طراحی صنعتی ایرانی
نام کاربری یا ایمیل عضویت
رمز عبور
شرکت طراحی آکسون
رسمه
مدرسه مجازی دیزاین فیوژن
فرمی نیک
استودیو طراحی ایکاس طراحی صنعتی
ارسال کننده: هادی خالقی
دسته بندی: مقالات طراحی مواد و روش های ساخت
تاریخ: 1390/4/30
تعداد بازديد : 12843
share on Facebook   share on Facebook   print

تاریخچه لاستیک های طبیعی و مصنوعی

لاستیک به ماده مهم اقتصادی و راهبردی تبدیل شده است. در ایالات متحده، مصرف سرانه لاستیک تقریبا 16.8 و در هندوستان تنها 0.22 است. صنایع حمل و نقل، شیمیایی، برق و الکترونیک و همچنین فضایی همگن از مصرف کنندگان اصلی لاستیک هستند. وقتی تولید لاستیک طبیعی (کائوچو) به دلیل تهاجم ژاپن به مناطق تولید لاستیک سنتزی کرد که به سرعت هم توسعه یافت. به طوری که در حال حاضر 88 درصد لاستیک مصرفی در ایالات متحده منشا سنتزی دارد. صنعت لاستیک موارد زیر را شامل می شود. تولید مواد اولیه لاستیک های سنتزی، انواع گوناگون لاستیک، واردات لاستیک طبیعی، تولید افزودنی های لاستیک و نهایتا ساخت فراورده های لاستیکی.

در ابتدای جنگ جهانی دوم وقتی تولید لاستیک طبیعی (کائوچو) به دلیل تهاجم ژاپن به مناطق تولید لاستیک متوقف شد. ایالات متحده اقدام به ساخت واحدهای تولید لاستیک سنتزی کرد که به سرعت هم توسعه یافت. به طوری که در حال حاضر 88 درصد لاستیک مصرفی در ایالات متحده منشا سنتزی دارد. بنابراین عموما لاستیک ها را به دو نوع لاستیک طبیعی و لاستیک سنتزی طبقه بندی می کردند. امروزه لاستیک ها را به روش های مختلف دسته بندی می کنند.

تاریخچه:
کریستف کلمب دریافت که بومیان آمریکا با توپ های لاستیکی بازی می کنند. اشیای لاستیکی نیز از چاه مقدس "ایا" در یوکاتان به دست آمده بود. لاستیک، تا جایی که می دانیم 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 پاک کن 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 در جهت تفلیحی و حفظ موادی چون افتیون، بوتا دی ان و ایزوپرن بودند که از تقطیر تخریبی لاستیک طبیعی به دست می آمدند، بدین ترتیب راه تولید لاستیک سنتزی گشوده شد.

با آغاز جنگ جهانی اول، انواع نامرغوب لاستیک از دی متیل بوتا دی ان در آلمان و روسیه تولید شد. "گودیر" با کشف پخت لاستیک توسط گوگرد در سال 1839 به شهرت رسید. این کشف مشکل چسبانکی طبیعی لاستیک را حل کرد و آن را به صورت تجاری در آورد. 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 انواع لاستیک های سنتزی طی سال های بعد شد.

انواع لاستیک ها

1- لاستیک های طبیعی (natural rubber)
2- لاستیک های مصنوعی (synthetic rubber)

لاستیک طبیعی:
گیاهان بیشماری از جمله قاصدک، گوایل، گل روبینه و توت آمریکایی به عنوان منبع لاستیک پیشنهاد شده بودند. ولی هیچ یک توفیق درخت شیرابه ساز هوآ برزیلینسیس و همچنین صمغ درخت ساپوریلا و درخت بالاتا را نداشته است. لاستیک طبیعی عمدتا در کشتزارهای مالزی، اندونزی، لیبریا تولید شد، احتمالا به این علت که آنها مشکل بیماری های قارچی و حشرات را که کشتزارهای بومی در آمریکا را تهدید می کرد نداشتند. حدود 7 سال زمان لازم است تا این درختان به سن باروری برسند و پس از آن به مدت چند سال بار می دهند. بهره باردهی در طول جنگ دوم افزایش یافت و در حال حاضر از کشف انواع اصلاح شده درخت، بهره ای بیش از 3000 کیلوگرم در هکتار (در سال) به دست می آید.

