۱. چگونه اسیدهای دی کربوکسیلیک را برای فرمولاسیون پلی استر پلی ال انتخاب کنیم؟

اسیدهای آروماتیک: بهبود استحکام و مقاومت حرارتی

اسید ایزوفتالیک (IPA) و اسید ترفتالیک (PTA)

اسیدهای دی کربوکسیلیک آروماتیک عمدتاً برای بهبود موارد زیر استفاده می‌شوند:

اسید ترفتالیک (PTA)ساختار خطی بسیار منظم و تمایل شدید به تبلور دارد.

وقتی PTA با دی‌ال‌های زنجیره کوتاه مانند اتیلن گلیکول (EG) یا ۱،۴-بوتاندیول (BDO) واکنش می‌دهد، ساختار پلی‌استر حاصل ممکن است رفتار تبلور قوی نشان دهد و باعث شود پلی‌استر پلی‌اول در دمای اتاق مومی یا جامد شود.

این ممکن است موارد زیر را کاهش دهد:

• ✖سیالیت پردازش
• ✖پایداری ذخیره‌سازی
• ✖راحتی استفاده

بنابراین، پلی‌ال‌های پلی‌استر خالص مبتنی بر PTA به ندرت به تنهایی در فرمولاسیون‌های عملی استفاده می‌شوند.

ایزوفتالیک اسید (IPA)ساختار مولکولی نامتقارن‌تری دارد زیرا دو گروه کربوکسیل در موقعیت متا قرار دارند. این امر تمایل به تبلور را کاهش داده و پایداری مایع را بهبود می‌بخشد.

پلی‌ال‌های پلی‌استر مبتنی بر IPA عموماً موارد زیر را ارائه می‌دهند:

• ✔تری‌گلیسرید بالاتر
• ✔شفافیت بهتر
• ✔بهبود جریان‌پذیری

در بسیاری از فرمولاسیون‌های صنعتی، IPA همراه با PTA یا اسیدهای آلیفاتیک برای ایجاد تعادل بین سفتی و انعطاف‌پذیری اضافه می‌شود.

اسیدهای آلیفاتیک: افزایش انعطاف‌پذیری

اسید آدیپیک (AA)

اسید آدیپیک یکی از رایج‌ترین اسیدهای دی‌کربوکسیلیک آلیفاتیک مورد استفاده در تولید پلی‌استر پلی‌ال است.

زنجیره شش کربنی انعطاف‌پذیر آن موارد زیر را فراهم می‌کند:

• •انعطاف‌پذیری در دمای پایین
• •خاصیت ارتجاعی خوب
• •کاهش Tg

پلی‌ال‌های پلی‌استر مبتنی بر اسید آدیپیک معمولاً مقادیر Tg در محدوده تقریبی دارند.-60 درجه سانتیگراد تا -40 درجه سانتیگراد، بسته به ساختار مولکولی.

این ساختار به موارد زیر کمک می‌کند:

• •استحکام کششی بالا
• •مقاومت سایشی خوب
• •عملکرد مکانیکی عالی

اسید سباسیک (SA)

اسید سباسیک زنجیره کربنی طولانی‌تری نسبت به اسید آدیپیک دارد.

مزایا:

• ✔انعطاف‌پذیری بالاتر
• ✔عملکرد بهتر در دمای پایین
• ✔بهبود خواص آبگریزی

با این حال، به دلیل هزینه بالاتر، SA عمدتاً در کاربردهای پلی اورتان با کارایی بالا که در آنها مقاومت در برابر سرما افزایش یافته مورد نیاز است، استفاده می‌شود.

اجزای اسید کاربردی: اسید دیمر و انیدرید فتالیک

اسید دیمر

اسید دیمر معرفی می‌کند:

• •زنجیره‌های مولکولی بلند و انعطاف‌پذیر
• •خواص آبگریزی
• •انعطاف‌پذیری بهبود یافته
• •مقاومت بهتر در برابر هیدرولیز

با این حال، افزایش محتوای اسید دیمر ممکن است Tg و سختی را کاهش دهد. این ماده معمولاً برای سیستم‌های پلی اورتان که نیاز به انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر رطوبت دارند، در نظر گرفته می‌شود.

