تحقیق مقاله لاستیک

مقدمه :

از آغاز حیات بشر تا پایان سده نوزدهم، انسان فقط موادی را مورد استفاده قرار می داد که طبیعت، جهت تحقق منظورهای بسیار متفاوت، در اختیار او گذارده بود. این مواد انسان را قادر می ساخت تا در وهله نخست نیازهای ضروری از قبیل دفاع، غذا، پوشاک و سپس وسایل آسایش خود را فراهم سازد.

بدین منظور، ابتدا سنگ آتشزنه.‌چوب شاخ، و عاج را، که به ترتیب از منابع معدنی،‌نباتی، حیوانی فراهم می شدند. به کار گرفت. استفاده از فلزات اولیه و در رأس آنها طلا، مس، آهن، و سپس فلزات مختلف دیگر، که انسان می توانست به طور پیاپی از منابع زیرزمینی معدنی به دست آورد، در مراحل بعد قرار گرفت.

حدود سالهای 1870، ماده جدیدی به نام سلولویید در بازار تجارت ظاهر شد. این ماده می توانست نرم شود،  حالت بخ خود گیرد، وپیچیده ترین شکلها را براحتی به دست آورد. سلولویید محصول آزمایشگاههای شیمیدانها بود و از سنتز دو ماده طبیعی سلولوز و کافور به دست آمد.

طی سی سال، سلولویید تنها نماینده محصولات سنتزی بود که به عنوان ماده اولیه برای ساخت وسایل به کار گرفته می شد. البته وقتی به عقب بر می گردیم، این امر تا اندازه ای عجیب به نظر می رسد. حدود سالهای 1900، تولید صنعتی گالالیت از کازیین و فرمالدهید پدیدار شد. بهای تما شده این ماده تا حدود سالهای 1922 بالا بود و بدین ترتیب کاربرد آن را محدود می ساخت.

در سال 1907، باکلند[1] از فنون و فرمالدهید رزین تراکمی به نام باکلیت، (مأخوذ از نام سازنده آن) با خواص مشابه خواص صمغ لاکی، تهیه کرد و با ابهام پیش بینی کرد که سلولویید و گالالیت تنها موادی نیستند که شیمیدان میتواند در آزمایشگاه خود آنها را بسازد و سپس با استفاده از چنین مواد اولیه ای، درمقیاس صنعتی، به مجموعه مواد مناسب برای ساخت محصولا کاملا منتفاوت برسد.

آینده چنین امیدی را تأیید کرد سالهای مدیدی که از پیدایش باکلیت تاکنون گذشته است شاهد به وجود آمدن شمار بسیاری از محصولات جدیدی بوده ایم که از آزمایشگاه بیرون آمده است و کم کم.  و گاهی به طور چشمگیر، با مواد طبیعی قدیمی به رقابت برخاسته است و موجب به وجود آمدن عملیات کاملا جدیدی شده است.

در حال حاضر این مواد سنتزی بنا به خواص فیزیکی و مکانیکی و طبعاً بنا به ماهیت کاربرد شان، که ناشی از خواص آنها می باشد، به سه دسته تقسیم می شوند:

1- مواد پلاستیکی، که معمولا با عبارت ساده پلاستیکها مشخص می شوند. یکی از خواص اساسی پلاستیکها سخت و صلب بودن آنها در دمای اتقا است این ماده وقتی به اندازه کافی گرم شود صلابت خود را از دست می دهد و بدین ترتیب برای قالبگیری آماده می شود. همه ما با توسعه شگرفی که تاکنون در زمینه صنعت پلاستیک انجام گرفته است و نیز با عملیات شگفت آن آشنایی داریم. ما در این کتاب چنین مواد پلاستیکی را بررسی نخواهم کرد و خوانندگان علاقه مند به این مواد را به مطالعه کتابی که به این موضوع اختصاص دارد دعوت می کنیم.[2]

2- لاستیک های سنتزی( به نام کشپارها نیز معروفند ) این مواد کشسان می باشند یعنی، دارای این خصایت هستند که پس از رفع فشار یا انقباضی که بر آنها اعمال شده است مجدداً شکل اولیه خود را به دست آورند.

3- الیاف سنتزی موادی هستند که می توان به آسانی آنها را به صورت نخ قابل ریسیدن در آورد.

