ولکانش

ولکانش یا ولکانیزاسیون (فرانسوی: Vulcanisation‎) یک فرایند شیمیایی است که در آن لاستیک طبیعی یا بسپارهای مشابه، با افزوده شدن گوگرد یا بهبوددهنده و شتاب‌دهنده، به مواد پایدار تبدیل می‌شوند. این افزودنی‌ها، بسپار را به شکل اتصال عرضی با زنجیرهٔ بسپار در می‌آورند.

یک کارگاه ولکانش در برلین ۱۹۴۶

مواد ولکانیده دارای چسبناکی کمتر و خواص مکانیکی قابل توجه‌تری هستند.

ولکانش را می‌توان به عنوان پخت الاستومرها نیز تعریف کرد، به طوری که عبارات 'vulcanization'(ولکانش) و 'curing'(پخت) گاهی در این زمینه به جای یکدیگر استفاده می‌شوند. این روند به صورت ایجاد اتصالات عرضی بین بخش­‌های زنجیره پلیمری است که منجر به افزایش استحکام و دوام و همچنین سایر تغییرات در خواص مکانیکی و الکتریکی مواد می‌شود. ولکانش، همانند پخت پلیمرهای ترموست، به طور کلی برگشت ناپذیر است.

عوامل ولکانش

پرمصرف‌ترین و معمول‌ترین عامل ولکانش، گوگرد می‌باشد که با اکثر لاستیک‌های سیرنشده وارد واکنش شده و تولید فراورده ولکانیده می‌کند. گوگرد به دو آرایش رومبیک و بی شکل وجود دارد. دو عنصر سلنیم و تلوریم نیز قادر هستند محصولات ولکانیده تولید کنند. به‌طور معمول شکل رومبیک گوگرد در ولکانش مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده دارایبه صورت S₈ می‌باشد. گوگرد بی‌شکل در واقع طبیعت بسپاری دارد و به دلیل اینکه در اغلب حلال‌ها نامحلول است به آن گوگرد نامحلول نیز گفته می‌شود. گوگرد بی شکل برای اجتناب از شکفتگی سطح لاستیک خام در جایی که لازم است چسبندگی ساختمانی (Building Tack) ثابت بماند، استفاده می‌شود.

سلنیم و تلوریم در جایی‌که مقاومت گرمایی عالی مورد نیاز است جایگزین گوگرد می‌شوند. این مواد زمان پخت(ولکانش) را کاهش داده و خواص فراورده را بهبود می‌بخشند.

تاریخچه

کارگری در حال قرار دادن لاستیک درون قالب قبل از ولکانش

لاستیک یا لاتکس از سال‌ها پیش در فرهنگ آمریکای میانه شناخته‌شده‌بود، و برای ساخت توپ و ضد آب کردن ظروف از آن استفاده می­‌شد اما کاربرد آن به همین مقدار محدود می­‌شد. می‌­توان گفت این بدان دلیل است که در حالت طبیعی لاستیک تا حدودی ناپایدار است و در شرایط مختلف بسیار سخت یا بسیار نرم می‌­شود. به عنوان مثال، تایرهای اولیه لاستیکی در قرن نوزدهم در جاده‌­های گرم چسبناک می­‌شدند، به طوری که خرده‌­های سنگ و ذرات ریز در آن­‌ها گیر می­‌کرد و در نهایت لاستیک­‌ها می‌­ترکیدند.

چارلز گودیر (Charles Goodyear‎)، در دهه 1830، در تلاش برای بهبود خواص این لاستیک‌­ها بود. او سعی کرد تا با حرارت دادن لاستیک سایر مواد شیمیایی را با آن مخلوط کند. به نظر می‌رسید که این امر لاستیک را سخت می‌­کند و خواص آن را بهبود می‌بخشد، هر چند این تاثیر مثبت به دلیل حرارت دادن خود لاستیک و نه مواد شیمیایی مورد استفاده بود. او که متوجه این موضوع نبود، وقتی که فرمول‌های به کار برده شده برای سخت‌­سازی به طور مداوم کار نمی‌کردند بارها و بارها با شکست روبرو شد. یک روز در سال 1839، گودیر در حالی که در تلاش برای ترکیب کردن سولفور با لاستیک بود به طور تصادفی مخلوط را در یک ماهیتابه داغ ریخت در کمال حیرت، گودیر مشاهده نمود که لاستیک به جای ذوب شدن بیشتر یا بخار شدن، سفت باقی مانده و با افزایش گرما، در واقع سخت‌تر می­‌شود. گودیر به سرعت یک سیستم متناسب برای این سخت شدن ابداع کرد، که آن را به دلیل گرمای موجود ولکانش(vulcanization) نامید. وی در همان سال این ابداع را ثبت اختراع کرد و تا سال 1844 شروع به  تولید لاستیک در مقیاس صنعتی نمود.

