نقش آنتی اکسیدان ها

نقش آنتی اکسیدان ها در پلیمرها؛ چرا قطعات پلیمری ترک می خورند و فرسوده می شوند؟

هر قطعه پلیمری از همان لحظه ساخت با اکسیژن، گرما و نور در تماس است. در فرایندهایی مثل ریخته گری پلی اورتان، ماده در دمای بالا مخلوط می شود و داخل قالب شکل می گیرد. زنجیره های پلیمری از همان ابتدا تحت تنش حرارتی قرار می گیرند. نتیجه این تماس اکسیداسیون است، یعنی واکنشی زنجیره ای که پیوندهای پلیمر را می شکند یا بین زنجیره ها اتصال ناخواسته می سازد. اثر ظاهری آن تغییر رنگ، سخت و شکننده شدن سطح، ریزترک و افت خواص مکانیکی است.

اینجا نقش آنتی اکسیدان ها مشخص می شود. این افزودنی ها یا رادیکال های آزاد را خنثی می کنند یا مانع تشکیل آن ها می شوند و زنجیره اکسیداسیون را قطع می کنند. بنابراین نقش آنتی اکسیدان ها فقط حفظ ظاهر قطعه نیست و عمر مفید، استحکام و پایداری قطعه در شرایط سرویس را هم تعیین می کند.

تاریخچه کوتاه آنتی اکسیدان ها در صنعت پلیمر

پیر شدن مواد از همان آغاز استفاده صنعتی از لاستیک و پلاستیک شناخته شده بود. قطعاتی که در انبار یا حین کار سخت و ترک دار می شدند، تولیدکنندگان را به سمت افزودن پایدارکننده ها هدایت کرد. با گسترش پلیمرهای مصنوعی در قرن بیستم، افزودن آنتی اکسیدان به فرمولاسیون به یک مرحله استاندارد تبدیل شد.

خانواده های اصلی آنتی اکسیدان ها که امروز هم کاربرد دارند:

• فنل های مانع دار
• آمین های آروماتیک
• ترکیبات گوگردی
• فسفیت ها و ترکیبات آلی فلزی

یکی از چالش های قدیمی این افزودنی ها، خروج تدریجی آن ها از پلیمر است. تبخیر، مهاجرت به سطح قطعه و شسته شدن توسط روغن، آب یا حلال می تواند محافظت را در طول زمان کم کند. همین موضوع باعث شد توجه به آنتی اکسیدان های با وزن مولکولی بالا و انواع متصل به زنجیره پلیمر بیشتر شود.

سازوکار اکسیداسیون و نحوه عملکرد آنتی اکسیدان ها

اکسیداسیون پلیمرها یک واکنش زنجیره ای خودتسریع شونده است و به همین دلیل از یک نقطه کوچک شروع می شود و کل قطعه را درگیر می کند.

• شروع: گرما، نور فرابنفش، تنش مکانیکی یا باقی مانده کاتالیست از زنجیره پلیمر یک رادیکال آزاد می سازد.
• انتشار: رادیکال با اکسیژن واکنش می دهد و رادیکال پروکسی تولید می شود. این رادیکال از زنجیره دیگر هیدروژن می گیرد و هیدروپروکسید و رادیکال جدید می سازد.
• شاخه ای شدن: هیدروپروکسیدها در دما می شکنند و رادیکال های بیشتری آزاد می کنند. شکست زنجیره ها باعث ترک خوردگی و اتصال های عرضی ناخواسته باعث سخت شدن و شکنندگی می شود.

نقش آنتی اکسیدان ها در همین دو نقطه حساس تعریف می شود: جمع کردن رادیکال ها و تجزیه هیدروپروکسیدها.

انواع آنتی اکسیدان ها و تفاوت کاربرد آن ها

در عمل، این دو گروه معمولاً با هم مصرف می شوند، چون مکمل یکدیگرند. آنتی اکسیدان اولیه رادیکال ها را مهار می کند و ثانویه از تجمع هیدروپروکسید جلوگیری می کند. این هم افزایی (سینرژیسم) در فرایندهای دمابالا اهمیت بیشتری دارد.

یک نکته انتخابی مهم این است که آمین های آروماتیک معمولاً حفاظت قوی تری ایجاد می کنند، اما می توانند باعث تغییر رنگ شوند. بنابراین در قطعات روشن یا رنگی، فنل های مانع دار انتخاب رایج تری هستند. انتخاب دقیق نوع و مقدار به پلیمر، دمای فرایند و شرایط سرویس بستگی دارد و باید با داده فنی تامین کننده تایید شود.