بررسی تغییرات آلیاژ PC/ABS  بازیافتی

برای بررسی تغییر کیفیت یک محصول از آلیاژ پلی‌کربنات (PC)/آکریل‌نیتریل-بوتادی‌ان-استایرن (ABS) با مقدار بالایی از PC بازیافتی، مقداری PC نو با جرم مولکولی پایین به PC بازیافتی افزوده شد تا تغییرات بچ‌های مختلف آمیزه نسبت به هم حداقل گردد. شش آمیزه PC/ABS با استفاده از یک اکسترودر دوپیچه و به واسطه اختلاط 50 wt% از ABS نو و 0-25 wt% از PC نو با جرم مولکولی کم و 25-50 wt% از PC بازیافت شده با خلوص بالا که از لوازم الکترونیکی به دست آمده بود، تهیه گشت. این آمیزه‌ها از لحاظ مکانیکی و رئولوژیکی بررسی شدند. نتایج نشان می‌دهد که این روش می‌تواند آمیزه‌ای حاوی مقدار زیاد مواد بازیافتی و با کیفت بالا به دست بدهد.

طی دهه گذشته با توجه به این نکته که دور ریز های پلاستیکی مشکلاتی برای محیط زیست ایجاد کرده‌اند، توجه زیادی به بحث بازیافت پلاستیک‌ها معطوف گشته است. با این وجود در اکثر موارد بازیافت پلیمرها که از محصولات پلاستیکی بازیابی شده‌اند به لحاظ فنی مشکل و هزینه بر می‌باشد. پلاستیک‌های مصرف شده به صورت مخلوط هستند. پلاستیک‌های مخلوط دارای خواص مکانیکی ضعیفی هستند و بنابراین ارزش چندانی ندارند. با این وجود جداسازی پلاستیک‌هایی که به لحاظ شیمیایی متفاوت هستند، هزینه‌بر می‌باشد. علاوه بر بچ‌های مختلف پلیمرهای بازیافتی به علت تفاوت در منبع تهیه، در خواص نیز متفاوت می‌باشند.

بنابراین باید راه حلی برای مسائل مطرح شده در ذیل، یافت تا بتوان از موفقیت فرآیند بازیافت پلاستیک، اطمینان حاصل کرد. الف) جداسازی پلاستیک‌ها با توجه به ساختار شیمیایشان ضروری است، اما با چه خلوصی؟ ب) آلودگی‌ها و ناخالصی‌های با جرم مولکولی بالا به صورت طبیعی در پلیمرها وجود دارند که از مخلوط پلاستیک‌ها جدا می‌شوند، اما این امر چه تأثیری بر خواص مکانیکی ماده خواهد داشت؟ و ما چگونه می‌توانیم این خواص فیزیکی را ارتقاء بدیم؟ ج) جرم مولکولی و توزیع آن در مورد پلیمرهای بازیافتی از بچی به بچ دیگر متغییر است که منجر به ایجاد تفاوت در خواص جریان و نیز خواص حرارتی و مکانیکی می‌شود، ما چگونه می‌توانیم این تغییرات را به منظور رسیدن به آمیزه با کیفیت بالا، کمینه کنیم؟

این مشکلات فنی در تحقیقات ما که مربوط به توسعه مصارف با ارزش افزوده بالا برای پلاستیک‌های بازیابی شده از کامپیوترها، پرینترها و مانیتورهای دور انداخته شده، می‌باشد، به صورت سیستماتیک مورد بررسی قرار گرفته است. هر ساله حدود 150 میلیون پوند (حدود 68 هزار تن) از پلیمرها که شامل بیش از 50% کل میزان آمیزه‌های PC، ABS و PC/ABS می‌باشد، جهت تولید کامپیوترها و لوازم الکترونیکی مصرف می‌شود. این محصولات تنها پس از چند سال مصرف دور انداخته می‌شوند. از آنجا که این پلیمرهای مهندسی نسبتاً گران هستند، بازیافت نه تنها از نظر محیط زیستی بلکه از منظر اقتصادی نیز حائز اهمیت است.

