البلاستيك عالي الأداء

البلاستيك عالي الأداء هو نوع من البلاستيك يلبي متطلبات أعلى من البلاستيك القياسي ( السلعي ) أو البلاستيك الهندسي . وهو أغلى ثمناً ويستخدم بكميات أقل. ^{[ 1 ]}

تعريف

تختلف المواد البلاستيكية عالية الأداء عن المواد البلاستيكية القياسية والمواد البلاستيكية الهندسية بشكل أساسي من حيث استقرارها الحراري ، ولكن أيضًا من حيث مقاومتها الكيميائية وخصائصها الميكانيكية وكمية إنتاجها وسعرها .

توجد العديد من المرادفات لمصطلح البلاستيك عالي الأداء، مثل: البلاستيك المقاوم للحرارة العالية، والبوليمرات عالية الأداء، واللدائن الحرارية عالية الأداء، أو البلاستيك عالي التقنية. يُستخدم مصطلح البلاستيك المقاوم للحرارة العالية نظرًا لدرجة حرارة التشغيل المستمرة (CST) التي تتجاوز دائمًا 150 درجة مئوية بحكم التعريف (مع أن هذه ليست ميزته الوحيدة، كما هو موضح أعلاه).

يُستخدم مصطلح " البوليمرات " غالبًا بدلاً من "البلاستيك" لأن كلا المصطلحين يُستخدمان كمرادفين في مجال الهندسة .

ومع ذلك، فقد اختلف التمييز بين البلاستيك القوي والبلاستيك الأقل قوة بمرور الوقت؛ فبينما كان النايلون وبولي (إيثيلين تيريفثالات) يعتبران في البداية من البلاستيك القوي، فإنهما أصبحا الآن من البلاستيك العادي. ^{[ 2 ]}

تاريخ

لطالما كان تحسين الخواص الميكانيكية والاستقرار الحراري هدفًا رئيسيًا في أبحاث البلاستيك الجديد. فمنذ أوائل الستينيات، كان تطوير البلاستيك عالي الأداء مدفوعًا بالاحتياجات المُلحة في صناعتي الطيران والفضاء والتكنولوجيا النووية . ^{[ 3 ]} وقد طُوّرت طرق تصنيع، على سبيل المثال، لـ PPS و PES و PSU في الستينيات من قِبل شركات فيليبس و ICI ويونيون كاربايد . ودخلت هذه المواد السوق في أوائل السبعينيات. وفي السبعينيات، طُوّر إنتاج PEEK (ICI) وPEK (ICI) و PEI (جنرال إلكتريك) عبر عملية التكثيف . وقدّمت شركة رايتشيم PEK منذ عام 1972 ، ولكن باستخدام التخليق الإلكتروفيلي. ونظرًا لأن التخليق الإلكتروفيلي يتسم عمومًا بانخفاض انتقائيته للبوليمرات الخطية واستخدامه لمواد متفاعلة شديدة التفاعل ، فإن المنتج لم يكن يدوم طويلًا في السوق . ولهذا السبب، تُنتج غالبية أنواع البلاستيك عالي الأداء اليوم باستخدام عمليات التكثيف. ^[²^]

في عمليات التصنيع بالتكثيف المتعدد، تُعدّ نقاوة المواد الأولية العالية أمرًا بالغ الأهمية. إضافةً إلى ذلك، تلعب الكيمياء الفراغية دورًا في تحقيق الخصائص المطلوبة عمومًا. ولذلك، يرتبط تطوير أنواع جديدة من البلاستيك عالي الأداء ارتباطًا وثيقًا بتطوير وإنتاج المونومرات المكونة له اقتصاديًا . ^{[ 2 ]}

صفات

تُلبي المواد البلاستيكية عالية الأداء متطلبات أعلى من المواد البلاستيكية القياسية والهندسية نظرًا لخصائصها الميكانيكية المُحسّنة، وثباتها الكيميائي العالي، و/أو ثباتها الحراري العالي. ويُصعّب الثبات الحراري العالي عملية التصنيع، مما يستلزم غالبًا استخدام آلات متخصصة. وتُستخدم معظم المواد البلاستيكية عالية الأداء لخاصية واحدة (مثل الثبات الحراري)، على عكس المواد البلاستيكية الهندسية التي تُوفر أداءً متوسطًا عبر نطاق أوسع من الخصائص. ^{[ 1 ]} تشمل بعض تطبيقاتها المتنوعة: أنابيب تدفق السوائل، وعوازل الأسلاك الكهربائية، والهندسة المعمارية، والألياف البصرية. ^{[ 4 ]}

