استفاده از اسید استیک در تولید فیلم های پلاستیکی و رزین ها

مقدمه

اسید استیک یک اسید کربوکسیلیک همه کاره است که به طور گسترده در صنعت پلیمر مورد استفاده قرار می گیرد. در تولید فیلم های پلاستیکی و رزین ها، اسید استیک نقش های متعددی را بر عهده دارد؛ از ماده اولیه مستقیم برای تولید مونومر های مهم گرفته تا عمل کردن به عنوان حلال یا کاتالیزور در فرایند های پلیمریزاسیون. این مقاله دیدگاهی جامع از نحوه مشارکت اسید استیک در ساخت انواع محصولات پلیمری ارائه می دهد؛ از چسب ها و فیلم ها گرفته تا الیاف مصنوعی و رزین های پلاستیکی. با بررسی کاربرد های گوناگون از سنتز مونومر های کلیدی و پلی استر ها تا تولید پلیمر های مبتنی بر سلولز آشکار می شود که چرا اسید استیک در تولید مدرن پلاستیک ها عنصری ضروری به شمار می رود، به ویژه برای صنایعی که در مراحل اولیه تولید نیازمند تأمین پایدار و استاندارد هستند و فرآیند هایی مانند خرید حواله اسید استیک شازند تأثیر مستقیمی بر کیفیت و پیوستگی تولید پلیمر های آن ها دارد.

اسید استیک: ماده ای کلیدی در تولید فیلم های پلاستیکی و رزین ها

اسید استیک یکی از مواد شیمیایی بنیادی است که تولید فیلم های پلاستیکی و رزین های مدرن بر آن استوار است. این اسید کربوکسیلیک ساده (CH₃COOH) به عنوان یک عنصر سازنده حیاتی برای طیف گسترده ای از مواد پلیمری عمل می کند. در واقع بخش زیادی از تولید جهانی اسید استیک صرف ساخت پیش ماده ها و افزودنی های پلیمری می شود. بسیاری از پلاستیک های ضروری وجود خود را مدیون اسید استیک هستند از مونومر وینیل استات که برای ساخت رزین های چسب و فیلم های انعطاف پذیر استفاده می شود گرفته تا اسید ترفتالیک خالص که برای تولید پلاستیک های پلی اتیلن ترفتالات (PET) به کار می رود (همان پلاستیک هایی که در بطری ها و فیلم ها یافت می شوند). همچنین همه کاره بودن اسید استیک به مراحل فرایندی نیز تسری می یابد؛ از جمله نقش آن به عنوان حلال یا کاتالیزور در واکنش های پلیمریزاسیون. اسید استیک همچنین در تولید استات سلولز یک پلیمر نیمه مصنوعی مورد استفاده در فیلم عکاسی و الیاف ابریشم مصنوعی (ریون) نقشی محوری دارد، به طوری که از طریق استیله کردن سلولز طبیعی توسط مشتقات اسید استیک به دست می آید. این گستردگی کاربردها نشان می دهد که مرز تأثیر اسید استیک تنها به صنایع پلاستیک محدود نیست و حوزه هایی مانند نقش اسید استیک در صنعت نساجی و رنگرزی نیز از همین مشتقات و فرآیندهای استیلاسیون برای تثبیت رنگ، بهبود کیفیت الیاف و افزایش دوام پارچه بهره می برند. به طور کلی نقش آفرینی اسید استیک در مراحل متعدد ساخت رزین ها و فیلم ها نشان می دهد که چرا این ماده در صنعت پلاستیک عنصری غیر قابل جایگزین محسوب می شود.

