راتنج صناعي

الراتنج الصناعي مادة لزجة تُنتج صناعيًا، وتتحول إلى بوليمرات صلبة من خلال عملية التصلب . تتكون هذه الراتنجات من تفاعل الأحماض العضوية ثنائية القاعدة مع الكحولات متعددة الهيدروكسيل . ولإتمام عملية التصلب، تحتوي الراتنجات عادةً على مجموعات فعالة، ^{[ 2 ]} مثل الأكريلات أو الإيبوكسيدات . بعض الراتنجات الصناعية لها خصائص مشابهة للراتنجات النباتية الطبيعية ، لكن العديد منها لا يمتلكها. ^{[ 3 ]}

تُصنّف الراتنجات الاصطناعية إلى عدة فئات. بعضها يُصنّع عن طريق أسترة المركبات العضوية . وبعضها الآخر عبارة عن بلاستيكات متصلبة حراريًا، حيث يُطلق مصطلح "الراتنج" بشكل عام على المادة المتفاعلة أو المنتج أو كليهما. وقد يُطلق مصطلح "الراتنج" على مونومر واحد أو أكثر في بوليمر مشترك ، بينما يُطلق على المونومر الآخر اسم "المصلّب"، كما هو الحال في راتنجات الإيبوكسي . أما بالنسبة للبلاستيكات المتصلبة حراريًا التي تتطلب مونومرًا واحدًا فقط، فإن مركب المونومر هو "الراتنج". على سبيل المثال، يُطلق على ميثيل ميثاكريلات السائل غالبًا اسم "الراتنج" أو "راتنج الصب" وهو في حالته السائلة، قبل أن يتصلب ويتحول إلى مادة صلبة. بعد التصلب، يُعاد تسمية بولي (ميثيل ميثاكريلات) الناتج (PMMA) غالبًا إلى "زجاج أكريليك" أو "أكريليك". (من الأسماء التجارية: بليكسي جلاس ولوسيت).

تُستخدم الراتنجات الاصطناعية على نطاق واسع في تطبيقات الأنابيب المعالجة في الموقع . كما توصي بها إدارات النقل في الولايات المتحدة الأمريكية لاستخدامها كطبقات تغطية على الطرق والجسور، حيث تُعرف في هذا التطبيق باسم طبقات الخرسانة البوليسترية (PCO). وتعتمد هذه الطبقات عادةً على حمض الأيزوفثاليك ، وتُخلط مع الستايرين بنسب عالية تصل عادةً إلى 50%. تُستخدم الراتنجات الاصطناعية أيضًا في مواد لاصقة براغي التثبيت، على الرغم من استخدام مواد إيبوكسية أيضًا. ^{[ 4 ]} وقد قامت العديد من الشركات، ولا تزال، بتقديم أنظمة خالية من الستايرين، وذلك بشكل رئيسي بسبب مشاكل الروائح، وأيضًا بسبب المخاوف من أن الستايرين مادة مسرطنة محتملة. كما تُفضل تطبيقات مياه الشرب استخدام مواد خالية من الستايرين.

قد تتحلل مواد ترميم الأسنان القائمة على الراتنجات المحتوية على ثنائي غليسيريد الميثيل (bis-GMA) ^{[ 5 ]} أو تتلوث بمركب ثنائي الفينول أ (bisphenol A) ، وهو مُخلّ محتمل بالغدد الصماء . ومع ذلك، لم تُكتشف أي آثار صحية سلبية لاستخدام ثنائي غليسيريد الميثيل في راتنجات الأسنان. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

توجد أنواع عديدة من راتنجات الإيبوكسي، أحدها راتنج الإيبوكسي ، الذي يُصنّع من خلال تفاعلات البلمرة - إضافة البوليمر أو تكثيف البوليمر، ويُستخدم كبوليمر حراري في المواد اللاصقة والمركبات . ^{[ 8 ] [ 9 ]} وبناءً على ذلك، فقد استُخدم بشكل رئيسي في أرضيات المصانع منذ ستينيات القرن الماضي. ومنذ عام 2000، بدأ استخدام راتنجات الإيبوكسي والبولي يوريثان في الديكورات الداخلية أيضًا، وخاصة في أوروبا الغربية. والبولي يوريثان نوع آخر من الراتنجات الاصطناعية. ^{[ 10 ]}