تُعدّ المواد البلاستيكية عالية الأداء باهظة الثمن نسبيًا: إذ يتراوح سعر الكيلوغرام الواحد بين 5 دولارات ( PA 46 ) و100 دولار ( PEEK ). ويبلغ متوسط السعر أقل بقليل من 15 دولارًا أمريكيًا/كيلوغرام. ^{[ 5 ]} وبالتالي، فإنّ تكلفة المواد البلاستيكية عالية الأداء تتراوح بين 3 إلى 20 ضعفًا مقارنةً بالمواد البلاستيكية الهندسية. ^{[ 2 ]} وفي المستقبل، لا يُتوقع انخفاض ملحوظ في الأسعار، نظرًا لأنّ تكاليف الاستثمار في معدات الإنتاج، وطول مدة التطوير، وارتفاع تكاليف التوزيع ستظل ثابتة. ^{[ 5 ]}

نظراً لأن أحجام الإنتاج محدودة للغاية، حيث تبلغ 20000 طن/سنة، فإن حصة البلاستيك عالي الأداء في السوق لا تتجاوز 1%. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}

من بين البوليمرات عالية الأداء، تستحوذ البوليمرات الفلورية على 45% من حصة السوق (أبرزها: PTFE)، والبوليمرات العطرية المحتوية على الكبريت على 20% (أبرزها PPS)، والبوليمرات العطرية من نوع بولي أريل إيثر والبولي كيتونات على 10% (أبرزها PEEK)، وبوليمرات الكريستال السائل (LCP) على 6%. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} ويُعدّ قطاعا الصناعات الكهربائية والإلكترونية (41%) وصناعة السيارات (24%) أكبر مستهلكين للبلاستيك عالي الأداء. أما باقي الصناعات (بما فيها الصناعات الكيميائية ) فتبلغ حصتها 23%. ^{[ 5 ]}

الثبات الحراري

يُعدّ الاستقرار الحراري سمة أساسية للبلاستيك عالي الأداء. كما أن الخصائص الميكانيكية مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالاستقرار الحراري.

استنادًا إلى خصائص البلاستيك القياسي، يمكن تحقيق بعض التحسينات في الخصائص الميكانيكية والحرارية بإضافة مواد مُثبِّتة أو مُقوِّية ( مثل الألياف الزجاجية والكربونية ) أو بزيادة درجة البلمرة . ويمكن تحقيق تحسينات إضافية باستبدال الوحدات الأليفاتية بوحدات عطرية، ما يسمح بالوصول إلى درجات حرارة تشغيل تصل إلى 130 درجة مئوية. أما المواد المتصلبة حراريًا (التي لا تُصنَّف ضمن البلاستيك عالي الأداء، كما ذُكر سابقًا) فتتمتع بثبات حراري مماثل يصل إلى 150 درجة مئوية. ويمكن الوصول إلى درجات حرارة تشغيل أعلى بربط المركبات العطرية (مثل الفينيل ) بالأكسجين ( كمجموعة ثنائي فينيل إيثر ، مثل PEEK)، أو الكبريت ( كمجموعات ثنائي فينيل سلفون في PES أو مجموعة ثنائي فينيل ، مثل PPS)، أو النيتروجين ( مجموعة إيميد في PEI أو PAI ). وقد تتراوح درجات حرارة التشغيل الناتجة بين 200 درجة مئوية في حالة PES و260 درجة مئوية في حالة PEI أو PAI. ^[⁷^]

يعود تحسن استقرار البوليمر عند درجات الحرارة العالية بإضافة وحدات عطرية إلى حقيقة أن استقرار البوليمر عند درجات الحرارة العالية يتحدد بمقاومته للتحلل الحراري ومقاومته للأكسدة . ويحدث التحلل الحراري بشكل أساسي عن طريق انشطار السلسلة العشوائي ، بينما لا يلعب تفكك البوليمر وإزالة المركبات ذات الوزن الجزيئي المنخفض سوى دور ثانوي.

