بومیان آمریکای جنوبی و مرکزی برای نسل‌ها به استفاده از لاستیک معروف بودند. با این حال، محصولات لاستیکی قادر به مقاومت در برابر گرمای شدید و دمای سرد نبودند، که باعث می شد در طول تغییر فصول شکننده شوند. در دهه 1830، مخترعان تلاش های قابل توجهی برای توسعه محصولات لاستیکی با دوام تر انجام دادند. با این حال، تا سال 1839 بود که مخترع آمریکایی، چارلز گودیر، کشف کرد که حذف گوگرد از لاستیک و سپس گرم کردن آن باعث می شود لاستیک خاصیت ارتجاعی خود را حفظ کرده و سخت شود. این فرآیند نامیده شد ولکانیزاسیون و دروازه را برای محصولات لاستیکی مقاوم در برابر آب و آب و هوا باز کرد [1][2]. با توسعه مفهوم ماکرومولکول ها توسط هرمان استودینگر برنده جایزه نوبل در دهه 1920، واکنش های متقابل گوگرد نوآوری های متعددی را ارائه کردند. آنها منجر به بهبود سایر خواص مکانیکی لاستیک شدند (به عنوان مثال، استحکام، الاستیسیته، سختی، مقاومت در برابر سایش) و تقریباً تمام محصولات لاستیکی شناخته شده امروزی را ایجاد کردند. [3].
بخش اصلی بازار محصولات ولکانیزه در صنایع خودروسازی و حمل و نقل است. حدود 75 درصد لاستیک تولید شده در تایرهای لاستیکی ولکانیزه استفاده می شود. کاربردهای دیگر شامل محصولات مراقبت های بهداشتی (به عنوان مثال، دستکش، پروتز) و همچنین سایر کاربردهای صنعتی (به عنوان مثال، شیلنگ، تسمه نقاله) است. رشد این بازار با افزایش تقاضای خودرو در سراسر جهان، علاوه بر آن در صنعت هوافضا ادامه خواهد یافت. [4].
در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:
- انواع مختلف لاستیک
- فرآیند ولکانیزاسیون
- افزودنی های ولکانیزاسیون
- روندهای آتی ولکانیزاسیون لاستیک
انواع لاستیک
لاستیک را می توان بر اساس منشاء آن به دسته بندی کرد لاستیک طبیعی و لاستیک مصنوعی.
لاستیک طبیعی از لاتکس، یک مایع شیری سفید رنگ که از درخت لاستیک (Hevea Brasiliensis) یا سایر گیاهان یافت می شود، به دست می آید.
در مقابل، لاستیک مصنوعی یک پلیمر مصنوعی است که از فرآورده های فرعی نفت تولید می شود. در این مرحله، لاستیک نرم، چسبنده، ترموپلاستیک است و استحکام کششی کم و خاصیت ارتجاعی کمی از خود نشان می دهد.
هر دو لاستیک طبیعی و مصنوعی را می توان ولکانیزه کرد تا خواص آنها را بهبود بخشد و به یک ماده سخت و محکم و غیر گرمانرم با استحکام کششی بهبود یافته تبدیل شود. [5].
فرآیند ولکانیزاسیون
ولکانیزاسیون یک فرآیند شیمیایی است که در آن مواد الاستومری با یک عامل (به طور کلی گوگرد)، یک فعال کننده، یک شتاب دهنده و گاهی اوقات یک کندکننده حرارت داده می شود تا یک شبکه مولکولی متقاطع تشکیل شود. این منجر به بهبود خواص مانند الاستیسیته، ارتجاعی، استحکام کششی، ویسکوزیته، سختی و مقاومت در برابر آب و هوا می شود. [3].
فرآیند ولکانیزاسیون شامل سه مرحله است:
1. القاء، زمان جریان یا سوختگی
در مرحله القایی، زمان جریان به عنوان نقطه ای تعریف می شود که واکنش اتصال عرضی در محدوده دمایی بین 180 درجه فارنهایت (82 درجه سانتیگراد) و 230 درجه فارنهایت (110 درجه سانتیگراد) شروع می شود.
2. اتصال عرضی یا درمان
در مرحله پخت، اتصالات عرضی دائمی تشکیل می شود که در نهایت به میزان عامل ولکانیزان، فعالیت، زمان واکنش، دما و ماهیت لاستیک بستگی دارد. سرعت درمان نیز در این مرحله به عنوان پارامتری که زمان پخت یک ترکیب را تعیین می کند، تعریف می شود.
3. حالت بهینه درمان یا درمان بیش از حد
در آخرین مرحله، که به عنوان حالت بهینه پخت شناخته می شود، تمام خواص در ترکیب لاستیک با ادامه فرآیند پخت تا جایی که به رفتار کشسانی خود می رسد، تشکیل می شود. در حالت بهینه، لاستیک ولکانیزه می تواند پس از ده سیکل تغییر شکل تحت کشش و فشار به طول اولیه خود بازگردد. اگر روند درمان فراتر از حالت بهینه ادامه یابد، آن را بیش از حد درمان می گویند.
