رزین پلی یورتان بر پایه آب، مبتنی بر روغن سویای اپوکسی و پخت شونده با اشعه ی ماوراء بنفش برای پوشش های چوبی
1. مقدمه
در سالهای اخیر، پوشش های چوبیِ بر پایه ی آب و پخت شونده با ماوراء بنفش در صنعت مورد توجه قرار گرفته اند. در حقیقت ترکیب این ویژگی ( برپایه آب بودن پوشش ها) و تکنولوژی پخت با اشعه ی ماوراء بنفش به دلیل ساخت عالی این پوشش ها و قابل کاربرد بودن آنها و سازگاری با محیط زیست، موجب رشد و توسعه در صنعت شده اند. رزین آب-پایه ی پلی یورتان آکریلات (PUA) به دلیل وجود پیوندهای کربنی و پیوندهای اورتان دارای چسبندگی، انعطاف پذیری، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر آب و هوا میباشد و به طور گسترده ای به عنوان پوشش های آب-پایه ی پخت شونده با اشعه ی ماوراء بنفش استفاده می شود. پوشش های چوبی پلی یورتان آکریلات که بر پایه آب بوده و قدیمی اند، به طور کلی از مواد خام مبتنی بر نفت سنتز میشوند که نه تنها باعث کاهش منابع نفتی میشوند، بلکه مشکلات آلودگی زیست-محیطی را نیز ایجاد میکنند. از طرف دیگر، روغن های گیاهی به عنوان نوعی انرژی زیستی با تولید جهانی زیاد، دسترسی آسان، هزینه کم، ساختار منحصر به فرد تری گلیسیرید، سهولت اصلاح و خواص زیست تخریب پذیری مطلوب، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند.
(Acrylated Epoxidized Soybean Oil) AESO یکی از مشتقات روغن سویا است که از واکنش باز کردن حلقه ی رزین اپوکسی-روغن سویا (ESO) با اسید اکریلیک تهیه میشود. به دلیل این که گروه‌های اکریلات و اپوکسی موجود در AESO، بسیار واکنش‌پذیر هستند، می‌توانند با ترکیب با سایر اجزا یک شبکه ی پلیمری انعطاف‌پذیر را به وجود آورند و همچنین می‌توانند به عنوان مونومر با کوپلیمریزه شدن ، یک رزین زیست-پایه را تشکیل دهند. علاوه بر این، زنجیر بلند و غیر قطبی اسید چرب AESO باعث میشود که پوشش دارای خواص عالی حرارتی و سختی باشد که در زمینه پلی یورتان اکریلات نیز توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در مقایسه با تکنولوژی پخت قدیمی، پخت با تکنولوژی UV LED دارای مزایای برجسته ای از جمله مصرف کم انرژی ، حفاظت از محیط زیست در فرآیند آماده سازی، دوام خوب و راندمان بالا است. بنابراین، تکنولوژی پخت UV LED به طور گسترده ای در پوشش ها، جوهرها، چاپ و سایر زمینه ها استفاده شده است. در مواردی از این روش به منظور پخت پوشش های آکریلات بدون چسبندگی، فتوپلیمریزاسیون کاتیونی ترکیبات اپوکسی و دی وینیل اتر استفاده شده است. همچنین از این روش برای جلوگیری از تغییر شکل پوشش های حساس به حرارت مانند سطح چوب استفاده میشود. به همین دلیل UV LED در زمینه ی پوشش های چوبی محبوب است.
در این مقاله، با ترکیب پوشش‌های آب-پایه و تکنولوژی UV LED، یک رزین پلی یورتان اکریلات (PUA ) بر پایه ی روغن سویا- اپوکسی و پخت شونده با UV برای پوشش‌های چوبی طراحی و بررسی شد. AESO به عنوان یک ماده خام بیولوژیکی تهیه شد و PETA به سیستم اضافه شد تا پوشش با سرعت بیشتری پخت شود. سیستم UV LED ارائه شده در این مقاله خواص مکانیکی پوشش، سرعت پخت و سختی پوشش های چوب را بهبود می بخشد. این روش برای بهبود راندمان پوشش، صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف اهمیت زیادی دارد.
