المعالجة (الكيمياء)

المعالجة هي عملية كيميائية تُستخدم في كيمياء البوليمرات وهندسة العمليات ، وتُنتج تقوية أو تصلب مادة البوليمر عن طريق الربط المتشابك لسلاسل البوليمر. ^{[ 1 ]} على الرغم من ارتباطها الوثيق بإنتاج البوليمرات المتصلبة حراريًا ، إلا أنه يمكن استخدام مصطلح "المعالجة" لجميع العمليات التي يتم فيها الحصول على منتج صلب من محلول سائل، كما هو الحال مع بلاستيسولات PVC . ^{[ 2 ]}

عملية المعالجة

الشكل 1: بنية غراء الإيبوكسي المتصلب. يظهر مُصلِّب التريامين باللون الأحمر، والراتنج باللون الأسود. تفاعلت مجموعات الإيبوكسيد في الراتنج مع المُصلِّب. المادة متشابكة للغاية وتحتوي على العديد من مجموعات الهيدروكسيل (OH)، مما يمنحها خصائص لاصقة.

أثناء عملية المعالجة، تتفاعل المونومرات والأوليغومرات المفردة، سواء كانت ممزوجة بعامل معالجة أو بدونه، لتشكيل شبكة بوليمرية ثلاثية الأبعاد. ^{[ 3 ]}

في المرحلة الأولى من التفاعل، تتشكل فروع من الجزيئات ذات بنى مختلفة، ويزداد وزنها الجزيئي مع مرور الوقت نتيجةً لتقدم التفاعل حتى يصبح حجم الشبكة مساويًا لحجم النظام. يفقد النظام ذوبانيته وتميل لزوجته إلى اللانهاية. تبدأ الجزيئات المتبقية بالتعايش مع الشبكة الكبيرة حتى تتفاعل معها مكونةً روابط متقاطعة أخرى . تزداد كثافة الروابط المتقاطعة حتى يصل النظام إلى نهاية التفاعل الكيميائي. ^{[ 3 ]}

يمكن تحفيز عملية التصلب بالحرارة أو الإشعاع أو حزم الإلكترونات أو الإضافات الكيميائية. وكما ورد في الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) : قد تتطلب عملية التصلب أو لا تتطلب خلطًا مع عامل تصلب كيميائي. ^{[ 1 ]} وبالتالي، تُصنف عملية التصلب إلى فئتين رئيسيتين: التصلب المُحفز بالإضافات الكيميائية (وتُسمى أيضًا عوامل التصلب أو المُصلِّبات)، والتصلب في غياب الإضافات . أما الحالة المتوسطة فتتضمن خليطًا من الراتنج والإضافات، والذي يتطلب مُحفزًا خارجيًا (ضوء، حرارة، إشعاع) لتحفيز عملية التصلب.

تعتمد طريقة المعالجة على نوع الراتنج والتطبيق. ويُولى اهتمام خاص للانكماش الناتج عن المعالجة. وعادةً ما تكون قيم الانكماش الصغيرة (2-3%) مرغوبة. ^{[ 2 ]}

المعالجة الناتجة عن الإضافات

الشكل 3: تفاعلات كيميائية مبسطة مرتبطة بمعالجة زيت التجفيف. في الخطوة الأولى، يخضع الدايين للأكسدة الذاتية لإنتاج هيدروبيروكسيد . في الخطوة الثانية، يتحد الهيدروبيروكسيد مع سلسلة جانبية غير مشبعة أخرى لتكوين رابطة متصالبة. ^{[ 4 ]}

تُعالَج راتنجات الإيبوكسي عادةً باستخدام إضافات تُسمى غالبًا بالمصلبات. وتُستخدم البوليامينات بكثرة، حيث تعمل مجموعات الأمين على فتح حلقات الإيبوكسيد.

في المطاط ، يتم تحفيز عملية التصلب أيضًا بإضافة عامل ربط متقاطع. وتُسمى العملية الناتجة بالتكلس الكبريتي . يتحلل الكبريت لتكوين روابط متقاطعة متعددة الكبريتيد (جسور) بين أجزاء سلاسل البوليمر . وتحدد درجة الربط المتقاطع صلابة المادة ومتانتها، بالإضافة إلى خصائص أخرى. ^{[ 5 ]}

تحتوي الدهانات والورنيشات عادةً على عوامل تجفيف زيتية ، غالباً ما تكون صابوناً معدنياً، تحفز عملية الترابط المتشابك للزيوت غير المشبعة التي تُشكل معظمها. عندما يُوصف الطلاء بأنه "يجف"، فإنه في الواقع يتصلب عن طريق الترابط المتشابك. تعمل ذرات الأكسجين كروابط متشابكة، على غرار الدور الذي يلعبه الكبريت في عملية فلكنة المطاط.

