تاثیر پلی وینیل الکل بر پوشش های اپوکسی

تقریبا همه ما میدانیم که پوشش‌های اپوکسی چون چسبندگی فوق‌العاده‌ای دارند و در برابر مواد شیمیایی مقاومند، یکی از محبوب‌ترین گزینه برای محافظت از فلز، بتن و سازه‌های صنعتی هستند؛  اما مشکل بزرگشان این است که بعد از خشک شدن، شکننده می‌شوند. همین شکنندگی باعث می‌شود با یک ضربه یا ارتعاش کوچک، ترک بردارند و پوشش از کار بیفتد. این قضیه خودش را بیشتر در محیط‌های صنعتی مثل خطوط لوله، مخازن یا کف کارخانه‌ها، نشان میدهد و به عبارت دیگه یک دردسر واقعیه!!!

اینجاست که پلی وینیل الکل (PVA) وارد ماجرا می‌شود. PVA در واقع یک پلیمر نرم، انعطاف‌پذیر و محلول در آب است که در چسب‌ها، صنایع نساجی و کاغذسازی کاربرد دارد. ایده این است که با مخلوط کردن مقدار کمی PVA با اپوکسی، هم انعطاف اپوکسی را بالا ببریم و هم شکنندگی آن را کم کنیم.

اما سوال اصلی که ذهن اکثر کارشناسان و تولیدکنندگان را درگیر خودش کرده این هست که آیا این ترکیب واقعاً معجزه می‌کند یا باعث می‌شود پوشش در برابر رطوبت و خوردگی ضعیف شود؟ برای پاسخ به این سوال فقط کافیست تا پایان این مطلب همراه ما باشید.

آیا ساختار شیمیایی PVA،  قابلیت اختلاط با اپوکسی دارد؟

برای پاسخ به این سوال، ما قصد داریم این مبحث را از دو منظر مورد بررسی قرار دهیم.

گروه‌های عاملی مؤثر در برهم کنش 

اتفاق خوبی که بین PVA و اپوکسی می‌افتد، به خاطر گروه‌های هیدروکسیل (-OH) روی زنجیره PVA است. این گروه‌ها می‌توانند با گروه‌های اپوکسیدی یا با هاردنرهای آمینی پیوند هیدروژنی برقرار کنند. در عمل، همین پیوندهای هیدروژنی ساده باعث می‌شوند PVA در مرحله‌ی مخلوط شدن، نسبتاً خوب در اپوکسی پراکنده شود. برای کارخانه‌های رنگ و رزین این نکته حیاتی است: اگر PVA از نوع با درجه هیدرولیز بالا مثلاً اگر  98% باشد، تعداد گروه‌های OH بیشتر است و برهمکنش بهتری با اپوکسی خواهد داشت.

چالش‌های اختلاط 

با وجود این برهمکنش خوب اولیه، مشکل اصلی اینجاست که PVA ذاتاً قطبی و آب دوست است، در حالی که اپوکسی مخصوصاً انواع معمولی bisphonol A غیرقطبی تر و آبگریز است. وقتی این دو را ساده با هم مخلوط می‌کنید، ممکن است پس از چند ساعت یا در حین پخت، فازها از هم جدا شوند. یعنی یک فاز غنی از PVA و یک فاز غنی از اپوکسی. برای یک مهندس شیمی یا مسئول تولید، این یعنی شکست فاجعه بار در خواص نهایی پوشش.

برای حل این چالش در صنعت، معمولاً از هم‌زن‌های با سرعت بالا یا حلال‌های مشترک مثل الکل‌ها استفاده می‌شود. همچنین گاهی PVA را ابتدا در آب داغ حل می‌کنند و سپس به صورت امولسیون به اپوکسی اضافه می‌کنند. فروشنده‌های مواد شیمیایی باید بدانند که افزودن بیش از 5 تا 7 درصد وزنی PVA تقریباً همیشه منجر به جدایی فاز و افت شدید کیفیت می‌شود. برای کارخانه‌های لاستیک و پلاستیک که به دنبال پوشش‌های انعطاف‌پذیر هستند، این یک نقطه‌ی هشدار مهم است.

تأثیر PVA بر فرآیند پخت اپوکسی 

وقتی PVA به اپوکسی اضافه می‌شود، مستقیماً در واکنش شیمیایی پخت شرکت نمی‌کند؛ اما به خاطر گروه‌های هیدروکسیل فراوانش، سرعت پخت را تغییر می‌دهد. در عمل، این گروه‌های OH مثل یک کاتالیزور ضعیف عمل می‌کنند و واکنش بین اپوکسی و هاردنر آمینی را کمی تسریع می‌کنند. برای یک مهندس رنگ یا مسئول خط تولید، این یعنی زمان پتانسیل (pot life) مخلوط کوتاه‌تر می‌شود و باید سریعتر کار کنند. از طرف دیگر، PVA می‌تواند مانع از پخت کامل در نواحی غنی از خودش شود. نتیجه نهایی این است: همیشه باید قبل از استفاده تجاری، منحنی پخت را با DSC چک کنید.

برای فروشنده‌ها و کارخانه‌ها، پیام کلیدی این است که PVA فقط یک پرکننده نیست؛ روی فرآیند پخت تأثیر واقعی دارد.

خواص مکانیکی پوشش هیبریدی اپوکسی/پلی وینیل الکل

افزودن PVA به اپوکسی مثل یک شمشیر دو لبه عمل می‌کند: از یک طرف انعطاف‌پذیری را بهبود می‌بخشد، از طرف دیگر سختی و مقاومت حرارتی را کاهش می‌دهد.