لاستیک طبیعیساختار لاستیک طبیعی:
لاستیک طبیعی یا کائوچو، پلی ایزوپرن است و مولکول های آن بر اثر کشش، بلوری می شوند، بدین ترتیب شکل مطلوبی از تقویت حاصل می شود. به عنوان پیش نیاز ساختاری، مولکول های لاستیک های طبیعی و سنتزی باید طویل باشند. خاصیت مشخصه کشیدگی برگشت پذیر به دلیل ترتیب اتفاقی و کلافی زنجیرهای بلند بسپاری است. بر اثر کشش، زنجیرها بهم می خورند ولی مثل یک فلز، پس از رها کردن تنش به شکل کلافی خود بر می گردند. لاستیک طبیعی 6 تا 8 درصد مواد غیر پلاستیکی دارد و در برابر گرما اندوزی مقاومت زیادی نشان می دهد.

روش تهیه لاستیک طبیعی:
برای به دست آوردن شیرابه، پوست درخت را طوری برمی دارند که مایع در فنجان های کوچکی جمع شود، فنجان ها باید مرتبا جمع آوری شوند تا از گندیدگی یا آلودگی شیرابه جلوگیری شود. پس از آن شیرابه به محل جمع آوری برده می شود و در آنجا پس از صاف شدن با افزودن آمونیاک محافظت می شود. لاستیک از طریق فرآیندی موسوم به انعقاد جدا می شود. این کار با افزودن اسیدها یا نمک های مختلف انجام می گیرد. در طی این عمل، لاستیک به شکل یک توده سفید خمیری از مایع جدا می شود، و سپس از آن با استفاده از غلتک ورقه ای و در نهایت خشک می گردد.

روش جدیدتر این است که با استفاده تیغه های دوار یا اعمال برش بین دو غلتکی که با سرعت متفاوت می چرخند، شیرابه منعقد شده را به دانه تبدیل می کنند. دانه ها سپس به مدت چند ساعت در خشک کن های مکانیکی خشک می شوند، این عمل در روش قدیمی که از هوا یا دود چوب برای خشک کردن استفاده می شد چندین روز به طول می انجامید. به هر صورت ورقه یا دانه خشک شده متراکم و از آن مدل هایی به وزن 33 کیلوگرم می سازند.

مقداری از لاستیک طبیعی به صورت شیرابه به بازار عرضه می شود. پیش از آنکه لاستیک را بتوان با انواع افزودنی های لازم آمیزه کاری مثل دوده (به عنوان پرکن) گوگرد یا ترکیبات گوگردی، تسریع کننده و ولکانش، ضد اکسنده محافظ و روغن بر روی همان غلتک ها یا مخلوط کن ممکن است به ارتفاع یک ساختمان دو طبقه باشد و در عین حال تنها مقدار کمی لاستیک را در یک زمان می توانند عمل آورند. یک نمونه مخلوط کن ممکن است به ارتفاع یک ساختمان دو طبقه باشد و در عین حال تنها بسته های 250 کیلوگرمی را جوابگو باشد. پس از اختلاط، لاستیک با روزن رانی یا قالب گیری به شکل محصول دلخواه در می آید و بعد پخت می شود و ولکانشی به یک پلیمر سخت شبکه ای می انجامد که با گرمادهی مجدد نرم و با ذوب نمی شود.

لاستیک مصنوعی:
دو لاستیک صناعی که برای نخستین بار با موفقیت تجاری همراه بودند، یعنی نئوپرن و تیوکول، هر دو برحسب تصادف تولید شدند. کشف نئوپرن شبه بخت یارانه و کشف تیوکول بخت یارانه بود.

