وبلاگ

در صنعت تجهیزات پزشکی استفاده از پلیمرها به عنوان مواد اصلی یا جزئی از ترکیبات مواد تشکیل‌دهنده این تجهیزات بسیار رایج است. این پلیمرها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردی که دارند، از جمله سبکی، انعطاف‌پذیری، شفافیت، قابل‌تعقیم بودن، مقاومت در برابر حرارت و شیمیایی، قابلیت ساختاردهی دقیق و سازگاری با بافت‌های بیولوژیکی، برای ساخت تجهیزات پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه با معرفی پلیمر های پر مصرف تجهیزات پزشکی همراه ما باشید.

 تاریخچه تولید تجهیزات پزشکی

در زمان قدیم برای تولید تجهیزات پزشکی از فلز استفاده می کردند. از معایب تجهیزات پزشکی فلزی می توان به وزن سنگین و احتمال انتقال بیماری اشاره کرد. همچنین هزینه تولید تجهیزات پزشکی فلزی بسیار بالا بوده است. امروزه پلاستیک جایگزین بسیار مناسبی برای تولید تجهیزات پزشکی است چرا که مزایای بسیاری را با خود به همراه دارد. یکی از مهم ترین دلایل استفاده از پلاستیک در تولید تجهیزات پلاستیکی مقرون به صرفه بودن آن می باشد.

معرفی چند نمونه تجهیزات پزشکی پلاستیکی

تجهیزات پزشکی پلاستیکی به عنوان یک بخش مهم از صنعت تولید تجهیزات پزشکی، شامل انواعی از وسایل و تجهیزاتی است که از مواد پلاستیکی تولید می‌شوند و در انجام روندهای مختلف در مراحل مختلف مراقبت از سلامت انسان مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تجهیزات برای مصارف مختلفی از جمله تشخیص، درمان، جراحی، مراقبت و پوشش مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر چند نمونه از تجهیزات پزشکی پلاستیکی را معرفی می‌کنم.

وسایل بهداشتی و ایمنی: انواع دستکش‌ها، ماسک‌های جراحی، کاورهای کنترل حفظ، بطری‌های دست‌بندی و ..

ابزارهای جراحی: برخی از ابزارهای جراحی مانند پنس، ابزارهای جراحی لیزری و .. از مواد پلاستیکی مانند پلی‌کربنات تولید می‌شوند.

سیستم‌های تنفسی: لوله‌ها و ماسک‌های تنفسی از پلی‌پروپیلن و PVC ساخته می‌شوند و برای ارائه اکسیژن به بیماران استفاده می‌شوند.

کاتترها: این وسایل از مواد انعطاف‌پذیر مانند PVC یا سیلیکون تولید می‌شوند و برای انجام جراحی‌های داخلی یا تخلیه مایعات از بدن استفاده می‌شوند.

بطری‌ها و سرنگ‌ها: بطری‌ها و سرنگ‌ها از پلی‌پروپیلن یا PVC تولید می‌شوند و برای انتقال و مصرف داروها و مواد پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بسته‌بندی‌ها و محافظتی‌ها: انواعی از بسته‌بندی‌ها و پوشش‌ها از پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و PETG تولید می‌شوند که برای نگهداری و حمل‌ونقل ایمن تجهیزات پزشکی و داروها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

معرفی پلیمر های پر مصرف تجهیزات پزشکی

در صنعت تجهیزات پزشکی، استفاده از پلیمرها به عنوان مواد اصلی یا ترکیبی از مواد تشکیل دهنده این تجهیزات بسیار رایج است. پلیمرها به دلیل ویژگی‌های خاصی که دارند مانند سبکی، انعطاف‌پذیری، شفافیت، ضدعفونی، قابل‌تعقیم بودن و قابلیت‌های بالینی مانند سازگاری با بافت‌های بیولوژیکی و کاهش احتمال ایجاد عوارض جانبی، برای ساخت تجهیزات پزشکی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر چند نمونه از پلیمرهای پرمصرف در ساخت تجهیزات پزشکی را معرفی می‌کنیم.

پلی‌استرها (Polyesters): پلی‌استرها مانند پلی‌استرهای آلیفاتیک و اشباع شده از جمله PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol) در تولید بطری‌های بیولوژیکی و ظروف دارویی مصرف می‌شوند.

