درزگیر

– طراحی آزمایش انجام شده برای ارزیابی عوامل اصلی موثر در واکنش ۸۴
جدول ‏۴-۸- ثوابت مدل برای پاسخ “درصد تبدیل پس از ۸ ساعت” ۹۰
جدول ‏۴-۹- نتایج حاصل از اندازه گیری ویسکوزیته مونی محصولات ۹۲
جدول ‏۴-۱۰- نتایج مربوط به آزمون تفرق نور پویا برای نمونه بهینه NBR-FF6 ۹۳
جدول ‏۴-۱۱- نتایج دمای انتقال شیشه لاستیک های نیتریل ۹۵
جدول ‏۴-۱۲- میزان ژل نمونه بهینه در درصد تبدیل ۷۳ % ۱۰۳
جدول ‏۴-۱۳- درصد عناصر کوپلیمر لاستیک نیتریل برای نمونه NBR-OR ۱۰۴
جدول ‏۴-۱۴- تغییرات درصد آکریلونیتریل در ساختار کوپلیمر بر حسب درصد تبدیل برای نمونه NBR-OR ۱۰۵
جدول ‏۴-۱۵- دستور خوراک آزمایش NBR-HS با درصد جامد ۲۶ % ۱۰۹
جدول ‏۴-۱۶- درصد عناصر کوپلیمر لاستیک نیتریل برای نمونه NBR-HS ۱۱۰
جدول ‏۴-۱۷- تغییرات درصد آکریلونیتریل در ساختار کوپلیمر بر حسب درصد تبدیل برای نمونه NBR-HS ۱۱۰
جدول ‏۴-۱۸- نحوه تغییر ساختار ۲،۱ وینیل با درصد تبدیل برای نمونه NBR-OR ۱۱۶
جدول ‏۴-۱۹- سطح زیر پیک توالی های مونومری برای آزمایش NBR-OR در درصد تبدیل های مختلف ۱۱۶
جدول ‏۴-۲۰- دستور خوراک آزمایش های تک عاملی بر اساس دستور خوراک بهینه ۱۲۰
جدول ‏۴-۲۱- قطر متوسط حجمی آزمایش های NBR-EM 1 و NBR-EM 2 ۱۲۱
جدول ‏۴-۲۲- درصد ژل برای نمونه های NBR-TE 1 و NBR-TE 2 ۱۲۳
جدول ‏۴-۲۳- فرمولاسیون مورد استفاده جهت تهیه نمونه لاستیک نیتریل برای آزمون های خواص مکانیکی ۱۲۵
جدول ‏۴-۲۴- مانایی فشاری، سختی و جهندگی برای نمونه بهینه NBR-FF6 ۱۲۶
جدول ‏۴-۲۵- خواص کششی نمونه بهینه ۱۲۶
جدول ‏۴-۲۶- ویسکوزیته مونی و خواص کششی نمونه های تک عاملی ۱۲۸
جدول ‏۴-۲۷- خواص کششی نمونه های تهیه شده در دو دمای ۱۰ و °C 15 ۱۲۸

