الفلكنة

الفلكنة (بالإنجليزية البريطانية: vulcanisation ) هي مجموعة من العمليات لتقوية المطاط . ^{[ 1 ]} كان المصطلح في الأصل يشير حصريًا إلى معالجة المطاط الطبيعي بالكبريت والحرارة، وهي الطريقة الأكثر شيوعًا. وقد توسع ليشمل تقوية أنواع أخرى من المطاط (الاصطناعي) عبر وسائل مختلفة. ومن الأمثلة على ذلك مطاط السيليكون عن طريق الفلكنة في درجة حرارة الغرفة ، ومطاط الكلوروبرين (النيوبرين) باستخدام أكاسيد المعادن.

يمكن تعريف الفلكنة بأنها عملية معالجة المطاطات ، ويُستخدم مصطلحا "الفلكنة" و"المعالجة" أحيانًا بشكل متبادل في هذا السياق. وتتم هذه العملية عن طريق تكوين روابط متقاطعة بين أجزاء سلسلة البوليمر ، مما يؤدي إلى زيادة الصلابة والمتانة، بالإضافة إلى تغييرات أخرى في الخواص الميكانيكية والكهربائية للمادة. ^{[ 2 ]} والفلكنة، شأنها شأن معالجة البوليمرات المتصلبة حراريًا الأخرى ، عملية غير قابلة للانعكاس بشكل عام.

اقترح ويليام بروكيدون (صديق توماس هانكوك الذي حصل على براءة الاختراع البريطانية للعملية) هذه الكلمة استنادًا إلى الإله فولكان الذي كان مرتبطًا بالحرارة والكبريت في البراكين . ^{[ 3 ]}

في حضارات أمريكا الوسطى القديمة ، استُخدم المطاط في صناعة الكرات ونعال الصنادل والأربطة المطاطية والأوعية المقاومة للماء. ^{[ 4 ]} وكان يُعالج باستخدام عصارات نباتية غنية بالكبريت، وهي شكل مبكر من أشكال الفلكنة. ^{[ 5 ]}

في ثلاثينيات القرن التاسع عشر، عمل تشارلز جوديير على ابتكار عملية لتقوية إطارات السيارات المطاطية. كانت الإطارات في ذلك الوقت تصبح لينة ولزجة بفعل الحرارة، مما يؤدي إلى تراكم الأوساخ والحطام على الطرق. حاول جوديير تسخين المطاط لخلطه بمواد كيميائية أخرى. بدا أن هذه العملية تُقسّي المطاط وتُحسّنه، إلا أن ذلك كان نتيجة التسخين نفسه وليس المواد الكيميائية المستخدمة. ولعدم إدراكه ذلك، واجه جوديير انتكاسات متكررة عندما لم تُؤتِ تركيباته المُعلنة للتصليد ثمارها باستمرار. في أحد أيام عام 1839، وبينما كان يحاول خلط المطاط بالكبريت ، أسقط جوديير الخليط عن طريق الخطأ في مقلاة ساخنة. ولدهشته، بدلاً من أن يذوب المطاط أكثر أو يتبخر ، ظل متماسكًا، ومع زيادة الحرارة، ازداد صلابة. طوّر جوديير نظامًا ثابتًا لهذا التصليد، وبحلول عام 1844 حصل على براءة اختراع للعملية وبدأ بإنتاج المطاط على نطاق صناعي. ^{[ 6 ]}

في 21 نوفمبر 1843، حصل المخترع البريطاني توماس هانكوك على براءة اختراع لعملية فلكنة المطاط باستخدام الكبريت، وذلك قبل ثمانية أسابيع من حصول تشارلز جوديير على براءة اختراع مماثلة في الولايات المتحدة (30 يناير 1844). وتختلف الروايات حول ما إذا كان هانكوك قد استند في براءة اختراعه إلى فحص عينات من المطاط الأمريكي من جوديير، وما إذا كان فحص هذه العينات قد وفر معلومات كافية لإعادة ابتكار عملية جوديير. ^{[ 7 ]}

تُستخدم المواد المُعالجة بالحرارة في العديد من التطبيقات، منها على سبيل المثال: خراطيم المطاط، ونعال الأحذية، والألعاب، والممحاة، وأقراص الهوكي، وممتصات الصدمات، وأحزمة النقل، ^{[ 8 ]} وقواعد/مخمدات الاهتزاز، ومواد العزل، والإطارات، وكرات البولينج. ^{[ 9 ]} تُعالج معظم منتجات المطاط بالحرارة لأن هذه العملية تُحسّن بشكل كبير من عمرها الافتراضي ووظيفتها وقوتها.

على عكس عمليات اللدائن الحرارية (عملية الصهر والتجميد التي تميز سلوك معظم البوليمرات الحديثة)، فإن الفلكنة، شأنها شأن معالجة البوليمرات المتصلبة حرارياً الأخرى ، عملية غير قابلة للانعكاس عموماً. وتُستخدم خمسة أنواع من أنظمة المعالجة بشكل شائع:

1. أنظمة الكبريت
2. البيروكسيدات
3. أكاسيد المعادن
4. أسيتوكسيسيلان
5. روابط اليوريثان المتشابكة

