نرم کننده یکی از افزودنی‌های مهم در صنعت پلیمر و بخصوص پی وی سی می‌باشد. بیش از 80 درصد مصرف نرم کننده متعلق به صنعت پی وی سی می‌باشد. نرم کننده علاوه بر ایجاد خواص نرم کنندگی سبب ایجاد خواص دیگری در پلیمر شده در نتیجه شناخت انواع نرم کننده و تاثیر آنها در دوز مصرف مختلف از اهمیت زیادی در طراحی فرمولاسیون دارد. در این مقاله به صورت جامع به انواع نرم کننده پرداخته شده است.

نرم کننده یکی از افزودنی‌های مهم در صنعت پلیمر و بخصوص پی وی سی می‌باشد. بیش از 80 درصد مصرف نرم کننده متعلق به صنعت پی وی سی می‌باشد. نرم کننده علاوه بر ایجاد خواص نرم کنندگی سبب ایجاد خواص دیگری در پلیمر شده در نتیجه شناخت انواع نرم کننده و تاثیر آنها در دوز مصرف مختلف از اهمیت زیادی در طراحی فرمولاسیون دارد. در این مقاله به صورت جامع به انواع نرم کننده پرداخته شده است.

نرم کننده پلاستیک چیست؟

نرم کننده ماده ای است که سبب افزایش انعطاف پذیری پلاستیک می‌شود. این ماده می‌تواند به صورت مونومری یا پلیمری باشد. نرم کننده با ایجاد پیوند شبه کراس لینک سبب کاهش دمای انتقال شیشه پلاستیک می‌شود. با توجه به آنکه نرم کننده عمدتا در صنعت پی وی سی استفاده می‌شود عمدتا اثر این ماده بر خواص پی وی سی در این مقاله بررسی شده است.

تاثیر میزان مصرف نرم کننده بر خواص پلاستیک

استفاده از مقادیر کم نرم‌کننده در فرمولاسیون پی‌وی‌سی موجب کاهش دمای فرایند و ممانعت از تخریب حرارتی آن می شود. از طرف ديگر این افزودنی به دليل ايجاد انعطاف پذيري يكي از اجزاي اصلی فرمولاسیون پی‌وی‌سی نرم به شمار مي‌رود.

نوع و مقدار مصرف نرم‌کننده در فرمولاسیون پی‌وی‌سی بر فرایند پذیری و کاربرد نهایی محصول تاثير بسزايي دارد. در مقادیر کم (کمتر از 15Phr) نرم‌کننده با نفوذ ميان زنجیرها و جلوگیری از ارتعاش و حرکت مولکولی خاصیت ضد نرم‌کنندگی مشاهده می‌شود. در این مقادیر نرم‌کننده، افزایش مدول و استحکام کششی و کاهش ازدیاد طول در نقطه شکست و استحکام ضربه مشاهده می‌شود (شکل 1). همچنین در مقادیر بسیار بالای نرم کننده ( بیشتر از 90Phr ) تغییرات خواص مکانیکی با تغییر میزان نرم‌کننده بسیار ناچیز است. در غلظت میانی نرم کننده (20-80Phr) ساختار شیمیایی نرم‌کننده نقشي تعیین کننده بر سهولت فرایندپذیری پی‌وی‌سی دارد.

انواع نرم‌کننده‌های مورد استفاده در پی‌وی‌سی

نرم‌کننده مناسب برای پی‌وی‌سی بايد از یک جزء قطبی مانند گروه کربونیل و یک جزء غیر قطبی مانند زنجیر الیفاتیک یا استر تشكيل شده باشد. جزء قطبی مسئول برهم کنش با پی‌وی‌سی و کاهش سرعت مهاجرت نرم‌کننده از آمیزه، و جزء غیر قطبی مسئول کنترل حجم آزاد است.

به طور كلي نرم کننده‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند. نوع اول پایداری و ماندگاری بیشتری در آميزه دارد اما نوع دوم به دليل سازگاری کمتر با رزین معمولاً به همراه نوع اول و به منظور کاهش قیمت به کار می‌رود.در ادامه به مهم‌ترین و پرمصرف‌ترین نرم‌کننده‌هاي صنعت پی‌وی‌سی پرداخته شده است:

فتالات‌ها

این دسته که پرمصرف‌ترین نرم‌کننده پی‌وی‌سی است در واقع استرهای اسید فتالیک بوده که از واکنش فتالیک انیدرید و الکل به دست می‌آید. سازگاری و فرایندپذیری خوب، فراریت کم، پایداری در مقابل نور و دما و قیمت کم از ویژگی‌های این دسته به شمار می‌رود.

