مقدمة
تستخدم الراتنجات الفينولية القائمة على مونومرات الفينول المؤلكلة في تطبيقات مختلفة في صناعة الأجزاء المطاطية بسبب قابليتها للامتزاج مع المطاط والوحدات المرنة. واحدة من هذه التطبيقات هي استخدام هذه الراتنجات في تصنيع إطارات السيارات. يعود الامتزاج مع المطاط والوحدات المرنة إلى تفاعل الألكلة لمختلف الأوليفينات (Olefins) والاستبدال على الحلقة الفينولية. وبالإضافة إلى ذلك، يعود تنوع استخدام هذا الراتنج في صناعة المطاط إلى الاختلاف في التفاعل بين الفينول نوفولاك وراتنجات الريسول في هذا النوع.
استخدام راتنجات الفينول المؤلكلة في صناعة الإطارات
يتم استخدام نوعين من الراتنجات الفينولية، وهما نوفولاك (Novolak) وريسول (Resole)، على أساس مشتقات الفينول التي تحتوي على مجموعات ثلاثي بوتيل أو ثلاثي أوكتيل على الحلقة الفينولية، في تصنيع إطارات السيارات. تستخدم هذه الراتنجات لتوفير بعض الخصائص الخاصة في صناعة الإطارات والتي تنقسم إلى فئتين من حيث الأداء في إنتاج إطارات السيارات:
1. راتينج الفلكنة أو المعالجة (Vulcanization Resin ) الذي يتفاعل مع الروابط غير المشبعة في الهيكل المطاطي ويشكل شبكة ترابط بينها.
2. راتنج الالتصاق (Tackifying Resin )الذي يُخلط بمواد تشكيل المطاط ويبقى أثناء عملية تصنيع الإطارات دون تغيير من الناحية الكيميائية، حيث يوفر الالتصاق المطلوب بين الطبقات المختلفة مع بعضها البعض.
فيما يلي، سيتم تقديم مزيد من التوضيحات حول أداء هذين النوعين من الراتنج.
1. راتنج الفلكنة Vulcanization Resin
تحتوي مركبات المطاط الخام على سلاسل طويلة ومستمرة بدون أي تشابك بين السلاسل. لذلك، عندما تتم معالجة هذه المركبات، فإنها تفقد القدرة على الحفاظ على شكلها الدائم. في عام 1839، تم حل هذه المشكلة عندما اكتشف جوديير (Goodyear) عملية تقسية المطاط بالكبريت.
يتم تشابك السلاسل في هيكل المطاط الخام عن طريق تفاعلها الكيميائي مع عوامل المعالجة، وبالتالي تتحول من حالة ثنائية الأبعاد إلى حالة ثلاثية الأبعاد حيث يتمكن المنتج النهائي لهذه العملية من الاحتفاظ بشكله الدائم، وتحسين خصائصه بشكل كبير.
معالجة المطاط أو فلكنة المطاط هو تفاعل في النقاط غير المشبعة لهيكل المطاط أو الوحدة المرنة وتشكيل روابط متقاطعة فيها. من خلال إحداث التشابك بين سلاسل البوليمر الطويلة، تقلل عملية الفلكنة من ليونة المطاط وتزيد من مرونته. عندما يتم تقسية الراتنج، تزداد مقاومة المطاط للاهتراء والشد والمقاومة الكيميائية.
الطريقة الأكثر شيوعًا لمعالجة أو تقسية المطاط هي استخدام الكبريت. هذه الطريقة هي طريقة قديمة وفعالة من حيث التكلفة يتم فيها تكوين بنية ثلاثية الأبعاد عن طريق تكوين روابط كبريتية بين سلاسل البوليمر. تستخدم البيروكسيدات كعوامل تشابك للمطاط. طريقة المعالجة المعتمدة على البيروكسيد لها بعض القيود بسبب آلية الجذور الحرة المستخدمة. على سبيل المثال، لا يمكن معالجة بعض المطاط مثل مطاط البوتيل بشكل كامل باستخدام طريقة البيروكسيد. من ناحية أخرى، فإن شظايا الجذور الحرة الناتجة عن تفكك بادئ البيروكسيد تشكل خطورة على مشغلي الإنتاج. يعد استخدام راتنجات الفينول الريسول المؤلكلة لمعالجة المطاط طريقة أخرى اكتسبت شعبية مؤخرًا. يظهر التركيب الكيميائي لراتنج الفينول المؤلكل في الشكل 1.
الشکل 1- التركيب الكيميائي لراتنج الفينول المؤلكل
يستخدم راتينج فينول ريسول لتشكيل روابط متقاطعة في المطاط. أثناء مرحلة معالجة المطاط في القالب ذي الصلة، يقوم هذا الراتنج بتشابك الإطار. عادة ما يكون هذا النوع من الراتنج الفينولي ثنائي الوظيفة، وأثناء عملية المعالجة، يتفاعل على كلا الطرفين مع جزيئات الوحدة المرنة مكوِّنًا جسورًا بينهما. تظهر الآلية العامة لعلاج الراتنج في الشكل 2.
