البوليمرات هي جزيئات كبيرة تتكون من وحدات أصغر متكررة تعرف باسم المونومرات، بشكل عام تتكون من جزيء أساسي طويل السلسلة مع مجموعات جانبية مرتبطة، تتميز بمجموعات الكربامات (-NHCO 2 ) في العمود الفقري الجزيئي، يتم إنتاج البوليمرات الاصطناعية مثل البولي يوريثان عن طريق تفاعل المونومرات في وعاء التفاعل، من أجل إنتاج البوليمرات يتم تنفيذ خطوة تُعرف أيضاً باسم التكثيف.
تاريخ صناعة البوليمرات:
تمت دراسة كيمياء البوليمرات لأول مرة من قبل الكيميائي الألماني فريدريش باير في عام 1937، أنتج نماذج أولية عن طريق تفاعل التولوين ثنائي أيزوسيانات مع كحول ثنائي الهيدروجين، من هذا العمل تم تطوير واحدة من أولى ألياف البولي يوريثين البلورية، بدأ تطوير البوليمرات المرنة كبرنامج لإيجاد بديل للمطاط خلال أيام الحرب العالمية الثانية، في عام 1940 تم إنتاج أول لدائن بولي يوريثين.
أعطت هذه المركبات صمغ قابل للطحن يمكن استخدامه كبديل مناسب للمطاط، عندما وجد العلماء أنه يمكن تحويل البوليمرات إلى خيوط دقيقة، تم دمجها مع النايلون لصنع ملابس خفيفة الوزن وقابلة للمط، في عام 1953 بدأ الإنتاج التجاري الأول لرغوة البوليمرات المرنة في الولايات المتحدة، كانت هذه المادة مفيدة لعزل الرغوة، في عام 1956 تم إدخال رغاوي أكثر مرونة وأقل تكلفة.
خلال أواخر الخمسينيات من القرن الماضي تمّ إنتاج البوليمرات القابلة للتشكيل، على مر السنين تم تطوير بوليمرات البولي يوريثين المحسّنة بما في ذلك ألياف اللدنة وطلاءات البولي يوريثان واللدائن الحرارية. كما تستخدم مجموعة متنوعة من المواد الخام لإنتاج البولي يوريثان. وتشمل هذه المونومرات والبوليمرات الأولية والمثبتات التي تحمي سلامة البوليمر والملونات.
مواد أولية لصناعة البوليمرات:
واحدة من المواد التفاعلية الرئيسية اللازمة لإنتاج البوليمرات هي ثنائي أيزوسيانات، تتميز هذه المركبات بمجموعة (NCO) وهي كحول شديد التفاعل، أكثر أنواع الإيزوسيانات المستخدمة على نطاق كبير هي ثاني أيزوسيانات التولوين (TDI) وإيزوسيانات البوليمر (PMDI)، يتم إنتاج TDI عن طريق إضافة مجموعات النيتروجين على التولوين وتفاعلها مع الهيدروجين وفصل الأيزومرات غير المرغوب فيها.
الأنواع الأخرى المتفاعلة المطلوبة لإنتاج البوليمرات هي مركبات تحتوي على مجموعات كحولية متعددة (OH)، تسمى البوليولات، المواد المستخدمة غالباً لهذا الغرض هي بولي إيثر بوليولات وهي بوليمرات مكونة من إيثرات دورية، يتم إنتاجها بشكل نموذجي من خلال عملية بلمرة أكسيد الألكلي، إنّها بوليمرات عالية الوزن الجزيئي لها نطاق واسع من اللزوجة.
يمكن استخدام بوليولات البوليستر كنوع متفاعل في إنتاج البوليمرات، يمكن الحصول عليها كمنتج ثانوي لإنتاج حمض التيريفثاليك، وهي تعتمد عادة على الأحماض الكربوكسيلية العطرية المشبعة والثنائيات، تستخدم بوليولات البوليستر المتفرعة في رغاوي البولي يوريثان والطلاء، كانت بوليولات البوليستر أكثر الأنواع المتفاعلة لإنتاج البوليمرات، ومع ذلك أصبحت البوليمرات أقل تكلفة وحلت محل بوليولات البوليستر.
تظهر طلاءات البولي يوريثان مقاومة لتحلل المذيبات ولها مقاومة جيدة للتأثير، تُستخدم هذه الطلاءات على الأسطح التي تتطلب مقاومة التآكل والمرونة والمعالجة السريعة والالتصاق والمقاومة الكيميائية مثل صالات البولينج وأرضيات الرقص، تُستخدم طلاءات البولي يوريثين ذات الأساس المائي لطلاء الطائرات والسيارات وغيرها من المعدات الصناعية.
تستخدم رغاوي البوليمرات في صناعة ألواح عدادات السيارة وبطانات الأبواب، تشمل الاستخدامات الأخرى البطانة السفلية للسجاد والتعبئة والإسفنج، والحشو الداخلي، تُستخدم رغاوي البوليمرات الصلبة أو المتصالبة لإنتاج العزل على شكل ألواح أو صفائح، يتم استخدام الشرائح على نطاق واسع في صناعة الأسقف التجارية.