2. روش های آماده سازی
2.1. سنتز روغن سویا با اپوکسی آکریلات (AESO)
25.47 گرم ESO و 0.15 گرم هیدروکینون درون یک فلاسک 250 میلی لیتری ته گرد اضافه شده که حاوی همزن مکانیکی، کندانسور، دماسنج و دهانه نیتروژنی بود. این ترکیب شیمیایی، تحت حفاظت نیتروژن با استفاده از حمام روغن به دمای 110 درجه سانتیگراد رسید. مخلوطی از اسید تری فنیل فسفونیک (0.39 گرم) و اسید اکریلیک (6.86 گرم) با سرعت ثابت از طریق پمپ پریستالتیک به مدت 2 ساعت به صورت قطره قطره به مخلوط واکنش اضافه شد. پس از افزودن محلول، دما به 120 درجه سانتیگراد رسید و عدد اسیدی محصول در هر ساعت اندازه گیری شد. مصرف گروه اسیدی کربوکسیل در رزین اکریلیک و باز شدن حلقه ی اپوکسی، پیشروی واکنش را نشان میداد و زمانی که مقدار عدد اسیدی به کمتر از 5 میلی گرم KOH/g رسید واکنش متوقف شد و AESO به دست آمد. پس از رسیدن به دمای اتاق، محصول ابتدا در متیل اتیل کتون حل شد و سپس برای رسوب در اتر نفتی ریخته شد. پس از جداسازی رسوب، این مرحله دو یا چند بار برای حذف اسید اکریلیک غیر قابل واکنش و بدست آمدن AESO تکرار شد (شکل 1).
شکل 1. فرآیند سنتز AESO
2.2 . سنتز امولسیون پلی اورتان آکریلات
از آن جایی که برای انجام واکنش، نسبت مولی گروه های هیدروکسیل به گروه ایزوسیانات 0.9 است، 3.5 گرم DMPA، 21.65 گرم IPDI، 2.22 گرم BDO و 50 گرم بوتانون به یک فلاسک 250 میلی لیتری ته گرد حاوی دماسنج، کندانسور کروی، همزن مکانیکی و قیف قطره چکان اضافه شدند. فلاسک در یک حمام آب ترموستاتیک در دمای 80 درجه سانتیگراد قرار داده شد و به مدت 1.5 ساعت در اتمسفر نیتروژن واکنش داد. سرعت هم زدن در طول واکنش 500-750 دور در دقیقه بود. پس از گذشت 1.5 ساعت، 17.50 گرم AESO و 15 گرم بوتانون به صورت قطره ای به مدت 30 دقیقه از طریق قیف به فلاسک اضافه شدند. پس از 4 ساعت از واکنش، 2.50 گرم PETA از طریق قیف قطره ای به مدت 15 دقیقه به داخل سیستم ریخته شد. پس از 2 ساعت، محتوای گروه ایزوسیانات با روش دی-ان-بوتیلامین تعیین شد. زمانی که محتوای گروه ایزوسیانات آزاد به کمتر از 0.5 درصد رسید واکنش خاتمه یافت. سپس دما به 30 درجه سانتیگراد کاهش یافت و 2.64 گرم تری اتیل آمین (TEA) به مواد اضافه شد و به مدت 30 دقیقه به عمل آمد. پیش- پلیمر به دست آمده در آسیاب شن و ماسه ی چند منظوره قرار داده شد و آب مقطر (30 درصد محتوای جامد) به صورت قطره ای به آن اضافه شد و امولسیون به مدت 45 دقیقه تحت دور همزن 2000 دور بر دقیقه به دست آمد. در نهایت، از تبخیر چرخشی برای حذف متیل اتیل کتون استفاده شد و دیسپرشن پلی یورتان آکریلات (PUA) آب-پایه به دست آمد. ( شکل 2 و جدول 1 ).
