مقدمه
عایق‌های مختلفی برای محافظت از کابل‌ها و سیم‌ها به منظور جلوگیری از مرگ افراد توسط برق استفاده می‌شوند. پلی(وینیل کلرید) (PVC) ارزان قیمت و نسبتا مقاوم در برابر اشتعال، رطوبت و ساییدگی یکی از آینده‌دارترین مواد برای عایق‌کاری سیم‌ها است. اما در برخی موارد و در دماهای بالا می‌توان بقایای ترکیبات روغنی را روی سطح تجهیزات الکتریکی مشاهده کرد. طبق نتایج تست‌ها، این ترکیبات در واقع نرم‌کننده یا روان‌کننده‌هایی هستند که به رزین PVC اضافه شده‌اند تا باعث انعطاف‌پذیری آن شوند. PVC خام یک ماده سخت است چون فاصله بین مولکول‌های آن کوتاه است و پیوند کووالانسی بالایی دارند. زمانی که روان‌کننده‌ها اضافه می‌شوند، مولکول‌های روان‌کننده توسط اتصال ثانویه بین مولکول‌های PVC قرار می‌گیرند و فاصله بین مولکول‌های PVC را افزایش می‌دهند و باعث انعطاف‌پذیری ساختار می‌شوند. همان طور که گفته شد، دماهای بالا و رطوبت می‌توانند اتصال ثانویه و نسبتا ضعیف بین روان‌کننده و PVC را بشکنند. زمانی که روان‌کننده بدلیل دماهای بالا از عایق PVC جدا می‌شود، چندین اثر نامطلوب رخ می‌دهد: الف) پیوندهای دوگانه ایجاد می‌شوند و مولکول‌های HCl از زنجیر مولکولی PVC جدا می‌شوند، ب) با جابجایی روان‌کننده، عایق انعطاف‌پذیر ممکن است سفت شود، ج) بقایای ترکیبات روغنی روی سطح تجهیزات و قطعات الکتریکی باعث کاهش عمر محصولات می‌شوند. حداقل دو گزینه برای جلوگیری از تجزیه حرارتی عایق PVC وجود دارد: 1) افزودن عامل‌های شیمیایی ایجاد پیوند عرضی می‌تواند از جابجایی روان‌کننده جلوگیری کند و باعث خواص مکانیکی بهتر شود به نحوی که یک اتم کلر از زنجیر اصلی PVC جدا می‌شود و با واحدهای ایجاد پیوند عرضی جایگزین می‌شود. این عامل‌های پیوند عرضی بعنوان یک مانع برای مولکول‌های روان‌کننده عمل می‌کنند و از حرکت مولکول‌های روان‌کننده جلوگیری می‌کنند. یکی دیگر از مزایای استفاده از عامل‌های ایجاد پیوند عرضی این است که زنجیرها را محکم‌تر نگه می‌دارند و مدول کششی یانگ و ازدیاد طول کششی تا نقطه پارگی را بهبود می‌بخشند. 2) پلیمرهای آلی مانند PVC به راحتی با مولکول‌های اکسیژن واکنش می‌دهند و باعث اکسیداسیون و شکسته شدن زنجیرهای ماکرومولکولی می‌شوند. این فرایند را می‌توان با گرما یا تنش مکانیکی شروع کرد که باعث تشکیل رادیکال‌های آزاد می‌شود. این رادیکال‌ها می‌توانند با اکسیژن واکنش دهند و باعث یک مکانیزم تجزیه (تخریب) مانند واکنش زنجیری شوند. مکانیزم عمل یک آنتی‌اکسیدان اولیه متشکل از گروه‌های فنول بررسی شده است. استفاده از آنتی‌اکسیدان‌ها می‌تواند در فرایند اکسیداسیون زنجیر تداخل ایجاد کند و با تداخل در چرخه اولیه اکسیداسیون و کاهش گسترش رادیکال‌های آزاد نیز این رادیکال‌ها را به دام اندازد. برای مقایسه این دو مکانیزم یعنی استفاده از عامل‌های ایجاد پیوند عرضی و آنتی‌اکسیدان‌ها، دما بمدت 1 هفته روی ماکزیمم دمای قابل تحمل توسط PVC یعنی 136 درجه سانتی‌گراد تنظیم شد. برای بررسی خواص آن پس از قرارگیری در معرض حرارت، تست‌های مورد نظر (قبل و بعد از حرارت‌دهی) در دمای اتاق انجام شدند.
بخش تجربی
مواد
یک کابل PVC تجاری و ولتاژ پایین و روان‌کننده از شرکت Encore Wire Corporation خریداری شدند. نمونه کنترل در واقع نمونه قبل از افزودن عامل ایجاد پیوند عرضی و آنتی‌اکسیدان بود. اگرچه پایدارکننده‌های حرارتی باعث افزایش پایداری حرارتی در دماهای بالا می‌شوند، عامل‌های ایجاد پیوند عرضی و آنتی‌اکسیدان‌ها نیز در پایداری حرارتی بالاتر نقش دارند. از آنجایی که عامل‌های پیوند عرضی و آنتی‌اکسیدان‌ها از PVC گران‌تر هستند، ما از هر کدام در غلظت %4wt استفاده می‌کنیم که غلظت بالایی نیست ولی برای ایجاد اثرات قابل ملموس کافی است.