در این کتاب تنها دو دسته آخر مواد سنتزی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

برای اینکه خوانندگان بهتر بتوانند مشکلاتی را که هنگام اجرا و به کار بستن این مواد مطرح می شود و نیز راه حلهایی را که برای آنها آورده ایم متوجه شوند به نظر می رسد در ابتدا لازم باشد به صورت فشرده برخی تعریفهای اساسی مربوط به تهیه چنین مواد سنتزی را در اختیار ایشان قرار دهیم.

دو نوع تغییر و تبدیل ضروری که در شکل مولکول یک ماده سنتزی دخالت دارند عبارتد از: بسپارش افزایشی و بسپارش مرحله ای،‌بسپارش را هنگامی افزایشی ( یا زنجیری) می نامیم که ازیک مولکول پایه به نام تکپار، ماده ای با جرم مولکولی بیشتر به نام بسپار به دست آید و نتیجه آن رشد مناسب مولکول تکپار بدون حذف ماده سوم باشد. طرح نمایشی یک واکنش بسپارش افزایشی به صورت زیر است:

به عنوان  مثال،‌عبور از استیلن به بنزن:

یک نوع بسپارش افزایشی را تشکیل می دهد.

متذکر  می شویم که در برخی موارد پدیده مشابهی می تواند اتفاق افتد. بدین ترتیب که وقتی دو مولکول به طور همزمان بسیپار شوند، درشت مولکولی که مخلوطی از دو نوع تکپار است به دست می آید:

( با فرض اینکه در حالت ساده، مولکولهای M و M به تعداد مساوی در ساخت درشت مولکول شرکت کرده باشند)؛ چنین واکنشی را همبسپارش می نامند.

بسپارش را هنگامی مرحله ای (یا تراکمی ) می نامیم که ماده به دست آمده نتیجه واکنش میان مولکولهای پایه باشد، ولی این بار با حذف یک ماده سوم. معمولا مولکول  این ماده بسیار ساده می باشد و اغلب آب است. ولی این ماده می تواند یک اسید، یک نمک، یک الکتل، یک آمین، یا… نیز باشد. عناصر سازنده بسپار از هر دو مولکول، که حالا به کیدیگر متصل شده اند، تشکیل شده است. برای مثال، وقتی طبیعت مولکولهای سلولوز را از مولکولهای گلوکوز به وجود می آورد، برای هر دو مولکول گلوکوزی که به یکدیگر متصل می شوند یک مولکول آب حذف می شود. به چنین واکنشی، بسپارش مرحله ای می گوییم.

شایان ذکر است که چندین نوع مولکول نیز می توانند در یک چنین واکنشی با یکدیر متحد شوند و ماده سومی را حدف کنند. در این حالت به چنین واکنشی همبسپارش مرحله ای می گوییم.

باید متذکر شویم که از نقطه نظر شیمی- فیزیکی، تفاوت اساسی میان بسپارش منرحله ای وجود دارد. بسپارش یک واکنش شیمیای واقعی است که بتدریج و گاهی بسیار کند صورت می گیرد، به طوری که اغلب امکان جداسازی مواد حد واسط تشکیل شده، یتعنی دوپار، سه پار، چهار پار، و…، وجود دارد. برعکس، واکنشهای بسپارش افزایشی بیشتر تغییر و تبدیلهای فیزیکی هستند و حساسیت زایدی در برابر کاتالیزورها از خود نشان می دهند. این واکنشها در شرایط معمولی بسرعت کامل می شوند و نمی توان به دلخواه در مراحل حد واسط، آنها را متوقف کرد.

بالاخره، از نظر مواد تشکیل دهنده شیمیایی باید اشاره کنیم که محصول به دست آمده از یک بسپارش افزایشی دارای همان ترکیبهایی است کمه تکپار اولیه دار است. در صورتی که چنین حالتی برای محصول حاصل از بسپارش مرحله ای وجود ندارد، چرا که در اینجا با حذف مولکولهای سومی مواجه هستیم.

