شفافیت مواد PS: ویژگی ها، درجه ها و چرا اینقدر واضح است

فیزیک انتقال نور در پلیمرهای آمورف

شفافیت در هر ماده اساساً مربوط به عدم وجود ساختارهای داخلی به اندازه کافی بزرگ برای تداخل با امواج الکترومغناطیسی نور مرئی است. بعد بحرانی برای مراکز پراکندگی تقریباً می باشد یک دهم طول موج نور یا تقریباً 40 تا 80 نانومتر. در پلاستیک های نیمه کریستالی مانند پلی اتیلن یا پلی پروپیلن، اسفرولیت ها - سنگدانه های کریستالی کروی - به طور معمول به اندازه های 1 تا 100 میکرون رشد می کنند که بسیار بیشتر از این آستانه است و باعث می شود پلیمر شیری یا مات به نظر برسد.

GPS به طور کامل از این امر جلوگیری می کند. گروه‌های جانبی بزرگ فنیل که از ستون فقرات پلی استایرن آویزان شده‌اند، مانع از تا شدن زنجیره‌های پلیمری به لایه‌های مرتب شده در طول خنک شدن از مذاب می‌شوند. زنجیرها در حالت تصادفی و شیشه مانند منجمد می شوند. ضریب شکست این فاز همگن در سراسر ماده یکنواخت است، بنابراین نور در مسیری مستقیم و بدون تغییر از آن عبور می کند. این همان اصل فیزیکی است که شیشه سیلیکات معدنی را شفاف می کند و در یک سیستم پلیمری آلی اعمال می شود.

GPPS در مقابل سایر پلاستیک های شفاف: مقایسه کمی

همه پلاستیک های شفاف برابر نیستند. خاصیتی که GPPS را متمایز می کند، ضریب شکست بالای آن همراه با سفتی متمایز و شکننده است که رقبایی مانند PET و اکریلیک نمی توانند در براکت های قیمتی خاص با آن مطابقت داشته باشند. جدول زیر این تفاوت‌ها را با تمرکز بر خواص نوری و فیزیکی که انتخاب مواد را برای کاربردهای شفاف دیکته می‌کنند، نشان می‌دهد.

دلیل ساختاری برای وضوح GPPS: گروه جانبی فنیل

شفافیت پلی استایرن تصادفی در پردازش نیست. این یک نتیجه مستقیم از ساختار شیمیایی مونومر است. مونومر استایرن یک حلقه بنزن عظیم و سفت و سخت را به عنوان یک گروه جانبی متصل به ستون فقرات پلی اتیلن حمل می کند. در طول پلیمریزاسیون رادیکال، این گروه های فنیل به طور تصادفی در فضا قرار می گیرند و یک پیکربندی آتاکتیک را تشکیل می دهند. این فقدان قاعده‌مندی مانع از بسته‌شدن قطعات زنجیره‌ای در شبکه‌های کریستالی می‌شود. گروه فنیل حجیم به عنوان یک فاصله‌دهنده عمل می‌کند و زنجیره‌های مجاور را به اندازه‌ای از هم دور نگه می‌دارد که از هسته‌زایی جلوگیری کند، اما برای پراکندگی نور کافی نیست.

معامله، شکنندگی است. همان سفتی مولکولی که از تبلور جلوگیری می کند، تحرک زنجیره را نیز محدود می کند، به این معنی که پلی استایرن نمی تواند تحت تنش مانند پلی کربنات تسلیم شود و تغییر شکل دهد. شکسته می شود. به همین دلیل است که اجزای GPPS با الزامات شفافیت بالا، مانند کارد و چنگال یکبار مصرف شفاف، جعبه های جواهر سی دی و ظروف پتری آزمایشگاهی، با مقاطع ضخیم و سفت طراحی شده اند که نیازی به خم شدن ندارند. برای کاربردهایی که شفافیت و مقاومت در برابر ضربه را می طلبند، صنعت به سمت HIPS (پلی استایرن با ضربه بالا) می رود، که بخشی از شفافیت کامل را فدای چقرمگی می کند و با ترکیب یک فاز لاستیکی پراکنده که مقداری نور را پخش می کند، می شود.

حفظ شفافیت در طول پردازش حرارتی

دستیابی به وضوح کامل در قسمت پایانی به شدت به تاریخچه حرارتی بستگی دارد. GPPS باید در یک پنجره دمای مذاب دقیق پردازش شود، معمولاً بین 200 درجه سانتیگراد و 250 درجه سانتیگراد . فراتر از این محدوده باعث تخریب حرارتی پلیمر می شود. مکانیسم تخریب شامل بریدگی زنجیره و آزادسازی مونومر استایرن است که اکسید می شود و کروموفورهای زرد رنگی را تشکیل می دهد. حتی غلظت ناچیزی از این محصولات فرعی تخریب، نور را در انتهای آبی طیف مرئی جذب می‌کند و به قسمت قالب‌گیری شده رنگ زرد محسوسی می‌دهد که کیفیت نوری را خراب می‌کند.

دمای قالب به همان اندازه بحرانی است. تزریق GPPS مذاب به یک قالب سرد - یکی کمتر از دمای انتقال شیشه ای تقریباً 100 درجه سانتی گراد - لایه سطحی را خیلی سریع خاموش می کند. این تنش های ناشی از جریان داخلی را ایجاد می کند و موج های سطحی میکروسکوپی ایجاد می کند که به صورت مه ظاهر می شوند. برای به حداکثر رساندن شفافیت در پلی استایرن تزریقی، دمای قالب باید بین 40 درجه سانتیگراد تا 70 درجه سانتیگراد حفظ شود و سطح قالب صیقلی با کیفیت SPI A-1 یا A-2 با الماس صاف شود. هرگونه علامت ابزار یا ریز خراش روی فولاد به طور صادقانه در قسمت پلاستیکی تکرار می شود.

