مقدمه
پلاستیکها به عنوان یکی از پرکاربردترین مواد در صنایع مختلف، قابلیتهای متنوعی دارند. برخی کاربردها نیازمند قطعات سخت و مقاوم هستند (مثل قطعات مکانیکی و ساختمانی)، در حالی که در بسیاری از صنایع مانند بستهبندی، پزشکی، لوازم خانگی، خودروسازی و تجهیزات ورزشی نیاز به پلاستیکهای نرم و انعطافپذیر وجود دارد.
ویژگیهایی مانند نرمی، انعطافپذیری، ضد لغزش بودن و مقاومت در برابر ضربه مستقیماً بر کارایی و طول عمر محصول اثرگذارند. به همین دلیل، تولیدکنندگان به دنبال راهکارهایی هستند تا بتوانند میزان انعطافپذیری قطعات تزریقی یا اکستروژنی را افزایش دهند.
در این مقاله به بررسی مهمترین راهکارهای افزایش نرمی و انعطافپذیری قطعات پلاستیکی میپردازیم.
۱. انتخاب صحیح مواد اولیه
الف) ترموپلاستیکهای انعطافپذیر
- پلیاتیلن (LDPE): انعطافپذیری بالا و مقاومت مناسب در برابر ضربه.
- پلیپروپیلن (PP – Random Copolymer): سبک، مقاوم و دارای خاصیت خمشوندگی.
- ترموپلاستیک الاستومرها (TPE): ترکیبی از خواص لاستیک و پلاستیک؛ نرم، منعطف و قابل تزریق.
- پلیوینیل کلراید نرم (Flexible PVC): با استفاده از نرمکنندهها، بسیار منعطف و پرکاربرد در صنایع مختلف.
| ماده | مدول کششی (MPa) | کشش نهایی (%) | مدول انعطاف (MPa) | مقاومت ضربه (kJ/m²) | دمای انتقال شیشهای Tg (°C) | سختی سطحی / اصطکاک |
| PE(LDPE) | ۲۰۰–۳۰۰ | ۳۰۰–۶۰۰ | ۱۵۰–۲۵۰ | ۲۰–۵۰ | -۱۲۰ تا -۱۱۰ | پایین / ۰.۳–۰.۴ |
| PP-RP (Random Copolymer) | ۹۰۰–۱۴۰۰ | ۲۰۰–۴۰۰ | ۷۰۰–۱۲۰۰ | ۱۰–۳۰ | ~۰–۱۰ | متوسط / ۰.۴–۰.۵ |
| TPE | ۵–۵۰ | ۳۰۰–۷۰۰ | ۱۰–۵۰ | ۳۰–۸۰ | -۵۰ تا -۳۰ | پایین / ۰.۲–۰.۳ |
| Flexible PVC | ۱۰–۲۰۰ | ۱۰۰–۴۰۰ | ۲۰–۲۰۰ | ۲۰–۶۰ | -۳۰ تا ۰ | متوسط / ۰.۳–۰.۴ |
ب) نایلون و پلیآمیدهای نرمشده
نایلون ذاتاً سخت است، اما با افزودن نرمکنندهها یا آلیاژسازی با الاستومرها میتوان آن را انعطافپذیرتر کرد.
۲. استفاده از نرمکنندهها (Plasticizers)
تعریف
نرمکنندهها موادی هستند که به پلیمر اضافه میشوند تا حرکت زنجیرهای پلیمری راحتتر شود و در نتیجه قطعه نهایی نرمتر، منعطفتر و مقاومتر در برابر ضربه گردد. این افزودنیها با کاهش اصطکاک بین زنجیرهها و افزایش فاصله مولکولی، خاصیت انعطافپذیری و کشش را به پلیمر میدهند بدون آنکه ساختار شیمیایی اصلی آن را به طور کامل تغییر دهند. استفاده از نرمکنندهها در بسیاری از کاربردها، به ویژه برای پلیمرهای سختتر مثل PVC و پلیمرهای نیمهکریستالی، الزامی است تا محصول نهایی قابل استفاده و ایمن باشد.
