تُستخدم مواد البوليمر الآن على نطاق واسع في الصناعات التحويلية المتطورة، وتكنولوجيا المعلومات الإلكترونية، والنقل، وتوفير الطاقة في المباني، والفضاء، والدفاع الوطني، والعديد من المجالات الأخرى، نظرًا لخصائصها الممتازة، مثل خفة الوزن، والمتانة العالية، ومقاومة الحرارة والتآكل. وهذا لا يوفر فقط سوقًا واسعة لصناعة مواد البوليمر الجديدة، بل يضع أيضًا متطلبات أعلى لجودة أدائها، ومستوى موثوقيتها، وضمانها.
لذلك، يتزايد الاهتمام بكيفية تعظيم وظائف منتجات المواد البوليمرية، بما يتماشى مع مبادئ توفير الطاقة وانخفاض الكربون والتنمية البيئية. ويُعدّ التقادم عاملاً مهماً يؤثر على موثوقية ومتانة المواد البوليمرية.
فيما يلي، سننظر إلى ما هو شيخوخة المواد البوليمرية، وأنواع الشيخوخة، والعوامل المسببة للشيخوخة، والطرق الرئيسية لمكافحة الشيخوخة ومكافحة الشيخوخة لخمسة أنواع عامة من البلاستيك.
أ. شيخوخة البلاستيك
إن الخصائص البنيوية والحالة الفيزيائية للمواد البوليمرية نفسها وعواملها الخارجية مثل الحرارة والضوء والأكسجين الحراري والأوزون والماء والأحماض والقلويات والبكتيريا والإنزيمات في عملية الاستخدام تجعلها عرضة لتدهور الأداء أو فقدانه في عملية التطبيق.
وهذا لا يؤدي إلى إهدار الموارد فحسب، بل قد يؤدي إلى وقوع حوادث أكبر بسبب فشلها الوظيفي، بل إن تحلل المواد الناجم عن شيخوخة هذه المواد قد يؤدي أيضًا إلى تلويث البيئة.
من المرجح أن يؤدي شيخوخة المواد البوليمرية أثناء عملية الاستخدام إلى كوارث كبيرة وخسائر لا يمكن إصلاحها.
ومن ثم، أصبحت مشكلة مكافحة الشيخوخة للمواد البوليمرية مشكلة يتعين على صناعة البوليمر حلها.
ب. أنواع شيخوخة المواد البوليمرية
تختلف ظواهر وخصائص الشيخوخة باختلاف أنواع البوليمرات وظروف استخدامها. وبشكل عام، يمكن تصنيف شيخوخة المواد البوليمرية إلى أربعة أنواع من التغيرات.
01 تغيرات في المظهر
البقع، الخطوط الفضية، الشقوق، الصقيع، الطباشير، اللزوجة، التشويه، عيون السمكة، التجاعيد، الانكماش، الحرق، التشوه البصري والتغيرات البصرية في اللون.
02 التغيرات في الخصائص الفيزيائية
بما في ذلك الذوبان والتورم والخصائص الرومولوجية والتغيرات في مقاومة البرد ومقاومة الحرارة ونفاذية الماء ونفاذية الهواء وغيرها من الخصائص.
03 التغيرات في الخواص الميكانيكية
تغيرات في قوة الشد، قوة الانحناء، قوة القص، قوة التأثير، الاستطالة النسبية، استرخاء الإجهاد وغيرها من الخصائص.
04 تغيرات في الخواص الكهربائية
مثل مقاومة السطح، ومقاومة الحجم، والثابت العازل، وقوة الانهيار الكهربائي والتغيرات الأخرى.
ج. التحليل المجهري لشيخوخة المواد البوليمرية
تشكل البوليمرات حالات مثارة من الجزيئات في وجود الحرارة أو الضوء، وعندما تكون الطاقة عالية بما يكفي، تنكسر السلاسل الجزيئية لتكوين الجذور الحرة، والتي يمكن أن تشكل تفاعلات متسلسلة داخل البوليمر وتستمر في بدء التحلل وقد تسبب أيضًا ترابطًا متبادلًا.
