صنایع لاستیک
لاستیک به ماده مهم اقتصادی و راهبردی تبدیل‌شده است. صنایع حمل‌ونقل، شیمیایی، برق و الکترونیک و همچنین فضایی همگی از مصرف‌کنندگان اصلی لاستیک هستند. وقتی تولید لاستیک طبیعی (کائوچو) به دلیل تهاجم ژاپن به مناطق تولید لاستیک در ابتدای جنگ جهانی دوم متوقف شد ایالات‌متحده اقدام به ساخت واحدهای تولید لاستیک سنتزی کرد که به‌سرعت هم توسعه یافت، به‌طوری‌که در حال حاضر 88 درصد لاستیک مصرفی در ایالات‌متحده منشأ سنتزی دارد. صنعت لاستیک موارد زیر را شامل می‌شود: تولید تکپارها یا مواد اولیه لاستیک‌های سنتزی، انواع گوناگون لاستیک، واردات لاستیک طبیعی، تولید افزودنی‌های لاستیک و نهایتاً ساخت فرآورده‌ای لاستیکی.
پیشینه تاریخی
کریستف کلمب دریافت که بومیان آمریکا با توپ‌های لاستیکی بازی می‌کنند. اشیای لاستیکی نیز از چاه مقدس مایا در یوکاتان به‌دست‌آمده بود. لاستیک، تا جایی که می‌دانیم محصول سرزمین آمریکاست ولی تنها از طریق انتقال آن به خاور دور و کشت در آنجا به این حد توسعه‌یافته است. نام “rubber به معنی پاک‌کن” را پریستلی کاشف اکسیژن عنوان کرد، وی اولین کسی بود که قابلیت لاستیک در “پاک کردن” اثر مداد را مشاهده کرد. مواد لاستیکی تنها نتیجه تلاش در جهت تخلیص و حفظ موادی چون استیرن، بوتادی ان و ایزوپرن بودند که از تقطیر تخریبی لاستیک طبیعی به دست می‌آمدند، بدین ترتیب راه تولید لاستیک سنتزی گشوده شد. با آغاز جنگ جهانی اول، انواع نامرغوب لاستیک از دی متیل بوتادی ان در آلمان و روسیه تولید شد.پژوهش‌های گسترده در طول دهه 1920، به کشف هم‌بسپارش امولسیونی بوتادی ان و استیرن، همچنین بوتادی ان و آکریلونیتریل انجامید.
گودیر با کشف پخت یا وولکانش لاستیک توسط گوگرد در سال 1839 به شهرت رسید. این کشف مشکل چسبناکی طبیعی لاستیک را حل کرد و آن را به‌صورت تجاری درآورد. ازآن‌پس مشخص شد که بسیاری از مواد سرعت این واکنش را تغییر می‌دهند و اینکه برخی مواد کمکی با تغییراتی در آمیزه، امکان شکل‌دهی یا ساخت قطعات لاستیکی را فراهم می‌کنند که بعد با واکنش پخت در شکل نهایی خود تثبیت می‌شوند. بیشترین تغییرات به لحاظ تاریخی نتیجه محدودیت واردات لاستیک طبیعی به آمریکا براثر تهاجم نیروهای ژاپنی در سال 1941 بوده است. این حرکت سبب پژوهش و ساخت انواع لاستیک‌های سنتزی طی مهروموم‌های بعد شد.