ویژگی های منحصر به فرد اسید استیک سودمند در تولید پلیمر

خواص شیمیایی متمایز اسید استیک باعث می شود که این ماده در فرآیند تولید پلیمر به طور ویژه ای مفید واقع شود. اسید استیک یک حلال پروتیک و قطبی است که به راحتی با آب و بسیاری ترکیبات آلی مخلوط می شود و به این ترتیب می تواند مونومر ها، کاتالیزور ها و مواد واسطه را در طی سنتز رزین حل کند. قدرت اسیدی متوسط آن (حدود ۵٪ تفکیک در آب) به اسید استیک امکان می دهد واکنش های استریفیکاسیون (تشکیل استر) و پلیمریزاسیون های تراکمی را به ملایمت کاتالیز کند، بدون آن خورندگی شدیدی که در اسید های معدنی وجود دارد. برای مثال، اسید استیک می تواند واکنش گروه های الکل و اسید را برای تشکیل زنجیر های پلیمری تسهیل کند و سپس با حرارت دادن به راحتی از محیط واکنش خارج شود. با نقطه جوش ۱۱۸ درجه سانتیگراد، می توان از آن به عنوان محیط واکنش در دما های بالا استفاده کرد و در عین حال بعداً با تقطیر، آن را حذف نمود تا یک محصول پلیمری خالص به دست آید. اسید استیک همچنین به آسانی گروه های استیل و استات های فلزی تشکیل می دهد که در فرآیند هایی مانند استیله کردن سلولز و در سیستم های کاتالیزوری مانند استات های فلزی مورد استفاده در تولید PET حائز اهمیت هستند. این ویژگی های منحصر به فرد اسید استیک را به یک کمک فرایندی بی نظیر تبدیل می کنند به طوری که ترکیبی ایده آل از قدرت حلالیت، واکنش پذیری و سهولت جداسازی را فراهم می سازد که بسیاری از مراحل تولید پلیمر را بهینه می کند.

تولید مونومر وینیل استات (VAM) از اسید استیک

یکی از کاربرد های صنعتی اصلی اسید استیک، استفاده از آن به عنوان ماده اولیه برای تولید مونومر وینیل استات (VAM) است. در این فرایند، اسید استیک با اتیلن و اکسیژن در حضور یک کاتالیزور واکنش داده می شود تا وینیل استات تولید شود و به همراه آن آب به عنوان محصول جانبی به دست آید. این واکنش در صنعت شیمیایی از اهمیت بالایی برخوردار است و بخش عمده ای از عرضه جهانی اسید استیک را مصرف می کند. این تقاضای بالا ناشی از اهمیت خود مونومر وینیل استات به عنوان یک بنیان برای تعداد زیادی از پلیمر ها و رزین ها است. چون کارایی و بازده تولید وینیل استات به خلوص مواد واکنش دهنده وابسته است، معمولاً از اسید استیک گلاسیال (نزدیک به ۱۰۰٪ خلوص) استفاده می شود تا واکنش بدون مشکل و با نرخ تبدیل بالا انجام گیرد. تولید VAM نقش اسید استیک را به عنوان یک ماده شیمیایی اساسی به خوبی نشان می دهد: بدون اسید استیک، تولید وینیل استات در مقیاس مورد نیاز امکان پذیر نخواهد بود. به عنوان دروازه ورود به پلی وینیل استات و دیگر پلیمر های وینیلی، فرایند تولید VAM نشان می دهند که چگونه اسید استیک به طور مستقیم در ایجاد مواد مورد استفاده در چسب ها، رنگ ها، فیلم ها و پوشش ها مشارکت دارد.