سیلیکون (Silicone): سیلیکون به دلیل انعطاف‌پذیری، ضدعفونی، و عایقی بودن، در تولید وسایلی مانند تتون‌ها، لوله‌های تنفسی، بندانهای سیلیکونی و بخش‌هایی از ابزارهای جراحی استفاده می‌شود.

پلی‌پروپیلن (Polypropylene): پلی‌پروپیلن به عنوان یک پلیمر ساختاری و با دوام، در تولید انواع تجهیزات پزشکی مانند سرنگ‌ها، شیلنگ‌ها، وسایل اتوکلاو پذیر و انواع بسته‌بندی‌های تک‌بار مصرف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پلی‌وینیل کلراید (PVC): PVC به دلیل انعطاف‌پذیری و قابلیت‌هایی مانند مقاومت در برابر عوامل شیمیایی و حرارت، در تولید لوله‌ها، تجهیزات تنفسی، سیستم‌های تغذیه مایع، بطری‌های خون و سیستم‌های اطراف بدن (مثل کاتترها) استفاده می‌شود.

پلی‌کربنات (Polycarbonate): این پلیمر به دلیل شفافیت بالا، ضدضربه بودن، و مقاومت در برابر حرارت و شوک، در تولید وسایلی مانند پنجره‌های ماسک های حفاظتی، ستون‌های اتاق عمل و سایر تجهیزات تحت فشار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

میزان اهمیت مستربچ در تولید تجهیزات پزشکی

برای تولید تجهیزات پزشکی از مواد پلیمری استفاده می شود. با توجه به این مسئله که بحث ایمنی در تولید تجهیزات پزشکی بسیار اهمیت دارد برای رفع بروز خطرات احتمالی لازم است که از مستربچ در تولید تجهیزات پزشکی استفاده شود. مستربچ های افزودنی این قابلیت را دارند که ویژگی های لازم را به مواد پلیمری اضافه کنند. بنابراین برای جلوگیری از ایجاد شدن الکتریسیته ساکن می توان از مستربچ افزودنی مرتبط با آن استفاده کنید. به طور کلی تولید تجهیزات پزشکی که دچار جرقه و آتش سوزی نشوند از اهمیت بالایی برخوردار است. همچنین برای تولید تجهیزات پزشکی در رنگ های خاص می توان از مستربچ رنگی استفاده کرد برای آشنایی با مفهوم مستربچ رنگی در ادامه این مطلب همراه ما باشید.

مستربچ رنگی چیست و بررسی ویژگی های آن

باید بدانید که مواد پلاستیکی به تنهایی رنگ خاصی ندارند و برای انتقال رنگ به آن ها لازم است که از برخی پیگمنت ها استفاده شود. یکی از کاربردی ترین نوع مستربچ ها، مستربچ رنگی به حساب می آید. با استفاده از مستربچ های رنگی می توانید تجهیزات پزشکی پلاستیکی در رنگ های متنوعی تولید کنید. برای تولید محصولات پلاستیکی در رنگ های سفید و مشکی نیاز است که از مستربچ های سفید و مشکی استفاده شود که در ادامه درباره آن ها صحبت خواهیم کرد.

