پلاستیکها به دلیل وزن کم، هزینه کمتر نسبت به فلزات، قابلیت شکلپذیری بالا و مقاومت شیمیایی مناسب، در صنایع گوناگون کاربردهای بسیار گستردهای یافتهاند. اما یکی از چالشهای مهم در استفاده از پلاستیکها، مقاومت آنها در برابر شرایط محیطی سخت از جمله دمای پایین است. در حوزههایی مانند صنعت خودرو، هوافضا، تجهیزات برودتی، خطوط انتقال مواد در مناطق سردسیر و ذخیره انرژی، نیاز به پلاستیکهایی وجود دارد که بتوانند در دمای سرد عملکرد مکانیکی، حرارتی و شیمیایی مناسب خود را حفظ کنند.
پلاستیک مقاوم در برابر دمای سرد یا اصطلاحاً پلاستیک با مقاومت “کرنش شکست ناشی از ضربه در دمای پایین” (Low Temperature Impact Resistance) به دستهای از پلیمرها گفته میشود که در دماهای زیر صفر سانتیگراد شکننده نشده و مشخصات مکانیکی خود را حفظ میکنند. این ویژگی امکان استفاده از این مواد در شرایط آب و هوایی سرد و محیطهای صنعتی با دمای پایین را فراهم میآورد.
دمای پایین میتواند باعث سخت شدن مواد و افزایش شکنندگی آنها شود. بسیاری از پلاستیکها در دمای محیط خواص قابل قبولی دارند اما با کاهش دما، خواص مکانیکی آنها از جمله مقاومت به ضربه، انعطافپذیری و کشش، افت قابل توجهی مییابد. بنابراین انتخاب پلیمرهای مناسب برای کاربردهای سرد باید بر اساس تستهای دقیق دمای پایین انجام شود.
1-1. اثرات دمای سرد بر پلاستیکها
– شکنندگی (Brittleness): با کاهش دما، پلاستیکها ممکن است سخت و شکننده شوند. این موضوع به ویژه برای کاربردهای ضربهای و درزدار اهمیت دارد.
– کاهش داکتیلیته: پلاستیکها انعطافپذیری خود را از دست میدهند و ممکن است در اثر تنشهای ناگهانی ترک بخورند.
– تغییر در خواص چسبندگی و کشش: در دمای پایین، امکان ترک خوردگی در جوشها و اتصالات پلاستیکی افزایش مییابد.
– تغییر فاز: برخی پلاستیکهای کریستالی ممکن است دمای انتقال شیشهای (Tg) آنها نزدیک دمای کاربرد باشد که موجب تغییر فاز و خواص ماده میشود.
1-2. اهمیت انتخاب پلاستیک مقاوم در برابر دمای سرد
– افزایش عمر مفید قطعات و تجهیزات
– جلوگیری از شکست ناگهانی و حوادث صنعتی
– پایداری عملکرد در محیطهای سردسیر و صنایع خاص
– کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری
پلاستیکهای مختلفی با ویژگیهای متفاوت در برابر دمای پایین مقاومت دارند. دستهبندی پلاستیکهای مقاوم در برابر سرما بر اساس ساختار شیمیایی و ویژگیهای فیزیکی آنها انجام میشود:
2-1. پلیاتیلن (PE)
پلیاتیلن از پرکاربردترین پلاستیکها در کاربردهای سرمایی است. انواع پلیاتیلن شامل:
الف- پلیاتیلن با چگالی پایین (LDPE): انعطافپذیری بالایی دارد ولی مقاومت مکانیکی کمتری دارد.
ب- پلیاتیلن با چگالی بالا (HDPE): مقاومت بیشتری در برابر ضربه و دمای سرد دارد و یکی از بهترین گزینهها برای لولهکشی و مخازن در محیط سردسیر محسوب میشود.
پلیاتیلنها دارای دمای انتقال شیشهای بسیار پایین (-120°C تا -130°C) بوده و به همین دلیل در دماهای زیر صفر عملکرد بسیار خوبی دارند. مقاومت عالی در برابر ترکخوردگی ناشی از ضربه در دمای پایین یکی از مزایای برجسته PE است.
2-2. پلیپروپیلن (PP)
پلیپروپیلن دارای Tg حدود -10°C است که باعث میشود در دمای بسیار پایین شکننده شود. اما با اصلاحات ویژه مانند افزودن لاستیکهای الاستومری، مقاومت سرمایی آن بهبود مییابد.
2-3. پلیآمید (نایلون)
پلیآمیدها مقاومت مکانیکی و حرارتی خوبی داشته ولی در دماهای بسیار پایین ممکن است شکننده شوند. نایلون 6 و نایلون 66 از رایجترین این گروه هستند. افزودن مواد پرکننده و تقویتکننده میتواند مقاومت سرمایی آنها را بهبود بخشد.
2-4. پلیکربنات (PC)
پلیکربنات مقاوم به ضربه و شفاف است، اما خواص مکانیکی آن در دمای بسیار پایین ممکن است کاهش یابد. از طریق اصلاح با پلاستیسایزر و افزودنیها مقاومت آن بهبود مییابد.
2-5. پلیوینیل کلراید (PVC)
PVC جامد برای بسیاری از کاربردها مقاوم است ولی در دماهای زیر صفر ممکن است انعطافپذیری خود را از دست بدهد. استفاده از انواع نرمشده pvc میتواند این مشکل را کاهش دهد.