چیزی که پیشاپیش می توان حدس زد این است  که مواد سنتز شده اجسامی با مولکولهای بزرگ می باشند. در واقع، این مواد ترکیبهایی با مولکولهای درشتند و به همین دلیل به نام درشت مولکولها نامیده می شوند. وزنهای مولکولی چنین موادی حدود 1000 برابر وزن مولکولی مواد معمولی در شیمی آلی است معمولا این مقدارها از 50000 فراتر می رود و می تواند به  400 تا 500 هزار برسد.

درشت مولکولهایی که لاستیکها و الیاف سنتزی را می سازند از زنجیر بندیهای اتمی، که در یک جهت فضا گسترش یافته اند، تشکیل شده اند. به چنین زنجیر بندی رشته ای، خطی، یا تک بعدی می گویند. برای مثال، یک لیف لاستیک از کنار هم قرار گرفتن موازی یک دسته از این درشت مولکولهای بلند تشکیل شده است.

ولی در برخی موارد ممکن است میان این درشت مولکولهای خطی، اتصالات عرضی، همچون پلی میان زنجیرهای نخی شکل به وجود آورده در این حالت می گوییم شبکه سزای انجام گرفته است. برای مثال، در وولکانش لاستیک، با قرار دادن گوگرد به صورت عرضی، پلی میان درشت مولکولهای ایزوپرنی لاستیک خام به وجود می آوریم.

پیدایش و توسعه لاستیکهای سنتزی

لاستیک طبیعی ( یا کائوچوی طبیعی) ماده ای کشسان است و از تجمع شیره انواع مختلف گیاهان، بخصوص هوا، حاصل می شود. این ماده مدتهاست که توسط سرخپوستان امریکا شناخته شده است. سرخپوستان، قبل از کشف امریکا توسط کریستف کلمب، از این ماده برای ساخت وسایل مختلف مصارف روزانه خود، و حتی تهیه توپ بازی، استفاده می کردند. لاستیک، حدود سال 1740 توسط ریاضیدان فرانسوی لاکندامین هنگام بازگشت از امریکا وارد اروپا شد ولی به مدت یک قرن استفاده زیادی ار آن نمی شد. این ماده کاملا به صورت طبیعی به کار گرفته می شد و از این جهت دارای عیبهایی بود. گودیر در سال 1840، موفق شد لاستیک طبیعی را با عمل وولکانش توسط گوگرد پایدار کند. سپس، در سال 1850، موری تولید لاستیک سخت یا ابونیت را به مرحله اجرا درآورد. بدین ترتیب مصرف جهانی لاستیک سال به سال رو به افزایش نهاد به طوری که از  10000 تن در سال 1850، به 50000 در سال 1900 و از 90000 تن در سال 1910، به  300000 تن در سال 1920 رسید. لاستیک به خاطر مصرف زیاد در وسایط نقلیه مانند: دوچرخه، اتومبیل، و هواپیما اهمیت خود را بیشتر نشان داد.

به موازات توسعه کاربرد لاستیک، کوششهای نیز از طرف شیمیدانها به منظور تعیین ساختار  و نیز اجرای سنتز آن به عمل آمد. گری ویل ویلیامز در سال 1860 به دنبال زحمات دوما، لیبیگ، دالتون، موفق به جدا کردن ماده ای در محصولات تقطیر شده شد که آن را ایزوپرن نامید .بیست سال بعد بوشاردای فرانسوی نشان داد ه می توا ایزو پرن را به ماده ای سخت نظیر لاستیک تبدیل کرد و بدین ترتیب اولین سنتز در این مورد توسط نامبرده اجرا شد.