ویژگی های مستربچ سیاه و سفید

از مستربچ سیاه و سفید در صنایع مختلف بسته بندی، چاپ و.. استفاده می شود. بیشتر ظروف غذا یکبار مصرف با استفاده از مستربچ سیاه و سفید تولید می شوند. مستربچ سیاه و سفید معمولاً از مواد پلیمری انعطاف‌پذیری مانند پلی‌اتیلن یا پلی‌پروپیلن ساخته می‌شود، که این ویژگی انعطاف‌پذیری را به آن می‌دهد و امکان استفاده از آن در بسته‌بندی محصولات با اشکال و اندازه‌های مختلف را فراهم می‌کند. مستربچ سیاه و سفید دارای مقاومت خوبی در برابر شکستن است، که این ویژگی به آن امکان می‌دهد تا محصولات را در طول مدت زمان حمل و نقل محافظت کند. یکی از ویژگی‌های مهم مستربچ سیاه و سفید، عدم نفوذ نور است. این فیلم به خوبی نور را جذب می‌کند و اجازه نمی‌دهد تا نور به محتویات داخل بسته‌بندی نفوذ کند، که این ویژگی مخصوصاً برای محافظت از مواد حساس به نور مانند داروها یا مواد غذایی حیاتی است. مستربچ سیاه و سفید قابلیت چاپ بر روی سطح آن را دارد، که این امکان را به شرکت‌ها و برندها می‌دهد تا برند خود را بر روی بسته‌بندی محصولات خود نمایان کنند و اطلاعات مورد نیاز را به مشتریان منتقل کنند. بسیاری از مستربچ‌های سیاه و سفید از موادی تهیه می‌شوند که قابلیت بازیافت دارند، که این ویژگی آن‌ها را به گزینه‌ای پایدار برای محیط‌زیست تبدیل می‌کند. مستربچ سیاه و سفید معمولاً دارای مقاومت خوبی در برابر شرایط محیطی مختلف مانند رطوبت، حرارت، و شرایط نوری مختلف است، که این ویژگی آن را برای استفاده در شرایط مختلف کاربردی مناسب می‌سازد. در نهایت، ویژگی‌های مستربچ سیاه و سفید می‌تواند بسته به نوع مواد اولیه و فرآیند تولید، متفاوت باشد. یکی از پلیمر های پر مصرف تجهیزات پزشکی مستربچ سیاه و سفید به حساب می آید.

 کاربرد های مستربچ سیاه و سفید

بسته‌بندی مواد غذایی: مستربچ سیاه و سفید برای بسته‌بندی مواد غذایی مانند گوشت، میوه و سبزیجات، نان، تنقلات و … استفاده می‌شود. این فیلم به دلیل ویژگی‌هایی مانند عدم نفوذ نور، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر شکستن، محافظت لازم را برای محتویات داخلی فراهم می‌کند.

بسته‌بندی محصولات صنعتی: از مستربچ سیاه و سفید برای بسته‌بندی محصولات صنعتی مانند لوازم خانگی، قطعات الکترونیکی، لوازم یدکی، وسایل ورزشی و … استفاده می‌شود. این فیلم به عنوان یک لایه حفاظتی برای محصولات در مقابل خطرات مانند ضربه، خشک شدن، گرد و غبار و … عمل می‌کند.

بسته‌بندی محصولات پزشکی: مستربچ سیاه و سفید در بسته‌بندی محصولات پزشکی مانند داروها، وسایل پزشکی، کاتترها، سرنگ‌ها، وسایل جراحی و … استفاده می‌شود. این فیلم به عنوان یک لایه حفاظتی برای محتویات داخلی فراهم می‌کند و از آلودگی، نور، و شرایط محیطی غیرمطلوب محافظت می‌کنند.

در صنایع مختلف از جمله  خودروسازی، پزشکی، بسته بندی و .. از ترموپلاستیک ها استفاده می شود. با توجه به میزان کاربرد ترموپلاستیک در صنایع مختلف می توان گفت یکی از پر مصرف ترین مواد در صنایع مختلف به حساب می آید. یکی از خواص ترموپلاستیک میزان اصطکاک آن در پلیمرها نیز می باشد. میزان اصطکاک پلیمر ها برای پژوهشگران اهمیت بسیار زیادی دارد و همواره با تست های مختلف در تلاش هستند که میزان اصطکاک در سطوح مختلف را کاهش دهند در ادامه بیشتر درباره نحوه اندازه گیری ضریب اصطکاک در پلیمر ها صحبت خواهیم کرد با ما همراه باشید.

ضریب اصطکاک چیست؟

اصطکاک (Friction) نیرویی است که بین دو سطحی که در تماس با یکدیگر هستند و به طور نسبی حرکت می‌کنند یا تمایل به حرکت نسبی دارند، ایجاد می‌شود. این نیرو معمولاً به صورت مقاومتی در برابر حرکت نسبی دو سطح عمل می‌کند و جهت آن همیشه مخالف جهت حرکت یا تمایل به حرکت است. اصطکاک به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود. اصطکاک ایستا (Static Friction): نیرویی است که بین دو جسم در حال استراحت (بدون حرکت نسبی) ایجاد می‌شود و مانع از شروع حرکت آنها نسبت به یکدیگر می‌شود. این نیرو تا زمانی که نیروی خارجی اعمال شده کمتر از نیروی اصطکاک ایستا باشد، از حرکت اجسام جلوگیری می‌کند. اصطکاک جنبشی (Kinetic Friction): نیرویی است که بین دو جسم در حال حرکت نسبی ایجاد می‌شود و به مقاومت در برابر حرکت آنها می‌پردازد.