معالجة بدون إضافات

في حالة الخرسانة ، تتضمن عملية المعالجة تكوين روابط سيليكاتية متقاطعة. ولا يتم تحفيز هذه العملية بواسطة إضافات.

في كثير من الحالات، يُقدَّم الراتنج على شكل محلول أو خليط مع عامل حفاز مُنشَّط حراريًا، والذي يُحفِّز عملية التشابك، ولكن فقط عند التسخين. على سبيل المثال، تُصاغ بعض الراتنجات القائمة على الأكريلات باستخدام بيروكسيد ثنائي البنزويل . عند تسخين الخليط، يتحول البيروكسيد إلى جذر حر، والذي يتحد مع الأكريلات، مُحفِّزًا عملية التشابك.

تُعالَج بعض الراتنجات العضوية بالحرارة. عند تطبيق الحرارة، تنخفض لزوجة الراتنج قبل بدء عملية التشابك ، ثم تزداد مع ترابط جزيئاته الأولية. تستمر هذه العملية حتى تتشكل شبكة ثلاثية الأبعاد من سلاسل الجزيئات الأولية - تُسمى هذه المرحلة بالتصلب . تُعد هذه المرحلة مهمة من حيث قابلية معالجة الراتنج : فقبل التصلب يكون النظام متحركًا نسبيًا، وبعده تصبح الحركة محدودة للغاية، وتثبت البنية المجهرية للراتنج والمادة المركبة ، وتنشأ قيود شديدة على الانتشار تعيق استمرار المعالجة. لذا، لتحقيق التزجيج في الراتنج، عادةً ما يكون من الضروري رفع درجة حرارة المعالجة بعد التصلب .

عندما يتم تنشيط المحفزات بواسطة الأشعة فوق البنفسجية ، تسمى هذه العملية بالمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية. ^{[ 6 ]}

أساليب الرصد

تُعدّ مراقبة عملية المعالجة، على سبيل المثال، عنصراً أساسياً للتحكم في عملية تصنيع المواد المركبة . فالمادة، التي تكون سائلة في البداية، تصبح صلبة في نهاية العملية : وتُعدّ اللزوجة أهم خاصية تتغير خلال هذه العملية.

تعتمد مراقبة العلاج على مراقبة الخصائص الفيزيائية أو الكيميائية المختلفة.

التحليل الريولوجي

تتمثل إحدى الطرق البسيطة لمراقبة التغير في اللزوجة، وبالتالي مدى التفاعل، في عملية المعالجة في قياس تغير معامل المرونة . ^{[ 7 ]}

لقياس معامل المرونة لنظام ما أثناء عملية التصلب، يمكن استخدام مقياس اللزوجة . ^{[ 7 ]} وباستخدام التحليل الميكانيكي الديناميكي ، يمكن قياس معامل التخزين ( G ′ ) ومعامل الفقد (G ″ ) . ويشير تغير G ′ وG ″ مع الزمن إلى مدى تفاعل التصلب. ^{[ 7 ]}

كما هو موضح في الشكل 4، بعد فترة تحريض، تبدأ قيمتا G ′ و G ″ بالازدياد، مع تغير مفاجئ في الميل. عند نقطة معينة، تتقاطع هاتان القيمتان؛ بعد ذلك، تنخفض معدلات G ′ و G ″ ، وتميل القيم إلى الاستقرار. عند بلوغ هذه الاستقرار، ينتهي التفاعل. ^{[ 3 ]}

عندما يكون النظام سائلاً، يكون معامل التخزين منخفضاً جداً: يتصرف النظام كسائل. ثم يستمر التفاعل ويبدأ النظام بالتصرف كجسم صلب: يزداد معامل التخزين.

درجة المعالجة، $\alpha$ ويمكن تعريفها على النحو التالي: ^{[ 8 ]}

$\alpha ={\frac {G'(t)-G'_{min}}{G'_{max}-G'_{min}}}$ ^{[ 8 ]}

تبدأ درجة التصلب من الصفر (في بداية التفاعل) وتزداد حتى تصل إلى الواحد (في نهاية التفاعل). يتغير ميل المنحنى مع مرور الوقت ويبلغ أقصى قيمة له عند منتصف مدة التفاعل تقريبًا.