انیدرید فتالیک (PA)

انیدرید فتالیک یک جزء آروماتیک مقرون به صرفه با راندمان واکنش خوب است.

می‌تواند موارد زیر را بهبود بخشد:

• ✔سختی
• ✔استحکام
• ✔رقابت‌پذیری هزینه

با این حال، به دلیل اثرات فضایی، واکنش‌پذیری گروه انتهایی آن در مقایسه با IPA کمتر است.

استراتژی معمول طراحی اسید

یک استراتژی رایج برای فرمولاسیون پلی‌استر پلی‌ال عبارت است از:

• •اسیدهای آروماتیک: استحکام و مقاومت را فراهم می‌کنند
• •اسیدهای آلیفاتیک: انعطاف‌پذیری و چقرمگی را فراهم می‌کنند

نسبت دقیق همیشه باید با توجه به کاربرد هدف تنظیم شود.

۲. چگونه دیول‌ها را برای طراحی پلی‌استر پلی‌ال انتخاب کنیم؟

اتیلن گلیکول (EG)

اتیلن گلیکول ساده‌ترین دیول مورد استفاده در شیمی پلی‌استر است.

به دلیل ساختار مولکولی کوتاه، EG موارد زیر را فراهم می‌کند:

• •نظم زنجیره بالا
• •تمایل شدید به تبلور

وقتی با PTA ترکیب می‌شود، EG می‌تواند ساختارهای بلوری شبیه PET تشکیل دهد که ممکن است باعث شود پلی‌ال‌های پلی‌استر در دمای اتاق جامد شوند. بنابراین، پلی‌ال‌های پلی‌استر خالص بر پایه EG رایج نیستند.

در فرمولاسیون‌های عملی، EG اغلب با موارد زیر ترکیب می‌شود:

برای تنظیم بلورینگی و عملکرد پردازش.

یکی از مزایای مهم EG این است که:

• ✔هزینه کم
• ✔دسترسی گسترده

برای تولید پلی‌استر پلی‌ال بر پایه مواد بازیافتی PET، اتیلن گلیکول (EG) همچنان یک ماده اولیه مهم است.

دی اتیلن گلیکول (DEG)

DEG پیوندهای اتری را در زنجیره پلی‌استر ایجاد می‌کند.

اتصال اتر انعطاف‌پذیر موارد زیر را فراهم می‌کند:

• •تری گلیسیرید پایین
• •ویسکوزیته کاهش یافته
• •عملکرد جریان بهتر

پلی‌ال‌های پلی‌استر مبتنی بر DEG به‌طور گسترده در مواردی که انعطاف‌پذیری در فرآیند مهم است، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با این حال، پیوندهای اتری ممکن است مقاومت کمتری در برابر اکسیداسیون حرارتی طولانی مدت داشته باشند. بنابراین، سیستم‌های DEG اغلب با دیول‌های پایدارتر مانند NPG ترکیب می‌شوند.

نئوپنتیل گلیکول (NPG)

NPG حاوی یک ساختار کربنی چهارتایی با دو گروه متیل است.

این ساختار منحصر به فرد، حرکت مولکولی را محدود می‌کند و موارد زیر را فراهم می‌کند:

• •تری‌گلیسرید بالاتر
• •پایداری حرارتی عالی
• •مقاومت برتر در برابر آب و هوا
• •مقاومت در برابر هیدرولیز بهبود یافته

به دلیل دوام عالی، NPG به طور گسترده در موارد زیر استفاده می‌شود:

• •پوشش‌های PU
• •کاربردهای فضای باز
• •سیستم‌های پلی‌یورتان مقاوم در برابر آب و هوا

۱،۴-بوتانیدول (BDO)

۱،۴-بوتاندیول یکی از مهمترین دیول‌های مورد استفاده در الاستومر پلی اورتان و کاربردهای TPU است.

ساختار خطی چهار کربنی آن موارد زیر را فراهم می‌کند:

• •نظم خوب زنجیره
• •برهمکنش قوی بین مولکولی
• •خواص مکانیکی عالی

وقتی BDO با اسیدهای آروماتیک مانند PTA ترکیب شود، می‌تواند بخش‌های کریستالی بسیار منظمی مشابه ساختارهای PBT تشکیل دهد.