در این گروه دی‌اکتیل‌فتالات (DOP) بیشترین کاربرد را دارد اما به دليل اثرات نامطلوب زیست محیطی، مصرف آن رو به کاهش است. امروزه در صنایع غذایی و پزشکی دی‌ایزونیل فتالات (DINP) و دی‌ایزودسیل فتالات (DIDP) به جای دی‌اکتیل فتالات استفاده می‌شود. این دو نرم‌كننده به دلیل وزن مولکولی بالاتر دوام بیشتری در آمیزه پلیمری دارند. دوام بيشتر در آميزه موجب افزايش دماي عملكردي نيز مي‌شود. دمای عملكرد دی‌اکتیل فتالات و دی ایزودسیل فتالات به ترتيب عبارتند از: ⁰C60 و⁰C 75  

فسفات‌ها

استرهای اسید فسفریک مانند تری‌اریل‌ها علاوه بر نقش نرم‌کنندگی، مقاومت در برابر شعله‌وری را نيز افزايش مي‌دهند. اهمیت این گروه از آن جهت است که بسیاری از نرم‌کننده‌ها مانند فتالات‌ها، تریملیتات‌ها و غیره اشتعال‌پذیری پی‌وی‌سی را که خود ذاتاً اشتعال‌پذیر نیست، افزایش می‌دهند.  قیمت این گروه بیشتر از فتالات‌هاست و نقص اصلي آنها این است که در دمای پایین خواص خوبی ایجاد نمی‌کنند.

دی‌استرهای الیفاتیک

این گروه به منظور بهبود خواص در دمای پایین به کار می‌روند. سه دسته مهم اين گروه عبارتند از: آدیپات‌ها، سباسات‌ها و آزلات‌ها. مشکل اصلی این نرم کننده‌ها سازگاری کم با پی‌وی‌سی است که آنها را در دسته نرم کننده‌های ثانویه قرار می‌دهد.

اپوکسی‌ها

مشهورترين نرم‌كننده اين دسته روغن سویای اپوکسی شده است که  عمدتاً در صنایع غذایی و دارویی کاربرد دارد. ویژگی‌های مهم این گروه عبارت است از: سازگاری بسیار خوب با پی‌وی‌سی، پایداری نوری و حرارتی، مقاومت در برابر استخراج و مهاجرت (به طوری که قابل مقایسه با نرم‌کننده های پلیمری است)، اثر هم‌افزایی در کنار پایدار کننده‌های فلزی مانند ترکیبات روی-کادمیوم. از معایب این گروه مي‌توان به مشکلات انبارش آن اشاره كرد. اين ماده در دماي پايين تمایل به بلورینگی دارد که البته با گرم كردن آن تا دمای ⁰C 40-30 ساختارهاي بلوري ایجاد شده بدون تاثير بر عملکرد نرم کنندگی از بین می روند.

تریملیتات‌ها

ويژگي برتر این گروه فراریت بسيار کم آنهاست كه باعث شده كاربرد زيادي در توليد عایق‌های الکتریکی و قطعات داخلی ماشین داشته باشند. دمای عملكرد تریملیتات‌ها به مراتب بالاتر از فتالات‌ها یعنی حدود⁰C 105 است. این نرم کننده‌ها همچنین مقاومت خوبی در برابر استخراج توسط محلول‌های آبی نشان می‌دهند لذا گزينه مناسبي براي كاربردهاي در تماس با آب به عنوان مثال قطعات ماشین لباسشویی هستند. قیمت بالا و عدم خواص خوب در دمای پایین از معایب این نرم کننده‌ها به شمار مي‌رود.

نرم کننده‌های پلیمری

وزن مولکولی بالای این دسته موجب حداقل فراریت و ماندگاری بالاي آنها در آميزه پی‌وی‌سی می‌شود. این نرم کننده‌ها به خصوص برای کاربرد عایق‌های الکتریکی که زمان طولانی در دمای بالا هستند و قطعات مجاور روغن‌ها و حلال‌ها مناسب هستند. قیمت بالا، سرعت بسيار پايين انحلال در پلیمر، ویسکوزیته بالا و عملکرد ضعیف در دمای پایین از معایب این گروه به شمار می‌رود.

