فوم پلیمری چیست و چگونه تولید می‌شود؟

فوم چیست و فرایند تهیه آن چگونه است؟  کاربرد پیگمنت ها در فوم ها؟

فوم‌های پلیمری دسته‌ای متنوع از مواد هستند که از ترکیب یک فاز جامد با یک فاز گازی تشکیل شده‌اند. این مواد می‌توانند به ‌صورت الاستومر، فوم‌های نرم یا فوم‌های سخت تولید شوند. طیف گسترده‌ای از پلیمرها برای تولید این فوم‌ها در دسترس هستند که از جمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به پلی ‌یورتان‌ها (PU)، پلی‌استایرن (PS)، پلی‌اتیلن (PE)، پلی‌وینیل کلراید (PVC)، پلی‌پروپیلن (PP)، لاستیک نیتریل (NBR)، پلی‌ایزوسیانورات‌ها (PIR)، پلی‌اتیلن-وینیل استات (PEVA) و سایر پلی‌الفین‌ها اشاره کرد. در این میان، چهارمورد نخست از لحاظ حجم تولید، بیشترین سهم را دارند.

دامنه گسترده کاربرد فوم‌های پلیمری، نقش مهمی در رشد اقتصادی آن‌ها داشته است. اهمیت بازار فوم‌هایی مانند  PUعلاوه بر کاربرد به عواملی مانند فرآیند پذیری سریع و آسان آن نیز هم نسبت داده می‌شود که مقیاس‌پذیری تولید آن‌ها را تسهیل کرده‌اند. در این راستا، فوم‌های PU از طریق واکنش افزایشی بین یک مونومر حاوی دو یا چند گروه هیدروکسیل که به آن پلی‌ال گفته می‌شود، با یک مونومر دیگر حاوی دو یا چند گروه ایزوسیانات تولید می‌شوند. در نتیجه این واکنش، پیوند یورتانی (–NHC(O)O–)شکل می‌گیرد. خواص فوم‌های PU به ساختار شیمیایی پلی‌ال‌ها و ایزوسیانات‌ها بستگی دارد. از این رو، خواص نهایی فوم‌ها را می‌توان با انتخاب مناسب ترکیبات، به‌ صورت هدفمند تنظیم کرد. علاوه بر این، فرمولاسیون نیز نقش مهمی در تعیین ویژگی‌های نهایی دارد. حتی تغییرات جزئی در نسبت پلی‌ال به ایزوسیانات، یا در غلظت کاتالیست‌ها، سورفکتانت‌ها، عوامل پف ‌زا و افزودنی‌ها می‌تواند تأثیر قابل‌ توجهی بر خواص نهایی فوم بگذارد.

یکی از اجزای اصلی در فرآیند تولید فوم، عوامل پف ‌زا (Blowing Agents) هستند که موجب آزادسازی گاز در سیستم می‌شوند. فرآیند فوم ‌سازی به سه روش کلی انجام می‌گیرد: استفاده از عوامل پف‌ زای فیزیکی، عوامل پف‌ زای شیمیایی، یا دانه‌های قابل انبساط. این فرآیند به‌ طور کلی شامل سه مرحله‌ی اصلی است: تشکیل سلول، رشد سلول و پایدارسازی.

مرحله ۱ (تشکیل سلول)

در این مرحله، گاز به درون پلیمر مذاب وارد شده و یک محلول پلیمر/گاز ایجاد می‌کند. با افزایش غلظت گاز، حالت فوق‌اشباع به وجود می‌آید و گاز از محلول خارج می‌شود. این فرایند منجر به تشکیل ساختارهای سلولی اولیه درون پلیمر می‌گردد.

مرحله ۲ (رشد سلول)

در این مرحله، سلول‌های اولیه‌ای که شکل گرفته‌اند شروع به رشد می‌کنند. رشد سلول‌ها به فشار گاز درون فوم بستگی دارد؛ به‌ طوری ‌که سلول‌های با حجم کمتر، فشار بیشتری را در خود ذخیره کرده و سریع‌تر رشد می‌کنند. همچنین، در طی فرایند فوم شدن ممکن است پدیده همجوشی (coalescence) رخ دهد، به این معنا که دو سلول به یکدیگر متصل شده و یک سلول بزرگ‌ تر تشکیل دهند. این امر موجب افزایش قطر سلول و در نتیجه کاهش تعداد سلول‌ها می‌شود.

مرحله‌ی نهایی، پایدارسازی سلول‌ها است که برای جلوگیری از فروپاشی ساختار فومی ضروری است. این کار معمولاً با افزودن سورفکتانت‌ها یا خنک ‌سازی سیستم فوم‌ سازی انجام می‌شود.