كيفية تصنيع البوليمرات:
بينما تُستخدم البوليمرات في مجموعة واسعة من التطبيقات، يمكن تقسيم طريقة إنتاجها إلى ثلاث مراحل متميزة، أولاً يتم تصنيع منتج البوليمر بالجملة وبعد ذلك يتعرض البوليمر لخطوات معالجة مختلفة، أخيراً يتم تحويل البوليمر إلى منتجه النهائي وشحنه، يمكن توضيح عملية الإنتاج هذه بالنظر إلى الإنتاج المستمر لرغاوي البوليمرات.
في بداية إنتاج رغوة البوليمرات يتم الاحتفاظ بالمواد الخام المتفاعلة كسوائل في خزانات كبيرة من الفولاذ المقاوم للصدأ، تم تجهيز هذه الخزانات بمحركات للحفاظ على سوائل المواد ويتم توصيل جهاز قياس بالخزانات، بحيث يمكن ضخ الكمية المناسبة من المادة التفاعلية، يتم تمرير المواد المتفاعلة من خلال مبادل حراري حيث يتم ضخها في الأنابيب.
يقوم المبادل بضبط درجة الحرارة على مستوى، رد الفعل يحدث تفاعل البلمرة داخل الأنابيب، بحلول الوقت الذي يصل فيه سائل البلمرة إلى نهاية الأنبوب تكون البوليمرات قد تم تشكيله بالفعل، على أحد طرفي الأنبوب يوجد رأس صرف للبوليمر.
عملية المعالجة:
يتم توصيل رأس الاستغناء بخط المعالجة لإنتاج رغوة البوليمرات العازلة الصلبة، يتم لف لفة من ورق الخبز في بداية خط المعالجة ويتم تحريك هذه الورقة على طول الناقل ويتم وضعها تحت رأس التوزيع، عندما تمر الورقة أسفلها يتم نفخ البوليمرات عليها، عندما يتم الاستغناء عن البوليمر يتم خلطه مع ثاني أكسيد الكربون مما يؤدي إلى تمدده، بحيث يستمر في الارتفاع أثناء تحركه على طول الناقل.
بعد بدء تفاعل التمدد يتم لف طبقة علوية ثانية من الورق، بالإضافة إلى ذلك قد يتم أيضاً طي الأوراق الجانبية في العملية، تحتوي كل طبقة من الورق على رغوة البولي يوريثان التي تعطيها الشكل، يتم تمرير الرغوة الصلبة عبر سلسلة من الألواح التي تتحكم في عرض وارتفاع كعكة الرغوة، أثناء انتقالهم عبر هذا الجزء من خط الإنتاج يتم تجفيفهم عادةً.
مراقبة الجودة:
لضمان جودة مادة البوليمرات يقوم المنتجون بمراقبة المنتج خلال جميع مراحل الإنتاج، تبدأ عمليات التفتيش هذه بتقييم المواد الخام الواردة بواسطة كيميائيين لمراقبة الجودة، حيث يختبرون الخصائص الكيميائية والفيزيائية المختلفة باستخدام الطرق المعمول بها، تتضمن بعض الخصائص التي تم اختبارها الأس الهيدروجيني والجاذبية النوعية واللزوجة أو السماكة.
بالإضافة إلى ذلك يمكن فحص المظهر واللون والرائحة، لقد وجد المصنعون أنه فقط من خلال التحكم الصارم في الجودة في بداية الإنتاج، يمكنهم ضمان تحقيق منتج نهائي متسق، بعد الإنتاج يتم اختبار البوليمرات، يتم تقييم منتجات البوليمرات بنفس طريقة فحص المواد الخام الأولية، أيضاً يتم اختبار خصائص مثل وقت الجفاف وسمك الفيلم والصلابة.
المستقبل:
تحسنت جودة البوليمرات بشكل مطرد منذ أن تم تطويرها لأول مرة، يجب أن يستمر البحث في مجموعة متنوعة من المجالات للمساعدة في صنع مواد فائقة الجودة، على سبيل المثال وجد العلماء أنه من خلال تغيير البوليمرات الأولية يمكنهم تطوير ألياف البوليمرات التي تتمتع بخصائص تمدد أفضل، يمكن تعديل الخصائص الأخرى بدمج مواد مالئة مختلفة واستخدام محفزات أفضل وتعديل نسب البوليمر.
بالإضافة إلى البوليمرات نفسها من المرجح أن يجلب المستقبل تحسينات في عملية الإنتاج، مما يؤدي إلى إنتاج بولي يوريثان أسرع وأقل تكلفة وأكثر صداقة للبيئة، الاتجاه الحديث في إنتاج البوليمرات هو استبدال التولوين ثنائي أيزوسيانات بأيزوسيانات بوليمرية أقل تطاير.