لاستیک طبیعی (کائوچو)
گیاهان بی‌شماری ازجمله قاصدک، گوایل، گل رویینه و توت آمریکایی به‌عنوان منبع لاستیک پیشنهادشده بودند ولی هیچ‌یک توفیق درخت شیرابه ساز هِوِآ برزیلینسیس و همچنین صمغ درخت ساپودیلا و درخت بالاتا را نداشته است. لاستیک طبیعی عمدتاً در کشتزارهای مالزی، اندونزی، لیبریا و همسایگانشان تولید شد، احتمالاً به‌این‌علت که آن‌ها مشکل بیماری‌های قارچی و حشرات را که کشتزارهای بومی در آمریکا را تهدید می‌کرد نداشتند. حدود 7 سال زمان لازم است تا این درختان به سن باروری برسند و پس‌ازآن به مدت چند سال بار می‌دهند. برای به دست آوردن شیرابه، پوست درخت را طوری برمی‌دارند که مایع در فنجان‌های کوچکی جمع شود، فنجان‌ها باید مرتباً جمع‌آوری شوند تا از گندیدگی یا آلودگی شیرابه جلوگیری شود. پس‌ازآن شیرابه به محل جمع‌آوری برده می‌شود و در آنجا پس از صاف شدن با افزودن آمونیاک محافظت می‌شود. لاستیک از طریق فرایندی موسوم به انعقاد جدا می‌شود، این کار با افزودن اسیدها یا نمک‌های مختلف انجام می‌گیرد، در طی این عمل، لاستیک به شکل یک توده سفید خمیری از مایع جدا می‌شود، و پس‌ازآن با استفاده از غلتک ورقه‌ای و درنهایت خشک می‌گردد. روش جدیدتر این است که با استفاده از تیغه‌های دوار یا اعمال برش بین دوغلتکی که با سرعت متفاوت می‌چرخند، شیرابه منعقدشده را به دانه تبدیل می‌کنند. دانه‌ها سپس به مدت چند ساعت در خشک کنه‌ای مکانیکی خشک می‌شوند، این عمل درروش قدیمی که از هوا یا دود چوب برای خشک‌کردن استفاده می‌شد چندین روزبه طول می‌انجامید. به هر صورت ورقه یا دانه خشک‌شده متراکم و از آن عدل‌هایی به وزن 33 کیلوگرم می‌سازند. مقداری از لاستیک طبیعی به‌صورت شیرابه (که پس از پایداری سازی با آمونیاکی تغلیظ و تا رسیدن به محتوای 60 درصد جامد در دستگاه مرکزگریز قرار داده‌شده است) به بازار عرضه می‌شود.
پیش از آنکه لاستیک را بتوان با انواع افزودنی‌های لازم آمیزه کاری کرد باید نرم شود. این عمل با یک آسیای دوغلتکی (که غلتک‌های آن با سرعت متفاوت می‌چرخند) یا یک مخلوط‌کن (که در آن پره‌های خارج از مرکز لاستیک را به جداره‌های مخلوط‌کن می‌فشارند) انجام می‌گیرد. پس از نرم کردن، مواد آمیزه کاری مثل دوده (به‌عنوان پرکن)، گوگرد یا ترکیبات گوگردی (برای وولکانش9، تسریع‌کننده وولکانش، پاداکسنده محافظ و روغن بر روی همان غلتک‌ها یا مخلوط‌کن اضافه می‌شوند. مخلوط‌کن‌های غلتکی تنها در کوچک‌ترین واحدها استفاده می‌شوند. مخلوط‌کن‌ها خیلی بزرگ‌اند و تنها مقدار کمی لاستیک را در یک‌زمان می‌توانند عمل‌آورند. یک نمونه مخلوط‌کن ممکن است به ارتفاع یک ساختمان دوطبقه باشد و درعین‌حال تنها بسته‌های 250 کیلوگرمی را جوابگو باشد.
پس از اختلاط، لاستیک با روزن رانی یا قالب‌گیری به شکل محصول دلخواه درمی‌آید و بعد پخت می‌شود. وولکانش به یک بسپار گرماسخت شبکه‌ای می‌انجامد که با گرمادهی مجدد نرم یا ذوب نمی‌شود. برای دستیابی به خواص بهینه در لاستیک پخت شده کنترل دقیق گرمای وولکانش ( 140 یا بالاتر) مهم است. ازآنجاکه وولکانش عملی شیمیایی است، سرعت آن با دما افزایش می‌یابد و باید دقت کرد که پیش از موعد انجام نگیرد.