این امر به موارد زیر کمک می‌کند:

• ✔استحکام کششی بالاتر
• ✔مقاومت سایشی بهتر
• ✔بهبود پیوند عرضی فیزیکی

با این حال، محتوای بالای BDO ممکن است تمایل به تبلور را افزایش دهد و باعث شود پلی‌ال‌های پلی‌استر در دمای اتاق مومی یا جامد شوند.

برای بهبود عملکرد پردازش، BDO اغلب با موارد زیر ترکیب می‌شود:

برای کاهش تبلور بیش از حد و در عین حال حفظ استحکام مکانیکی.

تری‌متیلول‌پروپان (TMP): معرفی شاخه‌بندی کنترل‌شده

تری متیلول پروپان (TMP) یک الکل چند منظوره حاوی سه گروه هیدروکسیل است. برخلاف دیول‌های معمولی، TMP ساختارهای شاخه‌دار را در پلی‌ال‌های پلی‌استر ایجاد می‌کند.

مقدار کمی از TMP می‌تواند افزایش یابد:

• •شاخه‌بندی مولکولی
• •چگالی پیوند عرضی
• •سختی نهایی پلی اورتان

TMP معمولاً هنگام طراحی موارد زیر استفاده می‌شود:

• •پوشش‌های پلی اورتان با کارایی بالا
• •سیستم‌های PU سفت و سخت
• •پیش پلیمرهای پلی اورتان شاخه دار

در بیشتر فرمولاسیون‌ها، میزان TMP به دقت کنترل می‌شود زیرا شاخه‌دار شدن بیش از حد ممکن است ویسکوزیته را به طور قابل توجهی افزایش داده و فرآیندپذیری را کاهش دهد.

۳. چگونه نسبت الکل به اسید را در فرمولاسیون پلی‌استر پلی‌ال تنظیم کنیم؟

نسبت الکل اضافی

در سنتز پلی‌استر پلی‌ال، معمولاً از اجزای الکلی به مقدار اضافی استفاده می‌شود تا ساختارهایی با انتهای هیدروکسیل به دست آید.

برای پلی‌ال‌های پلی‌استر با وزن مولکولی کمتر، نسبت الکل اضافی می‌تواند به صورت زیر افزایش یابد:۱.۸–۲.۰ : ۱

مقادیر بالاتر هیدروکسیل، گروه‌های هیدروکسیل واکنش‌پذیرتری را برای تشکیل پلی‌یورتان فراهم می‌کنند.

با این حال، مقدار زیاد الکل ممکن است وزن مولکولی را کاهش داده و تأثیرات منفی بر موارد زیر داشته باشد:

بنابراین، نسبت الکل به اسید باید با توجه به کاربرد نهایی پلی اورتان بهینه شود.

رابطه بین نسبت الکل و مقدار اسید

در طول سنتز پلی‌استر پلی‌ال، آب تولید شده به طور مداوم حذف می‌شود تا واکنش‌های استری شدن و تراکم به جلو رانده شوند.

اگر میزان الکل اضافی کافی نباشد:

• •غلظت اسید همچنان بالا است
• •واکنش کندتر می‌شود
• •کاهش مقدار اسید نهایی دشوار می‌شود

مقدار اسید پایین مهم است زیرا اسیدهای باقیمانده ممکن است بر واکنش‌های پلی‌یورتان تأثیر بگذارند. هنگامی که پلی‌استر پلی‌یول با ایزوسیانات‌ها واکنش می‌دهد، رطوبت باقیمانده و اجزای اسیدی ممکن است در موارد زیر نقش داشته باشند:

برای بسیاری از کاربردهای پلی اورتان، کنترل مقدار اسید به شرح زیر است:۱ میلی‌گرم KOH/gیک هدف کیفی مهم است.

