بوليسلفون

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 12 صور
الموسوعة الحرة
وحدة تكرار البوليسلفون (PSU) .
وحدة تكرار بولي إيثر سلفون (PES).

البوليسلفونات هي عائلة من اللدائن الحرارية عالية الأداء . تُعرف هذه البوليمرات بمتانتها وثباتها في درجات الحرارة العالية. تحتوي البوليسلفونات المستخدمة تقنيًا على وحدة فرعية من نوع أريل -SO₂- أريل . نظرًا لارتفاع تكلفة المواد الخام وعمليات التصنيع، تُستخدم البوليسلفونات في تطبيقات متخصصة، وغالبًا ما تُعتبر بديلاً أفضل من البولي كربونات .

تُستخدم ثلاثة أنواع من البوليسلفونات صناعيًا: البوليسلفون (PSU)، والبولي إيثر سلفون (PES/PESU)، والبولي فينيل سلفون (PPSU). يمكن استخدامها في درجات حرارة تتراوح بين -100 و200 درجة مئوية (-148 إلى 392 درجة فهرنهايت) ، وتُستخدم في المعدات الكهربائية، وصناعة المركبات، والتكنولوجيا الطبية . [ 1 ] تتكون هذه البوليسلفونات من مركبات عطرية مرتبطة بروابط بارا ، ومجموعات سلفونيل ، ومجموعات إيثر ، وجزئيًا مجموعات ألكيل . تتميز البوليسلفونات بمقاومة فائقة للحرارة، والأكسدة، والتحلل المائي، والوسط المائي، والوسط القلوي، كما تتمتع بخصائص كهربائية جيدة. [ 2 ]  

التسمية

يُستخدم مصطلح "بولي سلفون" عادةً للإشارة إلى بولي أريل إيثر سلفونات (PAES)، نظرًا لأن البولي سلفونات العطرية فقط هي المستخدمة تجاريًا. علاوة على ذلك، ولأن مجموعات الإيثر موجودة دائمًا في هذه البولي سلفونات، يُشار إلى PAES أيضًا باسم بولي إيثر سلفونات (PES) أو بولي (أريلين سلفون) أو ببساطة بولي سلفون (PSU).

إنتاج

تاريخي

يتم إنتاج أبسط أنواع البوليسلفون، وهو بولي (فينيلين سلفون)، المعروف منذ عام 1960، في تفاعل فريدل-كرافتس من كلوريد بنزين سلفونيل : [ 3 ]

n C 6 H 5 SO 2 Cl → (C 6 H 4 SO 2 ) n + n HCl

نظرًا لارتفاع درجة انصهار  هذا المنتج عن 500 درجة مئوية، يصعب معالجته. يتميز بمقاومة حرارية جيدة، لكن خصائصه الميكانيكية ضعيفة نسبيًا. تُعدّ بولي أريل إيثر سلفونات (PAES) بديلًا مناسبًا. طُوّرت طرق تصنيع مناسبة لـ PAES بشكل متزامن تقريبًا، ولكن بشكل مستقل، من قِبل شركة 3M [ 4 ] ، وشركة يونيون كاربايد في الولايات المتحدة [ 5 ] ، وقسم البلاستيك في شركة ICI [ 6 ] في المملكة المتحدة. لا تزال البوليمرات التي تم اكتشافها آنذاك تُستخدم حتى اليوم، ولكنها تُنتج بعملية تصنيع مختلفة.

تضمنت عملية التخليق الأصلية لمركب PAES استبدالًا عطريًا إلكتروفيليًا لإيثر ثنائي الأريل بثنائي (كلوريد السلفونيل) البنزين. وتستخدم التفاعلات عادةً محفز فريدل-كرافتس ، مثل كلوريد الحديديك أو خماسي كلوريد الأنتيمون .

n O(C 6 H 5 ) 2 + n SO 2 Cl 2 → { [ O(C 6 H 4 ) 2 ]SO 2 } n + 2 n HCl

تُعقّد هذه الطريقة تكوّن المتصاوغات الناتجة عن الاستبدال في الموضعين بارا وأورثو. علاوة على ذلك، لوحظ حدوث تشابك، مما يؤثر بشدة على الخواص الميكانيكية للبوليمر. [ 7 ] [ 4 ] وقد تم التخلي عن هذه الطريقة.