مادة "الراتنج" الاصطناعي المستخدم في صبّ مجسمات العرض داخل زجاج البلكسي/اللوسيت ( PMMA ) هي ببساطة سائل ميثيل ميثاكريلات ، يُضاف إليه عامل مساعد للبلمرة ويُخلط معه، مما يؤدي إلى تصلبه (بلمرته). تُنتج عملية البلمرة كتلة من بلاستيك PMMA (زجاج أكريليك) تُثبّت مجسم العرض داخل كتلة شفافة.

يُعد راتنج الأسيتال بوليمرًا صناعيًا آخر، يُصنف أحيانًا ضمن نفس الفئة العامة . وعلى عكس البوليمرات الصناعية الأخرى، يتميز راتنج الأسيتال ببنية سلسلة بسيطة، حيث تكون الوحدة المتكررة على شكل −[CH₂O _] −. تُستخدم راتنجات التبادل الأيوني في تنقية المياه وتحفيز التفاعلات العضوية . (انظر أيضًا راتنج AT-10 ، وراتنج الميلامين ). كما تُستخدم بعض راتنجات التبادل الأيوني صيدلانيًا كعوامل رابطة للأحماض الصفراوية ، وخاصةً كعوامل خافضة للدهون ، على الرغم من إمكانية استخدامها لأغراض أخرى غير خفض الكوليسترول . أما الراتنجات المشبعة بالمذيبات (SIRs) فهي جزيئات راتنجية مسامية تحتوي على مستخلص سائل إضافي داخل مصفوفة مسامية. يُفترض أن يُعزز هذا المستخلص قدرة جزيئات الراتنج. يتضمن إنتاج البولي فينيل كلوريد (PVC ) إنتاج "راتنجات كلوريد الفينيل"، والتي تختلف في درجة البلمرة. ^{[ 11 ]}

راتنجات السيليكون هي بوليمرات أساسها السيليكون وتتميز بخصائص مفيدة متنوعة مثل مقاومة العوامل الجوية (المتانة)، والعزل الكهربائي ، ومقاومة الماء، والاستقرار الحراري، والخمول الكيميائي . ^{[ 12 ]}

معظم الراتنجات الاصطناعية عبارة عن سوائل لزجة ذات لون باهت تتكون من محلول بوليستر في مخفف تفاعلي يكون عادةً الستايرين، ^{[ 13 ]} ولكن يمكن أن تشمل أيضًا فينيل تولوين وأكريلات مختلفة . ^{[ 14 ] [ 15 ]}