با حمایت دپارتمان انرژی آمریکا، ما از سال 1999 نسبت به توسعه مواد دارای ارزش افزوده از PC و ABS بازیافتی که از لوازم الکترونیکی بازیابی شده‌اند، اقدام کردیم. لوازم الکترونیکی مصرف شده از منابع مختلف گردآوری شدند و پلیمرها با توجه به ساختار شیمیایی شان جدا سازی شدند. هدف کوتاه مدت تحقیقات ما استفاده مجدد از پلیمرها جهت کاربرد اصلیشان بوده است که این امر به واسطه تنظیم فرمولاسیون یک آمیزه رزینی به واسطه اختلاط با پلیمرهای دست نخورده، محقق شد. هدف بلند مدت ما تولید محصولی سبز با کیفیت بالا و قیمت کم می‌باشد، این محصول می‌بایست حاوی بالاترین میزان ممکن از مواد بازیافتی باشد.

رویکرد تحقیقی اصلی که توسط ما مورد استفاده قرار گرفت به شرح ذیل می‌باشد: الف) تعیین مشخصات حرارتی، رئولوژیکی و مکانیکی، PC و ABS بازیابی شده. ب) توسعه یک فرآیند آمیزه‌سازی که از میزان بالایی مواد بازیافتی استفاده شود و در عین حال عملکرد آمیزه حاصل، ارتقاء پیدا کند. به طور مشخص استراتژی‌های ذیل جهت توسعه مواد مورد استفاده قرار گرفته است یا قرار خواهد گرفت: الف) اختلاط پلیمرهای بازیافتی با رزین‌های نو با ساختار شیمیایی یکسان. ب) اختلاط پلیمرهای بازیافتی با رزین‌های نو با ساختار شیمیایی متفاوت. ج) افزودن الیاف شیشه پلیمرهای بازیافتی. د) افزودن الاستومرها به منظور بهبود چقمرگی پلیمرهای بازیافتی. ه) استفاده از اصلاح کننده‌های جرم مولکولی به منظور تنظیم توزیع جرم مولکولی و) استفاده از یک رئومتر بر خط (آنلاین) در فرآیند آمیزه سازی جهت تنظیم رئولوژی آمیزه و به منظور دستیابی آمیزه با کیفیت پایدار.

تحقیقات پیشین ما نشان می‌دهد که جهت حفظ خواص مکانیکی اصلی پلیمرهای بازیافتی و به منظور ایجاد امکان استفاده مجدد از آن‌ها در کاربرد اصلی‌شان، دستیابی به خلوص 99% ضروری می‌باشد، همچنین خواص پلیمرهای بازیافتی تنها وابسته مقدار ناخالصی موجود وابسته نیست بلکه به ذات شیمیایی آلاینده‌ها و ناخالصی‌ها نیز بستگی دارد. مورد دوم نقش مهم‌تری در مورد سازگاری و خواص حرارتی پلیمر، ایفا می‌کند. در یک میزان خلوط مشخص خواص مکانیکی مواد بازیافتی: الف) اگر ناخالصی با پلیمر اصلی ناسازگار باشد و یا اگر در دمای اکستروژن تنظیم نگردد، به صورت منفی تحت تأثیر قرار خواهد گرفت. ب) اگر ناخالصی هم سازگار باشد و هم در دمای اکستروژن فرآیند پذیر باشد، خیلی تحت تأثیر قرار نخواهد گرفت.

نتایج تجربی همچنین نشان دهنده آن است که استفاده مجدد از این پلیمرهای بازیافتی در کاربرد اصلی‌شان، به واسطه اختلاط حداکثر 15 wt% از آن‌ها با رزین‌های نو با ساختار شیمیایی یکسان، امکان پذیر است، هنگامی که خلوص مواد بازیافتی 99% باشد، خواص مکانیکی و نیز فرآیند پذیری، پلیمر نو چندان دستخوش تغییر نخواهد شد. مقدار نرخ اختلاط 15wt% هم برای PC بازیافتی/PC نو و هم برای ABS بازیافتی/ABS نو، معتبر است. این امر عملاً به معنی آن است که افزودن 85% رزین نو به 15% پلیمر بازیافتی با ساختار شیمیایی یکسان، امکان رفع مشکل تغییر خواص بچ‌های مختلف پلیمرهای بازیافتی، را فراهم می‌سازد.