بررسی اجمالی

در مقابل فرآیندهای ترموپلاستیک (فرآیند ذوب-انجماد که رفتار بیشتر پلیمرهای مدرن را مشخص می‌کند)، ولکانیزاسیون، همانند پخت سایر پلیمرهای ترموست، به طور کلی برگشت‌ناپذیر است. پنج نوع سیستم که معمولاً برای این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد عبارت اند از:

1. سیستم های گوگرد
2. پراکسیدها
3. اکسیدهای فلزی
4. استوکسی سیلان
5. خطوط اتصال اورتان

ولکانش با گوگرد

گوگرد در متداول­‌ترین روش‌­های ولکانش کاربرد دارد. گوگرد، به خودی خود، یک عامل ولکانش کند است و پلی‌­الفین‌­های مصنوعی را ولکان نمی­‌کند. ولکانیزاسیون سریع با استفاده از ترکیبات مختلفی که کینتیک اتصال عرضی را اصلاح می‌کنند انجام می‌شود؛ این مخلوط اغلب به عنوان بسته پخت (cure package) نامیده می­‌شود. پلیمرهای معمولی که اغلب در ولکانش گوگرد مورد استفاده قرار می­‌گیرند، پلی‌ایزوپرن (لاستیک طبیعی) و لاستیک استایرن-بوتادین(لاستیک مصنوعی) (SBR) هستند که برای اکثر لاستیک‌های اتوموبیل­ استفاده می‌شوند. بسته پخت به طور خاص متناسب با بستر و کاربرد انتخاب می‌شود. سایت­‌های واکنشی – سایت‌­های پخت – اتم­‌های هیدروژن آلیلیک هستند. این پیوندهای ${\ce {C-H}}$ در مجاورت پیوندهای دوگانه کربن-کربن قرار می­‌گیرند. در حین ولکانش، برخی از این پیوندهای ${\ce {C-H}}$ با زنجیره­‌هایی از اتم‌­های گوگرد جایگزین می‌­شوند که با یک محل پخت از یک زنجیره پلیمر دیگر پیوند دارند. این پل‌­ها شامل یک تا چند اتم می­‌باشند. تعداد اتم‌های گوگرد در پیوند عرضی شدت خصوصیات فیزیکی لاستیک نهایی تحت تأثیر قرار می­‌دهد. خط اتصال کوتاه باعث می­‌شود لاستیک مقاومت در برابر حرارت بهتری داشته باشد. پیوندهای عرضی با تعداد بیشتری اتم گوگرد به لاستیک خواص دینامیکی خوبی می­‌بخشد اما مقاومت به گرما را کمتر می­‌کند. خواص دینامیکی برای تغییر شکل­‌دهی و انعطاف­پذیری لاستیک نهایی مهم است، به عنوان مثال، حرکت دیواره جانبی تایر اتوموبیل در حال حرکت. بدون خاصیت خمشی و انعطاف­ پذیری مناسب. این حرکات به سرعت شکاف­‌هایی در دیواره جانبی ایجاد کرده و در نهایت باعث از هم‌­گسیختگی لاستیکی می‌­شوند.