شیمیدانان با حرارت دادن لاستیک در شرایط تنظیم شده و شناسایی قطعاتی که از تجزیه آن به دست می آمد، مطالبی در باره ساختار مولکولی لاستیک آموختند. یکی از این قطعات ایزوپرن بود، که ترکیبی پنج کربنی با دو پیوند مضاعف است. در سال 1920 هرمان استاودینگر مقاله معروفی نوشت که در آن برای ساختار فراورده های طبیعی مهمی نظیر لاستیک، سلولوز، و پروتئین ها، و نیز برخی مواد صناعی که ویژگی های مشابهی داشتند، توجیهی ارائه شده بود. به نظر وی این مواد، که ظاهراً با ترکیبات آلی ساده تر تفاوت مرموزی داشتند، پلیمر بودند (این کلمه از دو واژه یونانی پلی به معنای چندین و و به معنی پار یا قطعه مشتق شده است). پلیمرها از مولکول های عظیمی تشکیل شده اند که در آنها واحدهای تکرارشونده با همان انواعی از پیوندهای شیمیایی که در ترکیبات ساده تر دیده می شوند به هم متصل شده اند. به عنوان نمونه فرمول مولکول لاستیک چنین پیشنهاد شد:
فرض شد که تعداد زیادی واحد ایزوپرن "منومر" (یک پاره) در درخت کائوچو طی واکنش های زیست شناختی به یکدیگر متصل می شوند و مولکول های پلیمری بزرگ لاستیک به دست می آید.

پس از آنکه این فرمول برای لاستیک طبیعی پیشنهاد شد، تلاشهای زیادی برای تهیه نوعی لاستیک صناعی که ساختار مولکول و خاصیت ارتجاعی لاستیک به دست آمده از درخت را داشته باشد انجام شد. ایزوپرن در معرض کاتالیزورهای مختلفی قرار گرفت تا معلوم شود آیا به شکل چیزی مثل لاستیک پلیمریزه می شود یا نه. این تلاش ها به اندازه ای موفقیت آمیز بودند که مشخص شد نظریه استاد "ودینگر" صحیح است، اما جنبه های جزئی تر ساختار مولکولی ناشناخته بودند، تا سرانجام کارل زیگلر در 1953 کاتالیزورهای تنظیم کننده آرایش فضایی را کشف کرد (در فصل 26 در باره این اکتشاف بخت یارانه توضیح داده شده است). معلوم شد که در لاستیک طبیعی آرایش واحدهای منومر ایزوپرن " تمام - سیس" است؛ این آرایش را می شد با کاتالیزورهای جدید در لاستیک صناعی تقلید کرد، در حالی که کاتالیزورهای قبلی باعث ایجاد آرایش اتفاقی واحدهای سیس و ترانس می شدند. تنها از این موقع بود که تولید لاستیک صناعی مقدور گردید، به نحوی که تقریباً نمی شد فرقی بین آن و همتای طبیعی اش گذاشت. امروز مهم ترین عامل تعیین کننده استفاده از لاستیک طبیعی یا صناعی در ساخت تایر و تولیدات دیگر قیمت نفت است، که ماده اولیه لاستیک صناعی است.

دکتر و. س. کلکات، که در آزمایشگاه جکسون شرکت دوپون پژوهش می کرد، متوجه تحقیقاتی که پدر نیولند در دانشگاه نوتردام انجام داده بود شد. نیولند کشیشی کاتولیک، رئیس نوتردام و شیمیدان بود. او با انتشار نتایج تحقیقاتش نشان داد که استیلن، هیدروکربنی که فرمولH2 C2 را دارد، تحت شرایطی یک یا دوبار به خود اضافه می شود، و وینیل استیلن و دی وینیل استیلن، که مولکول هیی با فرمولC6H6، C4H4 هستند، ایجاد می کند. به عقیده کلکات ممکن بود این دیمرها و تریمرها آن قدر به واحد سازنده لاستیک طبیعی، یا ایزوپرن، شباهت داشته باشند که بتوان از آنها برای تهیه لاستیک صناعی استفاده کرد. عده ای از شیمیدانان زیر دست خود را در دوپون به این کار مشغول ساخت، اما موفقیتی نصیب شان نشد، بنابر این نزد والاس کارودرز رفت، که در ایستگاه آزمایشی دوپون که محل انجام مهم ترین پژوهش ها در زمینه پلیمرها بود مقام سرگروهی داشت.

