مواد شیمیایی و افزودنی های مورد استفاده در صنعت لاستیک
محورهای موضوعی : پليمرها و نانوفناوری
مهری ندیری نیری
1
(ازمايشگاه تحقيقاتي)
کلید واژه: الاستومر, مواد شیمیایی و افزودنی¬ها, آمیزه, ولکانیزاسیون, صنعت لاستیک,
چکیده مقاله :
وسعت دامنه کاربرد الاستومرها تا حدود زیادی به سبب قابلیت ترکیب آنها با تعداد بسیار زیادی از مواد شیمیایی و افزودنیهایی نظیر مواد کمک نرمکننده (Mastication Aids)، مواد شیمیایی ولکانش‌کننده، مواد شیمیایی محافظت‌کننده در برابر فرسودگی، پرکنندهها، نرمکنندهها، عامل های اسفنجیکننده و غیره است. اصولاً ماهیت الاستومر، تعیینکننده خواص اصلی محصولی است که از آن الاستومر تهیه میشود، اما این خواص را میتوان به میزان قابلملاحظهای با استفاده از انواع مواد اشاره‌شده در فوق و مقادیر متفاوت آنها در فرمول محصول تغییر داد. از سوی دیگر، مواد شیمیایی و پرکنندهها روی رفتار آمیزههای الاستومری حین اختلاط و فراورش اثر گذاشته و وولکانش آنها را امکانپذیر میسازند، همچنین، این امکان را فراهم میسازند که خواص آمیزههای وولکانششده را بتوان در مقیاس وسیعی تغییر داد و آنها را در بسیاری از کاربردها استفاده کرد. آمیزهکار یا کارشناس آمیزهکاری غالباً از تمامی فرصتها و امکاناتی که در دسترس اوست استفاده میکند تا راحتتر بتواند به ویژگیهای موردنظر در آمیزه دست پیدا کند. رسیدن به این ویژگی‌ها، مستلزم داشتن دانش بالایی در رابطه با مواد شیمیایی و افزودنیهای مورد استفاده در تهیه آمیزه است. با توجه به اهمیت مواد شیمیایی در صنعت لاستیک، در این مقاله در صدد برآمدیم که به توصیف جامعی از انواع مواد شیمیایی مورد نیاز برای ساخت لاستیک از جمله کائوچوها، پرکنندهها، نرمکنندهها، فعالکنندهها، محافظتکنندهها، عوامل پختی و کمک فرایندها بپردازیم.
The scope of application of elastomers is largely due to their ability to be combined with a large number of chemicals and additives such as softening aids, vulcanizing chemicals, aging protectors, fillers, softeners, sponging agents and so on. Basically, the nature of an elastomer determines the main properties of the product from which the elastomer is prepared, but these properties can be significantly changed by using the types of materials mentioned above and their different amounts in the product formula. On the other hand, chemicals and fillers affect the behavior of elastomeric mixtures during mixing and processing and make their vulcanization possible, also, they make it possible to change the properties of vulcanized mixtures on a large scale and use them in many applications. A mixologist often uses all the opportunities and facilities available to him in order to more easily achieve to the desired characteristics in a mixture. Achieving these characteristics requires a high level of knowledge about chemicals and additives used in the preparation of a compound. Considering the importance of chemicals in the rubber industry, in this article we tried to describe comprehensively the types of chemicals needed to make rubber, including rubbers, fillers, softeners, activators, antioxidants, curing agents and process aids.
1. Tobolsky A., Properties and Structure of Polymers, J. Wiley & Sons, New York, 1960.
2. Preetom S., Anil K.B., Sustainable Rubbers and Rubber
Additives, Journal of Applied Polymer, 135, 45701-45708, 2018.
3. Mei J., Promoting Sustainable Materials Using Recycled Rubber in Concrete: A Review, Journal of Cleaner Production, 373, 133927-133933, 2022.