اگر بیش از حد در لاستیک مصنوعی رخ دهد، این می تواند به سخت شدن ادامه دهد و مدول الاستیسیته می تواند افزایش یابد در حالی که استحکام کششی و ازدیاد طول کاهش می یابد. اگر بیش از حد در لاستیک طبیعی رخ دهد، سفت شدن یا نرم شدن می تواند رخ دهد، جایی که خواص فیزیکی و چسبندگی لاستیک کاهش می یابد. [6].
(دنیای ماشین آلات لاستیکی)
افزودنی های ولکانیزاسیون
اولین و رایج ترین عامل پخت ولکانیزه مورد استفاده، گوگرد است. تقریباً 1 تا 3 قسمت گوگرد در هر 100 قسمت یا الاستومر لاستیکی معمولاً برای اکثر محصولات لاستیکی استفاده می شود. گوگرد یک عامل کند در نظر گرفته می شود و سرعت واکنش آن را می توان با استفاده از فعال کننده هایی که از یک اکسید فلزی و یک اسید چرب تشکیل شده اند تسریع کرد. [7].
هنگامی که ولکانیزاسیون از فعال کننده ها استفاده می کند، گفته می شود که فرآیند سریعتر از استفاده از اتصال عرضی توسط گوگرد به تنهایی عمل می کند. با این حال، روند تولید هنوز برای بیشتر اهداف کند در نظر گرفته می شود، بنابراین شتاب دهنده ها اضافه می شوند. شتاب‌دهنده‌های ولکانیزاسیون بر زمان جریان و سرعت پخت تأثیر می‌گذارند، که ویژگی‌هایی هستند که به سرعت تبدیل شتاب‌دهنده به شکل نمک فعال آن مربوط می‌شوند. [7]. رایج ترین شتاب دهنده ترکیبی از اکسید روی و اسید چرب است که به نام اسید چرب روی نیز شناخته می شود. [8].
علاوه بر شتاب‌دهنده‌ها، کندکننده‌ها یا بازدارنده‌های پیش از ولکانیزاسیون را می‌توان به سیستم اضافه کرد تا از ولکانیزه شدن زودرس جلوگیری شود. کندکننده‌ها بر افزایش زمان القاء و تأثیر بر سرعت درمان تأثیر می‌گذارند که از تشکیل نمک روی نیز جلوگیری می‌کند. اسیدها معمولاً به عنوان کندکننده استفاده می شوند [7][8].
جدول زیر خلاصه ای از افزودنی های ولکانیزاسیون که بیشتر در صنعت استفاده می شود را ارائه می دهد [8].
میز 1. انواع و نمونه های افزودنی ولکانیزه.
| نوع افزودنی | نمونه هایی از مواد افزودنی که بیشترین استفاده را دارند |
| مواد ولکانیزه کننده | گوگرد
تلوریم سلنیوم اکسیدهای فلزی |
| فعال کننده ها | اکسید روی و اسید استئاریک |
| شتاب دهنده ها | گوانیدین ها
تیازول ها تیورام سولفن آمیدها دی تیوکاربامات ها دی تیوفسفات ها زانتات ها تیوره |
| کند کننده ها | بنزوئیک اسید
اسید سالیسیلیک انیدریت |
روند آینده، رویداد آینده، روندی که در آینده پیش خواهد رفت
روند آتی ولکانیزاسیون لاستیک با هدف بهبود خواص مکانیکی محصولات لاستیکی و بهینه سازی فرآیندهای اتصال عرضی خواهد بود. این را می توان با توسعه جایگزین های جدید برای افزودنی های شیمیایی به دست آورد که می تواند از ترکیبات لاستیک در به دست آوردن خواص کشسانی بالاتر سود ببرد.
[1] تاریخچه آنلاین کانکتیکات. “چارلز گودیر و ولکانیزاسیون لاستیک” [Online].
[2] بلیس، ام. (2018)، “لاستیک ولکانیزه”، ThoughtCo.
[3] Coran AY (2013)، علم و فناوری لاستیکالزویر، چاپ چهارم، ص 337-381.
[4] آینده تحقیقات بازار (2019)، “گزارش تحقیقات بازار ولکانیزاسیون لاستیک – پیش بینی جهانی تا سال 2025” [Online].
[5] کومار چ. SSR، و Nijasure AM (1997)، “ولکانیزاسیون لاستیک، چگونگی تغییر ساختار مولکولی و تاثیرگذاری بر خواص فیزیکی”، طنین، [Online].
[6] کرمینز، ام.، ولکانیزاسیون (قسمت های 1، 2 و 3 از یک سری 3 قسمتی)، مقاله فنی، خبرنامه NIBA The Belting Association، دسامبر 2003 (بخش 1)، ژوئن 2004 (بخش 2)، سپتامبر 2004 (بخش 3).
[7] Ciullo، PA، Hewitt، H. فرمول لاستیکی، کتابخانه طراحی پلاستیک، الزویر، ص 4-49، 1999
[8] پایگاه داده خواص پلیمر (2015)، “شتاب دهنده های رایج برای ولکانیزاسیون گوگرد” [Online].