آماده‌سازی نمونه: برای آماده‌سازی یک مخلوط همگن از ترکیبات، یک صفحه داغ (SCILOGEX MS-H280-Pro) و همزن (Caframo Petite Digital Stirrer BDC250UI) استفاده شدند. ابتدا PVC تا دمای 70 درجه سانتی‌گراد گرم شد و با سرعت 1300 تا rev/min 1500 همزده شد. سپس دما تا 90 درجه سانتی‌گراد افزایش یافت. پس از 5 دقیقه، تمامی ترکیبات دیگر بر اساس فرمول زیر اضافه شدند:
(%:PVC100phr+ PL(25phr) + TS (3phr) + CA(4wt:%) + AO(4wt
که در آن CA، TS، PL و AO به ترتیب روان‌کننده، پایدارکننده حرارتی، عامل ایجاد پیوند عرضی و آنتی‌اکسیدان هستند. نمونه‌های لازم با استفاده از اکستروژن (Thermo Electron Corp. HAAKE PolyDrive Extruder) و بصورت پودر بدست آمدند. دما حین فرایند اکستروژن و در چهار ناحیه اول آن بین 195 تا 220 درجه سانتی‌گراد بود و ماردون دستگاه با یک شکاف50mm آماده شده بود تا ورق‌های صاف PVC تولید شوند.
فرسودگی (کهنگی) حرارتی: نمونه‌ها بمدت 1 هفته و با استفاده از دستگاه آون خلأ Shellab 1408 Economy در معرض دمای 136 درجه سانتی‌گراد قرار گرفتند. این آون دمای ثابتی را فراهم می‌کند در حالی که از تمام ظرفیت خلأ آن استفاده نمی‌شود. برای ایجاد شرایط فرسودگی واقع‌بینانه، تست‌ها در هوا با فشار اتمسفری انجام شدند. جدول زیر تغییر رنگ نمونه‌ها در هر روز و بمدت یک هفته را نشان می‌دهد. رنگ نمونه‌ها پس از کهنه شدن از زرد به قهوه‌ای و به رنگ تیره درآمد. دلیل آن نیز تشکیل پیوندهای دوگانه در PVC است. تجزیه حرارتی PVC با حذف اتم‌های هیدروژن و کلر روی اتم‌های کربن و ایجاد مولکول‌های HCl و پیوندهای دوگانه رخ می‌دهد. مولکول‌های HCl استخراج می‌شوند و طول پیوندهای دوگانه را می‌توان به رنگ نمونه‌ها نسبت داد.
تصاویر سطح نمونه‌ها حین فرسودگی حرارتی در دمای 136 درجه سانتی‌گراد بمدت 1 هفته
تست کشش: نمونه‌های استاندارد و شبیه به استخوان از نمونه‌های PVC بریده شدند. نمونه‌ها در دستگاه کشش MTS Universal Testing Machine QTEST/5 با سرعت کشش 5mm/min تست شدند تا مدول یانگ و ازدیاد طول آنها تعیین شود.
تست ساییدگی: برای تعیین کارآمدی عامل‌های ایجاد پیوند عرضی و آنتی‌اکسیدان‌ها، اصطکاک دینامیکی با استفاده از یک دستگاه سوزن روی صفحه ساخت شرکت Nanovea Inc تعیین شد. هر نمونه با نیرویی معادل N5 روی صفحه در حال چرخش نگه داشته شد. یک گوی از جنس فولاد ضدزنگ و به قطر 2/3mm استفاده شد. شرایط تست عبارتند از: 6000 دور، شعاع دنباله 2mm و سرعت چرخش 200rev/min.
زبری‌سنجی: پس از تست ساییدگی، تست‌های زبری‌سنجی را انجام دادیم تا سرعت ساییدگی مشخص شود که نشان‌دهنده میزان سایش نمونه‌ها است. سرعت پایین‌تر ساییدگی نشانگر مقاومت بهتر در برابر سایش است.
جذب آب: هر نمونه درون یک بشر حاوی آب 90 درجه سانتی‌گراد قرار داده شد و افزایش وزن آن بمدت 7 روز اندازه‌گیری شد تا جذب آب در آن مشخص گردد.
مشاهده سطح مقطع نمونه‌ها: تصاویر SEM (میکروسکوپ الکترونی روبشی) از سطح مقطع نمونه‌ها با استفاده از دستگاه Quanta 200 SEM ثبت شد. نمونه‌ها با Cu اتم‌پاشی شدند که حاصل آن یک لایه 10 نانومتری بود تا تغییرات نمونه‌ها پس از حرارت‌دهی مشخص شود.
نتیجه‌گیری‌ها
رفتار پلیمرها در دماهای بالا از جمله در شرایط آتش‌سوزی را می‌توان از چندین جنبه مانند مسمومیت ناشی از احتراق، آنالیز گاز حاصل از احتراق و استفاده از روش‌های افزایش مقاومت در برابر آتش بررسی کرد. نتایج نشان می‌دهد که این رفتار شدیدا به پلیمر پایه وابسته است. کاربردهای PVC بسیار گسترده است و هم‌چنان در حال افزایش است. به همین دلیل، چاپمن و همکارانش PVC آبگریز را ساختند. چنین ماده‌ای را می‌توان برای جلوگیری از فولینگ یا رسوب‌گرفتگی در محیط‌های دریایی استفاده کرد. کارآمدی افزودن عامل‌های ایجاد پیوند عرضی و آنتی‌اکسیدان‌ها به PVC توسط تست‌های مکانیکی، فرسایشی، جذب آب و تصاویر SEM بررسی شد. مخلوط‌هایی از هر دو این ترکیبات سازگاری خوبی را با عایق‌های PVC تجاری نشان دادند و از همه مهمتر اینکه فرسودگی نمونه‌ها حین نگهداری آنها بمدت 1 هفته در دمای 136 درجه سانتی‌گراد را کاهش دادند. ما به این نتیجه رسیدیم که مخلوط‌هایی از عامل‌های ایجاد پیوند عرضی و آنتی‌اکسیدان‌ها می‌توانند خواص عایق‌های PVC در دماهای بالا را بهبود بخشند.