انگلستان در سال 1910 و آلمان در همان سال اولین مقاله های علمی را در این زمینه منتشر کردند. در مقاله آلمانیها، که توسط شرکت بایز منتشر شد، استفاده از سدیم فلزی در بسپارش ایزوپرن مطرح شد. انگلیسیها، در سال 1912 اقدام به راه اندازی پیلوت کوچکی در سطح آزمایشگاه کردن که می توانست حدود 2 کیلوگرم لاستیک در روز تولید کند. شروع جنگ 1914- 1918 تحقیقا انگلیسیها را متوقف کرد. در واقع، آلمانیها منابع صمغ طبیعی آنها را قطع کردند. شیمیدانهای آلمانی،  از دی متیل بوتا دی ان ( یا متیل ایزوپرن) لاستیک متیل را، که موفقیت بزرگی برای آنها محسوب می شد، تهیه کردند به طوری که از سال 1915 تا 1918 طی سه سال، تولید آنها از 2000 تن گذشت با این وجود، پایان جنگ منجر به توقف این تولید شد چرا که آلمانیها دوباره به منابع لاستیک طبیعی خاور دور دسترسی پیدا کردند و واضح بود که لاستیکهای متیل، به خاطر مرغوبیت بیشتر و بازار بهتری که دارند، می توانند به خوبی با صمغ طبیعی رقابت کنند. ولی کارهای انجام گرفته توسط آلمانی ها، طی چهار سال، دولتهای بزرگ را متوجه مسائلی کرد که در جنگ جهانی دوم از آنها استفاده شد. توسعه غیر قابل تصور وسایل موتوری، مصرف زیاد لاستیک ار به دنبال داشت و به این ترتیب، همواره خطر قطع منابع تولید صمغ وجود داشت از این جهت، پژوهشگران آلمانی، امریکایی و روسی را بر آن داشت تا در سال 1926، بدون وقفه روی تولید لاستیک سنتیزی فعالیت کنند. بعدها  در درجه اول کانادا و سپس سایر کشورها تولید کننده این ماده شدند و در حال حاضر صنایع لاستیک سینتزی کم و بیش در سرتاسر دنیا گسترده شده است و به طور وسیعی با لاستیک طبیعی رقابت می کند.

حال، به طور دقیقتر، ببینیم چطور مسئله پیدایش مصنوعی این ماده مطرح شد. از نظر شیمیایی لاستیک طبیعی ماده ای پیچیده است و برای اولین بار بوشاردا نشان دارد که این ماده از بسپارش ایزوپرن حاصل شده است. ایزوپرن به فرمول خام  8H5C دارای ساختار زیر است:

لاستیک طبیعی مخلوطی از بسپارهای این ماده از زنجیرهای خطی بلند است اولین تصوری که برای تهیه لاستیک سنتزی به ذهن می آید، بسپار کردن ایزوپرن است. بسپارش این ماده ظاهراً امکانپذیر است. در واقع، مولکول ایزوپرون تحت تأثیر هیدروژن کلرید یا نور فرابنفش یا کاتالیزورهای دیگر، متحمل تغییراتی در موقعیت پیوندهای خود می شود بدون آنکه ترکیب شیمیایی آن تغییر کند، در این صورت شکل زیر را به خود می گیرد:

-

 حال، پیوندهای آزادی که در انتای مولکول واقع شده است می تواند به دو مولکول دیگر متصل شود و این عمل بدین ترتیب ادامه پیدا کند که زنجیر بلندی از نوع زیر تشکیل شود:

..-CH2-C=CH-CH2-CH2-C=CH-CH2-…CH3

 ولی این نوع بسپارش تنها راه امکانپذیر نیست و متأسفانه به وسیله بسپارش مصنوعی نمی توان دقیقاً به لاستیک رسید. از طرف دیگر، ایزوپرن نمی تواند به مقدار کافی تولید شود و در ضن قیمت تمام شده بسیار بالا خواهد بود و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

بنابراین، بسپارش ایزوپرون خود نمی توانست مشکل را حل کند. به این ترتیب در جست و جوی بسپار کردن موادی بودند که دارای ساختاری شبیه ساختار ایزوپرن نمونه ای از این کوشش بود. این ماده، که با استخلاف یک هیدروژن توسط گروه متیل CH3 روی ایزوپرن به دست می آید. امکان تهیه لاستیکهای متیل را در جنگ جهانی اول به آلمانیها داد

سپس آلمانیها اقدام به سپارش بو تا دی ان به فرمول زیر کردند:

CH2=CH-CH=CH2

 بسپارش این تکپار اولیه در حضور سدیم انجام گرفت. آلمانیها تمام لاستیکها را با عنوان عمومی بونا نامگذاری کردند. بوناها، به سرعت یک قسمت عمده از احتیاجات آلمانیها را برآورده کرد. آلمانیها از سال 1936 به بعد توانستند بعضی از بوناها را به خاطر کیفیت بهتر نسبت به لاستیک طبیعی صادر کنند. با وجود قیمت بیشتر بونا نسبت به صمغ طبیعی، این ماده توانست با کشورهای مختلف رقابت کند. جنگ جهانی دوم باعث رونق صنایع لاستیک سنتیزی آلمان شد. تمام تولیدات در پنج کارخانه بزرگ متمرکز شد طوری که ظرفیت سالیانه محصولات به 180000 تن رسید. در واقع، این کارخانه ها هرگز با ظرفیت کامل خودکار نکردند ومتوسط تولید سالیانه آنها حدود 100000 تن بومد. بعدها نیز کشپارهای از نوع بونا قسمت اعظم تولیدات آمان را تشکیل داد.