تخریب UV و مشکل زرد شدن

GPPS دارای یک ضعف اپتیکی است که به خوبی مستند شده است: زمانی که در معرض اشعه ماوراء بنفش در محدوده 290 تا 350 نانومتر قرار می گیرد، به مرور زمان زرد و تیره می شود. حلقه های فنیل موجود در پلی استایرن خود کروموفور هستند. تحت بمباران مداوم UV، آنها تحت اکسیداسیون نوری قرار می گیرند و گروه های عاملی کربونیل و هیدروپراکسید را تشکیل می دهند که نور آبی را جذب می کنند و ظاهری زرد مایل به قهوه ای از خود ساطع می کنند. این یک تغییر شیمیایی دائمی است. نمی توان آن را با تمیز کردن یا پرداخت برعکس کرد.

برای کاربردهای داخلی با نور خورشید فیلتر شده، این تخریب به اندازه ای آهسته است که در طول عمر مورد نظر محصول برای چند سال ناچیز است. با این حال، برای هر جزء شفاف PS که برای قرار گرفتن در معرض در فضای باز در نظر گرفته شده است، بسته های افزودنی تثبیت کننده UV مبتنی بر تثبیت کننده های نور آمین مانع (HALS) یا جاذب های UV بنزوتریازول باید در سطوح بین رزین ترکیب شوند. 0.1٪ و 0.5٪ وزنی . این افزودنی‌ها فوتون‌های UV را فداکارانه جذب می‌کنند و قبل از اینکه بتوانند به ستون فقرات پلیمر حمله کنند، انرژی را به عنوان گرمای بی‌ضرر دفع می‌کنند و شفافیت اولیه ماده را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کنند.

برنامه های کاربردی اعمال نفوذ شفافیت PS

ترکیب منحصربه‌فرد شفافیت در برابر آب، براقیت سطح بالا و هزینه مواد کم، GPPS را به انتخاب پیش‌فرض برای برنامه‌هایی تبدیل می‌کند که مصرف‌کننده باید محصول را به وضوح ببیند اما نیازهای ساختاری آن متوسط است. بخش های بازار زیر به شفافیت نوری پلی استایرن به عنوان یک نیاز عملکردی اصلی بستگی دارد، نه فقط یک اولویت زیبایی شناختی.

• صدف بسته بندی مواد غذایی: ظروف لولایی شفاف برای اقلام نانوایی و محصولات تازه برای نمایش محصول بدون نیاز به باز کردن بسته توسط مشتری، به وضوح PS متکی است و خطر آلودگی را کاهش می دهد.
• وسایل آزمایشگاهی: پتری دیش‌ها، پیپت‌های سرولوژیکی و کووت‌ها از پلی استایرن کریستالی ساخته می‌شوند، زیرا نور UV را به اندازه کافی برای اسپکتروفتومتری در 340 نانومتر و بالاتر، یک طول موج حیاتی برای تجزیه و تحلیل DNA و پروتئین، منتقل می‌کند.
• نمایش های نقطه خرید: در بسته‌بندی لوازم آرایشی و عطری از GPPS قالب‌گیری شده با بخش‌های دیواری به اندازه کافی ضخیم استفاده می‌شود تا وزن و شفافیت شیشه‌های برش خورده را تقلید کند و با کسری از هزینه، ظاهری عالی به دست می‌آورد.
• دیفیوزرهای روشنایی: در حالی که پوشش‌های LED به سمت پلی کربنات حرکت می‌کنند، دیفیوزرهای لوله فلورسنت به طور تاریخی از GPPS با بافت سطحی منشوری برای شکستن منبع نور و در عین حال حفظ بازده کلی انتقال نور استفاده می‌کردند.
• مدل های نوری و نمونه های اولیه: سهولت ماشینکاری و صیقل دادن ورق GPPS ریخته گری، آن را به یک ماده ترجیحی برای ساخت مدل های مقیاس شفاف دهلیزهای معماری و دکل های تجسم جریان سیال در آزمایشگاه های مهندسی تبدیل می کند.

متمایز کردن GPPS از مواد شفاف رقابتی در این زمینه

بدون تجهیزات آزمایشگاهی، شناسایی مثبت یک پلاستیک شفاف می تواند چالش برانگیز باشد. با این حال، یک آزمایش چگالی ساده پلی استایرن را از رقبای اصلی خود جدا می کند. GPPS تقریباً چگالی دارد 1.05 گرم در سانتی متر مکعب ، که بسیار نزدیک به آب است. نمونه کوچک و بدون حباب هوا را برش دهید و آن را در یک لیوان آب قرار دهید. پلی کربنات (1.20 گرم در سانتی متر مکعب) و PET (1.38 گرم در سانتی متر مکعب) به طور قابل توجهی سریع تر و قاطع تر فرو می روند. پلی متیل پنتن (TPX)، یکی دیگر از پلاستیک های شفاف نوری، شناور می شود زیرا چگالی آن تنها 0.83 گرم بر سانتی متر مکعب است.

آزمایش شعله تأیید بیشتری را ارائه می دهد، اگرچه باید با خیال راحت انجام شود. پلی استایرن با شعله بسیار دوده ای و زرد-نارنجی می سوزد و بوی استایرن متمایز، شیرین و گل همیشه بهار از خود متصاعد می کند. دود سیاه سنگین مشخصه محتوای کربن بالای حلقه معطر است. پلی کربنات با برداشتن شعله به خودی خود خاموش می شود و اکریلیک با بوی تند و میوه ای می سوزد و شناسایی را برای یک کنترل کننده مواد با تجربه آسان می کند.