نقش سیلیکون سورفکتانت‌ها در فوم پلی یورتان
مقدمه
یکی از مواد افزودنی در تهیه فوم پلی یورتان، سورفکتانت‌ها یا همان ماده عامل فعال سطحی است. این مواد سبب پایداری، تثبیت فوم، امولسیون بهتر مواد مایع و کنترل ابعاد سلول میشود. همچنین سبب اصلاح سطح برای جلوگیری از “پوست پرتقالی” شدن و از بین بردن حفرات میشود. سورفکتانت‌ها می‌توانند از نوع سیلیکونی و غیر‌سیلیکونی باشند. سورفکتانت سیلیکونی، سبب پایداری فوم پلی‌یورتان در طول فرایند فوم شدن، خواهد شد. کاهش کشش سطحی به واسطه مقدار سورفکتانت سیلیکونی، سبب یکنواختی مواد مایعی میشود که در مواردی به دلیل آبدوستی و آبگریزی امتزاج پذیری مطلوبی ندارند. همچنین مواد فعال سطحی با تنظیم اندازه سلول‌ها و یکنواختی سلول‌ها، سبب کنترل ساختار سلولی خواهد شد. به همین جهت، انتخاب سورفکتانت، با توجه به کاربری فوم و خواص نهایی بسیار اهمیت دارد.
معرفی ساختار و تاثیر سورفکتانت سیلیونی در ساختار فوم پلی یورتان
برای تهیه فوم پلی یورتان، حضور ترکیبات فعال سطحی مانند تثبیت کننده‌های فوم (عوامل فعال سطحی) تعیین کننده است. حباب‌های کروی گاز در ابتدا بدلیل انتشار گازهای پف‌زا رشد می‌کنند.
نقش سیلیکون سورفکتانت:
- کاهش کشش سطحی
- امولسیفایر (امولسیون ساز شیمیایی با هوا است. که سبب کاهش کشش سطحی سیستم میشود در نتیجه اختلاط هوا و توزیع را تسهیل میکند در واقع سازگارکننده اختلاط واکنش است).
- کمک به هسته زایی حباب در حین میکس
- پایدارکننده فوم در حال رشد توسط کاهش تنش در دیواره سلولی
- سورفکتانت پدیده drainage مواد را از دیواره‌های حباب‌ها کنترل میکند که از ادغام سلول‌ها در طول فرایند رشد فوم جلوگیری کند.
سیلیکون سورفکتانت یک بخش آبدوست و یک بخش آبگریز دارد و یک ناحیه بین سطحی بین این دو فاز است.
عملکرد سورفکتانت‌های سیلکونی به اصلاح مختلف طول زنجیر اصلی PDMS (پلی دی متیل سیلوکسان) آبگریز، تعداد و طول نسبت ترکیب اتیلن اکساید و پروپیلن اکساید زنجیر جانبی پلی اتر آبدوست بستگی دارد. پارامترهای ساختاری سورفکتانت‌های سیلیکونی مانند نسبت‌های اکسید اتیلن (EO)/(EO + PO) و (EO + PO)/Siعوامل اصلی طراحی و ساخت سورفکتانت‌های سیلیکونی هستند. مقدار اتیلن اکساید زیاد در زنجیر پلی اتری و زیاد بودن زنجیر پلی اتر سبب افزایش پایداری فوم میشود. زنجیر سیلوکسانی طولانی نیز پایداری را افزایش می‌دهد.
شکل 1. ساختار سورفکتانت سیلیکونی در فوم پلی یورتان
سیستم‌های پلی‌اتر conventional نیاز به پایداری خوب و فرایندپذیری خوب دارند. بنابراین باید وزن مولکولی پلی‌اتر/سیلوکسان بالا باشد وزن مولکولی بین 20000 تا 80000 گرم بر مول، با زنجیر پلی اتری گرافت شده بلند و پلی اکسی پروپیلن بالاتر داشته باشند.