کاربرد فوم های پلیمری

درک و کنترل جنبه‌های اصلی فرآیند فوم‌سازی نقش کلیدی در طراحی کاربردهای مختلف فوم‌های پلیمری دارد. به‌ عنوان مثال، دستیابی به ساختار سلولی بسته می‌تواند به بهبود خواص عایق حرارتی کمک کند؛ در حالی ‌که ساختار سلولی باز، برای عایق صوتی مناسب‌تر است، زیرا به عبور هوا از میان فوم اجازه می‌دهد و با توجه به تخلخل بالا، امواج صوتی را مستهلک می‌کند.

کاربرد مهم دیگری نیز وجود دارد که شامل توسعه ساختار سلولی باز به‌ صورت سلسله ‌مراتبی همراه با زیست ‌سازگاری است؛ این ویژگی‌ها امکان استفاده از فوم‌های پلیمری را به‌عنوان داربست در کاربردهای زیست ‌پزشکی فراهم می‌کند. در این راستا، دستیابی به یک ساختار میکروسلولی نیازمند مراحلی همچون ایجاد مخلوط یکنواخت بین پلیمر و عامل پف‌زا، هسته‌زایی سریع سلول‌ها، رشد سلولی از طریق نفوذ گاز به درون ماتریس پلیمری و کنترل رشد سلول‌ها با استفاده از خنک‌سازی برای جلوگیری از انبساط بیشتر است.

با وجود این کاربردهای خاص، بسیاری از پلیمرهای ترموپلاستیکی که قابلیت استفاده در فرآیند فوم ‌سازی را دارند، ممکن است استحکام مذاب (melt strength) پایینی از خود نشان دهند و همچنین دارای ویژگی‌های ویسکوالاستیک باشند. این خواص، دامنه دمایی قابل استفاده در فرایند را محدود می‌کند، چرا که می‌تواند منجر به هم‌جوشی سلولی (cell coalescence) و فروپاشی ساختار سلولی شود.

برای رفع این مشکلات، یکی از راهکارها، ایجاد پیوندهای عرضی شیمیایی (crosslinking) و اصلاح ساختار پلیمر به ‌صورت شاخه‌ دار است. از این طریق، استحکام مذاب پلیمر افزایش یافته و قابلیت فوم‌ پذیری آن نیز بهبود می‌یابد.

از دیگر روش‌های رایج‌تر می‌توان به آلیاژسازی یا مخلوط ‌کردن پلیمرهای مختلف اشاره کرد. به‌ عنوان نمونه، در یکی از مطالعات، از ماتریس اسید پلی‌لاکتیک (PLA) که با پلی‌اتیلن گلیکول (PEG) و پلی‌اپسیلون ‌کاپرولاکتون (PCL) تقویت شده بود، استفاده شد. این ترکیب منجر به بهبود خواص حرارتی و مکانیکی فوم گردید.

با این حال، علی ‌رغم بهبود خواص، یکی از چالش‌های رایج در مورد آلیاژهای پلیمری، ایجاد سازگاری و اختلاط مناسب بین اجزای مختلف آن‌هاست. در این راستا، برخی مطالعات استفاده از فرآیند میکروفیبریلاسیون درجا (in-situ micro-fibrillation) را پیشنهاد کرده‌اند که در مواد ترموپلاستیک منجر به بهبود کلی خواص شده است.

روش متداول دیگری که برای افزایش استحکام مذاب و بهبود خواص ویسکوالاستیک فوم‌های پلیمری به کار می‌رود، استفاده از پرکننده‌هاست. این مواد به منظور ایجاد جوانه ‌زنی ناهمگن و تسریع فرایند تبلور استفاده می‌شوند و می‌توانند به افزایش دامنه دمایی فرایند و افزایش استحکام مذاب کمک کنند. برخی از پرکننده‌های متداول در ساخت فوم‌ها شامل الیاف شیشه، تالک، سیلیکا، کربنات کلسیم (CaCO₃)، نانولوله‌های کربنی (CNT)، کربن بلک، گرافن، لیگنین و سلولز هستند.

به ‌عنوان مثال، نانومواد پایه کربن می‌توانند انعطاف ‌پذیری فوم، رسانایی الکتریکی و خواص محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس را افزایش دهند. از سوی دیگر، استفاده از مواد طبیعی مانند لیگنین و سلولز نیز موجب بهبود خواص حرارتی-مکانیکی و همچنین افزایش نرخ زیست ‌تخریب ‌پذیری می‌شود. با این حال، یکی از چالش‌های همیشگی در استفاده از پرکننده‌ها، بهبود قابلیت پراکندگی آن‌هاست، چرا که این ذرات تمایل به تجمع و کلوخه شدن دارند.

