بوليمر حراري

في علم المواد ، يُعرف البوليمر المتصلد حراريًا ، والذي يُطلق عليه غالبًا اسم البوليمر المتصلد حراريًا ، بأنه بوليمر يتم الحصول عليه عن طريق التصلب غير العكوس (" التصليد ") لبوليمر أولي صلب لين أو سائل لزج ( راتنج ). ^{[ 1 ]} يتم التصليد بواسطة الحرارة أو الإشعاع المناسب ، ويمكن تعزيزه بالضغط العالي أو الخلط مع عامل مساعد . لا يُشترط تطبيق الحرارة خارجيًا، وغالبًا ما تتولد من تفاعل الراتنج مع عامل التصليد ( عامل مساعد ، مُصلِّب ). ينتج عن التصليد تفاعلات كيميائية تُنشئ روابط متقاطعة واسعة النطاق بين سلاسل البوليمر لتكوين شبكة بوليمرية غير قابلة للانصهار وغير قابلة للذوبان .

تكون المادة الأولية المستخدمة في صناعة المواد المتصلبة حرارياً عادةً قابلة للتشكيل أو سائلة قبل التصلب، وغالباً ما تُصمم لتُصب في الشكل النهائي. كما يمكن استخدامها كمادة لاصقة . وبمجرد تصلبها، لا يمكن صهر المادة المتصلبة حرارياً لإعادة تشكيلها، على عكس البوليمرات الحرارية التي تُنتج وتُوزع عادةً على شكل حبيبات، وتُشكل في شكل المنتج النهائي عن طريق الصهر أو الضغط أو قولبة الحقن .

يؤدي معالجة الراتنج المتصلد حرارياً إلى تحويله إلى بلاستيك أو مطاط ( مادة مرنة ) عن طريق التشابك أو إطالة السلسلة من خلال تكوين روابط تساهمية بين سلاسل البوليمر الفردية . وتختلف كثافة التشابك تبعاً لمزيج المونومر أو البوليمر الأولي، وآلية التشابك.

ترتبط راتنجات الأكريليك والبوليسترات وإسترات الفينيل ذات المواقع غير المشبعة في الأطراف أو على السلسلة الرئيسية بشكل عام عن طريق البلمرة المشتركة مع مخففات المونومر غير المشبعة ، مع بدء المعالجة بواسطة الجذور الحرة المتولدة من الإشعاع المؤين أو عن طريق التحلل الضوئي أو الحراري لمحفز الجذور - تتأثر شدة التشابك بدرجة عدم تشبع السلسلة الرئيسية في البوليمر الأولي؛ ^{[ 2 ]}

يمكن بلمرة راتنجات الإيبوكسي الوظيفية بشكل متجانس باستخدام محفزات أنيونية أو كاتيونية وحرارة، أو بلمرتها بشكل مشترك من خلال تفاعلات الإضافة النيوكليوفيلية مع عوامل الربط المتشابك متعددة الوظائف والمعروفة أيضًا باسم عوامل المعالجة أو المصلبات. ومع تقدم التفاعل، تتشكل جزيئات أكبر فأكبر وتتطور هياكل متشابكة متفرعة للغاية، ويتأثر معدل المعالجة بالشكل الفيزيائي ووظائف راتنجات الإيبوكسي وعوامل المعالجة ^{[ 3 ]} - تحفز المعالجة اللاحقة بدرجة حرارة مرتفعة الربط المتشابك الثانوي لوظائف الهيدروكسيل في السلسلة الرئيسية والتي تتكثف لتكوين روابط إيثر؛

تتكون البولي يوريثانات عند دمج راتنجات الإيزوسيانات والبوليمرات الأولية مع البوليولات ذات الوزن الجزيئي المنخفض أو المرتفع، حيث تُعد النسب القياسية الدقيقة ضرورية للتحكم في بلمرة الإضافة النيوكليوفيلية. يتم ضبط درجة التشابك والنوع الفيزيائي الناتج (مطاط أو بلاستيك) بناءً على الوزن الجزيئي ووظائف راتنجات الإيزوسيانات والبوليمرات الأولية، بالإضافة إلى التركيبات الدقيقة للدايولات والتريولات والبوليولات المختارة، مع تأثر معدل التفاعل بشكل كبير بالمحفزات والمثبطات. تتكون البولي يوريا بشكل فوري تقريبًا عند دمج راتنجات الإيزوسيانات مع راتنجات البولي إيثر أو البوليستر ذات السلسلة الأمينية الطويلة وموسعات ثنائي الأمين قصيرة السلسلة، ولا يتطلب تفاعل الإضافة النيوكليوفيلية بين الأمين والإيزوسيانات وجود محفزات. كما تتكون البولي يوريا أيضًا عند ملامسة راتنجات الإيزوسيانات للرطوبة. ^{[ 4 ]}