عوامل مؤثر بر نیروی اصطکاک عبارتند از:

سطوح تماس: نوع مواد و وضعیت سطح (مانند زبری یا نرمی) تاثیر زیادی بر مقدار اصطکاک دارد.

نیروی نرمال: نیروی عمودی که دو سطح را به یکدیگر فشار می‌دهد. هر چه این نیرو بیشتر باشد، اصطکاک نیز بیشتر خواهد بود.

سرعت نسبی: در برخی موارد، سرعت حرکت نسبی بین دو سطح نیز می‌تواند بر مقدار نیروی اصطکاک تاثیر گذار باشد.

مختصری درباره اصطکاک در پلیمر ها

اصطکاک در پلیمرها دارای ویژگی‌های خاصی است که ناشی از ساختار مولکولی و خواص فیزیکی آنها می‌باشد. پلیمرها مواد مصنوعی یا طبیعی هستند که از مولکول‌های بلند و زنجیره‌ای تشکیل شده‌اند و دارای خواص منحصر به فردی مانند انعطاف‌پذیری، چقرمگی و قابلیت کشسانی هستند.

عوامل مؤثر بر اصطکاک در پلیمرها عبارتند از:

نیروی نرمال: همانند سایر مواد، نیروی نرمالی که به پلیمرها اعمال می‌شود می‌تواند بر میزان اصطکاک تاثیر گذار باشد.

زبر بودن سطح: زبری سطح پلیمرها نیز یکی از عوامل مهم در تعیین مقدار اصطکاک است. سطح صاف‌تر معمولاً منجر به اصطکاک کمتر می‌شود.

درجه کریستالینیتی: پلیمرها می‌توانند نواحی بلوری و آمورف داشته باشند. نواحی بلوری معمولاً سخت‌تر و مقاوم‌تر هستند و می‌توانند بر میزان اصطکاک تاثیر بگذارند.

دمای محیط: دما می‌تواند بر رفتار اصطکاکی پلیمرها تأثیرگذار باشد. با افزایش دما، پلیمرها نرم‌تر و انعطاف‌پذیرتر می‌شوند که می‌تواند منجر به تغییر در نیروی اصطکاک شود.

ساختار مولکولی: نوع مونومرها و نحوه‌ی پیوندهای بین آنها می‌تواند بر خواص اصطکاکی پلیمرها تأثیر بگذارد. مثلاً پلیمرهایی با زنجیره‌های بلند و منظم ممکن است اصطکاک کمتری داشته باشند.

 خواص اصطکاکی در شکل دهی ترموپلاستیک ها

خواص اصطکاکی در شکل‌دهی ترموپلاستیک‌ها نقش مهمی در فرایندهای مختلف تولید و کاربردهای صنعتی دارند. ترموپلاستیک‌ها نوعی از پلیمرها هستند که با افزایش دما نرم شده و به شکل‌های مختلف قابل تغییر هستند و با کاهش دما به حالت جامد باز می‌گردند. فرایندهای شکل‌دهی ترموپلاستیک‌ها شامل تزریق، اکستروژن، دمیدن، و قالب‌گیری چرخشی می‌باشند. در این فرایندها، اصطکاک بین ماده و سطوح قالب یا تجهیزات نقش حیاتی دارد.

لیستی از پارامتر های موثر در ضریب اصطکاک:

از مهم ترین پارامتر های موثر در ضریب اصطکاک می توان به دما، سرعت تست، مدت زمان انجام تست، میزان نیروی اعمال شده، زبری سطح و عوامل کاهنده یا افزاینده اصطکاک اشاره کرد. موارد دیگری هم در ضریب اصطکاک اهمیت دارند که در درجه دوم قرار خواهند گرفت. دمای ذوب و دمای قالب نیز جزء آن دسته از پارامتر های موثر در ضریب اصطکاک در درجه دوم هستند.