چکیده

با استفاده از روش های طراحی آزمایش دستور خوراک بهینه برای تهیه لاستیک نیتریل تعیین شد. در ابتدا برای تعیین فاکتورهای موثر بر سرعت پلیمریزاسیون، آزمایش های غربال گری مطابق با روش پلاکت-بورمن که تعداد زیادی فاکتور را با تعداد کمی آزمایش بررسی می کند طراحی شد. بر این اساس ۹ فاکتور در قالب ۱۲ آزمایش در دو سطح و به منظور تعیین فاکتورهای موثر بر روی درصد تبدیل واکنش طرح ریزی شد. نتایج حاکی از آن بود که غلظت پتاس بیشترین اثر معنی دار را بر روی درصد تبدیل پس از ۸ ساعت می گذارد. دما، غلظت سولفات آهن (II) فاکتورهایی بودند که سبب افزایش درصد تبدیل در ۸ ساعت می شدند ولی اثرات آن ها معنی دار نبود. به منظور آگاهی از بر همکنش های میان اجزای سیستم شروع کننده و با کمک از نتایج حاصل شده از روش غربال گری پلاکت-بورمن دسته دیگری از آزمایش ها که بر اساس روش آماری تمام عاملی بود طراحی شد. در روش تمام عاملی، ۴ عامل در دو سطح و در قالب ۱۶ آزمایش طراحی شد. اجرای ۱۶ آزمایش مشخص کرد که غلظت عامل کاهنده (سدیم فرمالدهید سولفوکسیلات) در سیستم شروع اکسیداسیون-احیا به طور معنی داری سبب افزایش درصد تبدیل پس از ۴، ۶ و ۸ ساعت می گردد. سایر عوامل و بر همکنش میان آن ها اثر معنی داری بر روی درصد تبدیل نداشتند. علاوه بر درصد تبدیل، ویسکوزیته مونی لاستیک نیتریل سنتز شده پارامتری بود که بر اساس آن دستور خوراک بهینه تعیین شد. بررسی اندازه ذرات لاتکس نمونه بهینه توسط آزمون DLS نشان داد که اندازه ذرات در محدوده ریزتری نسبت به پلیمریزاسیون های امولسیونی رایج قرار دارند که تائیدی بر مکانیسم هسته گذاری همگن به دلیل تفکیک پذیری بالای آکریلونیتریل در فاز آب می باشد. آزمون DSC برای نمونه بهینه نشان داد ساختار کوپلیمر تقریباً از یکنواختی خوبی برخوردار است به طوری که فقط یک Tg برای نمونه مشاهده شد. همچنین آزمون ۱H-NMR بر روی نمونه بهینه، توزیع مناسب کومونومرها را در ساختار زنجیر نشان داد به علاوه آزمون آنالیز عنصری (CHNS) نشان داد درصد آکریلونیتریل در کوپلیمر از ابتدای واکنش تا درصد تبدیل در حدود ۳۵ % روند افزایش را طی می کند و از آنجا به بعد این مقدار در محدوده مورد انتظار ۳۳ تا ۳۴ % آکریلونیتریل ثابت می ماند. این رخداد تائیدی بر تفکیک پذیری بالای آکریلونیتریل در فاز آب می باشد. بررسی توالی سه تایی های مونومری در طی پلیمریزاسیون با استفاده از ۱H-NMR نشان داد درصد سه تایی AAB در طی پلیمریزاسیون رفته رفته کاهش می یابد و در مقابل سه تایی BBB روند افزایشی را طی می کند. همچنین آزمایش هایی با تک عامل متغییر اجرا شد و نتایج حاکی از آن بود که مقدار امولسیفایر سبب کاهش اندازه ذرات می شود به علاوه مشاهده شد دما تاثیری بر روی مقدار ژل ندارد. همچنین ویسکوزیته مونی نشان داد مقدار عامل انتقال به زنجیر اثر مستقیم بر روی کاهش جرم مولکولی می گذارد. در انتها خواص فیزیکی و مکانیکی از جمله آزمون کشش، سختی، مانایی فشاری و جهندگی نشان دادند لاستیک نیتریل تهیه شده خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوبی برای کاربردهای عمومی عرضه می کند به علاوه با مقایسه نتایج ویسکوزیته مونی و آزمون کشش مشخص شد جرم مولکولی با مقاومت کششی ارتباط مستقیم دارد.