انواع نرمکنندهها
۱.فتالاتها (Phthalates):
. از رایجترین نرمکنندهها برای PVC هستند.
. باعث کاهش سختی، افزایش انعطافپذیری و مقاومت در برابر شکست میشوند.
. برخی انواع فتالاتها دارای محدودیتهای زیستمحیطی و بهداشتی هستند، به همین دلیل استفاده از آنها در محصولات غذایی و پزشکی محدود شده است.
. مثال: DEHP، DINP، DIDP
۲.نرمکنندههای غیر فتالاتی (Non-Phthalate Plasticizers):
.شامل adipates، citrates، sebacates و دیگر ترکیبات غیر فتالاتی.
.مناسب برای کاربردهای پزشکی، بستهبندی مواد غذایی و محصولات کودک که نیاز به استانداردهای ایمنی بالاتری دارند.
.دارای سازگاری بهتر با محیط زیست و کمتر باعث مهاجرت یا نشت نرمکننده میشوند.
۳.شکل و حالت نرمکنندهها:
.مایع: معمولاً برای پلیمرهایی که در دمای محیط قابلیت ترکیب دارند (مثل PVC نرم).
.جامد: برای ترکیب با پلیمرهای نیمهکریستالی یا کاربردهایی که نیاز به فرآیند حرارتی دارند.
.انتخاب نوع نرمکننده بسته به نوع پلیمر، دمای فرآیند، کاربرد نهایی و خواص مکانیکی مورد نیاز انجام میشود
مزایای استفاده از نرمکنندهها در پلیمرها
استفاده از نرمکنندهها (Plasticizers) یکی از روشهای کلیدی برای بهبود نرمی، انعطافپذیری و خواص مکانیکی پلیمرها است. افزودن این مواد باعث تغییر رفتار زنجیرههای پلیمری و بهبود ویژگیهای قطعات نهایی میشود. مهمترین مزایای استفاده از نرمکنندهها به شرح زیر هستند:
۱. کاهش سختی و افزایش انعطافپذیری
- نرمکنندهها با افزایش فاصله بین زنجیرههای پلیمری و کاهش اصطکاک بین آنها، حرکت آزادتر زنجیرهها را ممکن میسازند. این ویژگی باعث میشود قطعه نهایی نرمتر، منعطفتر و راحتتر خم شود.
- مواد نرمشده مانند Flexible PVC یا TPE قابلیت خمشدن و برگشت به حالت اولیه بدون ایجاد شکست یا ترک را دارند. این خاصیت برای قطعاتی که نیاز به خم شدن مداوم یا کشش دارند، حیاتی است.
- کاهش سختی همچنین باعث میشود قطعات از نظر حسی، راحتتر و خوشدست باشند، که در محصولات مصرفی، پزشکی و بستهبندی اهمیت ویژهای دارد.
۲. بهبود مقاومت در برابر ضربه
- نرمکنندهها با کاهش شکنندگی پلیمر و افزایش انعطاف، توانایی جذب انرژی ضربه را بالا میبرند.
- این مزیت به ویژه برای قطعاتی که تحت بارگذاری دینامیکی، خم شدن یا فشار مکرر قرار دارند اهمیت دارد، زیرا احتمال ایجاد ترک، شکست یا آسیب مکانیکی کاهش مییابد.
- به طور مثال، قطعات TPE و PVC نرم که با نرمکننده مناسب اصلاح شدهاند، مقاومت بالایی در برابر ضربههای ناگهانی دارند و در کاربردهای صنعتی، خودروسازی و محصولات ورزشی بسیار مفید هستند.
۳. سهولت در فرآیند تولید
- نرمکنندهها ویسکوزیته مذاب پلیمر را کاهش میدهند و باعث میشوند مذاب راحتتر در قالب جریان یابد.
- این ویژگی به پر شدن کامل حفرههای قالب کمک میکند و از ایجاد خطوط جوش، حباب، رگهها و نواقص سطحی جلوگیری میکند.
- کاهش ویسکوزیته همچنین فشار و دمای تزریق مورد نیاز را کم میکند، که به افزایش طول عمر قالب، کاهش مصرف انرژی و بهبود یکنواختی قطعه منجر میشود.