بررسی میزان ضریب اصطکاک

 با بررسی های بسیاری که پژوهشگران انجام داده اند متوجه شده اند که ضریب اصطکاک ایستایی بین پلاستیک و سطح فلز تاثییر بسیاری بر روی زبری سطح، دمای سطح گذاشته است. همچنین برخی از متغییر های فرایند خنک سازی تحت تاثیر ضریب اصطکاک ایستایی قرار گرفته اند. در ادامه نمودار اثر دما و زبری سطح روی ضریب اصطکاک بر پلیمرهای ABS, PC, HDPE, PMMA در شکل 4 مشاهده می شود.

بررسی نتایج نمودار ضریب اصطکاک به دما و زبری سطح

همانطور که در نمودار بالا مشاهده می کنید یک روند کلی برای افزایش ضریب اطکاک در نمودار وجود دارد که نشان می دهد اثر افزایش دما در دماهای بالاتر تاثیر کمتری را بر روی ضریب اصطکاک خواهد گذاشت.

زبری سطح: زبری سطح باعث می شود که در همه حالت ها ضریب اصطکاک افزایش پیدا کند. در شکل‌های 5 و 6 اثر کلی دما، سرعت تست و فشار بررسی شده اند. از hین نمودارها نتیجه می‌شود که در بین پلیمرها، پلی‌اتیلن کمترین ضریب اصطکاک را دارد و پلی‌استال بیشترین ضریب اصطکاک را به خود اختصاص داده است [3].

در رابطه با مدت انجام تست، مشاهده است که برای UHMWPE ضریب اصطکاک در مدت زمان 30 دقیقه تا  1 ساعت به یک مقدار ثابت می‌رسد (شکل 7)؛ اما اگر تست در مدت زمان طولانی‌تری انجام شود، تغییرات کوچکی در مقدار ضریب اصطکاک مشاهده می‌شود (شکل 8). همچنین، با مقایسه نمودارها در شکل های 7 و 8 می توان دریافت که مقدار ضریب اصطکاک پس از 68 ساعت تقریبا دو برابر مقدار آن در مدت زمان 30 دقیقه است. دو برابر شدن ضریب اصطکاک به دلیل این است که پس از مدت زمان طولانی مولکول های دو سطح درگیری بیشتری پیدا می‌کنند و چسبندگی بین سطوح افزایش می‌یابد [3].

روش های تست  اندازه گیری ضریب اصطکاک

با استفاده از تست ضریب اصطکاک به راحتی می توان میزان لغزش  و صفحه در تماس با یک دیگر را اندازه گیری کرد. با استفاده از روش اندازه گیری ضریب اصطکاک قابلیت اندازه گیری ضریب اصطاک دو سطح با جنس یکسان یا متفاوت وجود دارد. برای تست پلیمر ها روش های بسیاری وجود دارد که در ادامه به معرفی آن ها خواهیم پرداخت.

 روش تست ضریب اصطکاک COF:

به طور کلی روش های بسیاری برای تست ضریب اصطکاک  وجود دارد که بسیاری از آن ها ممکن است غیر استاندارد باشند. لئوناردو داوینچی برای انجام یک تست وزنه ای را با استفاده از نخ و قرقره به تعدادی جعبه متصل کرد و از تعدادی وزنه برای اندازه گیری اصطکاک ایستایی استفاده کرد.برای به حرکت در آوردن جعبه می توان از یک صفحه شیب دار استفاده کرد و جعبه را بر روی آن سطح قرار داد.  زاویه شیب در واقع نقش اصلی را برای تعیین نیروهای در حهت محاسبه ضریب اصطکاک جنبشی و ایستایی بازی می کند. در نتیجه امروزه یکی از رایج ترین روش های تست ضریب اصطکاک استفاده از روش  ASTM D1894 نیز می باشد.