سیستم‌های پلی استری نسبت به conventional پایداری بیشتری دارند و نیاز به وزن مولکولی سیلیکون سورفکتانت کمتری دارند. آنها ساختار سلولی امولسیونی خوب هوا و ترکیب را ایجاد می‌کنند. پلی استر فوم نرم نیاز به سورفکتانت با فعالیت کمتر و وزن مولکولی بین 500 تا 1500گرم بر مول و زنجیر پلی اتری کوتاه‌تری دارد.
سیستم‌های HR پایدار هستند و این ناشی از واکنش‌پذیری بالای پلی‌ال‌ها و حضور کراس لینکرها است. موضوع مهم ساختار سلول باز است و مهم تر از آن پایداری است. بنابراین سورفکتانت با وزن مولکولی سیلوکسانی کم و وزن مولکولی پلی‌اتری کم باید استفاده شود. برای فوم نرم قالبی (flexible molded) باید از سیلیکون با وزن مولکولی کم بین 300 تا 1500 گرم بر مول، استفاده شود.
شکل 2. ساختار سیلیکون سورفکتانت برای فوم نرم
سورفکتانت سیلیکونی برای فوم سخت باید فعالیت سطحی بالاتری نسبت به فوم نرم داشته باشد. آنها باید وزن مولکولی بین 1500 تا 15000 گرم بر مول، با زنجیرهای پلی‌اتر پلی‌اکسی اتیلن آبدوست گرافت شده از PDMS آبگریز داشته باشد.
نقش سیلیکون سورفکتانت در پدیده drainage
نازک شدن ناحیه دیواره مشترک این حباب‌ها به دلیل دما، پدیده drainage و عملکرد مویرگی می تواند منجر به پارگی دیواره سلولی شود. این اثر می تواند به سلول های دیگر انتشار یابد و در نتیجه شکاف در کف یا فروپاشی کامل ایجاد کند. سورفکتانت باید عمل کند تا مایع به سمت ناحیه نازک شده کشیده شود و ضخامت اصلی دیواره سلولی را بازیابی کند. سورفکتانت برای تثبیت یا کاهش گرادیان های کشش سطحی (نازک شدن در دیواره های سلولی) عمل می کند و به لایه سطحی اجازه می‌دهد از نواحی با کشش سطحی پایین تر به مناطق با کشش سطحی بالاتر پخش شود، بنابراین فیلم به ضخامت اولیه خود باز می گردد.
شکل 3. اثر و نفش سیلیکون سورفکتانت در پدیده drainage
نقطه ابری
هر چه دمای ابری شدن سورفکتانت پایین‌تر باشد (نزدیک به 25 درجه سانتیگراد و یا کمتر) نشان دهنده این است که سیلیکون سورفکتانت خاصیت هسته‌زایی قوی‌تری و هرچه دمای ابری شدن بالاتر باشد (نزدیک به 90 درجه سانتیگراد) نشان دهنده این است که سیلیکون خاصیت امولسیون سازی و پراکنده سازی بهتری دارد.
با توجه به اینکه آزمون نقطه ابری شدن سورفکتانت در آب انجام میشود، در واقع برهمکنش آن با آب که خاصیت آبدوستی دارد تعیین می‌گردد. به این صورت که اگر نقطه ابری شدن در دماهای خیلی بالا و نزدیک به 90 درجه‌سانتیگراد رخ دهد یعنی جدایی فازی سورفکتانت با آب در دمای بالاتر است پس سورفکتانت مذکور آبدوست‌تر است و بخش اتری آن بیشتر است. در نتیجه امتزاج پذیری آن در سیستم بیشتر است. اما زمانیکه در دمای پایین نقطه ابری شدن رخ دهد (نزدیک به دمای 25 درجه سانتیگراد) آبگریزی بیشتر داشته و بخش اتری آن کمتر است. در نتیجه در سطح بین حباب هوا قرار میگیرد و عامل هسته‌زا خواهد بود. در این مقایسه باید به شروع کننده اتری (EO یا PO) نیز دقت داشت.
بنابراین بر اساس نقطه ابری شدن هر سیلیکون سورفکتانت خواص هسته سازی یا امولسیونی و یا خواص بینابینی آن تعیین می‌گردد و شناسایی سیلیکون سورفکتانت مناسب برای یک سیستم خاص را تسریع میکند.