4. هافمن ورنر، تکنولوژی جامع لاستیک، انتشارات فرازاندیش سبز، چاپ دوم، شرکت مهندسی و تحقیقات صنعت لاستیک و شرکت ایران یاسا تایر و رابر، تهران، 1387.
5. Bekkedahi N., Tryon M., Review - Natural and Synthetic Rubbers, Analytical Chemistry, 27, 589-598, 1955.
6. Aamer A., Biodegradation of Natural and Synthetic Rubbers: A Review, International Biodeterioration & Biodegradation, 83, 145-157, 2013.
7. Hernandez M., Routes to Make Natural Rubber Heal: A Review, Polymer Reviews, 58, 585-609, 2018.
8. Wood L.A., Synthetic Rubbers: A Review of Their Compositions, Properties and Uses, Rubber Chemistry and Technology, 13, 861–885, 1940.
9. Garner, T.L., Synthetic Rubber Development: A Review of the Different Materials Now Available for Various Uses, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 13, 215-216, 1941.
10. جان اس. دیک، آمیزه کاری در صنایع پلیمری، دانشگاه صنعتی اصفهان، چاپ اول، اصفهان، 1374.
11. هری لانگ، مبانی آمیزه کاری و فراورش لاستیک، مرکز نشر دانشگاهی، چاپ اول، تهران، 1375.
12. امیدیان حسین، فرانتا ایوان، کشپارها و مواد آمیزه کاری لاستیک، مرکز نشر دانشگاهی، چاپ اول، تهران، 1383.
13. جان اس. دیک، مریم مختاری مهر (مترجم)، علیرضا مختار (ویراستار)، بهبود آمیزه های لاستیکی: 1500 راه حل عملی برای مسایل آمیزه کاری، نوید شیراز، چاپ اول، شیراز، 1391.
14. Ash M., Ash I., Handbook of Plastic and Rubber Additives, Synapse Information Resources, USA, 2020.
15. Shahrampour H., The Effects of Sulfur Curing Systems (Insoluble-Rhombic) on Physical and Thermal Properties of the Matrix Polymeric of Styrene Butadiene Rubber, Petroleum Chemistry, 57, 700–704, 2017.
16. Wreczycki J., Sulfur/Organic Copolymers as Curing Agents for Rubber, Polymers, 10, 870-890, 2018.
مواد شیمیایی و افزودنیهای مورد استفاده در صنعت لاستیک
1- دکتری شیمی آلی، شرکت طنین پیک سبلان (تولیدکننده توپهای بتا)، آزمایشگاه تحقیقاتی، شهرک صنعتی شماره 2، اردبیل، ایران، 33873168-045
چکیده
وسعت دامنه کاربرد الاستومرها تا حدود زیادی به سبب قابلیت ترکیب آنها با تعداد بسیار زیادی از مواد شیمیایی و افزودنیهایی نظیر مواد کمک نرمکننده(Mastication Aids) ، مواد شیمیایی وولکانشکننده، مواد شیمیایی محافظت‌کننده در برابر فرسودگی، پرکنندهها، نرمکنندهها، عاملهای اسفنجیکننده و غیره است. اصولاً ماهیت الاستومر، تعیینکننده خواص اصلی محصولی است که از آن الاستومر تهیه میشود، اما این خواص را میتوان به میزان قابلملاحظهای با استفاده از انواع مواد اشاره‌شده در فوق و مقادیر متفاوت آنها در فرمول محصول تغییر داد. از سوی دیگر، مواد شیمیایی و پرکنندهها روی رفتار آمیزههای الاستومری حین اختلاط و فراورش اثر گذاشته و وولکانش آنها را امکانپذیر میسازند، همچنین، این امکان را فراهم میسازند که خواص آمیزههای وولکانششده را بتوان در مقیاس وسیعی تغییر داد و آنها را در بسیاری از کاربردها استفاده کرد. آمیزهکار یا کارشناس آمیزهکاری غالباً از تمامی فرصتها و امکاناتی که در دسترس اوست استفاده میکند تا راحتتر بتواند به ویژگیهای موردنظر در آمیزه دست پیدا کند. رسیدن به این ویژگی‌ها، مستلزم داشتن دانش بالایی در رابطه با مواد شیمیایی و افزودنیهای مورد استفاده در تهیه آمیزه است. با توجه به اهمیت مواد شیمیایی در صنعت لاستیک، در این مقاله در صدد برآمدیم که به توصیف جامعی از انواع مواد شیمیایی مورد نیاز برای ساخت لاستیک از جمله کائوچوها، پرکنندهها، نرمکنندهها، فعالکنندهها، محافظتکنندهها، عوامل پختی و کمک فرایندها بپردازیم.