تُعالج الراتنجات الفينولية والأمينية والفيورانية جميعها بالتكثيف المتعدد الذي يتضمن إطلاق الماء والحرارة، مع بدء المعالجة والتحكم في الحرارة الناتجة عن البلمرة ، والتي تتأثر بدرجة حرارة المعالجة، واختيار المحفز أو تحميله، وطريقة المعالجة أو الضغط - وتحدد درجة البلمرة المسبقة ومستوى محتوى الهيدروكسي ميثيل المتبقي في الراتنجات كثافة التشابك. ^{[ 5 ]}

يتم معالجة البولي بنزوكسازينات عن طريق بلمرة فتح الحلقة الطاردة للحرارة دون إطلاق أي مواد كيميائية، مما يؤدي إلى انكماش شبه معدوم عند البلمرة. ^{[ 6 ]}

يمكن صياغة وتطبيق ومعالجة مخاليط البوليمرات المتصلبة حرارياً، والمبنية على مونومرات الراتنجات المتصلبة حرارياً والبوليمرات الأولية، بطرق متنوعة لإنتاج خصائص معالجة مميزة لا يمكن تحقيقها باستخدام البوليمرات الحرارية أو المواد غير العضوية. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تتميز المواد البلاستيكية المتصلبة حراريًا بقوة أكبر من المواد البلاستيكية الحرارية نظرًا لشبكة الروابط ثلاثية الأبعاد (التشابك)، كما أنها أكثر ملاءمة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية حتى درجة حرارة التحلل، إذ تحافظ على شكلها لأن الروابط التساهمية القوية بين سلاسل البوليمر يصعب كسرها. كلما زادت كثافة التشابك ومحتوى المركبات العطرية في البوليمر المتصلب حراريًا، زادت مقاومته للتحلل الحراري والتآكل الكيميائي. كما تتحسن القوة الميكانيكية والصلابة مع زيادة كثافة التشابك، وإن كان ذلك على حساب الهشاشة. ^{[ 9 ]} وعادةً ما تتحلل هذه المواد قبل انصهارها.

قد تتعرض المواد المتصلبة بالحرارة، المصنوعة من البلاستيك الصلب، لتشوه دائم أو لدن تحت تأثير الحمل. أما المواد المطاطية، فهي لينة ومرنة أو مطاطية، ويمكن أن تتشوه وتعود إلى شكلها الأصلي عند زوال الحمل.

لا يمكن صهر البلاستيكات أو المطاطات المتصلبة حراريًا التقليدية وإعادة تشكيلها بعد تصلبها. وهذا عادةً ما يمنع إعادة تدويرها لنفس الغرض، باستثناء استخدامها كمادة مالئة. ^{[ 10 ]} تسمح التطورات الحديثة في مجال راتنجات الإيبوكسي المتصلبة حراريًا، والتي تُشكّل شبكات متشابكة عند تسخينها بشكل مُتحكم فيه ومُحكم، بإعادة تشكيلها بشكل متكرر، مثل زجاج السيليكا، من خلال تفاعلات تبادل الروابط التساهمية العكسية عند إعادة التسخين فوق درجة حرارة التحول الزجاجي. ^{[ 11 ]} كما توجد أيضًا بوليمرات البولي يوريثان المتصلبة حراريًا التي أظهرت خصائص عابرة، وبالتالي يمكن إعادة معالجتها أو إعادة تدويرها. ^{[ 12 ]}

عند مزجها مع الألياف، تُشكّل الراتنجات المتصلبة حراريًا مركبات بوليمرية مُدعّمة بالألياف ، تُستخدم في تصنيع قطع غيار أو مواد بديلة مُصنّعة من مواد مركبة هيكلية، ^{[ 13 ]} وكطلاءات إصلاح وحماية مركبة تُطبّق في الموقع وتُعالَج وتُجهّز ^{[ 14 ] [ 15 ]} . وعند استخدامها كمادة رابطة للركام والحشوات الصلبة الأخرى، تُشكّل مركبات بوليمرية مُدعّمة بالجسيمات، تُستخدم في الطلاءات الواقية المُطبّقة في المصنع أو في تصنيع المكونات، ولأغراض البناء أو الصيانة التي تُطبّق في الموقع وتُعالَج .