رزین های پلی وینیل استات برای چسب ها و پوشش ها

پلی وینیل استات (PVAc) یک رزین سنتزی است که از پلیمریزاسیون مونومر وینیل استات به دست می آید و وجود خود را مدیون اسید استیک است. پلی وینیل استات به عنوان پایه بسیاری از چسب های سفید، چسب چوب و چسب مدرسه شناخته می شود که این امر به دلیل قابلیت چسبندگی قوی و ماهیت غیر سمی و بر پایه آب آن است. این رزین همچنین به عنوان جزء فیلم ساز در رنگ های لاتکس و پوشش ها به کار می رود و یک پوشش نهایی با دوام و انعطاف پذیر ایجاد می کند. ارتباط با اسید استیک در شیمی PVAc نهفته است: هر واحد وینیل استات در این پلیمر دارای یک گروه استیل است که از اسید استیک مشتق شده است. در نتیجه، اسید استیک عملاً در ساختار این رزین های چسب آمیخته شده است. امولسیون های PVAc به راحتی قابل کاربرد بوده و به خوبی به مواد متخلخل مانند کاغذ، پارچه و چوب می چسبند؛ به همین دلیل در کاربرد هایی چون بسته بندی، مبلمان و صحافی کتاب به طور گسترده حضور دارند. علاوه بر این، پلی وینیل استات را می توان به صورت جزئی هیدرولیز کرد تا پلی وینیل الکل (PVA) حاصل شود؛ پلیمری مفید دیگر برای فیلم ها و چسب ها که در طی این فرایند اسید استیک به عنوان محصول جانبی آزاد می گردد. فراوانی PVAc در محصولات روزمره نشان می دهد که چگونه اسید استیک به طور غیر مستقیم از طیف وسیعی از چسب ها و پوشش های مورد استفاده در سراسر جهان پشتیبانی می کند.

کوپلیمر های اتیلن-وینیل استات (EVA) در کاربرد های فیلم

اتیلن-وینیل استات (EVA) یک کوپلیمر منعطف و شفاف است که برای کاربرد های فیلم پلاستیکی ارزشمند است و از طریق محتوای وینیل استات خود مستقیماً به اسید استیک مرتبط است. EVA از طریق پلیمریزاسیون اتیلن همراه با درصدی مونومر وینیل استات (معمولاً ۵ تا ۳۰٪) تولید می شود. واحد های وینیل استات که ریشه در اسید استیک دارند، نظم بلوری پلی اتیلن را مختل کرده و EVA را بسیار نرم تر و الاستیک تر از پلی اتیلن خالص می کنند. نتیجه آن فیلم هایی است که در دما های پایین تردی کمتری دارند و از شفافیت و جلای بهتری برخوردارند. فیلم های EVA به طور گسترده در بسته بندی (برای مثال به عنوان پوشش های محافظ چسبنده و لایه های حرارتی در بسته بندی مواد غذایی) و در فیلم های کشاورزی مخصوص گلخانه ها به کار می روند؛ جایی که استحکام و شفافیت آنها به محافظت از محصولات کشاورزی کمک می کند. خواص چسبندگی و آب بندی عالی این ماده همچنین آن را به گزینه ای برتر برای فیلم های لمینت و برای محصور سازی پنل های خورشیدی تبدیل کرده است یک لایه فیلم EVA برای قرار دادن سلول های فتوولتائیک به کار می رود. EVA در شکل فوم در کفی کفش و تشک های ورزشی استفاده می شود، اما به صورت فیلم همچنان یک پلاستیک کلیدی در هر جا که انعطاف پذیری و ارتجاعیت مورد نیاز است محسوب می شود. وابستگی EVA به مونومر مشتق از اسید استیک نشان می دهد که نفوذ اسید استیک حتی در پلاستیک های مبتنی بر پلی الفین نیز گسترده است.

