دوده به عنوان پایدار کننده UV

دوده به عنوان پایدار کننده UV

مقدمه

دوده (Carbon Black) نام عمومی خانواده‌ای از ذرات کربن با سایز کوچک، عموماً آمورف یا پاراکریستالین است که باهم رشد کرده و توده‌ای از ذرات با شکل و ابعاد مختلف تشکیل می‌دهند. دوده شکلی بهبودیافته از کربن است که نسبت سطح به حجم بالایی دارد. این ماده در فاز گاز و از تخریب حرارتی منابع مختلف هیدروکربنی تشکیل می‌شود و در گرید های مختلف تجاری بر اساس اندازه ذرات اولیه، سایز کلوخه و شکل آن، تخلخل، سطح و شیمی سطح وجود دارد.

دوده عموماً به عنوان تقویت‌کننده در تایر و دیگر محصولات لاستیکی استفاده می‌شود. همچنین گریدهای ویژه‌ای به عنوان رنگ مشکی در پلاستیک، رنگ و جوهر و همچنین پرکننده برای ایجاد خاصیت رسانایی در پلیمرها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تاریخچه

استفاده از دوده به عنوان رنگ‌دانه برای رنگ‌ها و جوهرها به تمدن‌های اولیه بشر می‌رسد. از اختراع ماشین چاپ در قرن 15 ام که در شکل‌گیری ارتباطات و انتقال اطلاعات بسیار نقش مهمی داشته است تاکنون، تقاضا برای رنگ‌دانه مشکی باکیفیت، رشد پیوسته داشته است. دوده سنتی دوده چراغ (lampblack) بوده است. در اولین فرایند تهیه دوده چراغ، چوب بدون آتش در اکسیژن بسیار کم، می‌سوخت و دود حاصل به محفظه‌ای مخروطی هدایت می‌شد. دوده رودیواره‌های فلزی، کتانی یا پشمی می‌نشست و چوب نیم‌سوز شده هم به عنوان زغال چوب مورد استفاده قرار می‌گرفت.

در سال 1900، تولیدکننده دوده چراغ Binney، دوده را به شرکت Goodrich Tire که تولیدکننده تایر است فروخت که در ابتدا با هدف مشکی سازی لاستیک سفید استفاده می‌شد. بعداً مشخص شد اضافه کردن دوده منجر به افزایش خواص لاستیک می‌شود. به مرور استفاده از دوده در صنعت لاستیک تبدیل به دانش عمومی و جزئی مهم در صنعت تایر گردید. علاوه بر خاصیت تقویت‌کنندگی، مقاومت دوده در برابر UV و عملکرد آن به عنوان رباینده اوزون، تایر را در برابر نور UV و همچنین اکسید شدن، پایدار می‌کند و از ترک خوردن تایر جلوگیری به عمل می‌آورد. از شارژ الکترواستاتیک جلوگیری کرده و به رسانش گرما از نقاط ویژه خصوصاً عاج تایر کمک می‌کند که می‌تواند با کاهش آسیب‌های گرمایی منجر به افزایش عمر تایر شود.

معرفی لاستیک‌های سنتزی، خصوصاً SBR در خلال جنگ جهانی دوم مصرف دوده را رونق بخشید. خصوصاً که مشخص شد لاستیک‌های سنتزی تقویت‌شده با دوده در برابر سایش بسیار مقاوم‌تر از لاستیک طبیعی عمل می‌کنند. رسانایی حرارتی و الکتریکی، مقاومت در برابر UV و اثر انتی اکسیدانی و استفاده از آن به عنوان رنگ‌دانه، دوده را به ماده‌ای مهم در صنعت پلیمر تبدیل کرده است.

دوده برای حفاظت در برابر UV

عوامل مختلف آب و هوا در تخریب پلیمرها موثرند، مانند تابش، دما، رطوبت و باد. امواج UV به خاطر طول موج کوتاهشان می توانند با زنجیر آلی پلیمرها واکنش دهند و منجر به ایجاد رادیکال آزاد گردند که در تخریب پلیمر نقش دارند. بنابراین تابش UV نور خورشید تاثیر بسزایی بر فرسایش در اثر آب و هوا دارد. بسیاری از پلیمرها به‌خودی‌خود برای استفاده در محیط بیرون به دلیل تخریب سریع ناشی از عملکرد نور و خصوصاً UV، نامناسب‌اند. به‌خصوص در ترکیب با اوزون و دیگر مواد شیمیایی محیطی مهاجم، اجزای نور خورشید می‌توانند منجر به تسریع نرخ تخریب شوند.

حفاظت از قطعات در معرض نور می‌تواند توسط سایبان‌های چتر مانند صورت گیرد که معمولاً ناکارآمد و گران‌قیمت است. بنابراین استفاده از راه‌حلی ساده و ارزان لازم است. پایدارکننده های داخلی که همراه با مواد اولیه وارد قطعه می‌شوند، یک راه‌حل کارآمد است. پایدارکننده ها، نور مخرب UV را جذب یا عبور می‌دهند و انرژی امواج را به گرما تبدیل می‌کنند. گرما به شکلی غیر مخرب در قطعه پراکنده و از آن خارج می‌شود.

دوده نور مرئی و UV را جذب و آن را تبدیل به گرما می‌کند و در نتیجه قطعه را پایدار و برای استفاده در فضای باز مناسب می‌کند. مهم‌ترین ویژگی‌های دوده که بر خاصیت پایدارکنندگی آن اثر می‌گذارد، اندازه ذرات، اندازه توده و شیمی سطح آن است. پایدارسازی در برابر UV توسط دوده در پلیمرها به توانایی آن در جذب و پراکندگی معکوس نور (backscattering) بستگی دارد. هرچه اندازه ذرات اولیه و توده کوچک‌تر باشد، جذب بیشتر و در مقابل پراکندگی معکوس کمتر خواهد شد. برای عملکرد مناسب باید اندازه ذرات کوچک‌تر از 20-25 نانومتر باشد. شیمی سطح نیز اهمیت دارد، گروه‌های اکسیژن‌دار اثربخشی را افزایش می‌دهند چرا که به عنوان رباینده رادیکال عمل می‌کنند.

مثال:

نقطه شکست به طور عمومی هنگامی است که خاصیت مورد مطالعه، برای مثال استحکام کششی، به کمتر از 50% اولیه خود برسد. نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که مواد طبیعی (بدون دوده)، در کمتر از 6 کاه از زمان قرارگیری در فضای آزاد به نقطه شکست می‌رسند. درحالی‌که در قطعات دارای دوده حتی بعد از 30 ماه از قرارگیری در محیط، استحکام بیش از 90% مقدار اولیه است. این نتیجه نشان‌دهنده عملکرد عالی دوده به عنوان پایدارکننده uv است.

دوده در صنایع پلاستیکی زیر می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد:

• پوشش سیم و کابل
• قطعات پلاستیکی اتومبیل
• فیلم‌های کشاورزی
• لوله و پوشش لوله
• به عنوان رنگدانه و مشکی سازی