نکته: بدون شک برای انجام آزمایش ها تنها از یک روش ثابت استفاده نمی شود و هر بار یک روش مطمعن را امتحان خواهند کرد.  موثرترین روش برای ارزیابی عملکرد نسبی یک ماده برای اندازه‌گیری ضریب اصطکاک در ترکیبات مختلف فشار(P) و سرعت (V) است. سپس می توان از این مقادیر برای تولید یک نمودار PV استفاده کرد که پوشش عملیاتی مواد را مطابق شکل 3 نشان می دهد [1].

آزمون ضریب اصطکاک در پلاستیک ها COF

در این آزمون از استاندارد ISO 8295 برای تعیین اصطکاک فیلم ها و ورق های پلیمری استفاده می شود. همچنین با استفاده از این استاندارد می توان خواص اصطکاکی در پلاستیک را نسبت به حرکت نسبی با سایر موارد را بدست آورد. از مزایای استفاده از آزمون ضریب اصطکاک در پلاستیک COF می توان به انجام آن تست در دمای های مختلف اشاره کرد. 

شکل4 . نمایی از ابزار تست COF ا[2]

شکل5 . نمای کلی دستگاه تست COF ا[2]

ویژگی های یک روش تست استاندارد

برای انجام  تست ضریب اصطکاک با استفاده از استاندارد ها ابتدا باید به یک دمای ثابت رسید. سپس برای بدست آوردن همانند سازی سطح از نیروی خاص (اعمال فشار) استفاده کرد. اگر نیاز به خنک کردن دمای اتاق باشد باید این کار را انجام دهید تا شرایط برای انجام تست محیا شود. در نظر گرفتن سرعت مناسب برای انجام تست بسیار اهمیت دارد. طبق استاندارد ها مدت زمان هر سیکل برای انجام تست بین 15-20 دقیقه نیز می باشد.

کاربردهای تست ضریب اصطکاک( COF )

طبق آزمایش های مختلف میزان خواص اصطکاک هر دو مواد به دست خواهد آمد. بنابراین اگر قصد داشته باشید از میزان خواص اصطکاک اطلاع داشته باشید می توانید از روش تست COF  استفاده کنید. با استفاده از این روش اطلاعات دقیقی نسبت به تعیین اصطکاک ایستایی و جنبشی فیلم های پلاستیکی، کاغذی، لاستیک، ورق ها، کیسه های بافت پلاستیک و فلزات را بدست خواهید آورد.

افزودن پلی‌الفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید به کامپاندها و مستربچ کربنات کلسیم می‌تواند بهبود خواص آن‌ها را ایجاد کند. پلی‌الفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید یک پلیمر تقویت‌کننده است که معمولاً به عنوان یک عامل تقویت‌کننده و تغذیه‌کننده برای مواد مختلف استفاده می‌شود.

با افزودن این پلیمر به کامپاندها و مستربچ کربنات کلسیم، می‌توان خواص مکانیکی، مقاومت به حرارت، مقاومت به شوک، و خواص فیزیکی دیگر این مواد را بهبود بخشید. پلی‌الفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید می‌تواند به عنوان یک عامل پلیمریزه‌کننده عمل کند و همچنین به عنوان یک ماده تقویت‌کننده مواد مختلف عمل می‌کند.

با توجه به ویژگی‌های منحصربه‌فرد پلی‌الفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید، افزودن آن به کامپاندها و مستربچ کربنات کلسیم می‌تواند بهبودی عمده در عملکرد و ویژگی‌های این مواد ایجاد کند. این افزودنی می‌تواند به تقویت و ساختاردهی بهتر مواد کمک کند و در نتیجه بهبود در مقاومت و استحکام آن‌ها ایجاد کند.

اثرات افزودن پلی‌الفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید به کامپاندها و مستربچ کربنات

به طور خاص، افزودن پلی‌الفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید به کامپاندها و مستربچ کربنات کلسیم می‌تواند اثرات متعددی داشته باشد:

افزایش استحکام مکانیکی: پلی‌الفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید به عنوان یک عامل تقویت‌کننده می‌تواند بهبود قابل توجهی در استحکام مکانیکی مواد ایجاد کند. این افزایش استحکام می‌تواند منجر به مقاومت بیشتر در برابر تنش‌ها و فشارهای مختلف شود.