أساليب الإنتاج المعاصرة

تُحضّر بولي إيثرات الصوديوم (PAES) حاليًا عن طريق تفاعل تكثيف متعدد بين ثنائي فينول وثنائي (4-كلوروفينيل) سلفون (DCDPS). تعمل مجموعة السلفون على تنشيط مجموعات الكلوريد لتحفيز الاستبدال. يُنتج ثنائي فينول المطلوب في الموقع من ثنائي فينول وهيدروكسيد الصوديوم . يُزال الماء الناتج عن طريق التقطير الأيزوتروبي باستخدام التولوين أو الكلوروبنزين . تُجرى عملية البلمرة عند درجة حرارة 130-160  درجة مئوية في ظروف خاملة في مذيب قطبي غير بروتوني، مثل ثنائي ميثيل سلفوكسيد ، مما يؤدي إلى تكوين بولي إيثر مصحوبًا بإزالة كلوريد الصوديوم .

يمكن استخدام ثنائي (4-فلوروفينيل) سلفون بدلاً من ثنائي (4-كلوروفينيل) سلفون. ثنائي الفلوريد أكثر تفاعلاً من ثنائي الكلوريد ولكنه أغلى ثمناً. من خلال استخدام عوامل إنهاء السلسلة (مثل كلوريد الميثيل )، يمكن التحكم في طول السلسلة لمعالجة الصهر.

عادةً ما يكون ثنائي الفينول هو ثنائي الفينول-أ أو 1،4-ثنائي هيدروكسي بنزين . تتطلب عمليات البلمرة المتدرجة هذه مونومرًا عالي النقاء ونسبة قياس جزيئية دقيقة لضمان الحصول على منتجات ذات وزن جزيئي عالٍ. [ 8 ]

يُعدّ DCDPS المادة الأولية لبوليمرات تُعرف باسم Udel (المشتق من ثنائي الفينول أ)، وPES، وRadel R. Udel بوليمر سلفوني غير متبلور عالي الأداء، يُمكن تشكيله في مجموعة متنوعة من الأشكال. يتميز بصلابته ومقاومته للحرارة، ويُستخدم في تطبيقات عديدة، بدءًا من أنابيب السباكة ، مرورًا بخراطيش الطابعات ، وصولًا إلى فيوزات السيارات . يتفاعل DCDPS أيضًا مع ثنائي الفينول S لتكوين PES. ومثل Udel، يُعدّ PES مادة صلبة ومقاومة للحرارة، وله استخدامات عديدة.

ملكيات

البوليسلفونات صلبة، عالية القوة، وشفافة. كما تتميز بقوة وصلابة عاليتين، وتحافظ على هذه الخصائص بين -100  درجة مئوية و150  درجة مئوية. تتراوح درجة حرارة التحول الزجاجي للبوليسلفونات بين 190 و230  درجة مئوية. [ 9 ] تتمتع بثبات أبعاد عالٍ: فالتغير في الحجم عند تعرضها للماء المغلي أو الهواء أو البخار عند درجة حرارة 150 درجة مئوية  لا يتجاوز عادةً 0.1%. [ 10 ] البوليسلفون مقاوم للغاية للأحماض المعدنية والقلويات والإلكتروليتات ، في نطاق الأس الهيدروجيني من 2 إلى 13. وهو مقاوم لعوامل الأكسدة (مع أن البولي إيثر سلفون يتحلل بمرور الوقت [ 11 ] )؛ لذلك، يمكن تنظيفه بالمبيضات . كما أنه مقاوم للمواد الخافضة للتوتر السطحي والزيوت الهيدروكربونية . ولكنه غير مقاوم للمذيبات العضوية منخفضة القطبية (مثل الكيتونات والهيدروكربونات المكلورة ) والهيدروكربونات العطرية . من الناحية الميكانيكية، يتمتع البولي سلفون بمقاومة عالية للانضغاط، مما يجعله مناسباً للاستخدام تحت ضغوط عالية. كما أنه مستقر في الأحماض والقواعد المائية والعديد من المذيبات غير القطبية؛ ومع ذلك، فهو قابل للذوبان في ثنائي كلورو الميثان وميثيل بيروليدون . [ 8 ]

تُعتبر البوليسلفونات من بين أنواع البلاستيك عالية الأداء . ويمكن معالجتها عن طريق قولبة الحقن أو البثق أو التشكيل الساخن.

