اختر لونميتر لقياس دقيق وذكي!

إلى جانب المعالجة الميكانيكية، يُعدّ التحكم في اللزوجة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق توزيع متجانس للمواد المضافة المقوية الأساسية، مثل الكربون الأسود والسيليكا. وتحدد درجة تجانس هذا التوزيع الخصائص الميكانيكية للمادة النهائية، بما في ذلك المقاييس الأساسية مثل قوة الشد، ومقاومة التآكل، والسلوك الديناميكي المعقد الذي يظهر بعد ذلك.عملية فلكنة المطاط.

ثانياً: أساسيات مطاط الستايرين بوتادين (SBR)

ما هو مطاط الستايرين بوتادين؟?

مطاط ستايرين بوتادين (SBR) هو مطاط صناعي متعدد الاستخدامات، يُستخدم على نطاق واسع نظرًا لانخفاض تكلفته مقارنةً بأدائه وتوافره بكميات كبيرة. يُصنّع مطاط SBR كبوليمر مشترك مُشتق بشكل أساسي من مونومرات 1،3-بوتادين (حوالي 75%) وستايرين (حوالي 25%). تتحد هذه المونومرات من خلال تفاعل كيميائي يُسمى البلمرة المشتركة، مُشكّلةً سلاسل بوليمرية طويلة متعددة الوحدات. صُمم مطاط SBR خصيصًا للتطبيقات التي تتطلب متانة عالية ومقاومة استثنائية للتآكل، مما يجعله خيارًا مثاليًا لمداسات الإطارات.

عملية تصنيع المطاط الصناعي

يتم تصنيع SBR من خلال طريقتين صناعيتين متميزتين للبلمرة، مما ينتج عنه مواد ذات خصائص جوهرية مختلفة ويتطلب تحكمًا محددًا في اللزوجة أثناء المرحلة السائلة.

بلمرة المستحلب (E-SBR):في هذه الطريقة التقليدية، تُشتت المونومرات أو تُستحلب في محلول مائي باستخدام مادة فعالة سطحية شبيهة بالصابون. يبدأ التفاعل بواسطة مُحفزات الجذور الحرة، ويتطلب استخدام مُثبتات لمنع تدهور المنتج. يمكن إنتاج مطاط الستايرين بوتادين المُعزز (E-SBR) باستخدام درجات حرارة عالية أو منخفضة؛ ويُعرف مطاط الستايرين بوتادين المُعزز المُنتج على البارد، تحديدًا، بمقاومته الفائقة للتآكل، وقوة شدّه العالية، ومرونته المنخفضة.

 

بلمرة المحلول (S-SBR):تعتمد هذه الطريقة المتقدمة على البلمرة الأنيونية، وتستخدم عادةً مُحفزًا من ألكيل الليثيوم (مثل بوتيل الليثيوم) ضمن مذيب هيدروكربوني، غالبًا ما يكون الهكسان أو سيكلوهكسان. تتميز أنواع S-SBR عمومًا بوزن جزيئي أعلى وتوزيع أضيق، مما ينتج عنه خصائص محسّنة مثل مرونة أفضل، وقوة شد عالية، ومقاومة دوران أقل بكثير في الإطارات، مما يجعل S-SBR منتجًا فاخرًا وأكثر تكلفة.

من الأهمية بمكان، في كلتا العمليتين، أن يتم إيقاف تفاعل البلمرة بدقة عن طريق إدخال عامل إنهاء السلسلة أو عامل إيقاف قصير في ناتج المفاعل. يتحكم هذا في طول السلسلة النهائي، وهي خطوة تحدد بشكل مباشر الوزن الجزيئي الأولي، وبالتالي، القاعدة.لزوجة المطاطقبل التركيب.

 

خصائص مطاط الستايرين بوتادين

يُقدّر مطاط الستايرين بوتادين (SBR) لخصائصه الفيزيائية والميكانيكية القوية:

الأداء الميكانيكي:تشمل نقاط القوة الرئيسية قوة شد عالية، تتراوح عادةً بين 500 و3000 رطل لكل بوصة مربعة، إلى جانب مقاومة ممتازة للتآكل. كما يتميز مطاط الستايرين بوتادين (SBR) بمقاومة جيدة للتشوه الدائم الناتج عن الضغط ومقاومة عالية للصدمات. علاوة على ذلك، يتميز هذا المطاط بمقاومته الطبيعية للتشقق، وهي سمة أساسية تسمح بإضافة كميات كبيرة من مواد الحشو المقوية، مثل الكربون الأسود، لتعزيز قوته ومقاومته للأشعة فوق البنفسجية.