در ایالات متحد مسئله کشپارهای سنتزی در ابتدا شکل دیگری داشت برای آمریکاییها مهم نبود که دست از لاستیک طبیعی بکشند چرا که توانستند تا سال 1940 احتیاجات خود را برآورده سازند و سپس اقدام به تهیه محصولاتی با کیفیت صنعتی بهتر، نسبت به صمغ طبیعی کنند. شیمیدانهای فنی امریکایی سعی خود را بر بسپارش کلروپرن، که مشتق کلردار بو تا دی آن به فرمول :

CH2=CC1-CH=CH2

است، متمرکز کردند. و نیز از نئوپرن لاستیکهای اشتعال ناپذیر و بخصوص مقاوم در مقابل عامل فیزیکی و شیمیایی به دست آوردند. ولی قیمت این نئوپرنها بسیار بالا تمام می شد طوری که فقط در موارد بخصوص از آنها استفاده می شد و به همین دلیل، در سال 1941، تولید امریکایی نئوپرنها فقط به میزان 8000 تن بود.

در سال 1942 واقعه مهمی به وقوع پیوست: کنترل کشت هوآی خاورمیانه توسط ژاپنیها آمریکاییها در این موقع ناچار به قطع ناگهانی صمغ طبیعی شدند و خود را مجبور به برنامه ریزی جهت تولید لاستیک سنتزی دیدن تابتوانند جایگزین لاستیک طبیعی کنند. و بدین ترتیب بود ه امریکا به نوبه خود به جرگه تولید کنندگان بزرگ لاستیک از نوع بونا پیوست و توانست تا میزان 80 درصد از محصولات خود را به این ماده تخصیص دهد.

در شوروی، سال 1931، اولین کشپارهای سنتزی که به صورت صنعتی ساخته شد مورد مصرف قرار گرفت. این کشپارها عبارت بودند از پلی بوتادی انها که با نام لاستیکهای SK معروف بودند. بعد شیمیدانهای روسی نیز اقدام به بسپارش کلروپرن تحت عنوان سوپرن کردن دکه نام آن هم کشور تولید کنده و هم ماده اولیه را نشان می دهد. در سالهای بعد روسها همبسپار بوتادی ان با استیرن و نیز آکریلونیتریل را نیز تهیه کردند که به ترتیب به نام لاستیکهای SK-A, K-S  معروف است.

در کانادا، از سال 1950 صنایع مهم کشپارهای سنتزی شروع به فعالیت کرد و شامل لاستیکهای با انواع مختلف بود. از سال 1954 تولیدات خود را همراه با سه کشور یاد شده به بازار عرضه کرد. بعدها کاناداییها، در تولید این محصول، بخصوص در زمینه تولید همبسپار بوتای ان – استیرن، آلمانیها را پشت گذاردند.

ممکن است خواننگان فکر کنند چطور دو کشرو انگلستان و فرانسه، که در زمینه صنایع مختلف پیشتاز بودند، نقش مهمی در این صنعت نداشتند؟ علت آن این است که تا سال 1942 این دو کشور تمام احتیاجات خود را در زمینه لاستیک طبیعی از کشتی که در مستعمرات خود داشتند برآورده می ساختند. انگلستان برای سالهای زیادی از انبارهای خود استفاده می کند ولی فرانسه تا سال 1950 توانست از ذخیره های خود استفاده کند. در سالهای بعد انگلستان مانند فرانسه لزوم ایجاد صنایع این رشته را احساس کرد. این دو کشور، از سال 1956، اقدام به تأسیس کارخانه های  تولید کشپارهای سنتزی کردند. کارخانه های انگلیسی در سال 1958 به تولید رسیدند در صورتی که کارخانه های فرانسوی در سال 1960 به تولید رسیدند.