العلاقة بين البنية والخصائص

تتكون بولي (أريل إيثر سلفون) من مجموعات عطرية، ومجموعات إيثر ، ومجموعات سلفونيل . وللمقارنة بين خصائص المكونات الفردية، يمكن استخدام بولي (فينيلين سلفون) كمثال، والذي يتكون من مجموعات سلفونيل وفينيل فقط. ونظرًا لأن كلتا المجموعتين تتمتعان بثبات حراري عالٍ جدًا، فإن بولي (فينيلين سلفون) يتميز بدرجة انصهار عالية للغاية (520  درجة مئوية). ومع ذلك، فإن سلاسل البوليمر صلبة للغاية لدرجة أن بولي (فينيلين سلفون) (PAS) يتحلل قبل الانصهار، وبالتالي لا يمكن معالجته حراريًا. لذلك، يجب دمج عناصر مرنة في السلاسل؛ ويتم ذلك على شكل مجموعات إيثر. تسمح مجموعات الإيثر بدوران حر لسلاسل البوليمر. يؤدي هذا إلى انخفاض كبير في درجة الانصهار، كما يحسن الخصائص الميكانيكية من خلال زيادة مقاومة الصدمات . [ 7 ] تعمل مجموعات الألكيل في ثنائي الفينول أ أيضًا كعنصر مرن.

يمكن أيضًا عزو استقرار البوليمر إلى عناصره البنيوية الفردية. تجذب مجموعة السلفونيل (حيث يكون الكبريت في أعلى حالة أكسدة ممكنة) الإلكترونات من حلقات البنزين المجاورة، مما يُسبب نقصًا إلكترونيًا . وبالتالي، يُقاوم البوليمر فقدان المزيد من الإلكترونات، مما يُؤكد مقاومته العالية للأكسدة. ترتبط مجموعة السلفونيل أيضًا بالنظام العطري عن طريق التماثل الميزومي ، وبالتالي تتقوى الرابطة بفعل طاقة التماثل الميزومي. ونتيجة لذلك، يمكن للبنية الجزيئية امتصاص كميات أكبر من الطاقة من الحرارة أو الإشعاع دون التسبب في أي تفاعلات (تحلل). ينتج عن التماثل الميزومي صلابة خاصة في البنية. وبفضل مجموعة ثنائي فينيل سلفونيل، يتميز البوليمر بالمتانة ومقاومة الحرارة والأكسدة، ويحافظ على صلابته العالية حتى في درجات الحرارة المرتفعة. توفر رابطة الإيثر (على عكس الإسترات ) مقاومة للتحلل المائي، بالإضافة إلى بعض المرونة، مما يُؤدي إلى مقاومة الصدمات. علاوة على ذلك، تُؤدي رابطة الإيثر إلى مقاومة جيدة للحرارة وتدفق أفضل للمصهور. [ 12 ]

التطبيقات

يتميز البولي سلفون بواحدة من أعلى درجات حرارة التشغيل بين جميع اللدائن الحرارية القابلة للمعالجة بالصهر. تمنحه مقاومته العالية لدرجات الحرارة المرتفعة دورًا كمثبط للهب ، دون المساس بقوته التي تنتج عادةً عن إضافة مثبطات اللهب. كما يسمح ثباته العالي في التحلل المائي باستخدامه في التطبيقات الطبية التي تتطلب التعقيم بالبخار والتعقيم بالبخار المضغوط. مع ذلك، فهو ذو مقاومة منخفضة لبعض المذيبات ويتأثر بالعوامل الجوية ؛ ويمكن التغلب على عدم استقراره الناتج عن العوامل الجوية بإضافة مواد أخرى إلى البوليمر.

الأغشية

يُسهّل البولي سلفون تصنيع الأغشية ، مع خصائص قابلة للتكرار وحجم مسام قابل للتحكم يصل إلى 40 نانومترًا. يمكن استخدام هذه الأغشية في تطبيقات مثل غسيل الكلى ، ومعالجة مياه الصرف الصحي ، وتصنيع الأغذية والمشروبات، وفصل الغازات. كما تُستخدم هذه البوليمرات في صناعات السيارات والإلكترونيات. توفر خراطيش الترشيح المصنوعة من أغشية البولي سلفون معدلات تدفق عالية للغاية عند فروق ضغط منخفضة جدًا مقارنةً بوسائط النايلون أو البولي بروبيلين .