الملف الكيميائي والحراري:على الرغم من مقاومته العامة للماء والكحول والكيتونات وبعض الأحماض العضوية، يُظهر مطاط الستايرين بوتادين (SBR) نقاط ضعف ملحوظة. فهو ضعيف المقاومة للزيوت المشتقة من البترول، ووقود الهيدروكربونات العطرية، والأوزون، والمذيبات الهالوجينية. حرارياً، يحافظ مطاط الستايرين بوتادين على مرونته ضمن نطاق واسع، حيث تصل درجة حرارة الاستخدام المستمر القصوى إلى حوالي 225 درجة فهرنهايت، بينما تمتد مرونته في درجات الحرارة المنخفضة إلى -60 درجة فهرنهايت.

 

اللزوجة كمؤشر أساسي للوزن الجزيئي وبنية السلسلة

تتحدد الخصائص الريولوجية للبوليمر الخام بشكل أساسي من خلال بنيته الجزيئية - طول سلاسل البوليمر ودرجة تفرعها - التي تتشكل خلال مرحلة البلمرة. يرتبط الوزن الجزيئي الأعلى عمومًا بلزوجة أعلى ومعدلات تدفق انصهار أقل (MFR/MVR). لذا، فإن قياس اللزوجة الذاتية (IV) فور خروج البوليمر من المفاعل يُعدّ عمليًا بمثابة مراقبة مستمرة لتكوين البنية الجزيئية المطلوبة.

 

ثالثًا: المبادئ الريولوجية التي تحكم معالجة مطاط الستايرين بوتادين

 

المبادئ الريولوجية، والاعتماد على معدل القص، والحساسية لدرجة الحرارة/الضغط.

 

يوفر علم الريولوجيا، الذي يدرس كيفية تشوه المواد وتدفقها، الإطار العلمي لفهم سلوك مطاط الستايرين بوتادين (SBR) في ظروف المعالجة الصناعية. يتميز مطاط الستايرين بوتادين بكونه مادة لزجة مرنة معقدة، أي أنه يُظهر خصائص تجمع بين الاستجابات اللزجة (تدفق دائم يشبه السائل) والمرنة (تشوه قابل للاستعادة يشبه المادة الصلبة). وتعتمد هيمنة هذه الخصائص بشكل كبير على معدل ومدة الحمل المُطبق.

مركبات SBR هي في الأساس سوائل غير نيوتونية. وهذا يعني أن خصائصها الظاهريةلزوجة المطاطليست قيمة ثابتة، بل تُظهر قيمة حاسمةالاعتماد على معدل القصتنخفض اللزوجة بشكل ملحوظ مع ازدياد معدل القص، وهي ظاهرة تُعرف باسم ترقق القص. لهذا السلوك غير النيوتوني آثار بالغة على مراقبة الجودة. قد لا تُعطي قيم اللزوجة المُقاسة عند معدلات قص منخفضة، كتلك المُقاسة في اختبارات مقياس لزوجة موني التقليدية، تمثيلاً دقيقاً لسلوك المادة تحت معدلات القص العالية المُلازمة لعمليات الخلط أو العجن أو البثق. إضافةً إلى القص، تتأثر اللزوجة بشدة بدرجة الحرارة؛ إذ تُقلل حرارة العملية من اللزوجة، مما يُحسّن التدفق. في حين أن الضغط يؤثر أيضاً على اللزوجة، فإن الحفاظ على درجة حرارة ثابتة وتاريخ قص مُتّسق أمر بالغ الأهمية، لأن اللزوجة قد تتغير ديناميكياً مع القص والضغط ووقت المعالجة.

 

تأثير الملدنات والحشوات والمواد المساعدة في المعالجة على لزوجة مطاط الستايرين بوتادين (SBR)

 

المعالجة المطاطتتضمن هذه المرحلة، المعروفة باسم المزج، دمج العديد من الإضافات التي تُغير بشكل كبير من خصائص انسياب بوليمر SBR الأساسي:

الملدنات:تُعد زيوت المعالجة ضرورية لتحسين مرونة مادة SBR وقابليتها للمعالجة بشكل عام. فهي تعمل عن طريق تقليل لزوجة المركب، مما يسهل في الوقت نفسه التوزيع المتجانس للحشوات وينعم مصفوفة البوليمر.