يبدأ التحلل الحراري التأكسدي للبوليمر عند درجات حرارة أقل من التحلل الحراري البحت. ويحدث كلا النوعين من التحلل عبر آلية جذرية. ^{[ 8 ]} توفر المركبات العطرية حماية جيدة ضد كلا النوعين من التحلل، لأن الجذور الحرة يمكن أن تنتشر عبر نظام π للمركب العطري وتستقر. وبهذه الطريقة، تزداد الثباتية الحرارية بشكل كبير. يمكن اعتبار بولي (بارا-فينيلين) مثالًا على ذلك، فهو يتكون حصريًا من مركبات عطرية ويوفر ثباتًا فائقًا، حتى عند درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية. من ناحية أخرى، تجعل صلابة السلاسل منه غير قابل للمعالجة إلى حد ما. ولإيجاد توازن بين سهولة المعالجة والثباتية، يمكن دمج وحدات مرنة في السلسلة (مثل O ، S ، C(CH3 ₎ ) . كما يمكن استبدال المركبات العطرية بوحدات أخرى أكثر صلابة (مثل SO2 ، CO ). ومن خلال مزج هذه العناصر المختلفة _، يتم إنتاج مجموعة متنوعة من البلاستيك عالي الأداء بخصائصها المختلفة. ^{[ 2 ]}

عمليًا، يمكن الحصول على أقصى مقاومة للحرارة (حوالي 260 درجة مئوية) باستخدام البوليمرات الفلورية (بوليمرات استُبدلت فيها ذرات الهيدروجين في الهيدروكربونات بذرات الفلور). ^{[ 7 ]} ومن بينها، يستحوذ البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) على الحصة السوقية الأكبر بنسبة 65-70%. ^{[ 6 ]} ومع ذلك، فإن البوليمرات المحتوية على الفلور غير مناسبة للاستخدام كمواد بناء نظرًا لضعف خصائصها الميكانيكية (انخفاض القوة والصلابة ، وزحف قوي تحت الحمل). ^[⁷^]

التبلور

يمكن تقسيم البلاستيك عالي الأداء إلى بوليمرات غير متبلورة وشبه متبلورة، تمامًا مثل جميع البوليمرات. على سبيل المثال، البوليسلفون (PSU) والبولي (إيثر سلفون) (PES) والبولي إيثر إيميد (PEI) هي بوليمرات غير متبلورة ؛ بينما البولي (فينيلين سلفيد) (PPS) والبولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) والبولي إيثر كيتونات (PEK) هي بوليمرات شبه متبلورة .

يمكن استخدام البوليمرات البلورية (وخاصةً تلك المدعمة بحشوات) حتى عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة التحول الزجاجي . ويعود ذلك إلى أن البوليمرات شبه البلورية، بالإضافة إلى درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg)، تتميز _بنقطة انصهار البلورات (Tm ₎ ، والتي عادةً ما تكون أعلى بكثير. فعلى سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة التحول _{الزجاجي} لـ PEEK 143 درجة مئوية، ولكنه يظل قابلاً للاستخدام حتى 250 درجة مئوية ( درجة حرارة التشغيل المستمر = 250 درجة مئوية). ومن المزايا الأخرى للبوليمرات شبه البلورية مقاومتها العالية للمواد الكيميائية: إذ يتميز PEEK بمقاومة عالية للأحماض المائية والقلويات والمذيبات العضوية . ^[²^]