البوليسترات غير المشبعة هي بوليمرات تكثيف تتكون من البوليولات (المعروفة أيضًا بالكحولات متعددة الهيدروكسيل )، والتي تحتوي على مجموعات وظيفية متعددة من الكحول أو الهيدروكسيل. تُعالج هذه البوليمرات بأحماض ثنائية القاعدة غير مشبعة، وفي بعض الحالات مشبعة. من البوليولات الشائعة الاستخدام الجليكولات ، بما في ذلك إيثيلين جليكول ، وبروبيلين جليكول ، وثنائي إيثيلين جليكول ؛ ومن الأحماض الشائعة حمض الفثاليك ، وحمض الأيزوفثاليك ، وحمض التيريفثاليك ، وأنهيدريد الماليك . يُزال الماء، وهو ناتج ثانوي لتكثيف تفاعلات الأسترة ، باستمرار عن طريق التقطير، مما يُحفز عملية الأسترة. تُباع البوليسترات غير المشبعة عادةً لمصنعي قطع الغيار على شكل محلول من الراتنج في مخفف تفاعلي. يُعد الستايرين المخفف الأكثر شيوعًا والمعيار الصناعي. يسمح المخفف بالتحكم في لزوجة الراتنج ويشارك في تفاعل التصلب. يتحول الراتنج السائل في البداية إلى مادة صلبة عن طريق التشابك . يُحفز التشابك بواسطة مُحفزات الجذور الحرة . عادةً ما يكون عدم التشبع على شكل ماليات وفومارات على طول سلسلة البوليمر. لا يتفاعل الماليات/الفومارات عادةً مع نفسه عبر تفاعلات الجذور الحرة، ولكنه يتفاعل بسهولة مع الستايرين. من المعروف أن أنهيدريد الماليك والستايرين يُشكلان بوليمرات مشتركة متناوبة ، وهما في الواقع مثال نموذجي لهذه الظاهرة. يُعد هذا التوافق أحد أسباب صعوبة إزاحة الستايرين من السوق كمُخفف تفاعلي قياسي في الصناعة، على الرغم من الجهود المتزايدة لاستبداله، مثل قانون كاليفورنيا رقم 65. تُحفز الجذور الحرة الأولية بإضافة مُركب يتحلل بسهولة إلى جذور حرة. يُعرف هذا المُركب باسم المُحفز ^{[ 16 ]} في الصناعة، ولكن المُحفز هو المصطلح الأنسب. تُضاف أملاح المعادن الانتقالية عادةً كمُحفز لتفاعل التشابك لنمو السلسلة، ويُعرف هذا النوع من الإضافات في الصناعة باسم المُعزز. يُفهم عمومًا أن المُحفِّز يُخفِّض طاقة تفكك الرابطة للمُبادر الجذري. تُعد أملاح الكوبالت أكثر أنواع المُحفِّزات شيوعًا. ومن المُبادرات الجذرية الشائعة الاستخدام البيروكسيدات العضوية مثل بيروكسيد البنزويل أو بيروكسيد ميثيل إيثيل كيتون . ^{[ 17 ]}

الراتنجات الاصطناعية مواد متصلبة حرارياً ، وكما هو الحال مع الراتنجات الأخرى، تتصلب بتفاعل طارد للحرارة. لذا، فإن استخدام كمية زائدة من المُبادر، خاصةً مع وجود عامل مساعد، قد يُسبب تفحماً أو حتى اشتعالاً أثناء عملية التصلب. كما أن زيادة كمية العامل المساعد قد تُؤدي إلى تشقق المنتج أو تكوّن مادة مطاطية.

تُستخدم البوليسترات غير المشبعة (UPR) في العديد من الأسواق الصناعية المختلفة، ولكنها تُستخدم عمومًا كمادة أساسية لأنواع مختلفة من المواد المركبة . تُشكل المواد المركبة المُدعمة بالألياف الزجاجية القطاع الأكبر الذي تُستخدم فيه البوليسترات غير المشبعة، ويمكن معالجتها عبر تقنيات SMC و BMC والسحب والتشكيل بالبثق والمعالجة الموضعية للأنابيب (المعروفة باسم إعادة التبطين في أوروبا) ولف الخيوط والتشكيل الفراغي والتشكيل بالرش والتشكيل بنقل الراتنج (RTM) . كما تُستخدم أيضًا في شفرات توربينات الرياح ^{[ 18 ]} ، بالإضافة إلى العديد من العمليات الأخرى. تُستخدم البوليسترات غير المشبعة أيضًا في تطبيقات غير مُدعمة، ومن الأمثلة الشائعة عليها طبقات الجل ، وأزرار القمصان، ومسامير المناجم ، ولبّ كرات البولينج ، والخرسانة البوليمرية ، والحجر المُصنّع/الرخام المُصنّع ^{[ 19 ]} .

في الكيمياء العضوية، يتكون الإستر كناتج تكثيف لحمض كربوكسيلي وكحول ، وينتج الماء كناتج ثانوي للتكثيف. كما يمكن إنتاج الإستر باستخدام هاليد أسيل وكحول، وفي هذه الحالة يكون ناتج التكثيف الثانوي هاليد هيدروجين .