• راتنج الإيبوكسي ^{[ 16 ]} يستخدم كمكون أساسي في العديد من المواد البلاستيكية المقواة بالألياف مثل البلاستيك المقوى بالزجاج والبلاستيك المقوى بالجرافيت ؛ الصب؛ تغليف الإلكترونيات؛ ^{[ 17 ]} البناء؛ الطلاءات الواقية؛ المواد اللاصقة؛ الختم والربط.
• البوليميدات والبيسماليميدات المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة وفي أجزاء هياكل الطائرات الحديثة، والهياكل المركبة الفضائية، كمادة طلاء وفي الأنابيب المقواة بالألياف الزجاجية .
• إسترات السيانات أو متعددات السيانات لتطبيقات الإلكترونيات التي تتطلب خصائص عازلة ومتطلبات درجة حرارة زجاجية عالية في مكونات المركبات الهيكلية الفضائية.
• أنظمة الألياف الزجاجية المصنوعة من راتنج البوليستر : مركبات قولبة الصفائح ومركبات قولبة الكتل؛ لف الخيوط؛ الترقق الرطب؛ مركبات الإصلاح والطلاءات الواقية.
• البولي يوريثان : رغوة عازلة، مراتب، طلاءات، مواد لاصقة، قطع غيار سيارات، بكرات طباعة، نعال أحذية، أرضيات، ألياف صناعية، إلخ. تتكون بوليمرات البولي يوريثان من خلال الجمع بين اثنين من المونومرات/الأوليغومرات الوظيفية الثنائية أو الأعلى.
• المواد الهجينة من البولي يوريا / البولي يوريثان المستخدمة في الطلاءات المقاومة للتآكل والعزل المائي.
• المطاط المفلكن .
• الباكليت ، وهو راتنج فينول فورمالديهايد يستخدم في العوازل الكهربائية والأدوات البلاستيكية.
• مادة دوروبلاست ، وهي مادة خفيفة ولكنها قوية، تشبه مادة الباكليت التي كانت تستخدم سابقًا في صناعة سيارة ترابانت ، وتستخدم حاليًا في صناعة الأدوات المنزلية.
• رغوة اليوريا فورمالدهيد المستخدمة في الخشب الرقائقي ، والخشب المضغوط، والخشب الليفي متوسط ​​الكثافة.
• راتنج الميلامين المستخدم في أسطح العمل ^{[ 18 ]} وبعض الأطباق البلاستيكية وأدوات المائدة والأحواض. ^{[ 19 ]}
• يُستخدم فثالات ثنائي الأليل (DAP) في الموصلات الكهربائية ذات درجات الحرارة العالية والمواصفات العسكرية والمكونات الأخرى. وعادة ما يكون مملوءًا بالزجاج.
• راتنجات الإيبوكسي نوفولاك المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة، والتغليف الكهربائي، والمواد اللاصقة، والطلاءات المعدنية.
• البنزوكسازينات ، المستخدمة بمفردها أو مهجنة مع راتنجات الإيبوكسي والفينول، من أجل المواد الأولية الهيكلية، والقولبة السائلة، والمواد اللاصقة للأغشية لبناء المواد المركبة، والربط، والإصلاح.
• القالب أو قنوات القالب (الجزء البلاستيكي الأسود في الدوائر المتكاملة أو أشباه الموصلات).
• راتنجات الفيوران المستخدمة في تصنيع مواد البناء الحيوية المستدامة، ^{[ 20 ]} الأسمنت والمواد اللاصقة والطلاءات وراتنجات الصب/المسابك.
• تُستخدم راتنجات السيليكون في مركبات المصفوفة البوليمرية المتصلبة حرارياً، كما تُستخدم كسلائف لمركبات المصفوفة الخزفية.
• مادة ثيولايت ، وهي مادة صفائحية فينولية حرارية عازلة كهربائياً.
• راتنجات فينيل إستر المستخدمة في التغليف الرطب، والقولبة، ومواد الحماية والإصلاح الصناعية سريعة التصلب.

تشمل استخدامات وتطبيقات وطرق المواد المتصلبة بالحرارة الطلاء الواقي ، والأرضيات غير الملحومة ، ومواد الحشو المستخدمة في الإنشاءات الهندسية المدنية للوصلات والحقن، والملاط ، ورمال المسابك، والمواد اللاصقة ، والمواد المانعة للتسرب ، والمسبوكات ، والتغليف ، والعزل الكهربائي ، والتغليف ، والرغوات الصلبة ، والتصفيح الرطب ، والسحب ، والطلاءات الهلامية ، ولف الخيوط ، والألياف المشبعة مسبقًا ، والقولبة.

تتضمن الطرق المحددة لتشكيل المواد المتصلبة بالحرارة ما يلي:

• قولبة الحقن التفاعلي (تستخدم لأشياء مثل صناديق زجاجات الحليب)
• التشكيل بالبثق (يستخدم لصنع الأنابيب وخيوط القماش والعزل للكابلات الكهربائية)
• التشكيل بالضغط (يستخدم لتشكيل البلاستيك المتصلد حرارياً من نوع SMC و BMC )
• تقنية الصب الدوراني (تستخدم لإنتاج طعوم الصيد والطعوم الصناعية ، والمنمنمات ، والتماثيل ، والشعارات، بالإضافة إلى قطع الغيار والتصنيع).

• طلاء إيبوكسي ملتصق بالانصهار
• مصفوفة بوليمرية متصلبة حراريا
• الفلكنة