التحليل الحراري

إذا كانت التفاعلات التي تحدث أثناء عملية التشابك طاردة للحرارة ، فإن معدل التشابك يرتبط بكمية الحرارة المنبعثة خلال العملية. فكلما زاد عدد الروابط المتكونة، زادت كمية الحرارة المنبعثة في التفاعل. وفي نهاية التفاعل، لا تنبعث المزيد من الحرارة. ويمكن استخدام المسعر التفاضلي الماسح لقياس تدفق الحرارة. ^{[ 9 ]}

بافتراض أن كل رابطة تتشكل أثناء عملية التشابك تطلق نفس كمية الطاقة، فإن درجة المعالجة، $\alpha$ ويمكن تعريفها على النحو التالي: ^{[ 9 ]}

$\alpha ={\frac {Q}{Q_{T}}}={\frac {\int _{0}^{s}{\dot {Q}}\,dt}{\int _{0}^{s_{f}}{\dot {Q}}\,dt}}$ ^{[ 9 ]}

أين $Q$ هي الحرارة المنبعثة حتى وقت معين $s$ ، ${\dot {Q}}$ هو معدل الحرارة اللحظي و $Q_{T}$ هي إجمالي كمية الحرارة المنبعثة في $s_{f}$ عند انتهاء التفاعل. ^{[ 9 ]}

وفي هذه الحالة أيضاً، تتراوح درجة المعالجة من الصفر (عدم تكوين روابط) إلى الواحد (عدم حدوث المزيد من التفاعلات) بميل يتغير مع مرور الوقت ويبلغ أقصى قيمة له عند منتصف التفاعل تقريباً. ^{[ 9 ]}

التحليل العازل الكهربائي

تُجرى قياسات العزل الكهربائي التقليدية عادةً باستخدام مستشعر عازل ( مسبار سعوي ) ذي لوحين متوازيين، وهي قادرة على مراقبة عملية تصلب الراتنج طوال دورة حياتها، من الحالة السائلة إلى المطاطية ثم الصلبة. كما أنها قادرة على مراقبة انفصال الأطوار في مخاليط الراتنج المعقدة التي تتصلب أيضًا داخل الألياف. وتتمتع تقنية قياس العزل الكهربائي الدقيقة، وهي أحدث تطوير لهذه التقنية، بنفس هذه الخصائص.

تتوفر تجارياً عدة أنواع من المستشعرات العازلة. يُعدّ الشكل الأنسب للاستخدام في تطبيقات مراقبة التصلب هو الهياكل السعوية المسطحة ذات الأصابع المتشابكة والمزودة بشبكة استشعار على سطحها. وبحسب تصميمها (وخاصةً تلك الموجودة على ركائز متينة)، يمكن إعادة استخدامها جزئياً، بينما يمكن استخدام مستشعرات الركائز المرنة أيضاً في معظم أنظمة الراتنج كمستشعرات مدمجة.

التحليل الطيفي

يمكن مراقبة عملية المعالجة عن طريق قياس التغيرات في مختلف المعايير:

تركيز أنواع معينة من الراتنج التفاعلي باستخدام طرق التحليل الطيفي مثل FTIR و Raman ؛
معامل الانكسار أو الفلورة للراتنج (خاصية بصرية)؛
الإجهاد الداخلي للراتنج (الخاصية الميكانيكية) باستخدام مستشعرات شبكة براغ الليفية (FBG) .

التحليل بالموجات فوق الصوتية

تعتمد طرق مراقبة المعالجة بالموجات فوق الصوتية على العلاقات بين التغيرات في خصائص الموجات فوق الصوتية المنتشرة والخصائص الميكانيكية في الوقت الحقيقي للمكون، وذلك عن طريق قياس:

زمن انتقال الموجات فوق الصوتية، سواء في وضع الإرسال المباشر أو وضع صدى النبض؛
التردد الطبيعي باستخدام الإثارة بالصدمات وقياس سرعة الموجة الصوتية السطحية المستحثة بالليزر .

انظر أيضاً

مراجع

1 2 "المعالجة" . كتاب IUPAC الذهبي . 2014. doi : 10.1351/goldbook.CT07137 .
1 2 فام، ها كيو؛ ماركس، موريس جيه (2012). "راتنجات الإيبوكسي". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-في سي إتش. doi : 10.1002/14356007.a09_547.pub2 . ISBN 978-3-527-30673-2.
1 2 3 شامبون، فرانسوا؛ وينتر، هـ. هينينغ (نوفمبر 1987). "اللزوجة المرنة الخطية عند نقطة التصلب لبوليمر PDMS متشابك ذي نسبة قياس غير متوازنة". مجلة علم الريولوجيا . 31 (8): 683-697 . Bibcode : 1987JRheo..31..683C . doi : 10.1122/1.549955 .
↑ أولريش بوث (2002). "زيوت التجفيف والمنتجات ذات الصلة". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-في سي إتش. doi : 10.1002/14356007.a09_055 . ISBN 978-3-527-30673-2.
↑ جيمس إي. مارك؛ بوراك إرمان، محرران (2005). علم وتكنولوجيا المطاط . ص 768. ISBN 978-0-12-464786-2.
↑ غريغوري تي. كارول، نيكولاس جيه. تورو، وجيفري تي. كوبرشتاين (2010) تشكيل نمط التبلل في أغشية البوليمر الرقيقة عن طريق الربط الضوئي الموجه مكانيًا، مجلة علوم الغرويات والأسطح البينية، المجلد 351، الصفحات 556-560، doi : 10.1016/j.jcis.2010.07.070
1 2 3 ماكوسكو، كريستوفر و. (1994). علم الريولوجيا: المبادئ والقياسات والتطبيقات . VCH. ص 568. ISBN 978-0-471-18575-8.
1 2 هاركوس، علي؛ كولومين، غايل؛ ليروي، إريك؛ موسو، بيير؛ ديتير، ريمي (أبريل 2016). "السلوك الحركي لمطاط السيليكون السائل: مقارنة بين المنهجين الحراري والريولوجي بناءً على تحديد نقطة التصلب". البوليمرات التفاعلية والوظيفية . 101 : 20-27 . Bibcode : 2016RFPol.101...20H . doi : 10.1016/j.reactfunctpolym.2016.01.020 .
1 2 3 4 5 هونغ، إن-كوون؛ لي، سانغموك (يناير 2013). "حركية المعالجة ونمذجة تفاعل مطاط السيليكون". مجلة الكيمياء الصناعية والهندسية . 19 (1): 42-47 . doi : 10.1016/j.jiec.2012.05.006 .