البوليسترات هي فئة من البوليمرات تتكرر فيها وظائف الإستر ضمن السلسلة الرئيسية. تُعد البوليسترات مثالًا كلاسيكيًا على بوليمرات النمو التدريجي ، حيث يتفاعل حمض ثنائي الوظيفة (أو من رتبة أعلى) أو هاليد أسيل مع كحول ثنائي الوظيفة (أو من رتبة أعلى). تُنتج البوليسترات تجاريًا على شكل راتنجات مشبعة وغير مشبعة. يُعد بولي إيثيلين تيريفثالات (PET) أكثر أنواع البوليسترات شيوعًا وإنتاجًا ، وهو مثال على البوليستر المشبع، ويُستخدم في تطبيقات متنوعة مثل ألياف الملابس والسجاد، وعبوات الطعام والسوائل (مثل زجاجات المياه والمشروبات الغازية)، بالإضافة إلى الأغشية. ^{[ 20 ]}

في كيمياء البوليستر غير المشبع (UPR)، توجد مواقع عدم التشبع على طول السلسلة، عادةً عن طريق دمج أنهيدريد الماليك، ولكن يُستخدم أيضًا حمض الماليك وحمض الفوماريك. حمض الماليك وحمض الفوماريك متصاوغان، حيث يكون الماليك هو المتصاوغ سيس، بينما يكون الفوماريك هو المتصاوغ ترانس. الشكلان الإستريان لهذين الجزيئين هما ماليات وفومارات، على التوالي. عند معالجة البوليستر غير المشبع، من المعروف أن شكل الفوماريك يتفاعل بسرعة أكبر مع جذر الستايرين، لذلك غالبًا ما تُستخدم محفزات التماثل ، مثل N،N-ثنائي ميثيل أسيتوأسيتاميد (DMAA)، في عملية التخليق لتحويل الماليات إلى فومارات؛ ويمكن أيضًا تعزيز التماثل بزيادة وقت التفاعل ودرجة الحرارة. في صناعة البوليستر غير المشبع، يعتمد تصنيف الراتنجات عمومًا على الحمض المشبع الأساسي. على سبيل المثال، يُعرف الراتنج الذي يحتوي بشكل أساسي على حمض التيريفثاليك باسم راتنج تيري، والراتنج الذي يحتوي بشكل أساسي على أنهيدريد الفثاليك باسم راتنج أورثو، والراتنج الذي يحتوي بشكل أساسي على حمض الأيزوفثاليك باسم راتنج أيزو. يُعد ثنائي سيكلوبنتاديين (DCPD) أيضًا مادة خام شائعة في راتنجات البوليستر غير المشبعة، ويمكن إضافته بطريقتين مختلفتين. في إحدى الطريقتين، يُكسر DCPD في الموقع لتكوين سيكلوبنتاديين، والذي يمكن بعد ذلك مفاعلته مع مجموعات ماليات/فومارات على طول سلسلة البوليمر عبر تفاعل ديلز-ألدر . يُعرف هذا النوع من الراتنج باسم راتنج ناديك، ويُشار إليه باسم أورثو الاقتصادي، نظرًا لتشابه العديد من خصائصه مع راتنج أورثو، بالإضافة إلى التكلفة المنخفضة للغاية لمادة DCPD الخام. في طريقة أخرى، يُفتح أنهيدريد الماليك أولًا بالماء أو كحول آخر لتكوين حمض الماليك، ثم يُفاعل مع DCPD حيث يتفاعل أحد الكحولات من حمض الماليك عبر إحدى الروابط المزدوجة في DCPD. يُستخدم هذا المنتج بعد ذلك لتغطية نهايات راتنج UPR، مما ينتج عنه منتج ذو مجموعات طرفية غير مشبعة. يُشار إلى هذا النوع من الراتنج باسم راتنج DCPD.

تُعدّ راتنجات أورثو النوع الأكثر شيوعًا من راتنجات البوليمر غير المشبع، ويُعرف الكثير منها باسم راتنجات الأغراض العامة. وتُستخدم مركبات البوليمر المقوى بالألياف التي تستخدم راتنجات أورثو في تطبيقات مثل هياكل القوارب، وأدوات الحمامات، ولبّ كرات البولينج.

