Användning av Polymermjukgörare

Oyoo /

gummi och plast har blivit en integrerad del av det moderna livet, utan vilket människor inte kan leva. Dessa material används i skosulor, trädgårdsstolar, alla typer av filmer, DVD-skivor, CD-skivor, rör, slangar, däck, förpackningar och en mängd många andra produkter.

att hålla reda på avancerad plastteknik innebär att individer skulle behöva känna till namn – som polyoximetylen, polypropen, nitrilgummi, polyuretan etc.- det kan göra dem väldigt förvirrade. Men i en majoritet av fallen är de utmärkta egenskaperna hos värdefull plast som används i alla dessa effektiva applikationer inte uteslutande bundna till polymererna själva.

precis som en lysande student som uppnår bra betyg i skolan nådde plast också toppen av sin klass med en liten mängd extra hjälp. Och den hjälpen innebär vanligtvis bara att kombinera unika tillsatser för att göra polymerer som är mjuka, flexibla och resistenta mot stötar och väder. För det mesta är tillsatser de som gör plasten till vad den är.

mjukgörare

mjukgörare är unika typer av tillsatser. Till exempel, utan mjukgörare, PVC skulle ha varit extremt bräcklig och spröd, och skulle inte ha erövrat den enorma marknaden som ses idag. Utan mjukgörare skulle en majoritet av formsprutningsföreningarna ha varit helt olämpliga för detta ändamål, och vissa blandningar av gummi skulle inte ha producerats alls.

mjukgörare gör plasten elastisk, utdragbar, flexibel och plast vid låga temperaturer. I en majoritet av fallen kan polymerprodukter endast produceras på kommersiell basis genom att integrera en mjukgörare.

faktum är att uppfinningen av mjukgörare huvudsakligen var ansvarig för utvecklingen av plastindustrin. Om det inte var för detta, branschen kanske inte har utvecklats mycket bortom det stadium det var i de tidigare dagarna. Detta beror på att den första plasten, såväl som modifierade naturliga polymerer som Galalit eller nitrocellulosa, var spröda och hårda, och därför kunde de inte användas för dagliga applikationer.

förvisso ökar det inte exakt säljbarheten för ett nytt material, om till exempel människor måste ta hand om sina kammar som om de var gjorda av Meissen-porslin.

kamfer

mjukgörare ändrade dock allt detta. Kamfer var den första som användes i äkta plast. Det är en färglös substans, vars doft påminner om många en kall botemedel, och innehåller små kristaller erhållna från träet av en kinesisk laurelbuske som kallas Cinnamomum camphora.

sedan, 1869, en uppfinnare som heter John Wesley Hyatt och hans bror gjorde nitrocellulosa mer formbar genom att blanda kamfer med nitrocellulosa.

andra oljor

Hyatt var inte den första personen som försökte göra de tidiga spröda produkterna i en utvecklande plastsektor lättare att hantera via användning av tillsatser. En lika ambitiös uppfinnare vid namn Alexander Parkes hade redan försökt få samma effekt med till exempel vegetabiliska oljor eller trätjära.

men han hade svårt att få rätt recept—hans ”Parkesin” var måttligt lätt att bearbeta, men efter bara några veckor skulle föremål som damarmband, Kammar och örhängen som hade producerats från denna specifika produkt varpa i sådan utsträckning att de inte kunde användas längre. Detta berodde troligen på att oljor som användes av Parkes avdunstade för snabbt.

bananolja eller till och med fuselolja—som bildas under destillation av whisky—användes också av andra uppfinnare men utan stor framgång, om bristen på Register är något att gå efter.

mjuk som tuggummi men hård som Horn

den nya plasten som utvecklats av Hyatt var bättre rustad för att uppfylla de utmaningar som den nyligen framväxande plastbranschen. Baserat på mängden kamfer som han kombinerade med kollodion—en lösning av pistolbomull, känd kemiskt som nitrocellulosa—skapade han framgångsrikt en plast. Denna plast var transparent men kunde färgas. Det var lika flexibelt som rågummi men var lika hårt som horn. Denna plast var celluloid.