مواد مالئة:تعمل عوامل التقوية، وخاصة الكربون الأسود والسيليكا، على زيادة لزوجة المادة بشكل ملحوظ، مما يؤدي إلى ظواهر فيزيائية معقدة ناتجة عن تفاعلات الحشو مع الحشو ومع البوليمر. ويتطلب تحقيق التشتت الأمثل توازناً دقيقاً؛ حيث يمكن استخدام عوامل مثل الجلسرين لتليين حشوات الليغنوسلفونات، مما يضبط لزوجة الحشو لتكون أقرب إلى لزوجة مصفوفة SBR، وبالتالي يقلل من تكوّن التكتلات ويحسن التجانس.

عوامل الفلكنة:تُحدث هذه المواد الكيميائية، بما فيها الكبريت والمُسرّعات، تغييراتٍ كبيرة في خواص انسياب المركب غير المُعالَج. فهي تؤثر على عوامل مثل مقاومة الاحتراق (مقاومة التشابك المُبكر). ويمكن استخدام إضافات متخصصة أخرى، مثل السيليكا المُدخّنة، بشكلٍ استراتيجي كعوامل لزيادة اللزوجة لتحقيق أهداف انسيابية مُحددة، مثل إنتاج أغشية أكثر سُمكًا دون تغيير إجمالي محتوى المواد الصلبة.

 

ربط علم الريولوجيا بعملية فلكنة المطاط وكثافة التشابك النهائية

 

إن التكييف الريولوجي الذي يتم إجراؤه أثناء عملية التركيب والتشكيل يرتبط ارتباطًا مباشرًا بأداء الخدمة النهائي للمنتج المفلكن.

التجانس والتشتت:تؤدي خصائص اللزوجة غير المتناسقة أثناء الخلط - والتي غالباً ما ترتبط بمدخلات الطاقة غير المثلى - إلى ضعف التشتت والتوزيع غير المتجانس لمجموعة الربط المتشابك (الكبريت والمسرعات).

عملية فلكنة المطاط:تتضمن هذه العملية الكيميائية غير القابلة للانعكاس تسخين مركب SBR، عادةً مع الكبريت، لإنشاء روابط متقاطعة دائمة بين سلاسل البوليمر، مما يعزز بشكل كبير قوة المطاط ومرونته ومتانته. وتشمل العملية ثلاث مراحل: مرحلة الحث (التسخين الأولي) حيث يحدث التشكيل الأولي؛ ومرحلة الربط المتقاطع أو المعالجة (تفاعل سريع عند درجة حرارة تتراوح بين 250 و400 درجة فهرنهايت)؛ والحالة المثلى.

كثافة الروابط المتشابكة:تعتمد الخصائص الميكانيكية النهائية على كثافة التشابك المحققة. كلما زادت قيمة D_cتُعيق القيم حركة السلاسل الجزيئية، مما يزيد من معامل التخزين ويؤثر على استجابة المادة اللزجة المرنة غير الخطية (المعروفة بتأثير باين). لذلك، يُعد التحكم الدقيق في الخواص الريولوجية في مراحل المعالجة غير المعالجة أمرًا ضروريًا لضمان تحضير السلائف الجزيئية بشكل صحيح لتفاعل المعالجة اللاحق.

 

رابعاً: المشاكل القائمة في قياس اللزوجة

قيود الاختبارات التقليدية غير المتصلة بالإنترنت

إن الاعتماد الواسع النطاق على أساليب مراقبة الجودة التقليدية وغير المستمرة والتي تتطلب عمالة كثيفة يفرض قيودًا تشغيلية كبيرة على إنتاج SBR المستمر، مما يمنع التحسين السريع للعملية.

التنبؤ بلزوجة موني والتأخر الزمني:يُقاس مؤشر جودة أساسي، وهو لزوجة موني، تقليديًا خارج خط الإنتاج. نظرًا للتعقيد الفيزيائي واللزوجة العالية للمواد الصناعيةعملية تصنيع المطاطلا يمكن قياسها مباشرةً في الوقت الفعلي داخل الخلاط الداخلي. علاوة على ذلك، يُعدّ التنبؤ الدقيق بهذه القيمة باستخدام النماذج التجريبية التقليدية أمرًا صعبًا، لا سيما بالنسبة للمركبات التي تحتوي على مواد مالئة. ويؤدي التأخير الزمني المرتبط بالاختبارات المعملية إلى تأخير الإجراءات التصحيحية، مما يزيد من المخاطر المالية لإنتاج كميات كبيرة من المواد غير المطابقة للمواصفات.