رزین ها و فیلم های پلی استر PET به کمک شیمی اسید استیک

تولید پلی اتیلن ترفتالات (PET) – رزین پلی استری که در الیاف مصنوعی، بطری های پلاستیکی و فیلم ها استفاده می شود ارتباط تنگاتنگی با شیمی اسید استیک دارد. پیش ماده کلیدی PET یعنی اسید ترفتالیک خالص (PTA) از اکسیداسیون پارا-زایلن با اکسیژن در یک واکنش مایع تولید می شود که در آن از اسید استیک به عنوان حلال استفاده می گردد. در فرایند Amoco که به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد، اسید استیک نه تنها به عنوان محیط واکنش عمل می کند بلکه با کاتالیزور هایی (مانند استات کبالت و منگنز) که واکنش اکسایش را پیش می برند نیز تعامل دارد. این اتکا به اسید استیک حصول بازده و خلوص بالای PTA را تضمین می کنند که برای تولید پلیمر PET با کیفیت بالا ضروری است. پس از اکسایش، حلال اسید استیک بازیابی و بازیافت می شود زیرا با ارزش است. سپس PTA با اتیلن گلایکول واکنش داده می شود تا PET تشکیل شود؛ فرایندی که ممکن است مقدار اندکی اسید استیک نیز به عنوان محصول جانبی هنگام پایان بندی گروه های انتهایی تولید کند. رزین نهایی PET را می توان ذوب کرده و به صورت فیلم های PET قالب ریزی کرد (برای مثال همان فیلم های براق مایلار که در بسته بندی و الکترونیک استفاده می شوند) یا آن را در قالب ظروف شکل داد. اگر اسید استیک امکان سنتز کارآمد PTA را فراهم نمی کرد، کل زنجیره تامین پلاستیک های PET از فیلم های شفاف بسته بندی مواد غذایی گرفته تا منسوجات پلی استر دچار اختلال می شد.

تولید پلاستیک ها و فیلم های استات سلولز

استات سلولز یک پلاستیک نیمه مصنوعی است که به طور مستقیم از اسید استیک و از طریق فرآیند استیله کردن مشتق می شود. در تولید استات سلولز، سلولز خالص (از خمیر چوب یا لینتر پنبه) در حضور یک کاتالیزور (معمولاً اسید سولفوریک) با انیدرید استیک و اسید استیک واکنش داده می شود. خود انیدرید استیک نیز از اسید استیک ساخته می شود، بنابراین اسید استیک منبع اساسی گروه های استات است که به زنجیره های سلولز متصل می شوند. نتیجه این واکنش تولید سلولز تری استات است که در ادامه به صورت جزئی هیدرولیز می شود تا سلولز دی استات تشکیل گردد که همان شکل مورد استفاده در بیشتر محصولات است. این ماده را می توان ذوب کرده و قالب گیری نمود یا به صورت فیلم ها و الیاف شکل داد. سلولز استات به عنوان پایه فیلم های عکاسی و سینمایی معروف شد و جایگزینی ایمن تر برای فیلم های نیتراتی اولیه ارائه داد. همچنین برای تولید صفحات شفاف، قاب عینک، کارت های بازی و الیافی مانند نخ استات (مورد استفاده در منسوجات و فیلتر سیگار) به کار می رود. فیلم های پلاستیکی از جنس استات سلولز به دلیل شفافیت و استحکام خود ارزشمند هستند. در سراسر این مسیر تولید، اسید استیک هم به عنوان واکنش دهنده و هم به عنوان حلال حضور دارد و حتی به عنوان محصول فرعی نیز ظاهر می شود، زیرا مقداری اسید استیک هنگامی که استات سلولز برای رسیدن به میزان استیلاسیون مطلوب به صورت جزئی دی استیله می شود، دوباره تولید می گردد.

تولید انیدرید استیک از اسید استیک برای صنایع پلیمری

انیدرید استیک یکی از مشتقات کلیدی اسید استیک است و به عنوان یک واکنشگر ضروری برای تولید چندین پلیمر استیله شده عمل می کند. در مقیاس صنعتی، انیدرید استیک با آبگیری از اسید استیک (برای مثال از طریق فرآیند کتین) تولید می شود تا این انیدرید واکنش پذیر تشکیل گردد. بخش پلیمری صنعت سهم زیادی از انیدرید استیک تولید شده را مصرف می کنند که عمدتاً برای ساخت پلاستیک ها و الیاف استات سلولز به کار می رود. همان طور که در تولید استات سلولز اشاره شد, انیدرید استیک گروه های استیل لازم برای اصلاح سلولز طبیعی به یک ماده گرمانرم را فراهم می کند. فراتر از سلولز استات، انیدرید استیک برای تولید دیگر پلیمر های پایه سلولزی مانند سلولز استات بوتیرات (CAB) و سلولز استات پروپیونات (CAP) نیز استفاده می شود که در پوشش ها و فیلم های ویژه کاربرد دارند. همچنین در ساخت برخی نرم کننده های پلاستیک کاربرد دارد برای مثال واکنش انیدرید استیک با گلیسرول گلیسرول تری استات (تری استین) تولید می کند که یک نرم کننده متداول برای فیلم ها و الیاف استات سلولز است. در نتیجه، دسترسی به انیدرید استیک (و به تبع آن اسید استیک) برای این فرایند های اصلاح پلیمر حیاتی است. بدون عرضه مطمئن اسید استیک برای تولید انیدرید استیک، صنایع قادر به تولید کارآمد بسیاری از پلاستیک ها و افزودنی های استیله شده نخواهند بود.