يمكن استخدام البوليسلفون كوسيط ترشيح في عملية التعقيم بالترشيح .

مواد

يمكن تقوية البوليسلفون بألياف زجاجية . تتميز المادة المركبة الناتجة بضعف قوة الشد وزيادة معامل يونغ بمقدار ثلاثة أضعاف .

خلايا الوقود

يُستخدم البولي سلفون غالبًا كبوليمر مشترك . وقد دُرست مؤخرًا بولي إيثر سلفونات السلفونات (SPES) كمادة واعدة من بين العديد من البوليمرات الأخرى القائمة على الهيدروكربونات العطرية لأغشية تبادل البروتونات عالية المتانة في خلايا الوقود . [ 13 ] وقد أشارت العديد من الدراسات إلى التقدم المحرز في مجال المتانة استنادًا إلى العديد من التقارير المنشورة حول هذا العمل. [ 14 ] يتمثل التحدي الأكبر لتطبيق SPES في خلايا الوقود في تحسين متانته الكيميائية. ففي ظل بيئة مؤكسدة، يمكن أن يتعرض SPES لانفصال مجموعة السلفون وانقطاع السلسلة الرئيسية. ومع ذلك، فإن الأخير هو الأكثر شيوعًا؛ وقد اقتُرحت آلية الانقطاع عند نقطة المنتصف وآلية فك السلسلة كآلية للتدهور اعتمادًا على قوة هيكل البوليمر. [ 15 ]

صناعة خدمات الطعام

زوج من أواني الطعام المقاومة للحرارة العالية مصنوعة من البولي سلفون

تُستخدم أواني الطعام المصنوعة من البولي سلفون لتخزين الطعام وتسخينه وتقديمه. تُصنع هذه الأواني وفقًا لمعايير غاسترونورم ، وهي متوفرة بلون البولي سلفون الطبيعي الشفاف بلون الكهرمان. يتيح نطاق درجة حرارة التشغيل الواسع، من -40  درجة مئوية إلى +190  درجة مئوية، إمكانية نقل هذه الأواني من المجمد مباشرةً إلى طاولة البخار أو فرن الميكروويف. يوفر البولي سلفون سطحًا غير لاصق، مما يقلل من هدر الطعام ويسهل عملية التنظيف.

البوليسلفونات ذات الأهمية الصناعية

بعض أنواع البوليسلفونات ذات الأهمية الصناعية مدرجة في الجدول التالي:

الصيغة البنائيةالاسم التجاريالاسم النظاميCAS
Strukturformel von Polyarylensulfone (PAS).بولي (أريلين سلفون) (PAS)
Strukturformel von Polybisphenylsulfon (PSF).بولي (بيسفينول-أ سلفون) (PSF)بولي[أوكسي-1،4-فينيلين سلفونيل-1،4-فينيلين أوكسي-1،4-فينيلين(1-ميثيل إيثيليدين)-1،4-فينيلين]25135-51-7
Strukturformel von Polyethersulfon (PES).بولي إيثر سلفون (PES)بولي (أوكسي-1،4-فينيل سلفونيل-1،4-فينيل)25608-63-3
Strukturformel von Polyphenylensulfon (PPSU).بولي فينيلين سلفون (PPSU)25608-64-4
الهيكل الهيكلي من Victrex HTA.فيكتريكس إتش تي إيه121763-41-5

