تكسير الأوزون

تكسير الأوزون

إطار سيارة تظهر عليه علامات تشقق الأوزون

تشقق الأوزون في أنابيب المطاط الطبيعي

يمكن أن تتشكل الشقوق في العديد من أنواع المطاط الصناعي نتيجة لتأثير الأوزون ، ويُعرف الشكل المميز لتأثير الأوزون على المطاط المعرض للتلف باسم تشقق الأوزون . كانت هذه المشكلة شائعة جدًا في السابق، خاصة في الإطارات ، ولكنها نادرة الآن في هذه المنتجات بفضل التدابير الوقائية.

مع ذلك، يحدث هذا في العديد من العناصر الأخرى بالغة الأهمية للسلامة ، مثل أنابيب الوقود والأختام المطاطية ، كالحشيات والحلقات الدائرية ، حيث يُعتبر تأثير الأوزون غير مرجح. يكفي وجود كمية ضئيلة من الغاز لبدء التشققات، ولذا قد تتعرض هذه العناصر أيضاً لهذه المشكلة.

تُهاجم آثار ضئيلة من الأوزون في الهواء الروابط المزدوجة في سلاسل المطاط، ويُعدّ المطاط الطبيعي ، والبولي بوتادين ، ومطاط الستايرين-بوتادين ، ومطاط النتريل الأكثر حساسيةً للتلف. ^{[ 1 ]} تحتوي كل وحدة متكررة في المواد الثلاث الأولى على رابطة مزدوجة ، لذا يُمكن للأوزون أن يُتلف كل وحدة. مطاط النتريل هو بوليمر مشترك من وحدات البوتادين والأكريلونيتريل ، ولكن نسبة الأكريلونيتريل عادةً ما تكون أقل من البوتادين، لذا يحدث التلف. مطاط البوتيل أكثر مقاومة، ولكنه لا يزال يحتوي على عدد قليل من الروابط المزدوجة في سلاسله، لذا يُمكن أن يتأثر. تُهاجم الأسطح المكشوفة أولاً، وتختلف كثافة الشقوق باختلاف تركيز غاز الأوزون. كلما زاد التركيز، زاد عدد الشقوق المتكونة.

تشمل المواد المطاطية المقاومة للأوزون مطاط الإيثيلين بروبيلين ديين مونومر (EPDM) ، والمطاط الفلوري مثل الفيتون ، ومطاط البولي كلوروبرين مثل النيوبرين . يقل احتمال تعرضها للتآكل لأن الروابط المزدوجة تشكل نسبة ضئيلة جدًا من السلاسل، وفي حالة النيوبرين، يقلل الكلورة من كثافة الإلكترونات في الروابط المزدوجة، مما يقلل من ميلها للتفاعل مع الأوزون. كما أن مطاط السيليكون ، والهايبالون، والبولي يوريثان مقاومة للأوزون.

تتشكل شقوق الأوزون في المنتجات المعرضة للشد، لكن الإجهاد الحرج يكون ضئيلاً للغاية. وتكون هذه الشقوق دائمًا متعامدة مع محور الإجهاد، لذا تتشكل حول محيط أنبوب مطاطي مثني. تُعدّ هذه الشقوق خطيرة للغاية عند حدوثها في أنابيب الوقود، لأنها تتسع من الأسطح الخارجية المكشوفة إلى داخل الأنبوب، مما قد يؤدي إلى تسرب الوقود ونشوب حريق. كما أن موانع التسرب عرضة للتلف، مثل موانع التسرب الغشائية في خطوط الهواء. غالبًا ما تكون هذه الموانع بالغة الأهمية لتشغيل أنظمة التحكم الهوائية ، وإذا اخترق الشق مانع التسرب، فقد تتعطل جميع وظائف النظام. تُستخدم موانع التسرب المصنوعة من مطاط النتريل بشكل شائع في الأنظمة الهوائية لمقاومتها للزيوت. مع ذلك، في حال وجود غاز الأوزون ، ستحدث تشققات في موانع التسرب ما لم تُتخذ تدابير وقائية.

يحدث التآكل الناتج عن الأوزون في أكثر مناطق مانع التسرب حساسية، وخاصةً الزوايا الحادة حيث يكون الإجهاد في أقصى حالاته عند انثناء مانع التسرب أثناء الاستخدام. تمثل الزوايا مناطق تركيز الإجهاد ، لذا يكون التوتر في أقصى حد له عندما ينحني غشاء مانع التسرب تحت ضغط الهواء.

تعطل مانع التسرب الموضح على اليسار نتيجةً لآثار الأوزون بتركيز 1 جزء في المليون تقريبًا ، وبمجرد بدء التشققات، استمرت طالما وُجد الغاز. أدى هذا العطل تحديدًا إلى توقف الإنتاج في خط تصنيع أشباه الموصلات . تم حل المشكلة بإضافة مرشحات فعالة في خط الهواء وتعديل التصميم لإزالة الزوايا الحادة جدًا. كما تم النظر في استخدام مادة مطاطية مقاومة للأوزون، مثل الفيتون، كبديل لمطاط النتريل . التُقطت الصور باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح البيئي (ESEM) للحصول على أعلى دقة ممكنة.