کارودرز به مسئله علاقه مند شد. از شیمیدانی به نام آرنولد کالینز که زیر نظرش کار می کرد خواست تا نمونه ای از مخلوط خامی را که به روش نیولند از استیلن به دست می آمد تخلیص کند. وقتی کالینز این کار را انجام داد توانست مقدار ناچیزی مایع جدا کند که به نظر می رسید نه وینیل استیلن باشد نه دی وینیل استیلن، و نیولند نیز آن را شرح نداده بود. اما آن را دور نریخت، بلکه در مدت تعطیلات آخر هفته بر میز کارش در کناری گذاشت. وقتی دوشنبه برگشت متوجه شد که مایع سفت شده است، و وقتی آن را بررسی کرد، دریافت که حالتی لاستیکی پیدا کرده است، تا حدی که وقتی آن را روی میزش می انداخت، برمی گشت.

شاید بگویید این هیچ تصادف نبود، بلکه همان چیزی بود که کلکات انتظارش را می کشید یا حتی پیش بینی می کرد. اما وقتی این جامد لاستیکی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت، معلوم شد شکل پلیمری هیدروکربن استیلن نیست، بلکه در آن کلر وجود دارد، که کاملاً غیر مترقبه بود. ظاهراً این کلر ناشی از اسید کلریدریک (HCI) بود که در روش نیولند برای به دست آوردن دیمر و تریمر استیلن استفاده می شد، و به وینیل استیلن اضافه شده بود. محصولی که از این اضافه شدن به دست آمد به دلیل شباهتش به ایزوپرن، کلروپرن نام گرفت. تنها تفاوتی که وجود داشت این بود که در مولکول منومر آن، اتم کلر به جای یک گروه متیل (واحدی مولکولی متشکل از یک اتم کربن متصل به سه اتم هیدروژن، یعنی CH3) قرار گرفته بود. این پلیمر یزاسیون خود به خودی کلروپرن در طی تعطیلات آخر هفته بر میزکالینز ایجاد جامد لاستیک مانندی کرده بود که شرکت دوپون نئوپرن نامید.

معلوم شد که این لاستیک صناعی جدید بر خلاف لاستیک طبیعی مقاومت زیادی در برابر نفت، بنزین واوزون دارد. همین ویژگی ها باعث شد دوپون آن را با وجود گران تر بودنش در مقایسه با لاستیک طبیعی، در سال 1930 تولید و به بازار عرض کند. نئوپرن هنوز هم مفید و ارزشمند است؛ دوامش در کار بردهای سنگینی همچون شلنگ های صنعتی، پوشش کف کفش، درزگیری دور شیشه، تسمه های انتقال نیروهای مکانیکی سنگین و پوشش کابل های برق، اثبات شده است. از کاربردهای تازه و جالب آن، استفاده از نئوپرن به عنوان ماده چسباننده کمربندهای چرمی دو لایه است: با این ماده می توان دو نوار چرمی سیاه و قهوه ای را بدون دوزندگی به طور دایمی به هم چسباند و کمربندهای دو رنگ قابل تعویض تولید کرد.

در سال 1924 ج. س. پاتریک تصمیم گرفت از مقادیر زیاد اتیلن و گاز کلر که محصول جانبی فرایندهای صنعتی بود، ماده مفیدی تهیه کند. از قبل می دانستندکه از ترکیب این دو ماده دی کلرید اتیلن به دست می آید؛ پاتریک مشغول آزمایش بر روی واکنش مواد مختلف با دی کلرید اتیلن بود، به این امید که اتیلن گلیکول، که محصول قابل فروشی بود، تولید شود. یکی از موادی که امتحان کرد پلی سولفید سدیم بود. واکنش این ماده با دی کلرید اتیلن موجب تولید مایع گلیکولی که به دنبال آن بود نشد، بلکه ماده ای نیمه جامد و لاستیکی به دست آمد. پاتریک بی درنگ به اهمیت بالقوه این جسم لاستیکی پیش بینی نشده پی برد، و طرح پژوهشی گسترده ای را آغاز کرد که پس از مدت کوتاهی به در خواست ثبت امتیاز و تأسیس شرکتی برای تولید این لاستیک صناعی جدید منجر شد.