تاريخ ميكانيكي مُعدّل:على الرغم من قدرة قياس اللزوجة الشعرية على تحديد خصائص التدفق، إلا أنها تتطلب تحضيرًا مكثفًا للعينات. إذ يجب إعادة تشكيل المادة إلى أبعاد أسطوانية محددة قبل الاختبار، وهي عملية تُغير خصائصها الميكانيكية. وبالتالي، قد لا تعكس اللزوجة المقاسة بدقة الحالة الفعلية للمركب أثناء التشغيل الصناعي.معالجة المطاط.

بيانات غير كافية من نقطة واحدة:لا تُنتج اختبارات معدل تدفق الذوبان (MFR) أو معدل حجم الذوبان (MVR) القياسية سوى مؤشر تدفق واحد في ظل ظروف ثابتة. وهذا غير كافٍ بالنسبة لمطاط الستايرين بوتادين غير النيوتوني. فقد تُظهر دفعتان مختلفتان قيم MVR متطابقة، لكنهما تمتلكان لزوجة متباينة بشكل كبير عند معدلات القص العالية المناسبة للبثق. ويمكن أن يؤدي هذا التباين إلى فشل غير متوقع في عملية التصنيع.

التكاليف والأعباء اللوجستية:يؤدي الاعتماد على التحليل المختبري الخارجي إلى تكاليف لوجستية كبيرة وتأخيرات زمنية. يوفر الرصد المستمر ميزة اقتصادية من خلال تقليل عدد العينات التي تتطلب تحليلاً خارجياً بشكل كبير.

تحدي قياس مركبات SBR عالية اللزوجة ومتعددة الأطوار

تتضمن المعالجة الصناعية لمركبات المطاط مواد ذات لزوجة عالية للغاية وسلوك لزج مرن معقد، مما يخلق تحديات فريدة للقياس المباشر.

الانزلاق والكسر:تُعدّ المواد المطاطية عالية اللزوجة والمرنة عرضةً لمشاكل مثل انزلاق الجدار وكسر العينة الناتج عن المرونة عند اختبارها في أجهزة قياس اللزوجة التقليدية ذات الحدود المفتوحة. لذا، يلزم استخدام معدات متخصصة، مثل جهاز قياس اللزوجة ذي القالب المتذبذب ذي التصميم المسنن ذي الحدود المغلقة، للتغلب على هذه المشاكل، لا سيما في المواد المملوءة حيث تحدث تفاعلات معقدة بين البوليمر والحشو.

الصيانة والتنظيف:تعاني أنظمة التدفق المباشر أو الشعيرات الدموية القياسية عبر الإنترنت من الانسداد بشكل متكرر بسبب طبيعة البوليمرات والحشوات اللزجة وعالية اللزوجة. وهذا يستلزم بروتوكولات تنظيف معقدة ويؤدي إلى توقفات مكلفة، وهو عيب خطير في بيئات الإنتاج المستمر.

الحاجة إلى جهاز قوي لقياس اللزوجة الذاتية لمحاليل البوليمر.

في المرحلة الأولية للمحلول أو المعلق، بعد عملية البلمرة، يُعدّ قياس اللزوجة الذاتية (IV) هو القياس الحاسم، إذ يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالوزن الجزيئي وأداء البوليمر. أما الطرق المختبرية التقليدية (مثل كروماتوغرافيا النفاذية الهلامية أو الأنابيب الشعرية الزجاجية) فهي بطيئة جدًا بحيث لا تسمح بالتحكم الفوري.

تتطلب البيئة الصناعية نظامًا آليًا وقويًاجهاز قياس اللزوجة الذاتيةتُؤتمت الحلول الحديثة، مثل جهاز IVA Versa، العملية برمتها باستخدام مقياس لزوجة نسبي ثنائي الشعيرات لقياس لزوجة المحلول، مما يقلل من تلامس المستخدم مع المذيبات ويحقق دقة عالية (قيم RSD أقل من 1%). بالنسبة للتطبيقات المباشرة في طور الانصهار، يمكن لأجهزة قياس اللزوجة الجانبية (SSR) تحديد قيمة IV-Rheo بناءً على قياسات لزوجة القص المستمرة عند معدل قص ثابت. يُرسي هذا القياس علاقة تجريبية تسمح بمراقبة تغيرات الوزن الجزيئي في تيار الانصهار.