعنية من خلال مقارنة حجم المستحلب غير الرغوي مع حجم المستحلب رغوة. تم فحص جميع رغاوي المستحلب بواسطة المجهر الضوئي ، وتم حساب متوسط ​​قطر الفقاعة من الصور (انظر المعلومات الداعمة).

أولاً ، تم فحص تأثير تركيز SDS على ثبات رغوة المستحلب. يتم تحديد ثبات الرغوة في وجود قطرات الزيت بشكل مباشر من خلال مقاومة طبقة المستحلب الزائفة التي تتشكل بين السطح البيني للماء والهواء وقطرة الزيت. 11 ب إذا كان هذا الفيلم مستقرًا بدرجة كافية ، فإن قطرات الزيت لا تصل إلى واجهة الهواء / الماء ، ولكنها تتراكم بدلاً من ذلك في مناطق الهضبة للرغوة وبالتالي تبطئ من تدفق السائل (تصريف السائل). 11 يجب أن تكون المادة الخافضة للتوتر السطحي موجودة بتركيز كافٍ في كل من الهواء / الماء وواجهة الزيت / الماء لتثبيت كل من الرغوة والمستحلب. لهذا السبب ، تكون تركيزات SDS المستخدمة أعلى بعدة مرات من تركيز الميلي الحرج (cmc) للمادة الخافضة للتوتر السطحي (تبلغ نسبة cmc من SDS في الماء النقي عند درجة حرارة الغرفة 0.26٪ من الوزن). أعطت جميع المستحلبات ذات التركيز الكلي لـ SDS 1٪ بالوزن (الذي يتوافق مع تركيز 2.9٪ بالوزن في الطور المائي) رغوة ثابتة.

يوضح الشكل 3 انخفاض حجم الفقاعة وزيادة عمر الرغوة مع زيادة تركيز SDS. تم الوصول إلى محتويات غاز تصل إلى 82٪ ، ولكن الرغاوي تتحلل في غضون ساعتين حتى مع أعلى تركيزات خافض للتوتر السطحي. كان متوسط ​​أقطار الفقاعة بين 70 و 90 ميكرومتر مع توزيعات كبيرة الحجم. فيما يتعلق بتركيز SDS الأمثل ، كان من الضروري إيجاد حل وسط بين عمر الخدمة وقابلية الذوبان: من ناحية ، لم تتحسن خصائص الرغوة بشكل كبير عند زيادة تركيز SDS من 5 إلى 7٪ بالوزن. من ناحية أخرى ، فإن قابلية ذوبان SDS في الماء النقي محدودة بحوالي 15٪ بالوزن. 14 لهذا السبب ، تم اختيار تركيز خافض للتوتر السطحي بنسبة 5٪ بالوزن لجميع التجارب التالية (وهذا يتوافق مع تركيز 14.3٪ بالوزن بناءً على المرحلة المائية) من أجل ضمان قابلية الذوبان الكافية.

اعتماد قطر الفقاعة (○) وعمر الرغوة (□) على تركيز SDS المرتبط بكتلة العينة الإجمالية. تحتوي المستحلبات على 65٪ من حجم الستيرين و 35٪ من حجم الماء.

في خطوة أخرى ، تم تغيير تكوين المرحلة المستمرة عن طريق استبدال الماء جزئيًا بالجلسرين. بسبب اللزوجة العالية للجليسيرين بشكل ملحوظ مقارنة بالماء ، يتم إبطاء دهن وتصريف رغاوي المستحلب. 11 ج تركيز الجلسرين (ججلسيرين) دون تغيير الحجم الكلي للمرحلة المستمرة (35٪ بالحجم). أظهر فحص رغاوي المستحلب أن اللزوجة المتزايدة ليس لها تأثير معنوي على كثافة الرغوة. كما يتضح من الشكل 4 ، انخفض مع زيادة ججلسيرين كل من أقطار الفقاعة وتشتت أحجام الفقاعة.

اعتماد قطر الفقاعة (○) وعمر الرغوة (□) على تركيز الجلسرين المرتبط بكتلة العينة الإجمالية (ججلسيرين= 15٪ بالحجم تعني 15٪ من حجم الجلسرين و 20٪ من حجم الماء في النظام بأكمله). تحتوي المستحلبات على 65٪ من حجم الستيرين و 35٪ من حيث الحجم المرحلة المستمرة بكميات مختلفة من الجلسرين و 5٪ بالوزن SDS.

يمكن إرجاع هذه الملاحظة إلى حقيقة أن عملية الرغوة المستخدمة تمارس قوى القص على واجهات الهواء / الماء ، والتي تتناسب عكسياً مع لزوجة السائل. 15 كانت الزيادة في استقرار رغاوي المستحلب مع الزيادة ملحوظة بشكل خاص ججلسيرين والزيادة المصاحبة في اللزوجة في المرحلة المستمرة: بقيت الرغوات المحتوية على جلسرين بنسبة 15٪ بالحجم دون تغيير ومستقرة خلال فترة 7 ساعات تقريبًا. تعود الزيادة الهائلة في الاستقرار إلى سببين: من ناحية ، تلعب فقاعات الرغوة الأصغر والأكثر تناسقًا دورًا (أقل نضجًا لأوستوالد) ، ومن ناحية أخرى ، تؤدي اللزوجة المتزايدة للمستحلب إلى تباطؤ في الصرف بسبب الجاذبية. بسبب مشاكل قابلية الفاعل بالسطح للذوبان ، كان أعلى تركيز للجلسرين 15٪ من حيث الحجم.

كنتيجة نهائية لاختبارات الرغوة ، تم تحديد التركيبة المثلى للمستحلب بنسبة 65٪ من حجم الستيرين ، 20٪ من حجم الماء ، 15٪ بالحجم الجلسرين و 5٪ بالوزن SDS. بالنسبة لتجارب البلمرة ، تم إنتاج رغاوي مستحلب بمحتويات غاز بنسبة 65-70٪ ، حيث كانت أكثر ثباتًا أثناء البلمرة من الرغاوي ذات المحتوى الغازي العالي. تم بعد ذلك بلمرة الرغوات المحسنة تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية.

بالنسبة إلى البلمرة الضوئية ، تم اختبار العديد من المبيدات الضوئية للتأكد من ملاءمتها لنظامنا. تم خلط كل من المحفزات الضوئية مع المستحلبات قبل خطوة الإرغاء. تم اختبار ثنائي ميثيل بنزيل كيتال (DBK) وجاوي (BZ) وثنائي فينيل أسيتون (DPA) وثنائي فينيل (2،4،6-تريميثيل بنزويل) أكسيد الفوسفين (TPO) بتركيزات 2٪ بالوزن ، بناءً على الكتلة الكلية للعينة. تم منع تسخين العينة بواسطة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من مصدر الأشعة فوق البنفسجية من خلال تداخل المرشحات الضوئية. تم العثور على وقت تشعيع لمدة ساعتين ليكون مناسبًا لتحويل رغوة المستحلب إلى رغوة البوليسترين. ثم تم تجفيف العينات وتنظيفها باستخلاص سوكسليت. يلخص الجدول 1 نتائج تجارب البلمرة مع المحفزات الضوئية المختلفة.


فيديو: Polystyrene Concrete Factory. دولة الإمارات العربية المتحدة. مصنع خرسانة البوليسترين الخفيفة (كانون الثاني 2022).