vid en måttlig temperatur på mellan 80 C och 90 C kan detta formbara material framställas i vilken form som helst på grund av Hyatts doftande formulering. En av de allra första användningarna av detta material var falska tänder. Det smälte emellertid mer än en liten mängd kamfer och som ett resultat uppfyllde inte alltid deras ägares fullständiga tillfredsställelse. Men eftersom materialet kunde skapas i en lämplig färg, var det en signifikant förbättring på de tuffa gummiplattorna som hade använts fram till dess. Därefter blev samma material populärt som det perfekta stödmaterialet för fotografiska filmer.

ursprung för Modern plast

det är ett faktum att den celluloid som utvecklats av Hyatt under en tid måste övervinna många utmaningar orsakade av dess nära samband med pistolbomull. Små explosioner inträffade när biljardbollar bestående av nitrocellulosa kraschade med varandra. Enligt ögonvittnen var explosionerna så stora att det skulle få cowboys att stå runt biljardbordet för att nå sina vapen.

en tidningsartikel citerade också historien om en dam vars kväll blev ännu mer spännande när celluloidknapparna på hennes aftonklänning kom mycket nära en öppen spis och antändes. Vid ett tillfälle exploderade en hel celluloidfabrik. Dessa incidenter dolde emellertid inte det faktum att Hyatt hade utvecklat den första termoplasten och att det var en mjukgörare som bidrog till att leda till dagens plast.

men även efter Hyatt fortsatte plastens historia att vara nära associerad med dess mjukgörare. Sedan 1946 användes en ansökan om flera hundra ton av en bräcklig cellulosatriacetatplast. Denna plast hade bland annat använts vid tillverkning av flygplansfönster.

plasten låg oanvänd i en fabriks grunder, vilket var när en kreativ kemist hade tanken att integrera materialet med en mjukgörare. Detta resulterade i ett nytt formsprutningsmaterial. 1952, den nyligen mjukgjorda Cellendet kallades” Cellidor ” och var den perfekta utföringsformen av mångsidighet. På 1950-talet användes Cellidor för att göra höljen för kammar, instrumentpaneler, radioapparater, glasögonramar, skruvmejselhandtag, hårglas etc.

mjukgörare i gummi

gummiindustrin använde också mjukgörare för att förfina sina produkter. Omfattande knådning gör ovulkaniserat gummi lika mjukt som tuggummi eftersom knådningsprocessen bryter ner polymerens långkedjiga molekyler. Men det betyder att andra viktiga egenskaper hos detta användbara material också går förlorade.

på grund av denna anledning gjorde gummiutredare en tidig start genom att kombinera alla typer av flytande komponenter i sina svarta formuleringar—oljor, tonhöjd, koltjära, paraffin, terpener (som kamfer) och till och med vaselin. Detta innebar att blandningen av rågummi var tillräckligt klibbig för olika fasta ingredienser även när storleken på gummimolekylerna inte reduceras avsevärt. Kimrök är ett exempel på en fast ingrediens som enkelt kan knådas ihop i mixern.

dessa faktorer visar vikten av dessa diskreta mjukgörare med avseende på polymerbearbetning—och hur de helt kan omvandla egenskaperna hos det som ursprungligen var ett relativt oattraktivt polymermaterial. Paradoxalt nog visar denna extraordinära kraft också det faktum att även framstående kemiska historiker för närvarande har svårt att få information om mjukningsteknik.

de ”rätta” mjukgörarna är betydande i en sådan utsträckning att information som samlats in om plastens prestanda genom åren har försvunnit i valven hos företag som använder polymerer. När tiden gick innebar detta att mjukgörare blev relativt anonyma utilitaristiska ämnen.

de moderna ättlingarna till kamfer

det är dock ett känt faktum att förutom Hyatt började andra också använda kamfer. Faktum är att två tredjedelar av alla kamfer syntetiserade över hela världen används för att producera celluloid även idag.

en Kemi-encyklopedi från 1931 med kapitlet ”mjukgörare” listade också terpen, förutom glycerolestrar, ftalater och organiska fosfater som trikresylfosfat.

dessa föreningar gör plast flexibla och förbättrar också deras brandhämmande potential i en sådan utsträckning att cellulosaacetat, en efterträdare till celluloid, kunde övervinna en av de största nackdelarna med den ursprungliga plasten. Till exempel förhindrades plastens brandfarlighet efter att den elastikerades med en kombination av fosfater och kamfer.

avancerad teknik vet om 400 ämnen-det vill säga exotiska ämnen och”worldbeaters” —som används som mjukgörare i en eller annan form. Cirka 100 av dessa ämnen har stort kommersiellt värde.