این مقاله شامل گزارش تحقیق ما بر روی آمیزه‌های PC/ABS با هدف افزایش میزان ماده بازیافتی (در آمیزه مذکور) به واسطه اختلاط پلیمرهای بازیافتی با رزین‌های نویی که ساختار شیمیایی متفاوت دارند، می‌باشد. با توجه به اینکه PC دارای ارزش اقتصادی بیشتری نسبت به ABS می‌باشد، از PC بازیافت شده جهت آمیزه سازی با ABS نو، استفاده شد. در وهله اول آمیزه‌های PC نو/ABS نو آماده‌سازی شد و مشخصات آن به منظور به دست آوردن ترکیب درصدی مشخص که در آن PC بازیافتی اضافه خواهد شد، تعیین گشت. سپس مقداری PC نو با جرم مولکولی پایین به PC بازیافتی، در نسبت‌های مختلف افزوده شد و مخلوط حاصل با ABS نو، در ترکیب درصد انتخاب شده، مخلوط شد.

بحث و نتیجه‌گیری

PC/ABS آلیاژی است که به صورت تجاری جهت تولید قطعات تزریقی مورد استفاده در تولید کامپیوترها و قطعات الکترونیکی، مصرف می‌شود. آمیزه‌سازی PC با ABS موجب بهبود فرآیندپذیری PC می‌شود، این امر به واسطه کاهش ویسکوزیته مذاب و افزایش رفتار رقیق شوندگی در برابر نیروی برشی و نیز افزایش دمای شکل دهی ABS، میسر می‌شود. در اینجا آمیزه‌سازی PC با ABS به عنوان استراتژی جهت تولید آمیزه‌ای با میزان PC بازیافتی بیشتر، تحقیق شده است.

با افزایش میزان ABS، آمیزه‌های PC/ABS رابطه‌ای پیچیده بین ترکیب درصدشان و خواص رئولوژیکی/مکانیکیشان، بروز می‌دهد. این پیچیدگی به دلیل مشخصات ذاتی سیستم‌های چند فازی رخ می‌دهد. با توجه به شرایط فرآیند، ترکیب درصد، سازگاری و برهمکنش‌های چند فازی، مورفولوژی‌های مختلفی (متفرق، پیوسته یا هم-پیوسته) را می‌توان برای فاز رابری (SAN-پیوند خورده با پلی‌بوتادی‌ان) و فاز پلاستیکی (SAB و PC افزوده شده) متصور شد. اگرچه این پیچیدگی را می‌توان با تثبیت میزان ABS (رابر) و تغییر نوع PC، تا حد زیادی کاهش داد. برای آمیزه‌های PC نو/PC بازیافتی/ 50% ABS، رابطه موازی میان خواص رئولوژیکی در برابر ترکیب درصد و نیز خواص مکانیکی در برابر ترکیب درصد، وجود دارد. تمام خواص روندی مشابه در برابر تغییر ترکیب درصد، از خود بروز می‌دهند. این ویژگی از نقطه نظر فرآیند بسیار مهم است زیرا امکان کنترل خواص آمیزه را با استفاده از یک رئومتر بر خط، را میسر می‌سازد.

در نهایت این تحقیق مشخص ساخت که آمیزه PC/ABS شامل 40 wt% از PC بازیافتی، 10 wt% از PC نو با جرم مولکولی پایین و 50 wt% از ABS نو به عنوان محصولی با میزان بالایی از مواد بازیافتی و نیز خواص فرآیندی و مکانیکی متوازن، قابل قبول خواهد بود.