2-6. الاستومرهای ترموپلاستیک (TPE)
الاستومرهای ترموپلاستیک مانند SEBS و TPU انعطافپذیری بالا و مقاومت مناسب در دمای پایین دارند و در کاربردهای خاصی که نیاز به کشسانی و مقاومت سرمایی همزمان است، استفاده میشوند.
برای انتخاب صحیح پلاستیک در شرایط سرد، باید خواصی را مدنظر داشت که به صورت تخصصی بررسی میشوند:
3-1. دمای انتقال شیشهای (Tg)
دمای انتقال شیشهای که معرف تغییر حالت ماده از حالت شکننده و سخت به حالت نرم و قابل انعطاف است، خاصه در پلیمرهای آمورف اهمیت دارد. هرچه Tg پایینتر باشد، پلاستیک در دمای پایینتر نیز انعطافپذیر باقی میماند.
3-2. مقاومت به ضربه در دمای پایین (Low-Temperature Impact Resistance)
این ویژگی نشاندهنده توانایی پلاستیک برای تحمل ضربه بدون شکست در دمای پایین است. تستهای Charpy و Izod از روشهای استاندارد اندازهگیری آن است.
3-3. انعطافپذیری و کشش در دمای پایین
انعطافپذیری در دمای پایین مانع از ایجاد ترک در طول کارکرد میشود. درصد تغییر طول در تست کشش میتواند معیار مناسبی باشد.
3-4. پایداری ابعادی و حرارتی
در دماهای سرد، برخی پلاستیکها ممکن است دستخوش انقباض شدید شوند که باعث تغییر شکل و خرابی اتصالها و قطعات میشود.
3-5. مقاومت شیمیایی در دمای پایین
بعضی محیطهای سرد ممکن است ترکیبات خاص شیمیایی داشته باشند. مقاومت شیمیایی پلاستیک باید در دمای پایین نیز حفظ شود.
کاربردهای پلاستیک مقاوم در برابر دمای سرد در صنایع زیادی دیده میشود که به چند مورد مهم اشاره میکنیم:
4-1. صنعت خودرو و هوافضا
– قطعات داخلی و خارجی خودرو در مناطق سردسیر
– سیستمهای سوخترسانی و مهندسی مکانیکی هواپیما
– روکشها و قطعات ضدخوردگی
4-2. خطوط لوله و مخازن مواد شیمیایی
– لولههای انتقال آب و مواد شیمیایی در مناطق یخبندان
– مخازن نگهداری مواد در دمای پایین (مانند مخازن نیتروژن مایع)
4-3. صنایع برودتی و یخچالسازی
– ورقها و قطعات بدنه یخچالها و فریزرهای صنعتی
– قطعات داخلی سیستمهای برودتی
4-4. صنعت بستهبندی
– بستهبندی مواد غذایی یخزده و دارویی
– بستهبندی که نیازمند مقاومت به ضربه در دمای سرد هستند
4-5. تجهیزات ورزشی و تفریحات زمستانی
– قطعات اسکی، اسکیت، دوچرخههای زمستانی
– پوشش و کاور تجهیزات
5-1. افزودنیها و اصلاحکنندهها
– پلاستیسایزرها: کاهش Tg و افزایش انعطافپذیری مانند فتالاتها
– تقویتکنندهها: الیاف شیشه، کربن جهت افزایش استحکام مکانیکی
– پرکنندهها: برای بهبود کیفیت سطح و خواص مکانیکی
5-2. اصلاح ساختار شیمیایی پلیمر
– copolymerization یا پلیمرسازی بلاک برای ایجاد خواص مطلوب
– ترکیب پلیمرهای نرم و سخت
5-3. فرآیندهای تولید
– روش قالبریزی تزریقی با کنترل دقیق دما و سرعت سرد شدن
– فرآیندهای اکسترودر پیشرفته برای کاهش تنشهای داخلی
– تست Charpy و Izod: اندازهگیری مقاومت به ضربه در دماهای پایین
– تست کشش (Tensile Test): بررسی داکتیلیته و مقاومت کششی در دمای سرد
– Tg Measurement: تعیین دمای انتقال شیشهای با استفاده از DSC یا DMA
– تست ضربه سرد: ضربه زدن به نمونه در دمای پایینی خاص و ارزیابی شکست
– انتخاب مواد با Tg پایینتر از دمای عملیاتی
– ارزیابی نیازهای مکانیکی، ضربه، کشش و خواص حرارتی
– در نظرگیری مقاومت شیمیایی و عمر مفید
– توجه به امکان بازیافت و سازگاری با محیط زیست
– بررسی تخصصی شرایط محیطی شامل سرعت کاهش دما و فشار
پلاستیک مقاوم در برابر دمای سرد نقش حیاتی در افزایش کارایی و دوام قطعات و تجهیزات صنعتی در شرایط سرد دارد. آشنایی با خواص، انواع، کاربردها و روشهای ارزیابی این مواد به مهندسین، طراحان و تولیدکنندگان کمک میکند انتخاب مناسبی برای محیطهای سرد داشته باشند و عملکرد بهینه محصول و دوام طولانی مدت آن را تضمین کنند. با پیشرفت تکنولوژی و توسعه پلیمرهای جدید، پلاستیکهای با عملکرد بهتر، قیمت رقابتیتر و سازگاری محیطی بالاتر روز به روز جایگزین مواد سنتی در حوزه دمای سرد میشوند.
یزد پلاست تولید کننده سطل پلاستیکی ، سطل صنعتی ، سطل رنگ