لاستیک طبیعی یا کائوچو، سیس-1، 4- پلی ایزوپرن است و مولکول‌های آن براثر کشش بلوری می‌شوند، بدین ترتیب شکل مطلوبی از تقویت حاصل می‌شود. به‌عنوان پیش‌نیاز ساختاری، مولکول‌های لاستیک‌های طبیعی و سنتزی باید طویل باشند. خاصیت مشخصه کشیدگی برگشت‌پذیر به دلیل ترتیب اتفاقی و کلافی زنجیرهای بلند بسپاری است. براثر کشش، زنجیرها به هم می‌خورند ولی مثل یک فلز، پس از رها کردن تنش به شکل کلافی خود برمی‌گردند. لاستیک طبیعی، 6 تا %8 مواد غیر لاستیکی دارد و در برابر گرما اندوزی مقاومت زیادی نشان می‌دهد. جدول 1، تکپارها، بسپارها یا هم‌بسپارهای انواع لاستیک‌ها را نشان می‌دهد.
لاستیک سنتزی
لاستیک‌های سنتزی به دو گروه وولکانش پذیر و وولکانش ناپذیر دسته‌بندی‌شده‌اند، این کار از طریق ترکیب شیمیایی زنجیر بسپار هم انجام می‌گیرد. جدول 2، انواع و دسته‌های مختلف لاستیک‌ها را به همراه علائم اختصاری پذیرفته‌شده آن‌ها نشان می‌دهد. پرمصرف‌ترین لاستیک سنتزی SBR است. از دیگر کشپارهای معمول می‌توان پلی بوتادی ان، پلی‌اتیلن- پروپیلن، لاستیک بوتیل، نئوپرن، لاستیک‌های نیتریل و پلی ایزوپرن را نام برد.
آمیزه کاری لاستیک‌ها
لاستیک (طبیعی یا سنتزی) معمولاً به‌تنهایی قابل‌استفاده نیست. خواص مطلوب نرمینگی، کشسانی، چقرمگی، سختی یا نرمی، مقاومت سایشی، نفوذناپذیری (ناتراوایی) و هزاران ترکیب مختلف از خواص، به دست آمیزه کار لاستیک تأمین می‌شود. یک نمونه آمیزه لاستیکی در جدول 3 نشان داده‌شده است.
افزودنی‌های شیمیایی بسته به مصرفشان به گروه‌های زیر دسته‌بندی می‌شوند (جدول 4) . مواد وولکانش معمولاً ترکیبات گوگردی هستند که از واکنش آن‌ها با بسپار مواد شبکه‌ای به دست می‌آید و اتصالات شبکه از نوع –C-Sx-C- است. اتصالات عرضی ممکن است مونو-، دی-، یا پلی سولفیدی باشند. نوع اتصال از طریق غلظت گوگرد، تسریع‌کننده، بازدارنده و دما تعیین می‌شود. غالب شرایط تولید یک محصول خاص تجربی هستند ولی پایه علمی برای تعیین شرایط وولکانش ریخته شده است. تسریع‌کننده‌ها ترکیباتی هستند که زمان لازم برای وولکانش لاستیک را از چند ساعت به چند دقیقه کاهش می‌دهند. ضمناً به گوگرد کمتری نیاز است و محصول یکنواخت‌تری هم به دست می‌آید. مکانیسم عمل تسریع‌کننده باوجود پژوهش‌های گسترده روشن نیست ولی فرض بر این است که شکل فعال‌شده گوگرد، در مواضع واکنش‌پذیر مولکول لاستیک ، “پل گوگردی” تشکیل می‌دهد و بااتصال مولکول‌های بزرگ یک شبکه سخت به وجود می‌آورد. اغلب تسریع‌کننده‌ها نیتروژن و گوگرد دارند.