۴. نحوه انتخابکاتالیزورهابرای تولید پلی استر پلی ال؟

انتخاب بین TBT و BTO به موارد زیر بستگی دارد:

۵. کنترل فرآیند تولید پلی‌استر پلی‌ال

مراحل اصلی شامل موارد زیر است:

1. استری شدن
2. پلی‌کندانساسیون
3. تنظیم عدد هیدروکسیل و عدد اسیدی

مرحله 1: مرحله استری شدن

در مرحله استری شدن، مواد زیر به راکتور اضافه می‌شوند:

واکنش معمولاً تقریباً در موارد زیر شروع می‌شود:۱۸۰ درجه سانتی‌گراد

آب تولید شده از استریفیکاسیون از طریق موارد زیر حذف می‌شود:

• •حذف نیتروژن
• •سیستم‌های کندانسور

پیشرفت واکنش را می‌توان از طریق موارد زیر کنترل کرد:

• •میزان جمع‌آوری آب
• •آزمایش تعیین مقدار اسید

مرحله 2: مرحله پلی کندانساسیون

پس از استری شدن، سیستم وارد مرحله پلی کندانساسیون می‌شود.

شرایط معمول:

• •دما:۲۰۰–۲۲۰ درجه سانتی‌گراد
• •فشار کاهش یافته: عملکرد خلاء

خلاء به حذف آب باقی مانده و الکل اضافی کمک می‌کند و باعث رشد مولکولی می‌شود.

با این حال، دمای بیش از حد یا زمان واکنش طولانی ممکن است باعث واکنش‌های جانبی، افزایش رنگ و تخریب پلیمر شود. بنابراین، شرایط فرآیند باید با دقت کنترل شود.

مرحله ۳: کنترل نقطه پایانی

برخلاف پلیمریزاسیون PET، تولید پلی‌استر پلی‌ال نیازی به توسعه وزن مولکولی بسیار بالا ندارد. شاخص‌های اصلی کیفیت عبارتند از:

یک هدف صنعتی مشترک:مقدار اسید <1 میلی‌گرم KOH/gقبل از ترخیص.

خلاء ناکافی یکی از دلایل اصلی موارد زیر است:

• ✖رطوبت باقیمانده بالا
• ✖ارزش اسیدی بالاتر
• ✖عملکرد ضعیف پلی اورتان

۶. خلاصه طراحی پلی‌استر پلی‌ال

فاکتور طراحی	متغیرهای کلیدی	اصل انتخاب	محدوده معمول
سفتی ستون فقرات	IPA، PTA، AA، SA	اسیدهای آروماتیک باعث بهبود استحکام و اسیدهای آلیفاتیک باعث بهبود انعطاف‌پذیری می‌شوند.	آی‌پی‌ای/ای‌ای ≈ ۷:۳
تنظیم Tg	اتیلن گلیکول، دی اتیلن گلیکول، ان پی جی، بی دی او	EG بلورینگی را افزایش می‌دهد؛ DEG ویسکوزیته را کاهش می‌دهد؛ NPG دوام را بهبود می‌بخشد؛ BDO استحکام را بهبود می‌بخشد	بر اساس کاربرد
کنترل وزن مولکولی	نسبت الکل به اسید	مصرف بیش از حد الکل باعث ایجاد ساختارهای هیدروکسیل-خاتمه یافته می‌شود	الکل/اسید = ۱.۳
انتخاب کاتالیزور	TBT در مقابل BTO	TBT برای واکنش سریع؛ BTO برای پایداری بهتر هیدرولیز	بی تی او ۰.۲–۰.۵‰
کنترل انشعاب	TMP/گلیسرول	افزودن مقادیر کم، چگالی اتصالات عرضی را بهبود می‌بخشد	TMP ≤3 مول٪

۷. چگونه طراحی پلی‌استر پلی‌ال بر عملکرد پلی‌یورتان تأثیر می‌گذارد؟

کاربرد	طرح پیشنهادی پلی‌استر پلی‌ال
چسب‌های PU	پلی‌ال‌های پلی‌استر انعطاف‌پذیر بر پایه AA برای چسبندگی و چقرمگی قوی
پوشش‌های PU	سیستم‌های IPA/NPG برای سختی و مقاومت در برابر آب و هوا
الاستومرهای TPU	سیستم‌های AA + BDO برای استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر سایش
PU پایه آب	پلی‌ال‌های پلی‌استر مقاوم در برابر هیدرولیز با سیستم‌های کاتالیزوری بهینه‌شده
چرم مصنوعی	پلی‌ال‌های پلی‌استر انعطاف‌پذیر با نرمی کنترل‌شده

الزامات کاربردی → اهداف عملکردی → انتخاب مونومر → طراحی ساختار مولکولی → انتخاب کاتالیزور → بهینه‌سازی فرآیند