۴. تطبیقپذیری با شرایط محیطی
- برخی نرمکنندهها مقاومت قطعه در برابر تغییرات دما، سرما و تابش UV را افزایش میدهند و باعث میشوند قطعه در شرایط محیطی سخت عملکرد بهتری داشته باشد.
- این ویژگی برای محصولات خارجی، قطعات خودرو، تجهیزات پزشکی و لوازم مصرفی که در معرض دمای بالا، نور مستقیم خورشید یا سرما قرار دارند، اهمیت بالایی دارد.
- انتخاب نرمکننده مناسب میتواند باعث افزایش دوام، طول عمر و حفظ خواص مکانیکی و ظاهری قطعه در طول زمان شود.
نکات مهم در استفاده از نرمکنندهها
استفاده از نرمکنندهها در پلیمرها میتواند خواص قطعه را بهبود دهد، اما رعایت نکات کلیدی و دقیق در انتخاب و مصرف آنها برای دستیابی به بهترین عملکرد ضروری است. مهمترین نکات به شرح زیر هستند:
۱. مقدار مصرف نرمکننده
- تعیین میزان دقیق نرمکننده یکی از مهمترین فاکتورها در طراحی قطعات پلاستیکی است. مصرف بیش از حد میتواند باعث کاهش مقاومت مکانیکی، نرم شدن بیش از حد، کاهش سختی سطح و افزایش مهاجرت نرمکننده به سطح قطعه شود.
- میزان مصرف معمول بسته به نوع پلیمر و نرمکننده متفاوت است و معمولاً بین ۵ تا ۵۰ درصد وزن پلیمر متغیر است. برای مثال، در PVC نرم و TPE مصرف بالاتر قابل تحمل است، اما در پلیاولفینها مانند PP و LDPE بهتر است مقادیر کمتری استفاده شود.
- مصرف بهینه نرمکننده باعث میشود قطعه نه تنها انعطافپذیر و نرم شود، بلکه خواص مکانیکی، دوام و طول عمر آن نیز حفظ گردد.
۲. سازگاری با پلیمر پایه
- نرمکننده باید با ماده اصلی از نظر شیمیایی و فیزیکی سازگار باشد. عدم سازگاری میتواند منجر به مشکلات زیر شود:
.جداشدگی فازها (Phase Separation) و ایجاد نقاط نرم و سست در قطعه
.ایجاد لکه یا تغییر رنگ سطحی که ظاهر قطعه را کاهش میدهد
.کاهش یکنواختی خواص مکانیکی و حرارتی در سراسر قطعه
.انتخاب نرمکننده مناسب نیازمند بررسیهای آزمایشگاهی و مطالعه رفتار پلیمر در حضور افزودنی است. برخی نرمکنندهها برای PVC مناسباند، در حالی که برای پلیاولفینها اثر مطلوب ندارند.
۳. کنترل کیفیت و آزمایشهای پیش از تولید انبوه
.قبل از تولید انبوه قطعات، انجام تستهای مکانیکی، حرارتی، شیمیایی و طول عمر ضروری است. این تستها شامل موارد زیر میشوند:
.اندازهگیری مدول کششی، انعطاف و مقاومت در برابر ضربه
.تست پایداری حرارتی و مقاومت در برابر تغییرات دمابررسی مهاجرت نرمکننده به سطح و احتمال ایجاد چسبندگی یا لکه
.بررسی دوام قطعه در شرایط محیطی واقعی، مانند نور خورشید، رطوبت و فشار مکانیکی
.کنترل کیفیت دقیق باعث میشود نرمکننده به میزان مناسب مصرف شود و قطعه نهایی هم انعطافپذیر و نرم باشد و هم خواص مکانیکی و طول عمر مطلوب داشته باشد.
۴. سایر نکات کاربردی
.نرمکنندهها باید در شرایط مناسب ترکیب و همگنسازی شوند تا توزیع یکنواخت در سراسر قطعه حاصل شود.
