عملية تصنيع المطاط

في أواخر الثلاثينيات من القرن الماضي ، استخدمت الولايات المتحدة أكثر من نصف إمدادات المطاط الطبيعي في العالم. اليوم ، يمكن العثور على المطاط الطبيعي في أكثر من 50000 منتج مصنّع في الولايات المتحدة ، وتستورد الولايات المتحدة أكثر من 3 مليارات رطل من المطاط الطبيعي كل عام. ومع ذلك ، فإن أكثر من 70 في المائة من المطاط المستخدم في عمليات التصنيع الحديثة هو مطاط صناعي.

يبدأ المطاط الطبيعي في صورة مادة اللاتكس. يتكون اللاتكس من بوليمر يسمى بولي إيزوبرين معلق في الماء. تتكون جزيئات السلسلة الطويلة من العديد من الوحدات الفردية (البولي) المتصلة ببعضها البعض لتشكل البوليمرات. المطاط هو شكل خاص من البوليمر يسمى المطاط الصناعي ، مما يعني أن جزيئات البوليمر تتمدد وتنثني.

ينتج أكثر من 2500 مصنع مادة اللاتكس ، وهي مادة تشبه النسغ الحليب. قد تكون عشب اللبن نباتًا مألوفًا لإنتاج مادة اللاتكس للعديد من الناس ، لكن اللاتكس التجاري يأتي من شجرة استوائية واحدة ، Hevea brasiliensis. كما يوحي الاسم ، نشأت شجرة المطاط في أمريكا الجنوبية الاستوائية. منذ أكثر من 3000 عام ، مزجت حضارات أمريكا الوسطى مادة اللاتكس مع عصير مجد الصباح لصنع المطاط. أدى تغيير نسبة اللاتكس إلى عصير مجد الصباح إلى تغيير خصائص المطاط. من الكرات النطاطة إلى الصنادل المطاطية ، عرف سكان أمريكا الوسطى واستخدموا المطاط.

قبل عام 1900 ، كان معظم المطاط الطبيعي يأتي من الأشجار البرية في البرازيل. مع بداية القرن العشرين ، فاق العرض والطلب الإنتاج مع تزايد شعبية الدراجات والسيارات. أدى تهريب البذور من البرازيل إلى زراعة أشجار المطاط في جنوب شرق آسيا. بحلول الثلاثينيات من القرن الماضي ، تراوحت استخدامات المطاط الطبيعي من إطارات المركبات والطائرات إلى 32 رطلاً تم العثور عليها في أحذية وملابس ومعدات الجندي. بحلول ذلك الوقت ، جاء معظم إمدادات المطاط الأمريكية من جنوب شرق آسيا ، لكن الحرب العالمية الثانية قطعت الولايات المتحدة عن غالبية إمداداتها.

تبدأ عملية تصنيع المطاط الطبيعي بحصاد اللاتكس من أشجار المطاط. يبدأ حصاد اللاتكس من أشجار المطاط بتقطيع أو قطع لحاء الشجرة. يتدفق اللاتكس في كوب متصل بأسفل القطع في الشجرة. تتراكم مادة اللاتكس المأخوذة من العديد من الأشجار في خزانات كبيرة.

الطريقة الأكثر شيوعًا لاستخراج المطاط من اللاتكس تستخدم التخثر ، وهي عملية تخثّر أو تثخن البولي إيزوبرين إلى كتلة. تتم هذه العملية عن طريق إضافة حمض مثل حمض الفورميك إلى اللاتكس. تستغرق عملية التخثر حوالي 12 ساعة.

يتم عصر الماء من مخثر المطاط باستخدام سلسلة من البكرات. يتم تجفيف الصفائح الرقيقة الناتجة ، التي يبلغ سمكها حوالي 1/8 بوصة ، فوق رفوف خشبية في مداخن. تتطلب عملية التجفيف عمومًا عدة أيام. يتم طي المطاط الناتج ذو اللون البني الغامق ، والذي يسمى الآن ورقة الدخان المضلعة ، في بالات لشحنها إلى المعالج.