کلمات کلیدی: الاستومر، مواد شیمیایی و افزودنیها، آمیزه، وولکانش، صنعت لاستیک
پست الکترونیک مسئول مکاتبات: mnadiriniri@yahoo.com
1 مقدمه
کریستف کلمب دریافت که بومیان آمریکا با توپهای لاستیکی بازی میکنند. اشیای لاستیکی نیز از چاه مقدس مایا در یوکاتان به‌دست آمده بود. لاستیک، تا جایی که می‌دانیم محصول سرزمین آمریکا است؛ ولی تنها از طریق انتقال آن به خاور دور و کشت در آن‌جا به این حد توسعه یافته است. نام Rubber به معنی پاککن را پریستلی کاشف اکسیژن عنوان کرد. وی اولین کسی بود که قابلیت لاستیک در پاک کردن اثر مواد را مشاهده کرد. مواد لاستیکی تنها نتیجه تلاش و حفظ موادی چون بوتا‌دی‌‌ان و ایزوپرن بودند که از تقطیر تخریبی لاستیک طبیعی به‌دست می‌آمدند، بدین ترتیب راه تولید لاستیک سنتزی گشوده شد. با آغاز جنگ جهانی اول، انواع نامرغوب لاستیک از دی‌متیل‌بوتادی‌ان در آلمان و روسیه تولید شد. چارلز گودیر (Charls Goodyear) با کشف پخت لاستیک توسط گوگرد در سال 1839 به شهرت رسید. این کشف مشکل چسبندگی طبیعی لاستیک را حل کرد و آن را به‌صورت تجاری درآورد. بیشترین تغییرات به لحاظ تاریخی نتیجه محدودیت واردات لاستیک طبیعی به آمریکا بر اثر تهاجم نیروهای ژاپنی در سال 1941 بوده است. این حرکت سبب پژوهش و ساخت لاستیکهای سنتزی طی سالهای بعد شد. در ادامه تشریح جامعی از مواد شیمیایی و افزودنیهای مورد استفاده در صنعت لاستیک آورده شده است] 3-1[.
2 گروههای اصلی مواد در تهیه لاستیک
به مجموعهای از حدود 10 تا 20 ماده اولیه مختلف که به‌صورت فیزیکی یا شیمیائی با همدیگر مخلوط میشوند آمیزه گفته میشود. در تولید آمیزه، هدف رسیدن به مجموعهای همگن، با قیمت مناسب و حتیالامکان با ریزترین اجزا است (شکل 1).
شکل 1 تبدیل اجزای آمیزه به حالت همگن در اثر اختلاط
به‌علت ماهیت خاص آمیزهها، تجربه عنصر کلیدی در طراحی، تولید و مصرف آنهاست. اما عملاً آمیزهکاری علم است و هنر. هر آمیزه، برای برآورد حداقل یک هدف، فرموله میشود. اجزای تشکیلدهنده آمیزه شامل مواد زیر است] 4[:
• کائوچوها
• پرکنندهها
• روغنها و نرمکنندهها
• کمک فرایندها
• فعالکنندهها
• محافظتکنندهها
• عوامل پخت
• شتابدهندهها
• تأخیراندازها
• سایر مواد (رنگها ، خوشبوکنندهها، عایقکنندهها، عوامل افزایش چسبندگی به سیم و نخ، آزادکننده‌های قطعه پخت‌شده از قالب و ....)