مراجع

1 2 3 هانز جورج، إلياس (2009). Makromoleküle، الفرقة 4: Anwendungen von Polymeren ( الطبعة السادسة). فاينهايم: وايلي-VCH. رقم ISBN 978-3-5272-9962-1.Makromoleküle ، صفحة 298، على كتب جوجل
1 2 3 4 5 6 باركر، ديفيد؛ بوسينك، يناير؛ فان دي جرامبل، هندريك تي؛ ويتلي، غاري دبليو. دورف، إرنست أولريش؛ أوستلينينج، إدغار؛ إعادة التفكير، كلاوس؛ شوبرت، فرانك؛ جونجر ، أوليفر (أبريل 2012). “البوليمرات وارتفاع درجة الحرارة”. موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . دوى : 10.1002/14356007.a21_449.pub3 . رقم ISBN 978-3-527-30673-2.
1 2 كايزر، وولفغانغ (2006). Kunststoffchemie für Ingenieure: Von der Synthese bis zur Anwendung (2 ed.). فاينهايم: كارل هانسر. رقم ISBN 978-3-446-43047-1.الكيمياء الفنية , ص. 439، في كتب جوجل
↑ "التطبيقات والاختلافات المختلفة لأنابيب الفلوروبوليمر" . فلوروثرم. 15 أكتوبر 2015.
1 2 3 4 "معلومات KIweb.de Kunststoff" . تم الاسترجاع 2014/01/24 .
1 2 كيم، فيلهلم (2006). Kunststoffe: Synthese، Herstellungsverfahren، Apparaturen (1 ed.). فاينهايم: وايلي-VCH. رقم ISBN 3-5273-1582-9.الكيمياء الفنية , ص. 214، في كتب جوجل
1 2 3 والتر هيليريش؛ غونتر هارش؛ اروين بور (2010). Werkstoff-Führer Kunststoffe: Eigenschaften، Prüfungen، Kennwerte (10 ed.). ميونيخ: دار نشر كارل هانسر. رقم ISBN 978-3-446-42436-4.ويركستوف-فوهرر ، ص. 1، في كتب جوجل
^ جوتفريد دبليو إرنشتاين. سونيا بونجراتز (2007). Beständigkeit von Kunststoffen (6 ed.). ميونيخ: دار نشر كارل هانسر. رقم ISBN 978-3-446-21851-2.Beständigkeit von Kunststoffen , ص. 38-47، في كتب جوجل

[Elias4-1] 1 2 3 هانز جورج، إلياس (2009). Makromoleküle، الفرقة 4: Anwendungen von Polymeren ( الطبعة السادسة). فاينهايم: وايلي-VCH. رقم ISBN 978-3-5272-9962-1.Makromoleküle ، صفحة 298، على كتب جوجل

[Ullmanns-2] 1 2 3 4 5 6 باركر، ديفيد؛ بوسينك، يناير؛ فان دي جرامبل، هندريك تي؛ ويتلي، غاري دبليو. دورف، إرنست أولريش؛ أوستلينينج، إدغار؛ إعادة التفكير، كلاوس؛ شوبرت، فرانك؛ جونجر ، أوليفر (أبريل 2012). “البوليمرات وارتفاع درجة الحرارة”. موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . دوى : 10.1002/14356007.a21_449.pub3 . رقم ISBN 978-3-527-30673-2.

[Kaiser-3] 1 2 كايزر، وولفغانغ (2006). Kunststoffchemie für Ingenieure: Von der Synthese bis zur Anwendung (2 ed.). فاينهايم: كارل هانسر. رقم ISBN 978-3-446-43047-1.الكيمياء الفنية , ص. 439، في كتب جوجل

[4] "التطبيقات والاختلافات المختلفة لأنابيب الفلوروبوليمر" . فلوروثرم. 15 أكتوبر 2015.

[KI_web-5] 1 2 3 4 "معلومات KIweb.de Kunststoff" . تم الاسترجاع 2014/01/24 .

[Keim-6] 1 2 كيم، فيلهلم (2006). Kunststoffe: Synthese، Herstellungsverfahren، Apparaturen (1 ed.). فاينهايم: وايلي-VCH. رقم ISBN 3-5273-1582-9.الكيمياء الفنية , ص. 214، في كتب جوجل

[Hellerich-7] 1 2 3 والتر هيليريش؛ غونتر هارش؛ اروين بور (2010). Werkstoff-Führer Kunststoffe: Eigenschaften، Prüfungen، Kennwerte (10 ed.). ميونيخ: دار نشر كارل هانسر. رقم ISBN 978-3-446-42436-4.ويركستوف-فوهرر ، ص. 1، في كتب جوجل

[Ehrenstein-8] جوتفريد دبليو إرنشتاين. سونيا بونجراتز (2007). Beständigkeit von Kunststoffen (6 ed.). ميونيخ: دار نشر كارل هانسر. رقم ISBN 978-3-446-21851-2.Beständigkeit von Kunststoffen , ص. 38-47، في كتب جوجل

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[

[ 8 ]

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