تعتمد معظم طرق الفلكنة الشائعة على الكبريت. يُعد الكبريت، بحد ذاته، عامل فلكنة بطيء ولا يُفلكن البولي أوليفينات الاصطناعية . تُجرى عملية الفلكنة المُسرّعة باستخدام مركبات مختلفة تُعدّل حركية التشابك؛ ^{[ 10 ]} ويُشار إلى هذا المزيج غالبًا باسم "مجموعة المعالجة". البوليمرات الرئيسية التي تخضع للفلكنة الكبريتية هي البولي إيزوبرين ( المطاط الطبيعي ) ومطاط الستايرين-بوتادين (SBR)، واللذان يُستخدمان في معظم إطارات المركبات. تُعدّل مجموعة المعالجة خصيصًا للركيزة والتطبيق. المواقع التفاعلية - مواقع المعالجة - هي ذرات هيدروجين أليلية . تقع روابط CH هذه بجوار روابط كربون-كربون ثنائية (>C=C<). أثناء الفلكنة، تُستبدل بعض روابط CH هذه بسلاسل من ذرات الكبريت التي ترتبط بموقع معالجة في سلسلة بوليمر أخرى. تحتوي هذه الجسور على ذرة واحدة وعدة ذرات. يؤثر عدد ذرات الكبريت في الروابط المتشابكة بشكل كبير على الخصائص الفيزيائية للمنتج المطاطي النهائي. فالروابط المتشابكة القصيرة تمنح المطاط مقاومة أفضل للحرارة، بينما تمنح الروابط المتشابكة ذات العدد الأكبر من ذرات الكبريت المطاط خصائص ديناميكية جيدة، ولكنها تقلل من مقاومته للحرارة. وتُعد الخصائص الديناميكية مهمة لحركات انثناء المنتج المطاطي، مثل حركة الجدار الجانبي لإطار سيارة أثناء الجري. فبدون خصائص انثناء جيدة، تتشكل الشقوق بسرعة خلال هذه الحركات، مما يؤدي في النهاية إلى تلف المنتج المطاطي.

تُجرى عملية فلكنة مطاط النيوبرين أو البولي كلوروبرين (مطاط CR) باستخدام أكاسيد المعادن (وتحديدًا أكسيد المغنيسيوم وأكسيد الزنك ، وأحيانًا أكسيد الرصاص _{الثلاثي} ) بدلًا من مركبات الكبريت المستخدمة حاليًا مع العديد من أنواع المطاط الطبيعي والصناعي _. إضافةً إلى ذلك، ونظرًا لعوامل المعالجة المختلفة (وخاصةً الاحتراق المبكر، وهو التشابك المبكر للمطاط نتيجةً لتأثير الحرارة)، فإن اختيار المُسرِّع يخضع لقواعد مختلفة عن أنواع المطاط الأخرى ثنائية الإين . تُشكِّل معظم المُسرِّعات المستخدمة تقليديًا مشكلةً عند معالجة مطاط CR، وقد وُجد أن أهم مُسرِّع هو إيثيلين ثيوريا (ETU)، الذي على الرغم من كونه مُسرِّعًا ممتازًا ومُثبتًا للبولي كلوروبرين، فقد صُنِّف على أنه سامٌّ للتكاثر . في الفترة من 2010 إلى 2013، أطلق قطاع صناعة المطاط الأوروبي مشروعًا بحثيًا بعنوان SafeRubber لتطوير بديل أكثر أمانًا لاستخدام ETU. ^{[ 11 ]}

يتكون السيليكون المعالج في درجة حرارة الغرفة (RTV) من بوليمرات زيتية تفاعلية ممزوجة بحشوات معدنية مقوية. يوجد نوعان من السيليكون المعالج في درجة حرارة الغرفة:

1. RTV-1 (أنظمة أحادية المكون)؛ يتصلب بفعل الرطوبة الجوية، ومادة محفزة، ومادة أسيتوكسيسيلان. عند تعرض أسيتوكسيسيلان للرطوبة، فإنه يُنتج حمض الأسيتيك . ^{[ 12 ]} تبدأ عملية التصلب من السطح الخارجي وتنتشر إلى اللب. يُعبأ المنتج في خراطيش محكمة الإغلاق، ويكون إما سائلاً أو معجوناً. يتميز سيليكون RTV-1 بالتصاق جيد، ومرونة عالية، ومتانة فائقة. تتراوح صلابة شور بين 18 و60. ويتراوح استطالته عند الكسر بين 150% و700%. كما يتميز بمقاومة ممتازة للتقادم بفضل مقاومته الفائقة للأشعة فوق البنفسجية وعوامل التجوية.
2. RTV-2 (أنظمة ثنائية المكونات)؛ منتجات ثنائية المكونات، تتصلب عند مزجها في درجة حرارة الغرفة لتُشكّل مادة مطاطية صلبة، أو هلامًا، أو رغوة مرنة. تحافظ RTV-2 على مرونتها في نطاق درجات حرارة من -80 إلى 250 درجة مئوية (-112 إلى 482 درجة فهرنهايت) . يحدث التحلل عند درجات حرارة أعلى من 350 درجة مئوية (662 درجة فهرنهايت) ، تاركًا رواسب سيليكا خاملة غير قابلة للاشتعال. يمكن استخدامها للعزل الكهربائي نظرًا لخصائصها العازلة . خصائصها الميكانيكية مُرضية. تُستخدم RTV-2 في صناعة القوالب المرنة، بالإضافة إلى العديد من الأجزاء التقنية للتطبيقات الصناعية والطبية المساعدة.    

• ISO 2921
• مثبتات البوليمر
• الخرسانة الكبريتية
• ألياف مُقسّاة
• ورشة إصلاح المطاط