با توجه به این جنبه‌های کلی از فرآیند فوم‌سازی در ماتریس‌های پلیمری، ویژگی‌های کلیدی مورد انتظار از فوم‌ها شامل تخلخل بالا، چگالی کم و خواص مکانیکی مطلوب نظیر کشسانی، مقاومت در برابر خزش، و بازیابی بالا پس از اعمال نیروهای فشاری، خمشی یا کششی است. برای دستیابی به این ویژگی‌ها، انتخاب دقیق نوع ماتریس پلیمری با خواص ذاتی مناسب، گاز فوم ‌ساز سازگار با ماتریس و نیز انتخاب فرآیند تولید مناسب برای دستیابی به ساختار سلولی باز یا بسته، بسیار حیاتی است.

دامنه گسترده‌ای از خواص قابل تنظیم در فوم‌های پلیمری، همراه با تنوع زیاد مواد اولیه، امکان کاربرد آن‌ها را در بخش‌های مختلفی همچون ساخت‌ وساز و لوازم خانگی، صنایع خودروسازی، پزشکی، کفش، ضربه ‌گیرها، مبلمان، بسته ‌بندی، عایق‌های الکتریکی، تصفیه آب، فیلترهای آنتی‌باکتریال و بسیاری حوزه‌های دیگر فراهم کرده است.

کاربرد پیگمنت ها در فوم های پلیمری

پیگمنت‌های رنگی در فوم‌های پلیمری مانند فوم‌های پلی‌یورتان (PE) به کار می‌روند تا رنگ ایجاد کنند، زیبایی ظاهری را افزایش دهند و حتی ویژگی‌ها یا عملکردهای خاصی را نشان دهند. پیگمنت‌ها معمولاً به صورت پودری یا خمیر به فوم‌های پلی‌یورتان (PE) افزوده می‌شوند تا اختلاط کامل و شدت رنگ مطلوب حاصل شود. در خمیرهای رنگی، پیگمنت‌ها از قبل در یک حامل (مانند پلی‌استر پلی‌اُل) پخش شده‌اند، و به ‌راحتی در حین تشکیل فوم وارد می‌شوند و اختلاط کامل را تضمین می‌کنند و از مشکلاتی مانند کاهش شدت رنگ یا توزیع ناهمگن جلوگیری می‌نمایند.

پیگمنت ها ارزان‌تر از خمیرها هستند، اما در صورت عدم پخش مناسب می‌توانند باعث توزیع ناهمگن رنگ و کاهش شدت رنگ شوند.

باید دقت شود که متناسب با فوم تولیدی باید طریقه و شیوه استفاده از پیگمنت ها و انتخاب نوع انها (خمیر، دای، پیگمنت) تغییر کند که با مشاوره و راهنمایی کارشناسان شرکت توسعه پردیس سبز امکان پذیر است.

مزایای استفاده از پیگمنت‌ها :

زیبایی :(Aesthetics) رنگ‌دهنده‌ها ظاهر محصولات فومی را جذاب‌تر می‌کنند.

برندسازی و تمایز :(Branding and Differentiation) رنگ‌ها می‌توانند برای ارتباط دادن فوم با یک برند خاص یا برجسته‌سازی ویژگی‌ها به کار روند (مثلاً سبز برای پایداری زیست‌محیطی، قرمز برای مقاومت در برابر آتش).

بهبود خواص :(Improved Properties) در برخی موارد، پیگمنت‌ها می‌توانند بر خواص مکانیکی و حرارتی فوم تأثیر بگذارند.

نکات مهم فوم ها و فوم های پلیمری :

سازگاری :(Compatibility) پیگمنت‌ها باید از نظر شیمیایی با مواد اولیه فوم سازگار باشند تا از واکنش‌های ناخواسته جلوگیری شده و پایداری رنگ حفظ شود.

پخش‌پذیری :(Dispersibility) پیگمنت‌ها باید به ‌راحتی در اجزای فوم پخش شوند و توان تحمل دماهای فرآیندی را داشته باشند.

مهاجرت رنگ :(Color Migration) پیگمنت‌ها نباید در طول زمان از فوم خارج شوند یا نشت کنند.

عوامل محیطی :(Environmental Factors) انتخاب پیگمنت باید با توجه به دوام، مقاومت حرارتی و ثبات نوری انجام گیرد.

هزینه :(Cost) هزینه پیگمنت‌ها می‌تواند بسیار متغیر باشد، بنابراین باید بین نیازهای عملکردی و محدودیت بودجه تعادل برقرار کرد.

منبع

Felipe M. de Souza, Yash Desai, and Ram K. Gupta, Introduction to Polymeric Foams, Chapter 1 2023 American Chemical Society