شرکت شیمیایی تیوکول، که پاتریک رئیس آن بود، تیوکول A را در سال 1929 به بازار فرستاد. ساختار مولکولی آن با لاستیک طبیعی کاملاً تفاوت داشت، ولی در عین حال ارتجاعی بود. نسبت به لاستیک طبیعی یک برتری داشت و آن اینکه مثل نئوپرن در برابر مواد نفتی مقاوم بود. اما چندی نگذشت که عیب بزرگ آن معلوم شد: بوی گندی داشت!

شرکت تیوکول و دیگران لاستیک های پلی سولفید متعددی تولید کردند. در به کار گرفتن آنها از مقاومتشان در مقابل فراورده های نفتی و ویژگی های عایق کاری خوبشان نظیر درزگرفتن دور شیشه های اتومبیل و پوشاندن مخازن سوختی که در بال های هواپیماها وجود دارند استفاده می شد. چون لاستیک های تیوکول را می شد در دمای پایین تثبیت کرد، مدتی از آنها به عنوان چسباننده و جزئی از سوخت های جامد موشک برای پرتاب ماهواره ها و سفینه های فضایی به مدار استفاده می شد. در سال 1982 شرکت نمک مورتون، شرکت تیوکول را خرید و تشکیل شرکت مورتون تیوکول را داد؛ هر دو شرکت قبل از ادغام در یکدیگر مواد شیمیایی تخصصی تولید کرده بودند و پس از ادغام نیز به کار خود ادامه دادند. شرکت مورتون تیوکول که از پیمانکاران عمده در ساخت شاتل فضایی نا فرجام چلنجر بود، دچار بدنامی زیادی شد. اما حلقه O شکلی که انفجار سفینه فضایی مزبور را به آن نسبت می دادند از لاستیک های صناعی پلی سولفید تیوکول نبود، بلکه آن را از ویتون، نوعی پلیمر ارتجاعی که از لحاظ شیمیایی بیشتر به تفلون شباهت دارد، تهیه کرده بودند.

نگاه اجمالی:
لاستیک های سنتزی به دو گروه ولکانش پذیر و ولکانش ناپذیر دسته بندی شده اند. این کار از طریق ترکیب شیمیایی زنجیر بسپار هم انجام می گیرد. پرمصرف ترین لاستیک سنتزی SBR است. از دیگر کشپارهای معمولی می توان پلی بوتا دی ان، پلی اتیلن - پروپیلن، لاستیک پوتیل، نئوپرن، لاستیک های نیتریل و پلی ایزوپرن را نام برد.

تولید مواد اولیه لاستیک های سنتزی:
مواد اولیه ای یا تکپارهایی که به طور عمده در تولید لاستیک ها مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

بوتا دی ان:
بخش عمده بوتا دی ان به عنوان محصول جانبی از کراکینگ نفت (با بخار) در تولید اتیلن به دست می آید. هیدروژن زدایی از بوتان یا بوتن روش دیگری است که در صورت کمی تولید به صورت عملیات یک مرحله ای یا دو مرحله ای انجام می گیرد. تولید سالانه بوتا دی ان حدود 1. 8 میلیون تن است.

استیرن:
عمدتا در تولید پلاستیک های پلی استیرن به کار می رود. روش عمده تولید استیرن از طریق واسطه اتیل بنزن است. ابتدا بنزن با اتیلن آلکیل دار می شود. سپس بر روی کاتالیزگر کلرید آلومینیم، اسید فسفریک جامد یا سیلیس - آلومین به استیرن هیدروژن زدایی می شود.

اکریلونیتریل:
عمدتا از روش سوهیو ساخته می شود. در این فرآیند، پروپیلن در یک واکنشگاه کاتالیزی سیال بستر با هوا و آمونیاک عمل می شود. سیال خروجی در یک واحد خوب دو سویه تصفیه و آکریلونیتریل از طریق تقطیر جز به جز جدا می شود.