ولکانش پلی‌کلروپرن

در ولکانش لاستیک نئوپرن یا پلی کلروپرن (لاستیک CR) بیشتر از اکسیدهای فلزی (به ویژه منیزیم اکسید ${\ce {MgO}}$ و روی اکسید ${\ce {ZnO}}$ ، گاهی اوقات سرب اکسید ${\ce {Pb_3O_4}}$) به جای ترکیبات گوگردی که در حال حاضر برای بسیاری از لاستیک‌های طبیعی و مصنوعی استفاده می‌شود، مورد استفاده قرار می‌­گیرد. به علاوه، به دلیل عوامل موثر مختلف موجود در این پروسه (سوختن، این اثر همان اتصال زود هنگام در لاستیک­‌ها به دلیل تأثیر گرما است)، انتخاب شتاب‌­دهنده در این موارد اصول متفاوتی نسبت به سایر لاستیک‌ها دارد. اکثر شتاب­دهنده‌­های مرسوم که برای لاستیک­‌های CR مورد استفاده قرار می‌­گیرند در عملیات بهبودسازی(cure process) مشکل­‌ساز می‌­شوند. مهم‌ترین شتاب دهنده­‌ای که برای این منظور تا بحال یافت شده‌است اتیلن تیواوره (ETU) می‌­باشد، که اگرچه یک شتاب دهنده عالی و اثبات شده برای پلی‌کلروپرن است، اما به عنوان یک ماده سمی طبقه بندی شده‌ است. صنعت لاستیک اروپا یک پروژه تحقیقاتی تحت عنوان Safe Rubber را به هدف یافتن جایگزینی ایمن­‌تر برای ETU آغاز کرده است.

ولکانش سیلیکون‌‎ها

صفحه کلید از نوع لاستیک سیلیکونی

ولکانش سیلیکون در دمای اتاق (RTV) مبنی بر پلیمرهای واکنش پذیر پایه روغن مخلوط با مواد معدنی تقویت­‌کننده می­‌باشد. دو نوع ولکانش سیلیکون در دمای اتاق وجود دارد:

1. RTV-1 (سیستم‌های یک جزئی)؛ پایه و اساس این روش سخت شدن بر اثر واکنش رطوبت هوا ، کاتالیزور و استوکسی‌سیلان می‌­باشد. استوکسی‌سیلان وقتی در معرض رطوبت قرار می­‌گیرید ، استیک اسید تولید می­‌کند. فرآیند پخت از سطح خارجی آغاز می‌­شود و سپس تا هسته اصلی آن پیش می‌­رود. محصول بدست آمده در کارتریج­‌های محوفظ از هوا بسته‌بندی می­‌شود و به هر دو صورت مایع و یا خمیر موجود می­‌باشند. سیلیکون RTV-1 دارای ویژگی­‌های بسیار خوبی از جمله چسبندگی، قابلیت ارتجاع و دوام مناسب می‌­باشد. می‌­توان سختی‌­های شور(Shore hardness-نوعی آزمون برای تعیین سختی) متفاوتی در بازه $18$ تا $60$ را بدست آورد. قابلیت کشسانی تا سرحد شکست نیز می‌­تواند از $150\%$ تا $700\%$ متغیر باشد. این مواد همچنین به دلیل مقاومت فوفق‌­العاده در برابر اشعه ماورا بنفش و هوازدگی، از دوام بسیار بالایی برخوردار می­‌باشند.
2. RTV-2 (سیستم­‌های دو جزئی) محصولات دو جزئی در هنگام مخلوط شدن، در اثر پخت در دمای اتاق می­‌توانند به یک الاستومر جامد، یک ژل و یا یک فوم انعطاف­‌پذیر تبدیل شوند. محصولات RTV-2 از $-80$ تا ${\ce {250}}$ درجه سانتی­گراد ($-112$ تا $482$ درجه فارنهایت) قابلیت انعطاف­ پذیری خود را حفظ می­‌کنند. تجزیه در دمای بالاتر از $350$ درجه سانتیگراد ($662$ درجه فارنهایت) اتفاق می­‌افتد که طی آن یک رسوب سیلیس بی­‌اثر و غیر قابل اشتعال تولید می‌­شود. به دلیل داشتن خاصیت دی‌­الکتریک می­‌توان از آن‌ها در صنایع الکتریکی به عنوان عایق­ استفاده کرد. خواص مکانیکی در این دسته مواد برای مصارف مختلف مطلوب می­‌باشد، برای مثال در ساخت قالب­‌های انعطاف­ پذیر، بسیاری از قطعات فنی در صنعت و همچنین کاربردهای پیراپزشکی از آن‌­ها استفاده می‌­شود.

جستارهای وابسته

• تثبیت کننده‌های پلیمر
• ولکانش با گوگرد
• پلیمرهای ترموست
• لاستیک مصنوعی
• مواد نئوپرن

مراجع

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Vulcanization». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۷ مارس ۲۰۱۵.