Mjukningsmängder

i mitten av 1990-talet användes över 4,2 miljoner ton mjukgörare. Idag används cirka 90% av alla mjukgörare i PVC-en plast som i sin grundform är praktiskt taget lika ömtålig som glas och skulle vara helt värdelös för en majoritet av applikationerna om mjukgörare inte svarade för cirka 55% av dess innehåll. Även styv PVC kan ha cirka 12% mjukgörare som är kända för att förbättra dess bearbetbarhet.

baserat på typ av applikation använder andra polymerer mjukningsmedel i många olika kvantiteter. Papper innehåller cirka 5% mjukningsmedel, termoplastiska material upp till 10% och elastomerer ibland så mycket som 60%; vissa plaster har också 95% mjukgörare.

hur mjukgörare fungerar

i huvudsak är alla mjukgörare baserade på samma princip och en som är praktiskt taget självförklarande, förutsatt att individer kan förstå vad plast består av inuti. ”Plast” innehåller alltid mycket långkedjiga molekyler som verkar som långa trådar under extremt hög förstoring. En plast blir flexibel när dessa trådar är löst sammanflätade.

men när det gäller en majoritet av plast tenderar dessa trådar att ligga ovanpå varandra precis som packad spagetti. Faktum är att när någon casually kastar spaghetti i en panna utan att röra den medan den lagar mat och senare siktar den, förutom pastasträngar löst sammanfogade, kommer det också att finnas områden där pastasträngarna fortfarande är fästa ihop som de var i påsen. Sådana klumpar verkar lite hårdare än resten, om än pastaen själv är helt kokad och mjuk.

en liknande sak inträffar med avseende på kedjemolekylerna av plast. En styv struktur som är analog med de strikt regelbundna kompositionskristallerna gör att plasten kan se styv ut från utsidan. Både i provröret och i pannan är regeln följande: den styva strukturen är hård och löst trasslig är flexibel.

Kemi

det är här mjukgörarna har en roll att spela. I de flesta fall, oavsett om mineralolja eller kamfer diskuteras, är molekylerna relativt mindre än polymermaterialets kedjemolekyler. De är sammanflätade i sin spagettiliknande struktur vid bearbetning av plasten.

dessa molekyler skjuter därefter sig mellan de närliggande trådarna i plastmolekyler och skiljer dem från varandra. De agerar på samma sätt som olja gör på en tallrik spaghetti, där det gör det möjligt för pastasträngarna att glida förbi varandra. Detta tyder på att det är möjligt att producera en lös och fritt mobil struktur—plasten visar sig vara flexibel och när mer mjukgörare tillsätts blir den ännu mer flexibel. Denna enkla korrelation belyser ett helt sortiment av produkter som är nödvändiga för en plastkemists jobb.

till stor del ligger kompetensen hos en materialutvecklare i att kunna identifiera ämnen som är väl lämpade för den plast som används. Det är inte möjligt att väva hydrofila ämnen i vattenavvisande molekyler, till exempel de av ovulkaniserat gummi, eftersom båda ämnena skulle separera precis som olja och vatten.

det är också viktigt att välja en mjukgörare som erbjuder en perfekt passform med avseende på sin egen molekylkonfiguration och målplastkedjemolekylerna. Kedjemolekyler är inte lika jämförbara med varandra som spagettisträngarna—vissa polymerer kan likna platt pasta, medan andra verkar som en kedja av tjocka neonrör kopplade ihop med tunna trådar eller har ett sicksackutseende. Ännu andra verkar som halsband gjorda av extremt feta pärlor. Ändå var Hyatts celluloid den som uppnådde den framgång den gjorde. Detta beror på att kamfermolekylerna passade ganska bra mellan pistolbomullsmolekylerna som formades som ett pärlhalsband.

men inte alla mjukgörare är lämpliga för varje polymer. Ett annat faktum är att varje mjukgörare har en annan inverkan på dess ”värdmolekyl.”Medan en mjukgörare erbjuder en större flexibilitet vid lägre temperaturer, är en annan speciellt utvecklad för att förhindra att plast likvideras vid höga temperaturer. Samtidigt finns det andra mjukgörare som gör plasten mer flexibel och också beter sig som en slags integrerad brandsläckare som kan släcka flammor i sina allra första steg. Mjukgörarna åstadkommer detta genom att sönderdelas i närvaro av värme för att skapa ämnen som är resistenta mot flammor.

ett Problem—många lösningar

plastsektorns orderstock för mjukgörare har genom åren utvecklats till en oorganiserad tätbebyggelse av kemikalier. Det styrs emellertid av flera ”stora familjer” av produkter.

Ftalater används i PVC-filmer och kablar, cellulosalim och beläggningar. Med dikarbonater blir flexibel PVC elastisk vid låga temperaturer. Fosfater används både som hydraulvätska och som flamskyddsmedel. Fettsyraestrar—de avlägsna släktingarna till margarin-används för mjukning av golvbeläggningar av gummi och vinylharts. För vissa tillämpningar vänder plasttekniker också till estrar av vinsyra och citronsyra.

faror

absolut bör man komma ihåg att trots de positiva effekterna av mjukgörare på plast teknik, de har också sina nackdelar. Under senare tid misstänktes att ftalater är hälsofarliga. Medan avgörande bevis ännu inte har erhållits pågår nu studier.

lyckligtvis, oavsett resultatet av denna diskussion, innebär det inte att alla mjukgörare ska fördömas: trots allt är en enda mjukgörare inte densamma som nästa, vilket demonstreras av kamfer, som råkar vara en naturlig produkt.

alternativ

under tiden har några mycket användbara produkter skapats som tjänar som ersättning för ftalater. Produkter som dessa har formen av en serie ämnen vars medlemmar kallas ”alkylsulfonater.”Det var länge känt att alkylsulfonater inte har några negativa effekter och har godkänts som säkra för livsmedelsanvändning i en majoritet av länderna.

Alkylsulfonater, som redan används i stället för de kontroversiella ftalaterna i Handskar, leksaksfigurer, Dockor och membran för vattenbäddar, finns i tätningsmedel inom byggsektorn och används i wellington stövlar och simhjälpmedel. Dessutom ger materialet ett komplett utbud av ytterligare fördelar-till exempel skiljer det sig från många andra mjukgörare och attackeras inte av vatten och element, och det resulterar också i produkter som bidrar till tryckning. Detta är en viktig faktor när det gäller att skapa levande färgade barnpaddlingspooler tillverkade av bland annat PVC-film.

den råa formen av PVC är bräcklig, praktiskt taget glasliknande plast som skulle vara nästan värdelös om det inte vore för mjukgörare. Alkylsulfonater gör PVC elastisk och resistent mot förtvålning och väder.

Drifting mjukgörare molekyler

nyligen har industrin forskare kommit fram till en lösning på frågan om drifting mjukgörare molekyler. De små partiklarna av mjukgörare som hålls i plasten är otroligt mobila. Under specifika omständigheter rör sig partiklarna precis som honung i en svamp. Inom plasten upphör rörelsen av vissa mjukningsmolekyler förr eller senare när de når ytan och skapar en oattraktiv fet film.

hemmafruar är inte de enda som vet detta faktum. Unika mjukgörare som har utbildats för att stanna på ett ställe inuti polymeren—till exempel genom att ge dem långkedjiga molekyler-kan förhindra att gummi och plast utvecklar en fet eller matt yta.

dessutom har forskare skapat skräddarsydda halogenfria mjukgörare för elektroniska kretskort, så att den bräckliga plasten som används för att producera dem inte går sönder när brädorna borras, stansas och lödas.

tillväxt och utveckling av industrin

mjukgörarsektorn är till stor del involverad i konventionella produkter. Även om det är ganska ovanligt att ägna så mycket ansträngning åt produktutveckling, lönar det sig definitivt.

under de senaste två åren har plastmarknaden uppnått en tillväxt på bara 4%, men trots detta ökade försäljningen av vissa specialmjukgörare med cirka 15% under samma period. Denna siffra ensam är tillräcklig för att visa att det sista kapitlet i mjukgörarens långa historia inte har skrivits ännu: innovativ plast och de senaste kraven på de produkter som ständigt tillverkas av dem behöver nya lösningar. Här är det bara den kollektiva hjärnkraften hos plastexperter som kan göra rättvisa åt dessa.

naturliga mjukgörare

men kommer tillbaka till mjukgörare, de mjukgörande kemikalier som kommer från deglar och kolvar i den kemiska sektorn är inte de enda som förekommer i världen i stort. Eftersom naturen också delvis innehåller polymerer behöver den också ämnen för att säkerställa att dessa polymerer fortsätter att vara flexibla.

stärkelse, DNA, proteiner, trä och till och med stenar innehåller i huvudsak långa och ibland rumsligt sammankopplade kedjemolekyler. Naturen använder vatten som huvudmjukgörare. Naturliga fibrer som bomull, ull eller silke kommer att vara ömtåliga utan vatteninnehåll.

dessutom håller överskott av vatten muskelproteiner flexibla. I avancerad ålder minskar vatteninnehållet, medan fetter mer eller mindre spelar rollen som en mjukgörare framgångsrikt. Plastindustrin är inte den enda som förlitar sig på mjukgörare, men även moder natur kan inte klara sig utan dem. Muskelfibrer består av kedjemolekyler som liknar de som finns i plast. Precis som samtida polymerer innehåller muskelfibrer sina egna mjukgörare i form av fettmolekyler och vatten.

vatten kan också användas för att mjuka kvarts, vilket är känt för att vara ett mycket hårt material—medan hårt, naturligt kvarts innehåller bara 0,01% vatten, av tekniska skäl innehåller konstgjord kvarts cirka 10 gånger den mängden. Konstgjord kvarts kan formas på samma sätt som gips vid 400 CCG-en temperatur som lätt kan tolereras av mineraler—medan ”torr” naturlig kvarts helt enkelt förblir ”bergfast” upp till en temperatur på 1000 CCG.

Detta är ett utmärkt exempel på det faktum att användningen av mjukningsmedel i teknik inte nödvändigtvis är begränsad till plast. Personer som tänker hårt på det böjda handtaget på sina paraplyer skulle veta att någon form av procedur används för att göra träet flexibelt.

Varmvattenånga kan verkligen användas för att mjuka upp träet, men flytande ammoniak, när den blandas med organiska lösningsmedel som tetrahydrofuran, dimetylsulfoxid eller polyetylenglykol, gör jobbet ännu bättre. En specifik formulering som denna gör det även möjligt för individer att knyta knutar i gångpinnar. Efter förångningen av ammoniak kommer träet tillbaka till det ursprungliga tillståndet—det vill säga dess nyklippta tillstånd.

Emerging från plast medeltiden

över hundra år sedan, plast kom att bli känd genom Hyatt uppfinning. Därför är det inte förvånande att yrken som hittills har förknippats med bevarandet av antika pigment nu kommer till rätta med mjukningsproblem. Till exempel kämpar restauratörer för närvarande för att upprätthålla rymddräkterna som användes av Apollo-astronauterna på månen och kom till jorden oskadad.

dessa rymddräkter innehöll PVC-rör som hade mjukats med hjälp av ett ftalat. Efter att ha tillbringat över tre decennier i ett museum har detta flytande ämne diffunderat ut ur polymeren, på ett sätt som är typiskt för alla drivande mjukgörare. Som ett resultat har tillförselrören blivit sköra. Det som en gång tros vara toppen i rymddräkttekniken har nu blivit mindre hållbart jämfört med riddarnas sele som är hundratals år gamla. Om man tittar på saker ur denna synvinkel kan man således dra slutsatsen att människor fortfarande befinner sig i den så kallade medeltiden för plastteknik.