ومع ذلك ، لا يتم تدخين كل المطاط. يُطلق على المطاط المجفف باستخدام الهواء الساخن بدلاً من التدخين اسم الورقة المجففة بالهواء. ينتج عن هذه العملية درجة أفضل من المطاط. يتطلب المطاط عالي الجودة الذي يسمى مطاط الكريب الباهت خطوتين للتخثر يتبعهما التجفيف بالهواء.

تم تطوير عدة أنواع مختلفة من المطاط الصناعي على مر السنين. كل ذلك ناتج عن بلمرة (ربط) الجزيئات. عملية تسمى إضافة البلمرة تربط الجزيئات معًا في سلاسل طويلة. عملية أخرى ، تسمى بلمرة التكثيف ، تقضي على جزء من الجزيء حيث ترتبط الجزيئات ببعضها البعض. تتضمن أمثلة البوليمرات الإضافية المطاط الصناعي المصنوع من بولي كلوروبرين (مطاط النيوبرين) ، و المطاط المقاوم للزيت والبنزين ، ومطاط الستايرين بوتادين (SBR) ، المستخدم في المطاط غير المرتد في الإطارات.

بدأ أول بحث جاد عن المطاط الصناعي في ألمانيا خلال الحرب العالمية الأولى. حالت الحصار البريطاني دون حصول ألمانيا على المطاط الطبيعي. طور الكيميائيون الألمان بوليمر من وحدات 3-ميثيل أيزوبرين (2،3-ثنائي ميثيل-1،3-بوتادين) ، [CH₂= C (CH₃) ج (CH₃) = CH2] ، من الأسيتون. على الرغم من أن هذا البديل ، مطاط الميثيل ، كان أدنى من المطاط الطبيعي ، فقد صنعت ألمانيا 15 طنًا شهريًا بنهاية الحرب العالمية الأولى.

أدى البحث المستمر إلى المطاط الصناعي عالي الجودة. النوع الأكثر شيوعًا من المطاط الصناعي المستخدم حاليًا ، Buna S (مطاط ستايرين بوتادين أو SBR) ، تم تطويره في عام 1929 من قبل الشركة الألمانية I.G. فاربين. في عام 1955 ، طور الكيميائي الأمريكي صموئيل إيميت هورن جونيور بوليمرًا بنسبة 98 في المائة من مادة cis-1،4-polyisoprene التي تتصرف مثل المطاط الطبيعي. تُستخدم هذه المادة مع SBR للإطارات منذ عام 1961.

يصل المطاط ، سواء كان طبيعيًا أو صناعيًا ، إلى مصانع المعالج (المُصنع) في بالات كبيرة. بمجرد وصول المطاط إلى المصنع ، تمر المعالجة بأربع خطوات: التركيب والخلط والتشكيل والفلكنة. تعتمد صياغة وطريقة تركيب المطاط على النتيجة المقصودة لعملية تصنيع المطاط.

يضاعف

يضيف التركيب مواد كيميائية وإضافات أخرى لتخصيص المطاط للاستخدام المقصود. يتغير المطاط الطبيعي مع تغير درجة الحرارة ، ويصبح هشًا مع البرودة ولزجًا ولزجًا بالحرارة. تتفاعل المواد الكيميائية المضافة أثناء التركيب مع المطاط أثناء عملية الفلكنة لتثبيت البوليمرات المطاطية. قد تشتمل الإضافات الإضافية على حشوات تقوية لتعزيز خصائص المطاط أو الحشوات غير المقواة لتمديد المطاط ، مما يقلل التكلفة. يعتمد نوع الحشو المستخدم على المنتج النهائي.

أكثر حشوات التقوية شيوعًا هو أسود الكربون المشتق من السخام. يزيد أسود الكربون من قوة شد المطاط ومقاومته للتآكل والتمزق. يحسن أسود الكربون أيضًا مقاومة المطاط للتدهور فوق البنفسجي. معظم منتجات المطاط سوداء بسبب حشو أسود الكربون.

