مطاط صناعي

المطاط الصناعي هو مادة مرنة اصطناعية . وهي بوليمرات تُصنّع من مشتقات البترول . يُنتج في الولايات المتحدة حوالي 32 مليون طن (35 مليون طن قصير؛ 31 مليون طن طويل) من المطاط سنويًا، ثلثاها صناعي. يُستخدم المطاط الصناعي، تمامًا كالمطاط الطبيعي ، في العديد من التطبيقات في صناعة السيارات ، مثل الإطارات ، وقطاعات الأبواب والنوافذ، والحشوات مثل الحلقات الدائرية والحشيات، والخراطيم ، والأحزمة ، والحصائر ، والأرضيات . يُوفر المطاط الصناعي مجموعة متنوعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تُحسّن من موثوقية المنتج أو التطبيق. يتفوق المطاط الصناعي على المطاط الطبيعي في جانبين رئيسيين: الثبات الحراري، ومقاومة الزيوت والمركبات ذات الصلة. ^{[ 1 ]} فهو أكثر مقاومة لعوامل الأكسدة، مثل الأكسجين والأوزون ، التي قد تُقلل من عمر منتجات مثل الإطارات. يُصنع المطاط الصناعي من مواد كيميائية بترولية، على عكس أنواع المطاط الأخرى التي تُستخرج من مواد كيميائية في عصارة الأشجار.   

أدى التوسع في استخدام الدراجات الهوائية، ولا سيما إطاراتها الهوائية، بدءًا من تسعينيات القرن التاسع عشر، إلى زيادة الطلب على المطاط. وفي عام ١٩٠٩، نجح فريق بقيادة فريتز هوفمان ، العامل في مختبر باير في إلبرفيلد بألمانيا ، في بلمرة الإيزوبرين ، مما أدى إلى إنتاج أول مطاط صناعي. ^{[ ٢ ] [ ٣ ]}

أدت دراسات نُشرت عام 1930، كتبها بشكل مستقل كل من الروسي سيرجي ليبيديف ، والأمريكي والاس كاروثرز ، والعالم الألماني هيرمان شتاودينغر، إلى ابتكار أحد أوائل أنواع المطاط الصناعي الناجحة عام 1931، وهو النيوبرين ، الذي طُوّر في شركة دوبونت تحت إشراف إي. كيه. بولتون . يتميز النيوبرين بمقاومته العالية للحرارة والمواد الكيميائية كالزيوت والبنزين ، ويُستخدم في خراطيم الوقود وكمادة عازلة في الآلات. وقد أطلقت شركة ثيوكول اسمها على نوع منافس من المطاط مصنوع من ثنائي كلوريد الإيثيلين . ^{[ 4 ]}

في عام 1935، قام كيميائيون ألمان بتخليق أول نوع من سلسلة المطاط الصناعي المعروفة باسم مطاط بونا . كانت هذه المطاطات عبارة عن بوليمرات مشتركة ، أي أنها تتكون من مونومرين متتابعين. ومن بين العلامات التجارية الأخرى كوروسيل ، التي طورها والدو سيمون في عام 1935، وسوفبرين ، التي ابتكرها باحثون سوفييت في عام 1940. ^{[ 5 ]}

الحرب العالمية الثانية

شهد إنتاج المطاط الصناعي في الولايات المتحدة الأمريكية توسعًا كبيرًا خلال الحرب العالمية الثانية ، إذ سيطرت دول المحور على معظم إمدادات العالم المحدودة من المطاط الطبيعي بحلول منتصف عام 1942، عقب الغزو الياباني لمعظم آسيا، ولا سيما مستعمرات جنوب شرق آسيا في مالايا البريطانية ( ماليزيا ) وجزر الهند الشرقية الهولندية ( إندونيسيا )، والتي كانت تُستورد منها معظم الإمدادات العالمية من المطاط الطبيعي. ^{[ 6 ]} ومع ذلك، لم يكن إنتاج المطاط الصناعي كافيًا للقضاء على خطر نفاد المطاط في الولايات المتحدة. ^{[ 7 ]}