مواد ضد پیری یا پاداکسنده‌ها، قطعات لاستیکی را از تهاجم اکسیژن و اوزون محافظت می‌کنند. این ترکیبات به‌عنوان پاداکسنده، ضد اوزون یا عوامل ضد ترک خمشی دسته‌بندی می‌شوند. عمل آن‌ها به این صورت است که واکنش‌های زنجیری رادیکالی را متوقف می‌کنند و بدین ترتیب مانع از تخریب بیشتر زنجیر می‌شوند. مواد صنعتی معمولاً آمینی یا فنولی هستند. آمین‌ها محافظه‌ای قوی هستند و به شکل وسیع در تایر و سایر قطعات تیره مصرف می‌شوند (جایی که تغییر رنگ یا رنگ‌زایی مهم نباشد). نمونه ترکیبات آمینی عبارت‌اند از: دی فنیل آمین آلکیل دار شده، -pفنیل دی آمین آلکیل دار شده یا آریل دار شده، محصولات واکنش آمین‌های آروماتیک با آلدئیدها یا کنون‌ها. در خصوص قطعات به رنگ روشن از فنول آلکیل دار شده و مشتقات آن استفاده می‌شود تا حفاظت لاستیک در برابر اکسیژن با کمترین تغییر رنگ حاصل شود.
نرم‌کننده‌های کاتالیزی یا مواد لخته زدا، با کاهش گرانروی لاستیک فرآوری آن را آسان می‌کنند. موقع اختلاط با لاستیک، سبب شکست زنجیر و طبعاً کاهش وزن مولکولی می‌شوند. مواد لخته زدا هم در بازیافت لاستیک وولکانیده و هم در نرم کردن مواد خام با جرم مولکولی زیاد قابل‌استفاده‌اند. پرکن‌های بی‌اثر یا خنثی در مقدار زیاد به لاستیک اضافه می‌شوند. بعضی از آن‌ها تنها برای سخت کردن یا نرم کردن آمیزه به کار گرفته می‌شوند. برخی دیگر تأثیر قابل‌توجهی موسوم به اثر تقویت به‌جا می‌گذارند که ماهیت آن شیمیایی فیزیکی است. خاک رس، کلسیم کربناتف خرده زغالف باریت و تقریباً گرد هر جامدی را می‌توان به لاستیک افزود که درنتیجه آن کلیه خواص کششی کاهش می‌یابد، ولی درعین‌حال کاهش قیمت، سختی مناسب، حفظ شکل، رنگ و سایر خواص مطلوب از دیگر آثار آن است. اما گرد بعضی مواد بی‌شکل خصوصاً دوده و سیلیس، به طرز ناباورانه‌ای سبب افزایش استحکام، جهندگی، مقاومت سایشی و سایر خواص مطلوب می‌شود و به همین سبب به تقویت‌کننده موسوم‌اند. فراوری پذیری با استفاده از لاستیک بازیافتی، واکس‌ها، روغن‌ها، فاکتیس (روغن‌های گیاهی وولکانیده) و لاستیک‌های معدنی (آسفالت، قیر و هیدروکربن‌های سیرنشده وولکانیده) یا از طریق واکنش شیمیایی روی مولکول، کار مکانیکی، گرما و خرد کردن بهبود می‌یابد. ساختار اسفنجی با افزودن سدیم بی‌کربنات، آمونیوم کربنات و بی‌کربنات، اوره یا ترکیبات آلی گاززا به دست می‌آید. با افزایش قابل‌توجه گوگرد و استفاده از پرکن در مقادیر زیاد به لاستیک سخت می‌توان دست‌یافت.
ساخت لاستیک
همانند یک ماده پلاستیک، عملیات پخش کردن، چسب کاری، غلتک زنی، قالب‌گیری، روزن زانی، بتونه‌کاری، شکل‌دهی، پوشش دهی روی پارچه، پلاستیک یا فلز؛ ساندویچ کردن و آب‌بندی را می‌توان با لاستیک‌ها هم انجام داد لاستیک ماده‌ای بی‌نهایت چقرمه است و به ماشین‌آلات سنگین نیاز دارد.
غلتک زنی یا پوشش دهی
یکی از ابتدایی‌ترین مصارف لاستیک‌ها، پوشش دهی پارچه برای ضد آب‌کردن آن بوده است. محلول یا بتونه‌های لاستیکی در حلال‌ها را می‌توان به‌سادگی روی پارچه پخش کرد، اما اگر از مواد لازم برای پخت و کنترل خواص استفاده نشود نتایج کاملاً نامطلوبی به دست می‌آید. برای آغشته کردن پارچه به آمیزه‌های لاستیکی از روش غلتک زنی استفاده می‌شود، به این صورت که بر روی دستگاه‌های غلتک زن چند استوانه‌ای آمیزه لاستیکی را تحت‌فشار به داخل پارچه نورد می‌کنند. نخ تایر مورد خاصی است که برای ساخت آن نخ‌های پنبه، ریون، نایلون یا پلی‌استر در آرایش موازی توسط لاستیک روی یکدستگاه غلتک زن به می‌چسبند.