1-2 کائوچو و انواع آن
امروزه واژۀ کائوچو، محدودۀ وسیعی از ترکیبهای خام ماکرومولکولی را در بر میگیرد که برای تشکیل ساختمان شبکهای میتوانند اتصالهای عرضی با سامانهها و مواد پخت مختلف ایجاد کنند. اما اولین ماده شناختهشده به‌عنوان کائوچو (مشتقشده از کلمۀ سرخپوستی کا، ئو، چو، به معنی درخت تراوشکننده یا گریهکنندهWeeping Tree) )) پلی‌ایزوپرن بازیافتشده از شیرۀ درخت هوآی برزیلی است. بسیاری از درختها، درختچهها و حتی بوتهها هستند که شیرهای شبیه به شیر تولید میکنند که لاتکس نامیده میشود. لاتکس شامل محلول کلوئیدی کائوچوی پخششده در واسطۀ مایع است. لاتکس در لولههای باریک موجود در تنۀ درخت جریان دارد. این لولهها میتوانند در سراسر درخت زنده یافت شوند و لاتکس موجود در این لولهها میتواند در اثر برش از پوست درخت به بیرون تراوش کند؛ به این صورت که اگر لولهها توسط برشی در پوست درخت بریده شوند، لاتکس در طول برش خیلی آهسته جریان پیدا میکند و اگر ظرفی در پایین باشد (cup) در آن جمع شده وگرنه بر روی زمین میریزد. از هر برش تا حدود 30 گرم شیرابه به‌دست میآید. بعد از 2 تا 5 ساعت، شیرابه در نتیجۀ تبخیر منعقد میشود مگر اینکه به آن آمونیاک یا فرمالین زده شود. لولهها را برای جلوگیری از جریان یافتن بیش از حد شیرابه مسدود میکنند. به این ترتیب، لولهها مجدداً از لاتکس تازه پر میشود که میتوانند آن را بعد از چند روز توسط ایجاد شکافهای جدید شیرابهگیری کنند (شکل 2).
شکل 2 فرایند شیرابهگیری از درخت هوآ
حال بسته به اینکه از شیرابه مایع یا منعقدشده استفاده شود کائوچوی طبیعی تهیه شده از نوع RSS یا SMR خواهد بود.
1-1-2 کائوچوی طبیعی
1-1-1-2 نحوه تولید کائوچوی طبیعی RSS
شیرابه پس از صاف شدن، با آب به رقت % 3 ± 15 جامد میرسد و کفهای سطح جمعآوری میشود. سپس طی حدود 12 تا 16 ساعت با زدن اسیدهای رقیقی مثل اسیدفرمیک یا اسیداستیکpH را به 5 رسانده و در نتیجه آن کائوچو منعقد میشود. برای تهنشین کردن تودههای انعقادی، از تیغههای آلومینیم استفاده میشود. از تودههای منعقدشده با غلتککاری و تونل، آبگیری میشود. برای جلوگیری از تخریب توسط باکتریها، بلافاصله ورقهها را خشک میکنند. اگر تودههای منعقدشده به‌صورت ورق درآمده و طی 2 تا 4 روز با دود (در دمای C° 60) خشک شوند ورقهای دودی آجدار Ribbed Smoked Sheets یا کائوچوی طبیعی RSS به‌وجود میآید. دود، لایه نازکی بر روی ورقهها مینشاند که مانع اکسایش و کپکزدگی میشود. بستهبندی این نوع کائوچو به‌صورت ورقههای روی هم بوده و دور تا دور آنها را پودر میزنند تا به هم نچسبند (شکل 3). تقسیمبندی ورقهای دودی آجدار یا RSS از روی ظاهر و میزان و مساحت نقاط ناخالصی است.
RSS # 1: بدون کپکزدگی و نقص ظاهری در اثر ناخالصیهائی مثل زنگ، چوب و حباب
RSS # 5: تا حدود 30% دارای کپکزدگی و نقص ظاهری