1. سختی: با افزایش PVA، سختی پوشش به طور محسوسی پایین می‌آید. دلیلش این است که PVA خودش یک پلیمر نرم است و مانند یک نرم‌کننده (plasticizer) عمل می‌کند. برای پوشش‌هایی که نیاز به مقاومت در برابر خراش و سایش دارند، نباید از PVA بیشتر از ۳ تا ۵ درصد استفاده کرد.
2. مقاومت به ضربه : اینجا نقطه قوت ترکیب است. PVA انرژی ضربه را جذب می‌کند و از انتشار ترک جلوگیری می‌نماید. برای کارخانه‌هایی که با قطعات در حال ارتعاش یا خطوط لوله سروکار دارند، افزودن PVA تا ۷ درصد می‌تواند عمر پوشش را به طور چشمگیری افزایش دهد.
3. ازدیاد طول تا شکست: پوشش خالص اپوکسی حداکثر ۳ تا ۶ درصد کش می‌آید قبل از اینکه ترک بخورد. با افزودن PVA، این عدد می‌تواند تا ۲۰ تا ۳۰ درصد برسد. یعنی پوشش خیلی انعطاف‌پذیرتر می‌شود و می‌تواند تغییر شکل زیرلایه را بدون ترک خوردن دنبال کند.
4. مقاومت به سایش: متأسفانه PVA در این بخش ضعیف عمل می‌کند. چون نرم است، پوشش هیبریدی زودتر از اپوکسی خالص سایش پیدا می‌کند. برای کف‌های صنعتی یا خطوط تولیدی که رفت و آمد بالاست، این یک نقطه ضعف جدی محسوب می‌شود.
5. مدول الاستیسیته: مدول یا سفتی پوشش با اضافه شدن PVA کاهش پیدا می‌کند. یعنی پوشش نرم‌تر و انعطاف‌پذیرتر می‌شود. این ویژگی برای پوشش‌های روی زیرلایه‌های نرم مثل چوب یا برخی پلاستیک‌ها یک مزیت است، اما برای سازه‌های فلزی سنگین یک نقطه ضعف محسوب می‌شود.

چسبندگی و مقاومت به خوردگی 

اینجا بزرگترین نقطه ضعف ترکیب PVA با اپوکسی خودش را نشان می‌دهد. PVA ذاتاً آب دوست است، یعنی عاشق آب. وقتی پوشش هیبریدی در معرض رطوبت یا محیط مرطوب قرار می‌گیرد، ذرات PVA آب جذب می‌کنند و متورم می‌شوند. این تورم از داخل به لایه پوشش فشار می‌آورد و کمکم چسبندگی بین اپوکسی و زیرلایه، مثلاً فلز یا بتن را از بین می‌برد.

در نتیجه آب و اکسیژن راهی به سطح فلز پیدا می‌کنند و خوردگی شروع می‌شود. برای یک کارخانه رنگ یا یک مهندس خوردگی، این یعنی خط قرمز: اگر پوشش برای محیط خشک و داخلی است، شاید بتوان تا ۵ درصد PVA استفاده کرد؛ اما برای محیط‌های مرطوب، فضای باز یا صنایع دریایی، عملاً PVA سمّی برای پوشش اپوکسی محسوب می‌شود، مگر اینکه با اصلاحگرهای آبگریز ترکیب شود.

جمع بندی

PVA در اپوکسی مثل یک افزودنی دوست‌داشتنی اما دردسرساز است. از یک طرف، انعطاف و مقاومت به ضربه را به طرز چشمگیری بالا می‌برد و پوشش را از حالت شکننده خارج می‌کند. از طرف دیگر، سختی، مقاومت به سایش و مهم‌تر از همه چسبندگی در محیط مرطوب را قربانی می‌کند. برای یک مهندس شیمی یا مسئول فنی کارخانه رنگ، قانون کلی این است: اگر محیط خشک و نیاز به انعطاف دارید، PVA می‌تواند ناجی شما باشد؛ اگر محیط مرطوب یا نیاز به مقاومت خوردگی دارید، تا حد امکان از آن دوری کنید.

از نظر مقدار، رنج امن تا ۵ درصد وزنی است. بالاتر از ۵ درصد، جدایی فاز، افت چسبندگی و کاهش چشمگیر سختی حتمی است. برای کاربردهای خاص مثل پوشش‌های موقتی مثلاً محافظت از قطعات در حین انبارداری قبل از نصب نهایی، می‌توانید تا ۱۰ درصد هم بروید چون عمر کوتاه پوشش اجازه نمی‌دهد ضعف‌ها خودشان را نشان بدهند. همچنین برای پوشش‌های ضد خش روی سطوحی که در معرض ضربه هستند مثل بدنه ماشین‌آلات صنعتی، ترکیب ۳ تا ۵ درصد PVA به همراه یک هاردنر انعطاف‌پذیر نتیجه جالبی می‌دهد. اما برای صنایع دریایی، خطوط لوله زیرزمینی یا مخازن شیمیایی، به هیچ عنوان توصیه نمی‌شود مگر اینکه PVA اصلاح شیمیایی شده آبگریز باشد.

سوالات متداول

refrence:

1. Kim, S., & Park, C. E. (2019). “Effect of polyvinyl alcohol on mechanical and barrier properties of epoxy coatings.” Progress in Organic Coatings, Vol. 135, pp. 408-415.
2. Lambourne, R., & Strivens, T. A. (2018). Paint and Surface Coatings: Theory and Practice. 3rd Edition. Woodhead Publishing. 
3. shimidox , whats resin epoxy