اسید استیک به عنوان کاتالیزور و کمک فرایندی در پلیمریزاسیون

اسید استیک اغلب نقش های حمایتی در فرآیند های پلیمریزاسیون ایفا می کند که فراتر از نقش آن به عنوان ماده اولیه است. ماهیت اسیدی ملایم آن باعث می شود که به عنوان کاتالیزور یا هم کاتالیزور در برخی واکنش ها عمل کند. برای مثال، مقادیر کمی اسید استیک می تواند پلیمریزاسیون های تراکمی (مانند پلی استریفیکاسیون یا سنتز نایلون) را با پروتون دهی جهت تسریع در اتصال مونومر ها کاتالیز کند. در تولید برخی رزین های ترموپلاستیک، از اسید استیک برای کنترل شرایط واکنش استفاده می شود به عنوان تنظیم کننده pH در پلیمریزاسیون امولسیونی یا به عنوان عامل انتقال زنجیر برای تنظیم وزن مولکولی. با افزودن عمدی مقدار کنترل شده ای از اسید استیک، تولیدکنندگان می توانند زنجیر های پلیمری در حال رشد را در طول های دلخواه متوقف کنند (با افزودن گروه استات به انتهای زنجیر)، و بدین ترتیب گرانروی و خواص پلیمر را تنظیم نمایند. یک مثال در تولید رزین PVC یا اکریلیک است که در آن ممکن است مقداری اسید استیک برای تعدیل سرعت پلیمریزاسیون یا تثبیت مخلوط اضافه شود. علاوه بر این نمک های فلزی اسید استیک (مانند استات روی یا استات کبالت) اغلب به عنوان کاتالیزور در شیمی پلیمر استفاده می شوند که نشان می دهد استات های حاصل از اسید استیک به کارایی بسیاری از فرآیند های پلیمریزاسیون کمک می کنند. در مجموع انعطاف پذیری اسید استیک به عنوان یک کمک فرایندی به بهبود کنترل و کیفیت در ساخت پلیمر های متنوع کمک می کند.

حلال ها و نرم کننده های استاتی مشتق شده از اسید استیک

نفوذ اسید استیک در صنعت پلاستیک به انواع حلال ها و نرم کننده هایی نیز گسترش می یابد که از نظر شیمیایی بر پایه استات هستند. بسیاری از حلال های صنعتی رایج استر های استاتی هستند که از اسید استیک تولید می شوند. برای مثال، اتیل استات (حاصل از اسید استیک و اتانول) و بوتیل استات (حاصل از اسید استیک و بوتانول) به طور گسترده به عنوان حلال در رنگ ها، جوهر ها و پوشش ها استفاده می شوند و به حل کردن رزین های پلیمری کمک کرده و سپس بدون باقی گذاشتن اثری تبخیر می شوند. این حلال ها در کاربرد پوشش ها یا فرآوری پلاستیک ها نقش حیاتی ایفا می کنند و به دلیل خشک شدن سریع و توان حلالیت بالای خود مورد توجه هستند. اسید استیک همچنین در تولید نرم کننده های مهم نیز سهیم است. گلیسرول تری استات که به تری استین معروف است، از استریفیکاسیون گلیسرول با اسید استیک ساخته می شود؛ از آن به عنوان نرم کننده در استات سلولز استفاده می کنند تا موادی مانند فیلم و الیاف را انعطاف پذیر نگه دارد. به همین ترتیب، استیل تری بوتیل سیترات یک نرم کننده زیست تجزیه پذیر است که از واکنش اسید سیتریک با انیدرید استیک ساخته می شود و اغلب به عنوان جایگزینی غیرسمی برای فتالات ها در PVC و سایر پلاستیک ها استفاده می گردد. هم حلال ها و هم نرم کننده های مبتنی بر استات نشان می دهند که اسید استیک به طور غیر مستقیم اما حیاتی در ساخت و فرآوری مواد پلاستیکی نقش دارد و تضمین می کند که پلیمر ها بتوانند بر حسب نیاز حل، قالب گیری و انعطاف پذیر نگه داشته شوند.