۱- فصل اول : مقدمه

۱-۱- تاریخچه
در سال ۱۹۲۶ هفت سال پس از تولید لاستیک متیل که به دلایل اقتصادی متوقف شده بود (۱۹۱۶-۱۹۱۹) واحد صنعتی I.G.Farbenindustric در آلمان تحقیقات گسترده‌ای را بر روی لاستیک‌های سنتزی از سر گرفت. در شروع این تلاش، شکل مواد خام و روش پلیم
ریزاسیون از درجه اهمیت بیشتری برخوردار بود. زیرا لاستیک متیل از فقدان الاستیسیته رنج می‌برد. در آن زمان هیچگونه زمزمه اقتصادی برای تولید ایزوپرن که واحد ساختاری لاستیک طبیعی بود به گوش نمی‌رسید. علاوه بر این، تست‌های مقایسه‌ای نشان دادند که ایزوپرن، لاستیک سنتزی خیلی بهتری نسبت به بوتادین عرضه نمی کند. بنابراین تلاش اصلی بر روی بوتادین متمرکز شد. سرانجام در سال ۱۹۲۶ پلیمریزاسیون توده‌ای توسط فلزات قلیایی برای تولید انواع پلی‌بوتادین دنبال شد. علیرغم کمیابی این ماده در آن زمان، جلب توجه به پلی‌بوتادین بسیار زیاد بود. بنابراین روش‌های دیگر پلیمریزاسیون به ویژه پلیمریزاسیون امولسیونی بررسی شدند. همه تلاش‌ها برای هموپلیمریزاسیون بوتادین به روش امولسیونی برای تولید یک لاستیک مفید با شکست مواجه شد. لاستیک بدست آمده دارای جرم مولکولی بسیار بالایی بود و الاستیسیته بسیار عالی از خود نشان می‌داد. اما در دیگر خواص مکانیکی ضعیف عمل می‌کرد. به علاوه فرآیندپذیری آن با مشکل جدی مواجه بود. مشکل دیگر این لاستیک عمر نگهداری۱ کوتاه آن بود [۱].
از این رو فقط کشف کوپلیمریزاسیون بوتادین با مونوالفین‌ها این مشکلات پلیمریزاسیون را حذف کرد. این پلیمریزاسیون در سال ۱۹۲۹ در یک واحد صنعتی در Leverkusen آلمان کشف شد که شامل کوپلیمریزاسیون مخلوطی از بوتادین با دیگر مونومرها بود. تعداد بسیار زیادی از مونومرها بررسی شدند و در نهایت استایرن به عنوان مونومر دوم برای کوپلیمریزاسیون با بوتادین انتخاب شد. در طی این کار Konrad و Tschankur و همچنین Kleiner در سال ۱۹۳۰ یک لاستیک سنتزی از بوتادین و آکریلونیتریل تولید کردند که مقاومت بسیار خوبی نسبت به روغن‌ها و سوخت‌ها از خود نشان می‌داد. این لاستیک برای اولین بار Buna N و سپس Perbunan نامیده شد. همچنین مشخص شد این لاستیک علاوه بر مقاومت بهتر نسبت به روغن‌ها و سوخت‌ها از پایداری حرارتی و مقاومت سایشی بهتر و عبورپذیری کمتر نسبت به گازها برخوردار است [۱].
از این رو همه تلاش‌ها در آن زمان بر روی این محصول امید بخش متمرکز شد زیرا بنظر می‌رسید که با وجود قیمت پایین لاستیک طبیعی د رآن روزها، از لحاظ اقتصادی یک شانس بزرگ به شمار می‌آید. به این ترتیب در سال ۱۹۳۴ واحد صنعتی تقریباً بی‌رونق لاستیک متیل در Leverkusen تولید لاستیک نیتریل را شروع کرد. این لاستیک در سال ۱۹۳۷ به آمریکا و بریتانیای کبیر صادر شد و سپس در سال ۱۹۳۹، لاستیک نیتریل در آمریکا به مرحله تولید رسید. پس از آن کشورهای دیگری از جمله کانادا به جمع کشورهای معدود تولید کننده لاستیک نیتریل پیوستند و رفته رفته این لاستیک در کشورهای دیگر به مرحله تولید رسید [۱].

این مطلب مشابه را هم بخوانید :   رهبری تحول آفرین

۱-۲- ویژگی‌های لاستیک نیتریل۲
لاستیک نیتریل یک کوپلیمر از بوتادین و آکریلونیتریل۳‌ است. بخش‌های بوتادین در زنجیر کوپلیمر مسئول الاستیسیته و انعطاف‌پذیری در دمای پایین هستند. همچنین بوتادین دارای پیوند دوگانه غیراشباع است که در طی فرآیند ولکانیزاسیون مکان‌های مناسبی را برای اتصالات عرضی فراهم می کند. از سوی دیگر این پیوندهای غیراشباع مکانی برای حمله شیمیایی، حرارتی و اکسیداسیونی هستند.
جزء‌ دوم زنجیر کوپلیمر که آکریلونیتریل می‌باشد مسئول مقاومت نسبت به سوخت‌ها و روغن‌ها است. علاوه بر این سختی، مقاومت سایشی و مقاومت کششی مربوط به این جزء می‌باشد. با افزایش مقدار آکریلونیتریل، مقاومت حرارتی بهتر و نفوذناپذیری نسبت به گازها می‌تواند حاصل شود. مقدار آکریلونیتریل لاستیک نیتریل در محدوده بین ۱۵% تا ۵۳% قرار دارد و مقدار آکریلونتیریل در نوع عمومی لاستیک نیتریل در حدود ۳۴ % است. با انتخاب یک الاستومر با مقدار آکریلونیتریل مناسب با توجه به دیگر خواص آن، می‌توان لاستیک نیتریل را در طیف وسیعی از کاربردها بسته به نوع نیاز استفاده کرد.
به طور کلی ویژگی‌های شیمیایی لاستیک نیتریل به قرار زیر است:
۱- مقاومت خوب در برابر روغن‌، مواد سوختی و گریس‌ها
۲- نفوذپذیری کم در برابر گازها
۳- مقاومت خوب نسبت به اسیدها و بازها به غیر از آنهایی که اثرات اکسید کنندگی قوی دارند.
۴- مقاومت ضعیف نسبت به متورم شدن در برابر حلال‌های اکسیژن‌دار همانند استن و کتون‌ها
۵- مقاومت متوسط نسبت به ازن
۶- افزایش مقدار آکریلونیتریل مقاومت نسبت به حلال‌ها را افزایش می‌دهد ولی انعطاف‌پذیری در دمای پایین را کاهش می‌دهد.
۷- سازگاری با مواد گرمانرم قطبی (به عنوان مثال اتیلن- وینیل استات و پلی‌وینیل کلراید)

همچنین این لاستیک از لحاظ خواص و فرآیندپذیری ویژگی‌های زیر را دارد:
۱- انعطاف‌پذیری متوسط و خوب در دمای پایین
۲- مانایی فشاری کم
۳- مقاومت سایشی زیاد
۴- دارای تنوع سیستم پخت
۵- چسبندگی متوسط
۶- آمیزه‌سازی لاستیک نیتریل برای بهبود انعطاف‌پذیری آن در دمای پایین،‌ مقاومت نسبت به حلال‌ها و روغن‌ها را کاهش می‌دهد.
۷- برای آمیزه سازی لاستیک نیتریل استفاده از مواد تقویت کننده همانندکربن سیاه برای دستیابی به استحکام بالا مورد نیاز می‌باشد زیرا این لاستیک در طی فرآیند کشش آمیزه پخت شده کریستالیزه نمی‌شوند.

به طور کلی با آمیزه‌سازی مناسب می‌توان تعادلی نسبتاً خوب میان خزش پایین، جهندگی خوب، ‌مانایی دائمی و مقاومت سایشی خوب حاصل کرد.

۱-۳- کاربردهای لاستیک نیتریل
ویژگی‌های لاستیک نیتریل آن را
به عنوان ماده ای عالی برای کاربردهای درزبندی معرفی کرده است. محبوبیت لاستیک نیتریل به دلیل مقاومت عالی آن نسبت به فراورده‌های نفتی و همچنین توانایی آن برای سرویس در دماهای بالاتر از °C120 است. با این مقاومت دمایی ترکیبات لاستیک نیتریل می‌توانند در همه جا مقاومت داشته باشند اما بیشترین سرویس‌دهی را در کاربردهای اتومبیل‌سازی دارند. با بهره‌مندی از ویژگی‌های لاستیک نیتریل می‌توان آمیزه‌ها و قطعات قالب‌ گیری شده انتخابی را تولید کرد. از جمله کاربردهای لاستیک نیتریل می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: شیلنگ‌های حمل سوخت و روغن، آب‌بندها و درزگیرها (نظیر اورینگ‌ها)‌، واشرهای استاتیک، درزگیر یاتاقان، درزگیر محفظه روغن، درزگیر بالایی پیستون، درزگیر اسفنجی، درزگیر جعبه دنده، دیافراگم پمپ سوخت، درزگیر پمپ آب، لنت ترمز، ضربه‌گیر، ‌درزگیر برای شفت و میل‌لنگ، گردگیرهای خرطومی، کوپلینگ، پوشش غلتک‌ها، شیلنگ‌های هیدرولیک و بادی، تسمه نقاله‌ها، درزگیری انواع لوله‌کشی‌ها و تجهیزات و اتصالات، غلتک چاپ، تخت کفش، دستکش، کف‌پوش‌ها، عایق‌های متخلخل اسفنجی جهت لوله‌ها، پوشش ظروف، شیلنگ‌های مقاوم در فشار بالا و آسترهای ترمز و کلاچ [۲]. شکل۱-۱ توزیع مصرف لاستیک‌های نیتریل را در سال ۲۰۱۰ برای کاربردهای مختلف را نشان می‌دهد [۳] :

۱-۴- ساختار شیمیایی
لاستیک نیتریل کوپلیمری بی‌نظم با جرم مولکولی بالا از ۳،۱ بوتادین و آکریلونیتریل است. جرم مولکولی وزنی متوسط نمونه‌های صنعتی بین ۲۵۰۰۰۰ تا ۴۰۰۰۰۰ گرم بر مول با توزیع نسبتاً پهن گزارش شده است. ساختار پلیمر بسته به شرایط پلیمریزاسیون می‌تواند بسیار خطی تا بسیار شاخه‌ای و شبکه ای شده باشد. توزیع واحدهای مونومری در پلیمر توسط نسبت‌های واکنش‌پذیری هر دو مونومر دیکته می شود.
در پلیمریزاسیون امولسیونی که تنها فرآیند مهم صنعتی برای تولید این لاستیک است،‌ نسبت‌های واکنش‌پذیری به این گونه گزارش شده‌اند. اگر M1 را بوتادین و M2 آکریلونیتریل درنظر بگیریم در °C5 ، r1 معادل ۲۸/۰ و r2 معادل ۰۲/۰ خواهد بود. همچنین این نسبت‌ها برای r1 و r2 در °C50 به ترتیب ۴۲/۰ و ۰۴/۰

خواهد بود. همانطور که مورد انتظار است حاصل ضرب r1 و r2 نزدیک به صفر می شود پس این دو مونومر تمایل بسیار زیادی برای تناوبی شدن دارند. فاکتور پیچیده دیگری که در تعریف