افزایش مقاومت به حرارت: با افزودن این پلیمر به مواد، می‌توان مقاومت به حرارت آن‌ها را افزایش داد. این امر می‌تواند بسیار مهم باشد در صورتی که مواد در شرایط دمایی بالا قرار دارند یا با تغییرات دمایی شدید روبرو هستند.

افزایش مقاومت به شوک: با افزودن پلی‌الفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید، می‌توان مقاومت به شوک و ضربه را در مواد افزایش داد. این خصوصیت می‌تواند به ویژه در کاربردهایی که مواد با شوک‌های مکرر یا فشارهای زیاد در ارتباط هستند، بسیار مفید باشد.

افزایش مقاومت در برابر خوردگی و سایش: این پلیمر می‌تواند به عنوان یک لایه محافظتی عمل کند و مواد را در برابر خوردگی و سایش حفاظت کند، که این مورد می‌تواند عمر مفید مواد را افزایش دهد.

افزایش پایداری ابعادی: با افزودن این پلیمر، می‌توان پایداری ابعادی مواد را بهبود بخشید، که این مورد بسیار مهم است در صورتی که دقت ابعادی محصول نقش اساسی دارد.

بنابراین می توان گفت افزودن پلی‌الفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید می‌تواند بهبود‌های چشمگیری در خواص مکانیکی، حرارتی، و فیزیکی مواد ایجاد کند و از این رو، می‌تواند به کیفیت و عملکرد مواد کمک شایانی کند.

ساختار شیمیایی پلی‌پروپیلن، کربنات کلسیم و گرافت

به طور کلی گرافت دارای دو سر قطبی و غیر قطبی است که تاثیر بسیاری در نحوه عملکرد آن خواهند داشت. با کمی تامل در نحوه ساز و کار گرافت متوجه خواهید شد که به طور همزمان پیوندی بین سر قطبی و غیر قطبی بر قرار خواهد شد. اگر به تصویر زیر (شماتیک عملکرد گرافت) دقت کنید متوجه خواهید شد که از سر قطبی کربنات کلسیم و از سمت سر غیر قطبی ماتریس پلی الفینی با هم دیگر پیوند بر قرار کرده اند. در نهایت از پیوند همزمان سر قطبی وغیر قطبی یک اینترفیس قوی ایجاد خواهد شد. در واقع از گرافت به عنوان یک عامل سازگار کننده بین پلی پروپین و کربنات سدیم استفاده می شود که مزایای را به همراه خواهد داشت. از مزایای اضافه کردن گرافت به کامپوزیت های پلی پروپلین نیز می توان به بهبود برهمکنش های پلی پروپلین و ذرات کربنات کلسیم اشاره کرد. در ادامه بیشتر درباره بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت های پلی پروپلین و کربنات سدیم صحبت خواهیم کرد با ما همراه باشید.

شماتیک عملکرد گرافت به‌عنوان عامل سازگارکننده بین پلی‌پروپین و کربنات کلسیم

خواص مکانیکی

یکی از ضعف های کامپوزیت های پلی پروپلین استحکام پایین در برابر ضربه در دما های پایین نیز می باشد. با افزودن گرافت به کامپوزیت ها می توان گفت تا حدودی این مشکل بر طرف شده و استحکام پلی پروپلین افزایش پیدا کرده است. برای درک بهتر میزان افزایش استحکام گراف بررسی هایی انجام شده است که نشان می دهد کامپوزیت های pp/30wt% CaCO3 با افزودن wt%3  گرافت از استحکام بالایی در برابر کشش و ضربه برخوردار شده است.

افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت‌های PP/CaCO3

افزایش خواص رئولوژیکی در گرافت ها

در نمودار زیر شاهد 4 ویسکوزیته کامپلکس کامپوزیت های pp/CaCO3 قبل و بعد از افزودن pp-g-MA خواهید بود. همانطور که در نمودار مشاهده می کنید با افزایش فرکانس میزان ویسکوزیته کامپلکس کاهش پیدا خواهد کرد. افزایش چشمگیر ویسکوزیته کامپلکس همراه با ویژگی سودوپلاستیک پلی پروپیلن معدنی برای کامپوزیت ها خواهد بود. در نهایت به دلیل بالا رفتن ویسکوزیته کامپلکس برهمکنش قوی بین فیلر و ماتریس پلیمری بوجود خواهد آمد که باعث افزایش مقاومت در برابر نیروی برشی خواهد شد. تنها در صورتی ویسکوزیته کامپوزیت کاهش خواهد یافت که عامل سازگار کننده اتصال قوی بین فیلر دو ماتریس برقرار نکند.