مراجع

  1. ^ كايزر، وولفغانغ (2011). Kunststoffchemie für Ingenieure von der Synthese bis zur Anwendung [ كيمياء البلاستيك للمهندسين من التوليف إلى التطبيق ] (باللغة الألمانية) (  الطبعة الثالثة). ميونيخ: هانسر. ص.  461. ردمك 9783446430471. سِجِلّ.
  2. ↑ فينك، يوهانس كارل (2008). البوليمرات عالية الأداء . نورويتش، نيويورك: ويليام أندرو. الصفحات 453-481 . ISBN  9780815515807. سِجِلّ.
  3. ↑ الكيمياء الجزيئية الكبيرة : ein Lehrbuch für Chemiker، Physiker، Materialwissenschaftler und Verfahrenstechniker . ليخنر، مانفريد د.، جيركي، ك.، نوردماير، إيكهارد. (4.، überarb. und erw. Aufl ed.). بازل [وا]: بيركهاوزر. 2010. ص. 134. ردمك    9783764388904. OCLC 643841472 . {{cite book}}صيانة CS1: أخرى ( رابط )
  4. براءة اختراع رقم 1060546 ، صادرة عن إتش إيه فوغل، بعنوان "بوليمرات بولي أريل سلفون"، مسجلة باسم شركة مينيسوتا للتعدين والتصنيع. 
  5. ↑ براءة اختراع بريطانية رقم 1078234 ، ألفورد ج. فارنهام، روبرت ن. جونسون، "بولي إيثرات البولي أريلين"، مسجلة باسم شركة يونيون كاربايد. 
  6. ↑ براءة اختراع بريطانية رقم 1153035 ، المحامي دينيس آرثر؛ روز جون بريستر، "إنتاج البوليمرات العطرية والوسائط الخاصة بها"، مُسجلة باسم شركة ICI المحدودة. 
  7. 1 2 روز، جيه بي (يوليو 1974). "تحضير وخواص بولي (أريلين إيثر سلفون)". بوليمر . 15 (7): 456-465 . doi : 10.1016/0032-3861(74)90111-6 .
  8. 1 2 باركر، ديفيد؛ بوسينك، يناير؛ فان دي جرامبل، هندريك تي؛ ويتلي، غاري دبليو. دورف، إرنست أولريش؛ أوستلينينج، إدغار؛ إعادة التفكير، كلاوس؛ شوبرت، فرانك؛ جونجر، أوليفر. فاغنر، راينهارد (2012). “البوليمرات وارتفاع درجة الحرارة”. موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . دوى : 10.1002/14356007.a21_449.pub4 . رقم ISBN 978-3-527-30673-2.
  9. ↑ دليل خصائص المواد الحيوية (بالألمانية)، سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا، 1998، ص 283، رقم ISBN  978-0-412-60330-3
  10. ↑ هي-جوين وو، هونغ لي (2011)، المواد الوظيفية المتقدمة (بالألمانية)، سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا، ص 23، ISBN  978-3-642-19077-3
  11. ↑ تسيهي، ميسجينا تيلاهون؛ فيليزاروف، سفيتلوزار؛ فان دير بروجن، بارت (سبتمبر 2018). "استقرار أغشية بولي إيثر سلفون تجاه العوامل المؤكسدة: مراجعة". تحلل البوليمر واستقراره . 157 : 15-33 . doi : 10.1016/j.polymdegradstab.2018.09.004 .
  12. ^ كونستستوف-هاندبوخ. 3 اللدائن الحرارية التقنية 3 Hochleistungs-Kunststoffe . بيكر، جيرهارد دبليو، بيكر، آر، بينساك، رودولف، بوتنبروخ، لودفيج، براون، ديتريش (1. تحرير أوفل). ميونيخ [وا]: هانسر. 1994. ص. 140. ردمك   978-3446163706. OCLC 246423844 . {{cite book}}صيانة CS1: أخرى ( رابط )
  13. ↑ مايكل أ. هيكنر؛ حسين قاسمي؛ يو سيونغ كيم؛ برايان ر. إينسلا؛ جيمس إي. ماكغراث (2004). "أنظمة بوليمرية بديلة لأغشية تبادل البروتونات (PEMs)". مجلة Chemical Reviews . 104 (10): 4587–4611 . doi : 10.1021/cr020711a . PMID 15669163 . 
  14. ↑ بوروب، رود (2007). "الجوانب العلمية لمتانة خلايا الوقود ذات الإلكتروليت البوليمري وتدهورها". مراجعات كيميائية . 107 (10): 3904-3951 . doi : 10.1021/cr020711a . PMID 15669163 . 
  15. ↑ جيمي لورانس؛ تاكيو ياماغوتشي (2008). "آلية تحلل بولي (أريلين إيثر سلفون) المُسلفن في بيئة مؤكسدة". مجلة علوم الأغشية . 325 (2): 633-640 . doi : 10.1016/j.memsci.2008.08.027 .