إذا كان الأكسجين أو الأوزون موجودًا في البيئة، يتم أيضًا تحفيز سلسلة من تفاعلات الأكسدة، مما يؤدي إلى تكوين بيروكسيدات الهيدروجين (ROOH) ثم التحلل إلى مجموعات الكربونيل.
إذا كانت أيونات المعادن المحفزة المتبقية موجودة في البوليمر، أو إذا تم إدخال أيونات معدنية مثل النحاس والحديد والمنجنيز والكوبالت أثناء المعالجة أو الاستخدام، فسيتم تسريع تفاعل التحلل التأكسدي للبوليمر.
د. الطريقة الرئيسية لتحسين أداء مكافحة الشيخوخة
في الوقت الحاضر، هناك أربع طرق رئيسية لتحسين وتعزيز أداء مكافحة الشيخوخة للمواد البوليمرية على النحو التالي.
01 الحماية المادية (التكثيف، الطلاء، مركب الطبقة الخارجية، الخ.)
يبدأ شيخوخة المواد البوليمرية، وخاصةً الشيخوخة الضوئية المؤكسدة، من سطح المادة أو المنتج، متمثلةً في تغير اللون، والتشقق، وتراجع اللمعان، وما إلى ذلك، ثم تتعمق تدريجيًا إلى الداخل. المنتجات الرقيقة أكثر عرضة للتلف أسرع من المنتجات السميكة، لذا يُمكن إطالة عمرها الافتراضي عن طريق تكثيفها.
بالنسبة للمنتجات المعرضة للشيخوخة، يمكن تطبيق أو طلاء طبقة من الطلاء المقاوم للعوامل الجوية على السطح، أو يمكن تركيب طبقة من مادة مقاومة للعوامل الجوية على الطبقة الخارجية للمنتجات، بحيث يمكن ربط طبقة واقية بسطح المنتجات لإبطاء عملية الشيخوخة.
02 تحسين تكنولوجيا المعالجة
في العديد من المواد، أثناء عملية التركيب أو التحضير، تُواجه مشكلة الشيخوخة. على سبيل المثال، تأثير الحرارة أثناء البلمرة، والشيخوخة الحرارية والأكسجينية أثناء المعالجة، إلخ. بناءً على ذلك، يُمكن إبطاء تأثير الأكسجين بإضافة جهاز نزع الهواء أو جهاز تفريغ أثناء البلمرة أو المعالجة.
ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لا يمكنها ضمان أداء المادة إلا في المصنع، ولا يمكن تنفيذ هذه الطريقة إلا من مصدر إعداد المادة، ولا يمكنها حل مشكلة الشيخوخة أثناء إعادة المعالجة والاستخدام.
03 التصميم الهيكلي أو تعديل المواد
تحتوي العديد من المواد الجزيئية الكبيرة على مجموعات شيخوخة في البنية الجزيئية، لذلك من خلال تصميم البنية الجزيئية للمادة، فإن استبدال مجموعات الشيخوخة بمجموعات غير الشيخوخة يمكن أن يلعب في كثير من الأحيان تأثيرًا جيدًا.
04 إضافة إضافات مضادة للشيخوخة
حاليًا، الطريقة الفعّالة والشائعة لتحسين مقاومة شيخوخة المواد البوليمرية هي إضافة إضافات مضادة للشيخوخة، وهي شائعة الاستخدام نظرًا لانخفاض تكلفتها وعدم الحاجة إلى تغيير عملية الإنتاج الحالية. هناك طريقتان رئيسيتان لإضافة هذه الإضافات المضادة للشيخوخة.
يتم خلط المواد المضافة المضادة للشيخوخة (المسحوق أو السائل) والراتنج والمواد الخام الأخرى مباشرة بعد التحبيب بالبثق أو حقن القالب وما إلى ذلك. هذه طريقة إضافة بسيطة وسهلة، والتي تستخدم على نطاق واسع من قبل غالبية مصانع التكوير وحقن القالب.
وقت النشر: ٢٦ أكتوبر ٢٠٢٢