تغییرات ویسکوزیته کمپلکس با افزودن گرافت به کامپوزیت‌های PP/CaCO3

افزودن گراف وتغییرات فاکتور اتلاف کامپوزیت ها

فاکتور اتلاف (tan δ) به‌عنوان یک شاخص از میزان الاستیسیته سیستم لحاظ می‌شود. به‌طور کلی، مقدار فاکتور اتلاف بزرگ‌تر از یک، بیانگر غالب بودن جزء ویسکوز و مقادیر کوچک‌تر از یک، بیانگر غالب بودن جزء الاستیک سیستم دارد. همان‌طور که شکل 5 نشان می‌دهد، با افزودن گرافت به کامپوزیت PP/CaCO3، فاکتور اتلاف کاهش قابل ملاحظه‌ای نشان داده و به یک نزدیک می‌شود که نتیجه افزایش الاستیسیتی سیستم به‌‌خاطر برهم‌کنش بهتر بین پلیمر و فیلر است.

تغییرات فاکتور اتلاف کامپوزیت‌های PP/CaCO3 با افزودن گرافت

اثر گرافت بر خواص کامپوزیت‌های حاوی پلی‌الفین‌های بازیافتی

استفاده مجدد از پلاستیک‌های بازیافتی، با توجه به حجم رو به رشد استفاده از پلاستیک‌ها و در نتیجه افزایش پسماند حاصل از آنها امری ضروری است. افزودن گرافت می‌تواند خواص کامپوزیت‌های پلی‌الفین بازیافتی/کربنات کلسیم را نیز بهبود بدهد. برای مثال افزودن گرافت به کامپوزیت r-HDPE حاوی wt%10 کربنات کلسیم، باعث بهبود خواص کششی و ضربه آن‌ها مطابق شکل 6 شده‌ است. هم‌چنین درصد بهینه گرافت برای کامپوزیت فوق wt%4 گزارش شده ‌است.

افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت‌های r-HDPE/CaCO3 با افزودن مقادیر مختلف گرافت

اثر افزایش مقادیر گرافت بر خواص کامپوزیت‌های PP/CaCO3

اثر افزایش مقدار گرافت تا مقادیر 25% بر خواص مکانیکی کامپوزیت‌های PP/CaCO3 نشان می‌دهد که مقادیر گرافت بالاتر از 55 تأثیری بر خواص نشان نمی‌دهند  همانطور که در شکل 7 مشاهده می کنید با مقادیر نسبتاً کمی از گرافت می‌توان کامپوزیت‌های با خواص مطلوب و هزینه تمام‌شده مقرون‌به‌صرفه تولید نمود.

اثر افزایش مقادیر گرافت بر خواص کامپوزیت‌های PP/CaCO3

مقایسه راندمان PP-g-MA با پوشش‌دار کردن اسیدی کربنات کلسیم

با توجه به اینکه یکی دیگر از روش‌های بهبود سازگاری بین پلی‌پروپیلن و کربنات کلسیم، اصلاح اسیدی کربنات کلسیم و لذا کاهش قطبیت آن است، راندمان این روش با افزودن گرافت در کامپوزیت‌های HDPE/CaCO3 مورد مقایسه قرار گرفته‌ است. ابتدا هر دوی گرافت و اسید استئاریک در درصدهای مختلف، اضافه و درصد بهینه هر کدام مشخص گردید (به‌ترتیب 4 و wt%1)؛ سپس خواص کامپوزیت‌های HDPE/CaCO3 حاوی wt%1 اسید استئاریک و wt%4 گرافت مورد بررسی قرار گرفت. در تصویر زیر مشاهده می کنید که مقایسه های لازم انجام شده و افزودن گرافت به‌مراتب تأثیر بیش‌تری در بهبود خواص کامپوزیت‌های مربوطه نشان دادند.

مقایسه راندمان افزودن گرافت با اصلاح اسیدی کربنات کلسیم