اعتمادًا على الاستخدام المخطط للمطاط ، يمكن أن تشتمل الإضافات الأخرى المستخدمة على سيليكات الألومنيوم اللامائية كمواد حشو تقوية ، وبوليمرات أخرى ، ومطاط معاد تدويره (عادة أقل من 10 في المائة) ، ومركبات تقليل التعب ، ومضادات الأكسدة ، والمواد الكيميائية المقاومة للأوزون ، وأصباغ التلوين ، والملدنات ، وزيوت التليين ، وإطلاق العفن مجمعات سكنية.

خلط

يجب خلط المواد المضافة جيدًا بالمطاط. تجعل اللزوجة العالية (مقاومة التدفق) للمطاط عملية الخلط صعبة التحقيق بدونها رفع درجة حرارة المطاط بدرجة كافية (تصل إلى 300 درجة فهرنهايت) للتسبب الفلكنة. لمنع الفلكنة المبكرة ، يتم الخلط عادة على مرحلتين. خلال المرحلة الأولى ، يتم خلط مواد مضافة مثل أسود الكربون في المطاط. يشار إلى هذا الخليط باسم ماستر. بمجرد أن يبرد المطاط ، تتم إضافة المواد الكيميائية المستخدمة في الفلكنة وخلطها في المطاط.

تشكيل

يتم تشكيل منتجات المطاط باستخدام أربع تقنيات عامة: البثق ، والصقل ، والطلاء أو الصب ، والصب. يمكن استخدام أكثر من تقنية تشكيل واحدة ، اعتمادًا على المنتج النهائي.

يتكون البثق من إجبار المطاط البلاستيكي العالي من خلال سلسلة من آلات البثق اللولبية. يمرر الصقل المطاط عبر سلسلة من الفجوات الأصغر بين البكرات. تجمع عملية القوالب الدوارة بين البثق والصقل ، مما ينتج عنه منتجًا أفضل من أي عملية فردية.

يستخدم الطلاء عملية الصقل لتطبيق طبقة من المطاط أو لإجبار المطاط على النسيج أو مادة أخرى. يتم تصنيع الإطارات والخيام القماشية المقاومة للماء ومعاطف المطر وأحزمة النقل وكذلك الأطواف القابلة للنفخ عن طريق طلاء المواد بالمطاط.

يتم صب المنتجات المطاطية مثل نعال الأحذية والكعب والحشيات والأختام وأكواب الشفط وسدادات الزجاجة باستخدام القوالب. القولبة هي أيضًا خطوة في صناعة الإطارات. الطرق الأساسية الثلاث لقولبة المطاط هي القولبة بالضغط (المستخدمة في صنع الإطارات من بين المنتجات الأخرى) ، قولبة النقل وصب الحقن. تحدث عملية الفلكنة للمطاط أثناء عملية التشكيل وليس كخطوة منفصلة.

الفلكنة

الكبريت يكمل عملية إنتاج المطاط. تخلق عملية الفلكنة الوصلات المتقاطعة بين بوليمرات المطاط ، وتختلف العملية اعتمادًا على متطلبات منتج المطاط النهائي. يؤدي وجود عدد أقل من التوصيلات المتقاطعة بين البوليمرات المطاطية إلى إنتاج مطاط أكثر نعومة ومرونة. تؤدي زيادة عدد الوصلات العرضية إلى تقليل مرونة المطاط ، مما يؤدي إلى زيادة صلابة المطاط. بدون الفلكنة ، سيبقى المطاط لزجًا عندما يكون ساخنًا وهشًا عند البرودة ، وسوف يتعفن بسرعة أكبر.

تتطلب عملية الفلكنة ، التي اكتشفها تشارلز جوديير في الأصل عام 1839 ، إضافة الكبريت إلى المطاط وتسخين الخليط إلى 280 درجة فهرنهايت لمدة خمس ساعات تقريبًا. تستخدم عملية الفلكنة الحديثة ، بشكل عام ، كميات أقل من الكبريت مع مواد كيميائية أخرى لتقليل وقت التسخين إلى 15 إلى 20 دقيقة. تم تطوير تقنيات الفلكنة البديلة التي لا تستخدم الكبريت.