.در صورت استفاده از نرمکنندههای جدید یا جایگزین، توصیه میشود مطالعه تطبیقی با نرمکنندههای مرجع انجام شود.
.نرمکنندهها میتوانند بر فرآیند تزریق و دمای مذاب تاثیر بگذارند؛ بنابراین تنظیم دقیق پارامترهای فرآیند همراه با افزودن
۳. آلیاژسازی و ترکیب پلیمرها
یکی از روشهای مؤثر برای افزایش نرمی، ترکیب دو یا چند پلیمر با یکدیگر است:
- PP + TPE: قطعاتی سبک و انعطافپذیر برای خودروسازی و بستهبندی.
- PC + ABS: بهبود انعطافپذیری همراه با استحکام و زیبایی ظاهری.
- PVC + EVA: ترکیب برای افزایش نرمی در کاربردهای خاص.
آلیاژسازی علاوه بر افزایش انعطافپذیری، باعث ایجاد تعادل بین استحکام و نرمی نیز میشود.
۴. طراحی مناسب قطعه
حتی با استفاده از مواد مناسب، طراحی هندسی قطعه نقش مهمی در انعطافپذیری دارد:
- کاهش ضخامت دیوارهها در بخشهایی که نیاز به انعطاف دارند.
- افزودن خطوط خم یا نازککاری (Living Hinge): برای ایجاد نقاط انعطاف.
- استفاده از ساختارهای مشبک یا هندسه نرم برای توزیع تنش و افزایش انعطاف.
۵. کنترل پارامترهای فرآیند تزریق
در تولید قطعات پلاستیکی نرم و انعطافپذیر، تنظیم دقیق پارامترهای فرآیند تزریق نقش کلیدی دارد. این پارامترها تأثیر مستقیمی بر خواص مکانیکی، یکنواختی و نرمی قطعه دارند و کوچکترین تغییر میتواند باعث ایجاد نقاط سفت، تنش داخلی یا کاهش انعطافپذیری شود. مهمترین پارامترها عبارتند از:
۱. دمای مذاب (Melt Temperature)
- دمای مذاب بالاتر باعث کاهش ویسکوزیته پلیمر میشود و جریان مذاب در حفره قالب یکنواختتر و کاملتر انجام میگیرد.
- جریان مناسب مذاب باعث تولید قطعات نرم و انعطافپذیر میشود و از ایجاد نواحی سفت یا خطوط جوش جلوگیری میکند.
- با این حال، دمای بیش از حد بالا ممکن است نرمکنندهها و برخی افزودنیها را تجزیه کرده و خواص نهایی قطعه را کاهش دهد. بنابراین انتخاب محدوده دمایی بهینه، متناسب با نوع پلیمر و میزان نرمکننده، ضروری است.
۲. دمای قالب (Mold Temperature)
- قالبهای گرمتر باعث انجماد آهسته و یکنواخت مذاب میشوند و تنشهای داخلی در قطعه کاهش مییابد.
- کاهش تنش داخلی باعث افزایش انعطافپذیری و نرم شدن قطعه میشود، خصوصاً در پلیمرهایی مانند PVC نرم، TPE و LDPE.
- قالبهای خیلی سرد باعث سرد شدن سریع مذاب، ایجاد نقاط سخت و کاهش انعطافپذیری میشوند و اثر نرمکنندهها را تا حدی خنثی میکنند.
۳. فشار و سرعت تزریق (Injection Pressure & Speed)
- تنظیم بهینه فشار و سرعت تزریق موجب جریان یکنواخت مذاب و پر شدن کامل قالب بدون ایجاد تراکم یا تنش بیش از حد میشود.
- فشار بیش از حد میتواند باعث تراکم زیاد مواد، افزایش سختی سطح و کاهش نرمی قطعه گردد.
- سرعت تزریق باید متناسب با ضخامت و نوع قطعه باشد؛ سرعت کم موجب جریان نامتقارن و نواحی سفت و سرعت خیلی بالا میتواند باعث حباب، خطوط جوش و ایجاد تنشهای داخلی شود.