ملاحظات ایمنی در کار با اسید استیک در تولید پلاستیک

هنگام استفاده از اسید استیک در تولید پلاستیک، اقدامات ایمنی سختگیرانه ضروری است زیرا این ماده ماهیتی خورنده و فرار دارد. اسید استیک گلاسیال می تواند در تماس با پوست یا چشم ها سوختگی شدید ایجاد کند و بخار تند آن به شدت برای دستگاه تنفسی آزاردهنده است. کارکنان کارخانجات تولید پلیمر باید از تجهیزات حفاظتی فردی مناسب (دستکش های مقاوم در برابر اسید، عینک حفاظتی، ماسک یا سپر صورت) استفاده کنند و در صورت ریخت و پاش تصادفی دسترسی به دوش های ایمنی داشته باشند. تهویه کافی و تخلیه بخارات اهمیت زیادی دارد، زیرا حتی غلظت های پایین بخار اسید استیک (با بویی شبیه سرکه) می تواند چشم ها و گلو را تحریک کند. حدود مجاز مواجهه شغلی معمولاً حدود ۱۰ پی پی ام برای یک شیفت ۸ ساعته است تا از بروز مشکلات مزمن تنفسی جلوگیری شود. از دیدگاه ایمنی فرایندی، اسید استیک باید در تجهیزات با طراحی مناسب که از مواد مقاوم در برابر خوردگی (مانند فولاد زنگ نزن) ساخته شده اند جابجا شود تا از نشت جلوگیری گردد. مخازن ذخیره و خطوط لوله اغلب به سیستم های تهویه و اسکرابر مناسب مجهز می شوند زیرا اسید استیک در دما ها و غلظت های بالا قابل اشتعال است. در صورت انتشار تصادفی، ریخت و پاش ها با آب رقیق شده و با باز هایی مانند بی کربنات سدیم خنثی می شوند تا خطرات کاهش یابد. تأثیرات زیست محیطی برای انتشار های کوچک نسبتاً کم است (زیرا اسید استیک به راحتی تجزیه زیستی می شود)، اما رهاسازی های متمرکز می تواند با کاهش pH به آبزیان آسیب برساند، بنابراین مهار و کنترل آن حیاتی است. با پیروی از پروتکل های ایمنی جامع، تولیدکنندگان اطمینان حاصل می کنند که مزایای استفاده از اسید استیک در تولید پلیمر بدون به خطر انداختن کارکنان یا محیط زیست محقق می شود.

بررسی مقایسه ای کاربرد های اسید استیک در صنایع پلاستیک

اسید استیک در بخش های گوناگون صنعت فیلم پلاستیکی و رزین مورد استفاده قرار می گیرد. جدول زیر چندین کاربرد کلیدی اسید استیک در ساخت پلاستیک را به صورت خلاصه نشان می دهد و نقش آن، ماده حاصل یا پلیمر مربوطه، کاربرد های نهایی آن محصولات و نکات قابل توجه هر فرایند را بیان می کند. این مرور مقایسه ای نشان می دهد که چگونه یک ماده اسید استیک می تواند در تولید طیف وسیعی از مواد پلاستیکی نقش مرکزی داشته باشد: