تحقیق و توسعه

رزین چیست؟

رزین طبیعی از گیاهان بدست می آید. بهترین نمونه آن شیره درخت کاج است که بوی تندی دارد. همانطور که می دانید این ماده بسیار چسبنده است ولی در اثر گذشت زمان سفت می شود. تعدادی از گیاهان دیگر نیز رزین تولید می کنند و این مواد هزاران سال است که مورد استفاده بشر قرار گرفته است. بعضی گیاهان ماده ای مشابه به نام صمغ تراوش می کنند که با آب واکنش نمی دهد و نرمتر و انعطاف پذیرتر است.

رنگ رزین گیاهی از شفاف تا قهوه ای تیره متغیر است و میزان سختی و کدورت آن متفاوت است. بعضی از آنها بشدت فرار هستند چون حاوی ترکیبات ناپایدارند. اشتباه در تشخیص درختان رزین دار نیز گاهی می تواند باعث حوادث ناگوار شود، چون بعضی از آنها حاوی هپتان هستند که هیدروکربنی قابل اشتعال و انفجار است.

ماده معروف و زینتی کهربا نیز در اثر سخت شدن رزین گیاهی بدست می آید و اغلب به رنگ طلایی تیره یافت می شود که رنگ متعارف رزین های گیاهی است. کهربا در رنگهای نادر دیگری مانند آبی نیز دیده می شود.

هزاران سال است که بشر از رزین های طبیعی استفاده می کند. رزین کاج برای درزگیری قایقها، مومیایی کردن اجساد، ظروف غذا و مصارف دیگر استفاده شده است. همچنین در ساخت لاک، جلا، جوهر، عطر، جواهر و بسیاری از اشیاء دیگر مورد استفاده است. با پیشرفت تکنولوژی، بشر پی برد که این ماده می تواند به پلیمر تبدیل شود و کمی بعد از آن رزین های مصنوعی کشف شد. در اکثر موارد پلیمرها با رزین های مصنوعی ساخته می شوند که ارزانتر و تصفیه آنها راحت تر است. انواع رزین های مصنوعی پایدارتر، قابل پیش بینی تر و یکنواخت تر از رزین های طبیعی هستند چون تحت شرایط کنترل شده ساخته می شوند و امکان تولیدات ناخالص در آن وجود ندارد. آنها از طریق ترکیب کردن مواد شیمیایی در آزمایشگاه ساخته می شوند و نتیجه واکنش تشکیل ترکیبات چسبناک است. این ماده می تواند در تولید پلاستیک، رنگ و بسیاری از مواد مشابه بجای رزین طبیعی مصرف شود.

انواع رزین عبارتند از:

رزین پلی‌استر

رزین اپوکسی

رزین وینیل‌استر

• رزین فنولیک

• سایر رزین ها

رزین‌ پلی‌استر

رزین های پلی استر غیر اشباع بطور گسترده در سراسر دنیا استفاده می شوند. زنجیر اصلی پلیمری این رزین دارای اتصالات استری می‌باشد که از واکنش تراکمی یک ترکیب الکلی چند عاملی و یک اسید چند عاملی مانند گلیکول و اسید فوماریک تهیه می‌شود. بنابراین با طراحی فرمول و کنترل اسیدهای اشباع و غیر اشباع، کاتالیستها، دما و زمان واکنش، مجموعه کاملی از رزین‌ها را می‌توان تولید نمود که برای کاربردهای مختلف مناسب باشند.

پلی استر غیر اشباع با استایرن مخلوط می‌شود و می‌تواند از طریق پیوندهای دوگانه موجود در هر دو جزء، شبکه‌ای شود. معمولا رزین به هنگام مصرف با استایرن مخلوط بوده و برای رسیدن به خواص مختلف دارای اجزای ذیل می‌تواند باشد:

– سیستم پخت؛ به منظور شروع و تسریع واکنش شبکه ای شدن، در دمای محیط یا دمای بالا

– عوامل کنترل جریان پذیری؛ به منظور کنترل جریان رزین و جلوگیری از شُرّه کردن رزین در لایه گذاری سطوح عمودی و ریخته گری رزین

– جاذب uv به منظور افزایش مقاومت در برابر نور خورشید – فیلر به منظور کاهش جمع شدگی و قیمت و ایجاد خواصی چون مقاومت شعله و آتش

– پیگمنت؛ به منظور رنگ دادن به قطعه و زیبایی آن

– تغلیظ کننده‌ها؛ به منظور تغلیظ کردن فرمولاسیونهای مورد استفاده در SMC و BMC

– عوامل آغشته سازی؛ به منظور بهبود آغشته سازی فیلرها و الیاف با رزین به منظور حصول چسبندگی مناسب

– ضد حباب؛ به منظور سهولت در خروج حباب از رزین و کاهش حفره در محصول نهایی

– جداکننده قالب؛ به منظور تسهیل جدا شدن قطعه از قالب و جلوگیری از تابیدگی و صدمه به سطح قطعه رزین های پلی استردر فرایندهای مختلفی از قبیل لایه گذاری دستی، پاشش رزین، RTM، ریخته گری، پولتروژن، SMC و BMC

کامپوزتهای پلی استر-شیشه به لحاظ حجم مصرف، بیشترین اهمیت را دارا هستند و یافتن نمونه هایی از این مواد در محل کار و زندگی ما بسیار آسان است.کامپوزیتهای پلی استری تا دمای حدود ۲۵۰ درجه سانتیگراد مقاومند ولی مداومت حضور در این دما و دماهای بالاتر موجب افت خواص آن می‌شود. همچنین بعد از پخت، حدود ۵ تا ۸ % حجمی جمع شدگی (Shrinkage) دارند. در مورد کاربرد الیاف شیشه به همراه رزین پلی استر باید از ژل کوت مناسب استفاده کرد تا از نفوذ رطوبت به فصل مشترک الیاف و رزین جلوگیری شود. بدلیل طبیعت قطبی ساختار پلیمری، کاربرد آنها در نزدیکی وسایل الکتریکی با فرکانس بالا محدودیت دارد.

رزین‌ وینیل‌ استر

وینیل استرها محصول واکنش رزین‌های اپوکسی با اسیدهای غیر اشباع اتیلنی می‌باشند.بجز حالات خاص، معمولا رزین‌های وینیل استر دارای انتهای غیر اشباع می‌باشند. این انتها میتواند واکنش شبکه ای شدن را انجام دهد و نیز میتواند پلیمریزاسیون زنجیرهای وینیل استر را انجام دهد و یا اینکه به همراه استایرن کوپلیمر شود.

اکثر وینیل استرهای مرسوم با استریفیکاسیون یک رزین دی اپوکسید با یک اسید مونوکربوکسیلیک غیر اشباع، ساخته می‌شوند. می‌توان آنها را به تنهایی با واکنش رادیکال آزاد پخت نمود و یا در مونومری مانند استایرن حل نمود و رزین مایع بدست آورد. در این صورت، وینیل استر را می‌توان مانند رزین پلی استر استفاده نمود.

رزین‌های وینیل استر خواص چقرمگی و مقاومت شیمیایی بسیار بهتری نسبت به رزین‌های پلی استر دارند. زنجیر اصلی اپوکسی سازنده وینیل استر، موجب پیدایش چقرمگی و ازدیاد طول کششی بالاتر می‌شود. جرم مولکولی رزین‌های وینیل استر به انتخاب نوع اپوکسی بکار رفته بستگی دارد. به این دلیل، استحکام کششی، ازدیاد طول، نقطه نرمی و واکنش پذیری رزین نهایی توسط جرم مولکولی و ساختار اولیه تعیین می‌شود. این موضوع، این امکان را بوجود می‌آورد که برای کاربردهای مختلف خواص مختلف طراحی شود.

رزین‌های وینیل استر در مقایسه با پلی استرهای غیر اشباع مقاومت شیمیایی خوبی دارند.

بخشی از این ویژگی مربوط به عدم حضور پیوندهای استری در زنجیره اپوکسی می‌باشد. اتصالات اجزاء پلیمر، توسط پیوندهای فنیل استری انجام می‌گیرد. این اتصالات در مقایسه با اتصالات استری در برابر اکثر محیط های شیمیایی بویژه در شرایط قلیایی شدید مقاوم ترند.

اتصال استری تنها در انتهای زنجیر وینیل استر وجود دارد. این امر حملات عوامل شیمیایی را به حداقل می‌رساند.

رزین فنولیک

رزین های فنولیک از واکنش تراکمی فنلها و فرم آلدهید تهیه می‌شوند. مکانیزم واکنش بین فنل و فرم آلدهید هنوز بطور کامل شناخته شده نیست. با این وجود این مشخص است که واکنش شروع توسط فعال شدن حلقه بنزنی با گروههای هیدروکسیل مانند متیلول صورت می‌گیرد. در واکنش فنل-فرم آلدهید سه مرحله اصلی وجود دارد:

مرحله A: اغلب محصولات اولیه تراکم، الکلها هستند. رزین در این مرحله، گرمانرم است و در حلالهای غیر آلی (معدنی) حل می‌شود.

مرحله B : پیشرفت بیشتر واکنش تراکمی و شبکهای شدن جزئی به همراه افزایش جرم مولکولی و ویسکوزیته و کاهش انحلال. در این حالت رزین پخت کامل نشده و گرمانرم و ذوب می‌شود ولی به هنگام سرد شدن، سخت و شکننده می‌شود.

مرحله C : میزان پلیمریزاسیون و شبکه ای شدن بسیار زیاد است. رزین غیر قابل ذوب و انحلال می‌باشد.

این واکنش دو نوع رزین فنولیک تولید می‌کند که رزول و نوالاک نامیده می‌شوند. رزین‌های رزول در حضور یک کاتالیست قلیایی مانند آمونیاک، کربنات سدیم یا هیدروکسید سدیم تولید می‌شوند. واکنش پخت محصول توسط گرما دادن در یک قالب با دمای بالاتر از نقطه ژل قابل انجام است. رزین‌های رزول دارای گروه های فعال متیلول و هیدروکسیل هستند.

در دمای بالاتر، رزولها بدون افزودن عامل پخت، مولکولهای بزرگتر و با شبکه های متیلنی تشکیل می‌دهند. در این حالت واکنش فنل- آلدهید یک نوع واکنش تراکمی است چون آب به عنوان محصول جانبی خارج می‌شود.

پلیمریزاسیون فنل- فرم آلدهید به رزین نوالاک با حضور یک کاتالیست اسیدی انجام می‌شود. اسید اکسالیک و اسید سولفوریک دو کاتالیست مرسوم در این واکنش هستند. معمول است که نسبت فنل به فرم آلدهید ۱ به ۸ /۰ باشد، محصول مذاب حاصل سرد می‌شود و به تدریج شیشه ای میگردد. این ماده شیشه ای به دقت خرد شده، پودر حاصل با کاتالیست پخت هگزامتیلن تترامین (HMTA )، فیلر و تقویت کننده مخلوط می‌گردد تا یک ترکیب قالبگیری بدست آید.

رزین‌های فنولیک معمولا کدر هستند و رنگ آنها از کهربایی (amber) کم رنگ و قهوهای تیره تا سیاه تغییر می‌کند. رنگ تیره رزین‌های فنولیک کاربرد آنها را محدود می‌کند. رزین‌های فنولیک در اشکال پولک، فیلم مایع و پودر موجودند.

رزین‌های فنولیک جزء رزین‌های با کاربرد عمومی محسوب می‌شوند ولی می‌توان آنها را برای سازه های مهندسی آمیزه سازی نمود. فنولیک ها دومین رتبه را در رزین‌های گرما سخت پر مصرف دارا هستند.

رزین‌های فنولیک بدون فیلرها شکننده هستند و کاربرد فیلرها و سایر افزودنیها به منظور ایجاد خواص مطلوب در آنها عادی است. رزین‌های فنولیک بدلیل تفاوتهای فیزیکی و شیمیایی اجزاء خواص متنوعی را در بر میگیرند.

برخی از انواع رزین‌های فنولیک عبارتند از:

– گرید کاربرد عمومی(پر شده با خرده چوب)

– گرید Non Bleeding رزول مایع، پر شده با شیشه

– گرید مقاوم دربرابر دما(پر شده با میکا و مواد معدنی)

– گرید مقاوم در ضربه(پر شده با سلولز،لاستیک،شیشه و الیاف)

– گریدویژه یا الکتریکی(پر شده با میکا و شیشه) رزین‌های قالبگیری فنولیک از نوالاک ساخته می‌شوند اگر چه رزول نیز در برخی موارد بکار می‌رود.

خواص رزین‌های قالبگیری فنولیک عبارتند از:

– سهولت قالبگیری

– پایداری ابعادی بسیار خوب و دقیق

– مقاومت در برابر خزش

– مقاومت بالا در برابر تغییر شکل

– مقاومت حرارتی خوب

– مقاومت الکتریکی خوب

– مقاومت شیمیایی خوب

– مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی خوب

– جذب آب پایین

– کیفیت مناسب در ماشینکاری

کاربردهای مرسوم از این مواد عبارتند از:

سازه های عایق برای ولتاژ بالا، چرخ دنده ها، water lubricater bearing، مغزی میز دکوری.

از دیگر کاربردهای رزین‌های فنولیک، ساخت فوم است. البته فوم فنولیک در مقایسه با فوم پلی پورتان و پلی استایرن، گرانتر است ولی بدلیل غیر مشتعل بودن و سمیت پایین گازهای حاصل از سوختن، خواص برتری دارد.

دسته دیگری از رزین ها با نام آمینو رزین نیز می‌توانند همراه رزین‌های فنولیک دسته بندی شوند. این رزین ها کم مصرفند. رنگ سفید آنها باعث طرح امکان جایگزینی بجای فنولیک ها شد. رزین های فنولیک بدلیل تیرگی رنگ، فقط در ساخت قطعات تیره کاربرد دارند. رزین‌های آمینو، گرما سختهایی هستند که از واکنش گروه آمینو یک ماده با فرم آلدهید ساخته می‌شوند. دو آمینوی معروف و مرسوم اوره و ملامین و رزین‌های حاصل اوره-فرم آلدهید و ملامین- فرم آلدهید می‌باشند.

در مقایسه با فنولیک ها رزین‌های اوره- فرم آلدهید ارزانترند و رنگ آنها روشنتر است. همچنین مقاومت آنها در برابر ترک خوردگی الکتریکی بیشتر است ولی مقاومت حرارتی کمتری دارند.

محدوده کاربرد فیلرها معمولا محدود به فیلرهای سفید کننده برای پودر چوب و الیاف خرد سلولز و نیز امکان کاربرد تقویت کننده های معدنی یا لیفی است.

رزین‌های ملامین فرم آلدهید در مقایسه با فنولیکها و اوره-فرم آلدهید عملکرد بهتری دارند ولی گرانترند. ویژگیهای مطلوب آنها عبارتند از: جذب آب پایین، مقاومت حرارتی و لکه پذیری، سختی و عایق الکتریکی.

resin