شملت أهداف عملية القصف المباشر لألمانيا النازية مصنع شكوباو (50,000 طن/سنة) ومصنع هولز للمطاط الصناعي بالقرب من ريكلينغهاوزن (30,000 طن، 17%)، ^{[ 8 ]} ومصنع كولنيش غوميفادين فابريك للإطارات والأنابيب في دويتز على الضفة الشرقية لنهر الراين. ^{[ 9 ]} كما قُصف مصنع فيرارا للمطاط الصناعي في إيطاليا (بالقرب من جسر نهري) في 23 أغسطس 1944. ^{[ 10 ]} وكانت هناك ثلاثة مصانع أخرى للمطاط الصناعي في لودفيغسهافن/أوباو (15,000 طن)، وهانوفر/ليمر (إعادة تدوير، 20,000 طن)، وليفركوزن (5,000 طن). كان مصنع المطاط الصناعي في أوشفيتشيم ، في بولندا التي احتلتها النازية، قيد الإنشاء في 5 مارس 1944 ^{[ 11 ]} ، وتديره شركة آي جي فاربن ، ويتم تزويده بالعمالة القسرية من قبل قوات الأمن الخاصة (إس إس) من معسكر أوشفيتز الثالث (مونوفيتز) التابع له . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

أكثر أنواع المطاط الصناعي شيوعًا هو مطاط الستايرين-بوتادين (SBR) المشتق من عملية البلمرة المشتركة للستايرين و1،3 -بوتادين . وتشمل أنواع المطاط الصناعي الأخرى ما يلي :

• البولي إيزوبرين ، المحضر عن طريق بلمرة الإيزوبرين
• النيوبرين ، المُحضر عن طريق بلمرة 2-كلوروبوتادين
• مطاط النتريل المصنوع من سيانوبوتادين أو 2-بروبينونتريل وبيوتادين

يمكن تحضير العديد من أنواع هذه المركبات باستخدام مخاليط من المونومرات ومحفزات مختلفة تسمح بالتحكم في الكيمياء الفراغية . ^{[ 14 ]}

يُستخدم البولي إيزوبوتيلين، أو مطاط البوتيل، بشكل شائع في الأنابيب الداخلية أو بطانات الإطارات نظرًا لمقاومته لتسرب الهواء عبر البطانة. وهو أقل مرونة بكثير من البولي بوتادين- سيس ، الذي يُستخدم بكثرة في الجدران الجانبية للإطارات لتقليل فقد الطاقة وتراكم الحرارة. يتميز البولي بوتادين بمرونة عالية لدرجة أنه يُستخدم في الكرات المطاطية . ومن أنواع المطاط الصناعي الشائعة الاستخدام في الأغطية الخارجية، مثل أغطية الأسقف، الهايبالون ، أو البولي إيثيلين المُكلوروسلفوني . كما يُمكن استخدام أنواع المطاط الصناعي، مثل مطاط الإيثيلين بروبيلين (EPR)، في العزل الكهربائي.

يُنتج المطاط الصناعي عن طريق بلمرة المونومرات المشتقة من البترول. وتتحكم عملية التصنيع في الوزن الجزيئي وخصائص جزيء المطاط الصناعي (على عكس المطاط الطبيعي). ويتم التخليق بشكل رئيسي من خلال بلمرة النمو التدريجي وبلمرة النمو المتسلسل. ^{[ 15 ]}

في عملية البلمرة التدريجية ، تتحد المونومرات أو الأوليغومرات لتشكيل البوليمرات من خلال تفاعلات مثل التكثيف (إطلاق منتجات ثانوية صغيرة) أو الإضافة المتعددة (بدون منتجات ثانوية).

في بلمرة النمو المتسلسل ، تنمو سلاسل البوليمر بإضافة المونومرات إلى المواقع التفاعلية، ويتم ذلك بواسطة الجذور الحرة أو الأيونات أو المحفزات التنسيقية. تتضمن هذه الطريقة خطوات البدء والانتشار والإنهاء .

المطاط الطبيعي ، المستخرج من مادة اللاتكس لنبات Hevea brasiliensis ، هو في الأساس بولي -سيس - إيزوبرين .

المطاط الصناعي، مثل معظم البوليمرات المصنعة الأخرى ، مصنوع من مونومرات مختلفة مشتقة من البترول .

بعض أنواع المطاط الصناعي أقل حساسية لتشقق الأوزون من المطاط الطبيعي. فالمطاط الطبيعي حساس بسبب الروابط المزدوجة في بنيته، بينما تفتقر بعض أنواع المطاط الصناعي إلى هذه الروابط، مما يجعلها أكثر مقاومة لتشقق الأوزون. ومن الأمثلة على ذلك مطاط الفيتون ، ومونومر إيثيلين بروبيلين ديين (EPDM)، ومطاط البوتيل .

يُعدّ المطاط اللدائني الحراري فئة جديدة من المطاط الصناعي، إذ يمكن تشكيله بسهولة على عكس المطاط الطبيعي التقليدي المُفلكن . وتُثبّت بنيته عن طريق الترابط التشابكي بواسطة البلورات في حالة البولي يوريثان، أو بواسطة مناطق غير متبلورة في حالة البوليمرات المتجانسة SBS .