تُعتبر راتنجات الأيزو عمومًا من بين المنتجات عالية الجودة من البوليمرات فائقة الامتصاص، وذلك نظرًا لارتفاع تكلفة حمض الأيزوفثاليك نسبيًا، فضلًا عن خصائصها المتميزة. تُعد راتنجات الأيزو النوع الأساسي من الراتنجات المستخدمة في تطبيقات طبقة الجل، وهي تشبه الطلاء، ولكنها تُرش في القالب قبل تشكيل البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية، تاركةً طبقةً على القطعة. يجب أن تتميز راتنجات طبقة الجل بلون خفيف (شبه شفاف) حتى لا تُضفي لونًا إضافيًا على القطعة أو حتى يُمكن صبغها بشكل صحيح. كما يجب أن تتمتع طبقات الجل بمقاومة عالية للعوامل الجوية الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية وتقشر الماء.

تُستخدم راتنجات التيريفثاليك غالبًا عندما يكون المطلوب معامل مرونة وقوة عاليين، دون الحاجة إلى خصائص اللون الخافت لراتنجات الأيزوفثاليك. يُعد حمض التيريفثاليك عمومًا أقل تكلفة من حمض الأيزوفثاليك، لكن كلاهما يُعطي خصائص قوة مماثلة لمنتج راتنجات البولي إيثيلين تيريفثاليك غير المشبع (UPR). يوجد نوع فرعي خاص من راتنجات التيريفثاليك، يُعرف باسم راتنجات البولي إيثيلين تيريفثاليك غير المشبعة (PET UPR)، والتي تُنتج عن طريق التكسير التحفيزي لراتنج البولي إيثيلين تيريفثاليك في المفاعل لإنتاج خليط من حمض التيريفثاليك والإيثيلين جليكول. تُضاف بعد ذلك أحماض وجليكولات أخرى مع أنهيدريد الماليك، فينتج بوليمر جديد. المنتج النهائي يُؤدي نفس وظيفة راتنج التيريفثاليك، ولكنه غالبًا ما يكون أقل تكلفة في التصنيع نظرًا لإمكانية الحصول على نفايات البولي إيثيلين تيريفثاليك بأسعار زهيدة. في حال استخدام البولي إيثيلين تيريفثاليك المُعدَّل بالجليكول (PET-G)، يُمكن إضفاء خصائص استثنائية على الراتنج بفضل بعض المواد المتخصصة المستخدمة في إنتاجه. تُستخدم راتنجات التيريفثاليك وراتنجات البولي إيثيلين تيريفثاليك غير المشبعة في العديد من التطبيقات، بما في ذلك الأنابيب المُعالَجة في الموقع. ^{[ 21 ]}

توفر الراتنجات الاصطناعية المزايا التالية:

1. مقاومة كافية للماء ومجموعة متنوعة من المواد الكيميائية.
2. مقاومة كافية للعوامل الجوية والتقادم.
3. تكلفة منخفضة.
4. يمكن للبوليستر أن يتحمل درجة حرارة تصل إلى 80  درجة مئوية.
5. تتميز البوليسترات بقدرة جيدة على ترطيب الألياف الزجاجية.
6. انكماش منخفض نسبياً يتراوح بين 4-8% أثناء المعالجة.
7. يتراوح التمدد الحراري الخطي من 100 إلى 200 × ¹⁰⁻⁶ كلفن ⁻¹ .

للراتنجات الاصطناعية العيوب التالية:

1. رائحة قوية للستايرين
2. أكثر صعوبة في الخلط من أنواع الراتنجات الأخرى، مثل الإيبوكسي ثنائي المكونات
3. تشكل الطبيعة السامة لأبخرتها، وخاصة مادة MEKP المحفزة لها ، خطراً على السلامة في حال عدم استخدام وسائل الحماية المناسبة.
4. غير مناسب لربط العديد من المواد الأساسية
5. من المرجح أن تكون المادة المعالجة النهائية أضعف من كمية مماثلة من راتنج الإيبوكسي

• بوليستر
• الستايرين
• مصفوفة بوليمرية متصلبة حراريا
• بوليمر حراري
• فينيل إستر
• البوليمر الأولي
• صب الراتنج
• الراتنجات المائية