قالب‌گیری
آمیزه‌های خمیری لاستیکی را می‌توان به هر شکلی قابلگیری، و شکل آن‌ها را با پخت در قابل تثبیت کرد. یک نمونه مناسب توپ تنیس است. یک نوع بسیار مرغوب و ارتجاع پذیر لاستیک در قالبی که به شکل دونیمه توپ است قالب‌گیری می‌شود. سپس این دونیمه را به هم می‌چسبانند (با قرصی از ماده‌ای شیمیایی گاززا که در داخل قرار دارد) و پخت می‌کنند ( محصول مغزی توپ است)، بر روی این مغزی، پارچه و الیاف پرزدار مناسب چسبانده می‌شود. این ماده سازه‌ای است پیچیده که برای مصارف خیلی خشن مناسب است.
روزن رانی
نوار درزگیر، شیلنگی تیوپ، نخ تایر، واشر، پروفیل و بسیاری دیگر از قطعات لاستیکی به تقلید از روش روزن رانی پلاستیک‌ها ساخته و در طول همین عملیات یا بعداً پخت می‌شوند. تایر خودروها نمونه مناسبی است. مصرف عمده لاستیک در حمل‌ونقل است که به مصرف تایر می‌رسد. تایر در مراحل مختلف و با استفاده از سیم، نخ، پارچه و لاستیک به شکل حلقه درمی‌آید و روی طوقه سوار می‌شود. این فرآورده هوا را به مدت ماه‌ها یا سال‌ها در خود نگه می‌دارد، در برابر گرما اندوزی ناشی از کار و حمله هوا، اوزون، روغن‌ها و مواد شیمیایی مقاومت می‌کند و ده‌ها هزار کیلومتر را روی جاده‌ها و بزرگراه‌ها و در شرایط بسیار ساینده طی می‌کند.
تایر روی غلتکی دوار و تاشو به شکل استوانه سوار می‌شود. لایه‌های نخ که به یک آمیزه مناسب پوشانده شده‌اند لایه به لایه قرار داده می‌شوند به این صورت که یک‌لایه دو لبه تایر را از یک‌جهت و لایه بعد دو لبه را زا جهت دیگر به هم وصل می‌کند. لبه‌های تایر- کابل سیمی نشانده شده در یک لاستیک سخت چقرمه – با برگرداندن ته پارچه نخی به تایر دوخته می‌شوند. در آخر، آج تایر که از طریق روزن رانی شکل داده می‌شود روی دستگاه سوار می‌شود و انتهای اجزا روی‌هم قرار می‌گیرد. غلتک تایرسازی جمع می‌شود و بعد تایر استوانه‌ای شکل پس از درآوردن از غلتک داخل پرس گذاشته می‌شود. در این قسمت، کیسه‌ای بادشانی که معمولاً از لاستیک بوتیل ساخته می‌شود و روی ساقه‌ای متحرک قرار دارد در داخل تایر باد می‌شود، هم‌زمان قالب پرس بسته می‌شود و تایر به شکل حلقه درمی‌آید. گرما از طریق قالب و بخار داخل یسه اعمال می‌شود. لاستیک اضافی از منافذی بیرون می‌زند و پس از طی زمانی معلوم در دمایی از پیش تعیین‌شده، تایر ساخته می‌شود. تایرهای امروزی ممکن است فاقد تیوب باشند که در این صورت مجهز به لایه‌ای محافظ هستند یا اینکه تیوب روزن رانی شده از جنس لاستیک بوتیل بااینکه بسیار بی‌اثر یا “مرده” است ولی در برابر عبور هوا مقاومت بسیار عالی از خود نشان می‌دهد. در خودروهای جدید، لاستیک را علاوه بر استفاده در تایر در پروفیل پنجره، نوار درزگیر، برف‌پاک‌کن، شاسی موتور، صندلی و به‌عنوان صدا خفه کن نیز به کار می‌برند، به‌طوری‌که در هر وسیله نقلیه چیزی حدود kg115 لاستیک به کار می‌رود.