۶. استفاده از مستربچها و افزودنیهای خاص
استفاده از مستربچها (Masterbatches) یکی از روشهای مهم برای بهبود خواص مکانیکی، نرمی و انعطاف قطعات پلاستیکی است. این افزودنیها بهصورت پیشمخلوط با پلیمر به مواد پایه اضافه میشوند و میتوانند ویژگیهای خاصی را به قطعه نهایی بدهند. مهمترین انواع مستربچهای مرتبط با نرمی قطعات عبارتند از:
۱. مستربچ نرمکننده (Plasticizer Masterbatch)
- این نوع مستربچها باعث افزایش حرکت زنجیرههای پلیمری میشوند و در نتیجه قطعه نرمتر و انعطافپذیرتر خواهد بود.
- بهبود نرمی باعث میشود قطعه قابلیت خم شدن، کشش و پیچش بیشتری داشته باشد بدون اینکه دچار شکست یا ترک شود.
- استفاده از مستربچ نرمکننده به ویژه در PVC نرم، TPE و LDPE اهمیت دارد و میزان مصرف باید با توجه به نوع پلیمر و ضخامت قطعه تنظیم شود تا خواص مکانیکی حفظ شود.
- مزایای اضافی شامل کاهش سختی سطح، بهبود راحتی در فرآیند تولید و افزایش کیفیت ظاهری قطعه است.
۲. مستربچ ضد ضربه (Impact Modifier)
- این مستربچها باعث افزایش مقاومت در برابر ضربه و کاهش شکنندگی قطعات میشوند.
- ترکیب مستربچ ضد ضربه با نرمکننده باعث میشود قطعه علاوه بر انعطاف، توانایی جذب انرژی ضربه را داشته باشد و در کاربردهای صنعتی و مصرفی که تحت فشار یا ضربه قرار میگیرند، عملکرد بهتری داشته باشد.
- در پلیمرهای نیمهکریستالی مانند PP یا LDPE، استفاده از این نوع مستربچ کمک میکند تا نرمی افزایش یابد و همزمان قطعه شکننده نشود.
۳. مستربچ روانکننده (Processing Aid / Flow Improver)
- روانکنندهها باعث بهبود جریان مذاب در قالب میشوند و اجازه میدهند مواد بهطور یکنواخت حفره قالب را پر کنند.
- این ویژگی علاوه بر تسهیل فرآیند تولید، تنشهای داخلی در قطعه را کاهش میدهد و از ایجاد نقاط سخت یا نواحی نامتوازن جلوگیری میکند.
- روانکنندهها به ویژه در قطعات نرم حساس، مانند محصولات پزشکی یا قطعاتی که نیاز به سطح صاف و یکنواخت دارند، اهمیت دارند.
۷. توجه به الزامات کاربردی و زیستمحیطی
- در صنایع غذایی و پزشکی، استفاده از نرمکنندههای ایمن (Non-Phthalate) الزامی است.
- انتخاب مواد بازیافتی با کیفیت پایین میتواند منجر به کاهش انعطافپذیری شود.
- استفاده از مواد زیستتخریبپذیر (Bio-based Plastics) با افزودنیهای مناسب نیز رو به گسترش است.
۸. چالشها و مشکلات افزایش نرمی
| مشکل رایج | علت احتمالی | راهحل پیشنهادی |
| کاهش مقاومت مکانیکی | استفاده بیش از حد از نرمکنندهها | انتخاب درصد بهینه و استفاده از آلیاژها |
| مهاجرت نرمکننده به سطح | نرمکنندههای نامناسب یا ارزانقیمت | استفاده از نرمکنندههای باکیفیت و پایدار |
| کاهش مقاومت حرارتی | استفاده زیاد از افزودنیهای نرمکننده | انتخاب ترکیب مقاوم به حرارت |
| تغییر رنگ یا ظاهر | ناسازگاری پلیمر با نرمکننده | انتخاب مستربچ یا افزودنیهای سازگار |
| افت خواص در طول زمان | تبخیر یا مهاجرت نرمکننده | استفاده از نرمکنندههای پایدار بلندمدت |
نتیجهگیری
افزایش نرمی و انعطافپذیری قطعات پلاستیکی یک موضوع کلیدی در صنایع مختلف است و دستیابی به آن نیازمند ترکیب صحیح انتخاب مواد اولیه، طراحی مناسب، افزودنیهای تخصصی و کنترل دقیق فرآیند تولید است.