الشکل 2- الآلية العامة لعلاج الراتنج
- الاستومر
بالمقارنة مع التقنيات الأخرى، استخدام راتنج الفينول كعامل الفلكنة أو المعالجة للمطاط يتمتع ببعض المزايا. على سبيل المثال، عند استخدام الكبريت، يتم تكوين روابط الكبريت والكربون بين السلاسل البوليمرية، في حين يؤدي استخدام راتنج الفينول إلى تكوين روابط كربون-كربون بين السلاسل. في ظروف عالية الرطوبة وخاصةً في درجات الحرارة المرتفعة، قد تكون روابط الكبريت-الكربون أكثر عرضة للتحلل المائي مقارنةً بالروابط الكربون-كربون.
يعد استخدام راتنج الفينول الريسول المؤلكل لتصنيع النفاخة أحد تطبيقات هذا الراتنج في صناعة الإطارات. النفاخة (bladder) عبارة عن جزء مطاطي مصنوع من نسبة معينة من المواد الخام بما في ذلك مطاط الأيزوبرين ومطاط الأيزوبوتيل والسخام وراتنج الفينول. أثناء عملية تصنيع الإطارات، بعد ترتيب طبقات الإطارات المختلفة بالكامل وتجميع الإطار، يتم إدخاله في قالب. في هذه المرحلة، تُستخدم النفاخة لضغط الإطار ومعالجته. يتم إدخال البخار عالي الضغط في القالب، وتبدأ حرارة البخار في عملية المعالجة. معالجة الإطارات بالنفاخة هي تقنية شائعة يتم تطبيقها في معظم أنحاء العالم.
2. الراتنج اللاصق Tackifying Resin
يتألف إطار السيارة من عدة طبقات مطاطية تختلف عن بعضها البعض من حيث تركيب موادها وتمتلك خواص مختلفة. أثناء عملية تصنيع الإطارات، يجب أن تلتصق هذه الطبقات المختلفة ببعضها البعض من خلال الراتنج حتى يمكن تجميع وتشكيل إطار السيارة. التشكيل هو التشكيل التدريجي لمركب مطاط. راتنجات النوفولاك الفينولية لها دور لاصق ويتم إضافتها إلى طبقات المطاط أثناء عملية التصنيع وخلطها بالكامل مع الطبقات وفي النهاية يتم إنتاج مركب مطاطي.
المركب المصنوع لزج بسبب وجود راتنج نوفولاك الفينول. لذلك، يساعد راتنج نوفولاك الفينول في التصاق طبقات المطاط معًا من أجل تشكيل وإنتاج الإطار. في النهاية، تتكون رابطة كيميائية دائمة بين طبقات مختلفة من الإطار أثناء عملية الفلكنة، ويأخذ الإطار شكله النهائي.
في الماضي، كانت هناك طرق مختلفة من أجل لصق الطبقات المختلفة في إطارات السيارات. على سبيل المثال، اُستخدم المطاط الطبيعي (Natural rubber) بشكل عامل للالتصاق الفيزيائي بين الطبقات المختلفة أثناء عملية التصنيع، نظرًا لاحتوائه على بعض الشوائب الراتنجية التي تساهم في ذلك. وبالتالي، لم يكن هناك حاجة لاستخدام مواد لاصقة Tackifying لهذا النوع من المطاط.
أما الوحدات المرنة الاصطناعية، فعادة ما تفتقر إلى تلك الشوائب الراتنجية التي تسهم في الالتصاق الفيزيائي. ولذا، فإنها تحتاج إلى إضافة مركبات لاصقة لتحقيق الالتصاق بين الطبقات المختلفة. مع زيادة استخدام الوحدات المرنة الاصطناعية، زادت الحاجة إلى استخدام تلك المركبات.
-
مركبات أخرى
إلى جانب الراتنجات الفينولية، يمكن استخدام بعض المركبات الأخرى بعنوان عامل التصاق Tackifying. وكمثال لهذه المركبات نذكر راتنجات الكومارون، وراتنجات الهيدروكربون، والصمغ الصنوبري. تؤدي هذه المنتجات إلى تشابك سلسلة البوليمر وتزيد من قوى فان دير فال. يحسن استخدام راتنج الفينول الأداء لأن الروابط الهيدروجينية تتشكل. لذلك، بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من الراتنجات المطبقة، تتمتع الراتنجات الفينولية بقدرة فريدة على تكوين العديد من الروابط الهيدروجينية، وتسمح هذه الخاصية بالوصول إلى المستوى المطلوب من اللزوجة مع استخدام راتينج أقل. عند استخدام الراتنجات الفينولية مقارنة بالراتنجات الأخرى، من المهم ملاحظة أن الإطارات المصنعة بالراتنجات الفينولية أقل تأثراً بالعوامل البيئية والعمر.
عادةً ما تكون مجموعة الألكيل في حلقة الفينول عبارة عن أوكتيل ثلاثي بينما يتم أيضًا استخدام البيوتيل الثلاثي. يفضل استخدام البوليمر المستبدل بالأوكتيل لأن المطاط الناتج يظهر مقاومة أكبر ضد الاحتراق. نظرًا لأن المجموعات الأليفاتية أكثر توافقًا مع الوحدة المرنة، وتفتقر المجموعات العطرية إلى هذا التوافق، تنتقل المجموعات العطرية إلى سطح الوحدة المرنة وتشكل روابط هيدروجينية.
في البلدان النامية، لا تزال أنواع أخرى من الراتنجات للإلتصاق (Tackifying ) مستخدمة في تصنيع الإطارات. يعد استخدام راتنجات نوفالاك الفينولية المؤلكلة مننوع نوفولاك بمثابة راتينج لاصق هو تقنية مهيمنة في صناعة الإطارات.