شکل 2. فرآیند سنتز رزین PUA
جدول 1. فرمولاسیون آماده سازی دیسپرشن PUA
4 درصد وزنی IRGACURE 819 به PUA اضافه گردید و مخلوط به مدت 30 دقیقه در دمای اتاق هم زده شد و برای استفاده کنار گذاشته شد.
2. 3. تهیه فیلم و پوشش
تهیه فیلم: امولسیون پلی اورتان آکریلات آب پایه در قالب پلی تترا فلوئورواتیلن به ابعاد 45× 12× 1 میلیمتر ریخته شد. پس از نگهداری در دمای اتاق به مدت 1 روز، فیلم در یک آون مادون قرمز در دمای 50 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت خشک شد تا اطمینان حاصل شود که آب کاملاً خارج شده است. در نهایت، فیلم تحت یک نور UV LED با طول موج 395 نانومتر پخت شد. فیلمها به مدت 10 روز در محیط نگهداری شدند تا قبل از آزمایشات مربوط به پوشش، خشک شوند.
آماده سازی برای پوشش چوب: نمونه ی چوبی (250 میلی متر × 96 میلی متر × 15 میلی متر) در جهت دانه های چوب، با سمبادهی 320 صاف شد. پس از حذف خاک چوب حاصل از سمباده زنی ، امولسیون پلی اورتان-آکریلات آب-پایه به طور یکنواخت روی سطح نمونههای چوبی اعمال شد و به مدت 10 ثانیه قبل از خشک شدن، در آون با دمای 50 درجه سانتیگراد قرار گرفت. سپس نمونه‌ها خارج شدند و تحت تابش LED UV با تشعشعات 15000 mJ/cm2 به مدت 5 ثانیه با فاصله تابش 5 سانتی‌متر و سرعت حرکت 0.8 متر بر دقیقه پخت شدند. این پروسه سه بار تکرار شد و ضخامت نهایی فیلم 78-72 میکرومتر بود. نمونه ها به مدت 10 روز در شرایط محیطی نگهداری شدند و سپس عملکرد پوشش مورد آزمایش قرار گرفت. شکل 3 روش پخت نمونه ی کف چوبی را نشان می دهد.
شکل 3. روش پخت نمونه ی چوبی
عملکرد پوشش های چوبی
نتایج عملکرد پوشش چوب با مقادیر مختلف AESO مانند مقاومت در برابر سایش، چسبندگی، جذب آب، براقیت و سختی، در جدول 3 نشان داده شده است. یکی از عوامل مهم موثر بر عملکرد فیلم، میزان اتصال عرضی بین پلیمرها بود. با افزایش مداوم مقدار AESO، تعداد گروه‌های هیدروکسیل و پیوندهای دوگانه پلی‌ال‌ها در سیستم و مقدار C=C در پوشش‌های چوب نهایی افزایش یافت. بنابراین، چگالی اتصال عرضی در فیلم ، سختی و چسبندگی افزایش یافت و جذب آب کاهش یافت. تغییر مقاومت سایشی و براقیت پوشش چوب مشهود نبود.
جدول 2. تاثیر اجزای مختلف بر عملکرد پوشش چوب
3. نتیجه گیری
در این مطالعه روغن سویا-اپوکسی توسط اسید اکریلیک برای تولید AESO اصلاح شد. امولسیون PUA آب-پایه مبتنی بر سویا- اپوکسی و پخت شونده با UV-LED تهیه شد. طیف هیدروژن تایید کرد که پیوند دوگانه ی اسید اکریلیک باعث باز شدن حلقه ی رزین سویا-اپوکسی شد و AESO با موفقیت تهیه شد. هنگامی که مقدار AESO، چهل و پنج درصد بود امولسیون، پایدار ، اندازه ذرات کوچک و توزیع یکنواخت بود و در طی 6 ماه هیچ اثری از رسوب و لایه بندی مشاهده نشد. علاوه بر این رزین PUA آب-پایه ، تحت تابش یک لامپ UV LED 395 نانومتری، می‌تواند به سرعت در مدت زمان کوتاهی روی سطح چوب پخت شود که در زمینه ی پوشش‌های چوب بسیار امیدوارکننده است.