نرم کننده پی وی سی بر پایه آدیپات (adipate plasticizers)

این نوع نرم کننده سبب افزایش انعطاف پذیری پی وی سی در دمای پایین می‌شود. این نوع نرم کننده‌ها سازگاری کمتری با پی وی سی داشته و در مقایسه با نرم کننده فتالاتی فراریت بیشتری دارند. از نظر شیمیایی آدیپک اسید یک دی کربوکلسیلیک اسید با طول زنجیره ده کربنی بوده که با الکل مناسب تبدیل به استر می‌شود. مهم ترین نرم کننده آدیپات مورد استفاده در صنعت روغن DOA  می‌باشد.  این نرم کننده‌ها معمولا به صورت ترکیبی با نرم کننده پایه فتالات استفاده می‌شوند. همچنین برخی نرم کننده‌های پلیمری از واکنش آدپیک اسید و دی ال حاصل شده که در واقع در دسته بندی نرم کننده نوع پلی استر قرار می‌گیرند. قیمت نرم کننده آدیپات معمولا 50 درصد گران تر از DOP  است.

نرم کننده پی وی سی بر پایه تر فتالات (terephthalate plasticizers)

مهم ترین نرم کننده این گروه نرم کننده DOTP  می‌باشد. نرم کننده کننده DOTP  یا دی-2-اتیل هگزیل فتالات به علت قیمت پایین به عنوان یکی از اصلی ترین جایگزین‌های روغن DOP  بشمار می‌آید. طول زنجیر در نرم کننده تر فتالات از اهمیت بالایی برخودار است.در صورتی که طول کربن از یک مقدار کمتر باشد، سبب افزایش فراریت و در صورتی که از مقدار مشخصی بیشتر باشد، سبب ناسازگاری با پی وی سی می‌شود. به طورکلی نرم کننده پایه ترفتالات، سازگاری کمتری از نرم کننده‌های پایه فتالات دارند اما این نرم کننده‌ها از انعطاف پذیری خوبی در دمای پایین برخوردار هستند. نرم کننده DOTP  را می‌توان با استفاده از بازیافت بطری‌های آب معدنی که از جنس پلاستیک PET  هستند، قابل تولید است.

نرم کننده پی وی سی جهت کاربردهای مقاوم در برابر شعله

سه نرم کننده متداول پی وی سی، روغن DOP، روغن DOA  و روغن TOTM  از نظر مقاومت در برای شعله (Flame retardancy) ضعیف می‌باشند. لذا برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت شعله بالایی دارند از نرم کننده مقاوم در برابر شعله استفاده می‌شو. مهم ترین نرم کننده مقاوم در برابر شعله نرم کننده پایه فسفات می‌باشند. نرم کننده پایه فسفات علاوه بر خواص نرم کنندگی سبب افزایش مقاومت UV  پلیمر نیز شده و مقاومت آب و هوایی آن را افزایش می‌دهند. از جمله مهم ترین نرم کننده پایه فسفات تری آریل و دی آریل فسفات‌ها می‌باشند. تری آریل‌ها خواص ضعیفی برای نرم کنندگی در دمای پایین دارند. در مقابل دی آریل فسفات‌ها نرم کنندگی خوبی در دمای پایین داشته ولی فراریت نسبتا بیشتری دارند. علاوه بر نرم کننده پایه فسفات نرم کننده پارافین کلره  ( با 30 تا 70 درصد کلر) نیز به عنوان یک نرم کننده کمکی خواص ضد شعله خوبی دارد.( این ماده با وجود پایداری شیمیایی خوب از پایداری حرارتی پایینی بخوردار است.

نرم کننده با پایه روغن طبیعی

از معروف ترین نرم کننده‌ها با پایه روغن طبیعی، روغن سویا اپوکسید یا ESBO  می‌باشد. این مواد با وجود خواص نرم کنندگی خوب در حال حاضر به تنهایی در پی وی سی کاربرد نداشته و در کنار نرم کننده‌هایی چون روغن DOP و نرم کننده DOA  کاربرد دارند. از دیگر روغن‌های قابل استفاده به عنوان نرم کننده پی وی سی می‌توان به روغن کرچک، روغن بزرک، روغن پالم و موارد دیگر اشاره کرد. روغن‌های طبیعی از جمله روغن سویا اپوکسید شده علاوه بر خواص نرم کنندگی دارای خواص دیگری چون کمک پایدارکننده حرارتی نیز بوده و با توجه به قیمت پایین آن ( در محدوده قیمت روغن DOP ) استفاده این ماده در اغلب فرمولاسیون سخت و نیمه سخت توصیه شده است.