أوزوالد، تيم أ . منجيس، جورج (2003). علم مواد البوليمرات للمهندسين . هانسر فيرلاج. ص 334 – 335. ISBN 978-1-56990-348-3.
جلوكنر، باتريك (2009). المعالجة بالإشعاع . شبكة فينسينتز. ص 11 – 16. ISBN 978-3-86630-907-4.
آي. بارتريدج وجي. مايستروس، "مراقبة المعالجة العازلة للتحكم في العمليات"، الفصل 17، المجلد 5، موسوعة المواد المركبة (2001)، إلسيفير ساينس، لندن، صفحة 413
P.Ciriscioli و G.Springer، "المعالجة الذكية في الأوتوكلاف في المواد المركبة"، (1991)، Technomic Publishing، لانكستر، بنسلفانيا.

[IUPAC-1] 1 2 "المعالجة" . كتاب IUPAC الذهبي . 2014. doi : 10.1351/goldbook.CT07137 .

[Ullmann-2] 1 2 فام، ها كيو؛ ماركس، موريس جيه (2012). "راتنجات الإيبوكسي". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-في سي إتش. doi : 10.1002/14356007.a09_547.pub2 . ISBN 978-3-527-30673-2.

[CWA-3] 1 2 3 شامبون، فرانسوا؛ وينتر، هـ. هينينغ (نوفمبر 1987). "اللزوجة المرنة الخطية عند نقطة التصلب لبوليمر PDMS متشابك ذي نسبة قياس غير متوازنة". مجلة علم الريولوجيا . 31 (8): 683-697 . Bibcode : 1987JRheo..31..683C . doi : 10.1122/1.549955 .

[4] أولريش بوث (2002). "زيوت التجفيف والمنتجات ذات الصلة". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-في سي إتش. doi : 10.1002/14356007.a09_055 . ISBN 978-3-527-30673-2.

[5] جيمس إي. مارك؛ بوراك إرمان، محرران (2005). علم وتكنولوجيا المطاط . ص 768. ISBN 978-0-12-464786-2.

[6] غريغوري تي. كارول، نيكولاس جيه. تورو، وجيفري تي. كوبرشتاين (2010) تشكيل نمط التبلل في أغشية البوليمر الرقيقة عن طريق الربط الضوئي الموجه مكانيًا، مجلة علوم الغرويات والأسطح البينية، المجلد 351، الصفحات 556-560، doi : 10.1016/j.jcis.2010.07.070

[MAB-7] 1 2 3 ماكوسكو، كريستوفر و. (1994). علم الريولوجيا: المبادئ والقياسات والتطبيقات . VCH. ص 568. ISBN 978-0-471-18575-8.

[HetAA-8] 1 2 هاركوس، علي؛ كولومين، غايل؛ ليروي، إريك؛ موسو، بيير؛ ديتير، ريمي (أبريل 2016). "السلوك الحركي لمطاط السيليكون السائل: مقارنة بين المنهجين الحراري والريولوجي بناءً على تحديد نقطة التصلب". البوليمرات التفاعلية والوظيفية . 101 : 20-27 . Bibcode : 2016RFPol.101...20H . doi : 10.1016/j.reactfunctpolym.2016.01.020 .

[HLA-9] 1 2 3 4 5 هونغ، إن-كوون؛ لي، سانغموك (يناير 2013). "حركية المعالجة ونمذجة تفاعل مطاط السيليكون". مجلة الكيمياء الصناعية والهندسية . 19 (1): 42-47 . doi : 10.1016/j.jiec.2012.05.006 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