يُعرف التفاعل الذي يحدث بين الروابط المزدوجة والأوزون باسم الأوزونوليز، حيث يتفاعل جزيء واحد من الغاز مع الرابطة المزدوجة:

تتمثل النتيجة المباشرة في تكوين الأوزونيد ، الذي يتحلل بسرعة مما يؤدي إلى انكسار الرابطة المزدوجة. هذه هي الخطوة الحاسمة في انكسار السلسلة عند تعرض البوليمرات للهجوم. تعتمد قوة البوليمرات على الوزن الجزيئي للسلسلة أو درجة البلمرة ؛ فكلما زاد طول السلسلة، زادت القوة الميكانيكية (مثل قوة الشد ). بانكسار السلسلة، ينخفض ​​الوزن الجزيئي بسرعة حتى تصل إلى نقطة تصبح فيها قوتها ضئيلة للغاية، فيتشكل الشق. يستمر الهجوم على أسطح الشق المكشوفة حديثًا، وينمو الشق بثبات حتى يُكمل دورة كاملة، ثم ينفصل المنتج أو يتلف. في حالة مانع التسرب أو الأنبوب، يحدث التلف عند اختراق جدار الجهاز.

تتكون عادةً مجموعات الكربونيل الطرفية من الألدهيدات أو الكيتونات ، والتي يمكن أن تتأكسد لاحقًا إلى أحماض كربوكسيلية . والنتيجة النهائية هي تركيز عالٍ من الأكسجين العنصري على أسطح الشقوق، والذي يمكن الكشف عنه باستخدام مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة في المجهر الإلكتروني الماسح البيئي ( ESEM) . يُظهر الطيف على اليسار ذروة أكسجين عالية مقارنةً بذروة كبريت ثابتة . أما الطيف على اليمين فيُظهر طيف سطح المطاط غير المتأثر، مع ذروة أكسجين منخفضة نسبيًا مقارنةً بذروة الكبريت.

يمكن الوقاية من هذه المشكلة بإضافة مواد مضادة للأوزون إلى المطاط قبل عملية الفلكنة . كانت تشققات الأوزون شائعة في الجدران الجانبية لإطارات السيارات ، ولكنها نادرة الآن بفضل استخدام هذه الإضافات. من المواد الشائعة والمنخفضة التكلفة المضادة للأوزون الشمع الذي يتسرب إلى السطح ويشكل طبقة واقية، ولكن تُستخدم أيضًا مواد كيميائية متخصصة أخرى على نطاق واسع.

من جهة أخرى، تتكرر المشكلة في المنتجات غير المحمية، مثل الأنابيب المطاطية والحشوات، حيث يُعتقد أن تأثير الأوزون مستحيل. مع ذلك، قد تظهر آثار الأوزون في أكثر الظروف غير المتوقعة. يُعد استخدام المطاط المقاوم للأوزون وسيلة أخرى لمنع التشقق. على سبيل المثال، يُعد مطاط EPDM ومطاط البوتيل مقاومين للأوزون.

بالنسبة للمعدات ذات القيمة العالية حيث يمكن أن يتسبب فقدان الوظيفة في مشاكل خطيرة، يمكن استبدال الأختام منخفضة التكلفة على فترات متكررة لمنع حدوث الأعطال.

يُنتج غاز الأوزون أثناء التفريغ الكهربائي، كالشرارة أو التفريغ الهالي على سبيل المثال. قد تتراكم الكهرباء الساكنة داخل آلات مثل الضواغط ذات الأجزاء المتحركة المصنوعة من مواد عازلة. إذا كانت هذه الضواغط تُغذي نظامًا هوائيًا مغلقًا بالهواء المضغوط، فقد تتعرض جميع موانع التسرب في النظام لخطر التصدع الناتج عن الأوزون.

يُنتج الأوزون أيضاً بفعل أشعة الشمس على المركبات العضوية المتطايرة ، مثل أبخرة البنزين الموجودة في هواء المدن، في مشكلة تُعرف بالضباب الدخاني الكيميائي الضوئي . ويمكن للأوزون المتكون أن ينتشر لمسافات طويلة قبل أن يتحلل بفعل تفاعلات أخرى.

• لويس، بيتر ريس، رينولدز، ك، جاج، سي، هندسة المواد الجنائية: دراسات حالة ، مطبعة سي آر سي (2004).
• لويس، بيتر ريس هندسة البوليمر الجنائية: لماذا تفشل منتجات البوليمر في الخدمة ، الطبعة الثانية، وودهيد/إلسيفير (2016).