- در سطح مواد اولیه، استفاده از پلیمرهایی مانند TPE، LDPE، PP و PVC نرم بیشترین اثر را دارد.
- در سطح افزودنیها، نرمکنندهها و مستربچهای ضد ضربه نقش مهمی ایفا میکنند.
- طراحی هوشمندانه و کنترل پارامترهای تزریق نیز میتواند تنشها را کاهش داده و نرمی بیشتری ایجاد کند.
در نهایت، تولیدکنندگانی که به این عوامل توجه کنند میتوانند قطعاتی با دوام، نرم و کاربرپسند تولید کرده و در بازار رقابتی امروز جایگاه بهتری به دست آورند.
سؤال متداول (FAQ)
نرمکنندهها موادی هستند که به پلیمر اضافه میشوند تا حرکت زنجیرههای پلیمری راحتتر شود. این موضوع باعث کاهش سختی و افزایش انعطافپذیری، مقاومت در برابر ضربه و سهولت فرآیند تزریق میشود.
پلیمرهای انعطافپذیر شامل LDPE، TPE، PVC نرم و PP-Random Copolymer هستند که بهصورت طبیعی انعطافپذیری بالایی دارند و قابلیت خم شدن و برگشت به حالت اولیه را دارند.
نرمکنندهها شامل فتالاتها (Phthalates) و غیر فتالاتی (Non-Phthalate) هستند. شکل آنها میتواند مایع یا جامد باشد که بسته به نوع پلیمر و فرآیند انتخاب میشوند.
مصرف بیش از حد میتواند باعث کاهش مقاومت مکانیکی، کاهش مقاومت حرارتی، افزایش مهاجرت نرمکننده به سطح و کاهش طول عمر قطعه شود.
مستربچ نرمکننده باعث افزایش حرکت زنجیرههای پلیمری میشود، مستربچ ضد ضربه مقاومت به ضربه را بالا میبرد و مستربچ روانکننده جریان مذاب را یکنواخت کرده و تنشهای داخلی را کاهش میدهد.
دمای بالاتر مذاب ویسکوزیته را کاهش میدهد و جریان یکنواخت را تضمین میکند. قالبهای کمی گرمتر مانع از ایجاد تنش داخلی شده و انعطافپذیری قطعه را افزایش میدهند.
ترکیب دو یا چند پلیمر مانند PP + TPE یا PVC + EVA باعث ایجاد تعادل بین انعطاف و مقاومت مکانیکی شده و نرمی قطعه افزایش مییابد.
کاهش ضخامت دیوارهها، افزودن خطوط خم (Living Hinge) و استفاده از ساختارهای مشبک باعث توزیع بهتر تنش و افزایش نرمی قطعه میشوند.
این نرمکنندهها سازگارتر با محیط زیست هستند، مهاجرت کمتری دارند و برای کاربردهای پزشکی، غذایی و کودک ایمنتر هستند.
چالشها شامل کاهش مقاومت مکانیکی، مهاجرت نرمکننده، کاهش مقاومت حرارتی، تغییر رنگ و افت خواص در طول زمان هستند که با انتخاب صحیح نرمکننده، مستربچ و کنترل فرآیند قابل رفعاند.
منبع معتبر (References)
- Rosato, D. V., Rosato, D. V., & Rosato, M. G. (2011). Injection Molding Handbook. Springer.
- Osswald, T. A., & Hernández-Ortiz, J. P. (2006). Polymer Processing: Modeling and Simulation. Hanser Publishers.
- Harper, C. A. (2006). Handbook of Plastics, Elastomers, and Composites. McGraw-Hill.
- Brydson, J. A. (1999). Plastics Materials. Butterworth-Heinemann.
- Strong, A. B. (2006). Plastics: Materials and Processing. Pearson.