کلروپرن:
تکپاری است که از آن لاستیک نئوپرن ساخته می شود. این ماده از استیلن و هیدروژن کلرید به دست می آید. ابتدا استیلن به مونو وینیل استیلن، دیمر می شود (دیمریزاسیون). سپس در واکنش با کلرید هیدروژن به کلروپرن تبدیل می گردد.

ایزو بوتیلن:
تکپار مصرفی در ساخت لاستیک بوتیل است و از تقطیر مشتقات گازی نفت به دست می آید.

ایزوپرن:
ایزوپرن را می توان از هیدروژن زدایی ایزوپنتال تولید کرد. ایزوپرن از پروپیلن هم ساخته می شود. همچنین از ایزوبوتیلن و متانول می توان ساخت و محصولی که به این روش به دست می آید خلوص بالایی دارد.

اتیلن و پروپیلن:
از برش های سبک نفتی به راحتی به دست می آید و این دو ترکیب را می توان از کراکینگ پروپان با برش های سنگین تر (توسط بخار) تهیه کرد.

روش های تولید لاستیک سنتزی:

روش امولسیون سرد:
در یک امولسیون در دمای 5 درجه سانتیگراد و به مدت 8 تا 12 ساعت انجام می گیرد. این عمل اغلب در یک مجموعه واکنشگاه انجام می گیرد. واکنش در 60 تا 75 درصد تبدیل خاتمه می یابد. امولسیون به صورت شیرابه در مخازن ذخیره انبار و برای رسیدن به نوع لاستیک مورد نظر با دستور کار مناسبی مخلوط می شود. مخلوط ابتدا منعقد، سپس کاملا شستشو و پیش از عملیات خشکاندن آبگیری می شود. به عمده لاستیک های SBR پیش از وولکانش روغن زده می شود. نرم شدن لاستیک با روغن با اضافه کردن دوده جبران می شود.

روش محلول:
در این روش، کنترل بیشتری بر ساختار فضایی بسپار حاصل و طبعا خواص فیزیکی آن وجود دارد. توزیع واحدهای استیرن در طلوع زنجیر اتفاقی است. این بسپارش نسبت به بسپارش امولسیونی، مقاومت سایشی و خستگی بهتر، جهندگی بالاتر و گرما اندوزی کمتر دارد.

در شرایط ویژه بسپارش، همبسپارهای دسته ای استیرن و بوتا دی ان را می توان تولید کرد. این بسپارها گرما نرم اند و برای اینکه مفید باشند به و ولکانشی نیازی ندارند.

نکات قابل توجه در تولید لاستیک سنتزی

بازیابی تکپار:
کیفیت لاستیک و سرعت واکنش هر دو با پیشرفت بسپارتی کاهش می یابند، به همین علت رسم بر این است که واکنش پیش از تبدیل کامل متوقف شود. بازیابی تکپار واکنش نکرده و تخلیص، مرحله ضروری در واحد صنعتی تولید لاستیک سنتزی است. روش های بازیابی از طریق عریان سازی با بخار شیرابه ها یا تقطیر از سیستم حلال به کار گرفته می شود.

انعقاد و خشکاندن:
فرایند تکمیل معمولا رسوب دهی لاستیک از امولسیون شیرابه یا از محلول حلال در شکل تکه ای است، پس از آن لاستیک خشک و به شکل عدل متراکم می شود.

بسته بندی لاستیک:
بسته بندی لاستیک های سنتزی مهم است چون بر طرف کردن مشکلاتی از قبیل چسبندگی به کیسه بسته بندی و آلودگی ناشی از حفاظت ناکافی گاهی امکان پذیر است و برخی لاستیک ها به دلیل جریان یافتن شکل خود را از دست می دهند.

http://denatire.blogfa.com/post-30.aspx 

تهیه شده در: http://www.newdesign.ir/search.asp?id=896&rnd=4783

نظر بازديدکنندگان (2)


مطالب مرتبط:
منوی اصلی | صفحه اصلی | کانال تلگرام نیودیزاین | فیس بوک نیودیزاین | تماس با ما