در سوار کردن تایرهای رادیال (شعاعی) روشی متفاوت با آنچه در تایرهای معمولی (که نخ‌های اریب قرار دارند) اعمال می‌شود به کار می‌رود. از تسمه‌های ریون، پلی‌استر، الیاف شیشه و فولاد همگی دراین نوع تایرها استفاده می‌شود.
آمیزه‌های شیرابه‌ای
شیرابه‌های غلیظ امکان استفاده از لاستیک را در شکل مایع فراهم می‌کنند، به صورتی که می‌توان عملیات پخش کردن، رنگ کردن، غوطه‌وری یا اسفنج سازی را روی آن‌ها اجرا کرد. مواد پخت به شکل تعلیق اضافه می‌شوند ولی تقویت روی شیرابه‌ها چندان مؤثر نیست. بااینکه تجارت مبلمان، بالش و تشک اسفنجی به استفاده از لاستیک‌های پلی اورتان و پلی اتر روی آورده، ولی استفاده از شیرابه‌ها رو به گسترش است.
لاستیک بازیافتی
لاستیک بازیافتی ماده‌ای مفید در آمیزه کاری است که از قطعات لاستیکی ضایعاتی به دست می‌آید. ابتدا قطعات را خرد و سپس با اعمال روش‌های توأم شیمیایی، مکانیکی و حلال، لاستیک، پارچه، فلز و سایر اجزای آن را جدا می‌کنند. لاستیک بازیافتی تا حدی وابسپارش می‌شود و درصد بالایی دوده (یا رنگ‌دانه دیگر)، خاکستر و روغن دارد. با افزودن این ماده به آمیزه لاستیکی، فراوری آمیزه بهتر می‌شود و معمولاً به‌عنوان یک ماده ضایعاتی ارزان در محصولات بسیار ارزان هم به کار می‌رود. تنها حدود 10 درصد لاستیک‌های نو بازیافت می‌شوند. استفاده از خرده تایرهای مستعمل در آسفالت (به‌صورت مصالح جاده آسفالتی) نسبت به اسفالت معمولی مزایای بی‌شماری دارد. با اجرای این فرایند سوئدی که در ایالات‌متحده به پلاس –راید موسوم است، عمر جاده‌ها بیش از چهار برابر شده، اصطکاک چرخ با سطح جاده افزایش‌یافته، صدا و براقی سطح جاده هم کاهش‌یافته است.
مشتقات لاستیکی
از لاستیک‌های به‌ویژه لاستیک طبیعی به‌عنوان ماده اولیه در تولید انواع مشتقات لاستیکی استفاده‌شده است. صنایع پلاستیک در حال حاضر به این دست مواد شیمیایی لاستیکی روی آورده است، چون خود لاستیک یک ماده اولیه گران است. هالیدها با لاستیک در موضع پیوند دوگانه‌اش واکنش می‌دهند، محصول، لاستیک کلردار (از برم و ید هم می‌توان استفاده کرد) است که به‌عنوان افزودنی رنگ قابل استفاده و در مقابل مواد شیمیایی مقاوم است. از عمل هیدروژن کلرید بر محلول لاستیک در بنزن، مشتق هیدروکلرید لاستیک به دست می‌آید که بدون شک از بسیاری جوانب با خود لاستیک تفاوت دارد. این ماده پلاستیکی چقرمه و شفاف است که از فیلم آن دربسته بندی استفاده می‌شود. مشتق هیدروکلرید لاستیک در برابر مواد شیمیایی مقاوم است، فیلم نازک عالی به دست می‌دهد و ضمناً رنگ، بو و مزه هم ندارد. PVC، پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و پلاستیک‌های جدیدتر کاربرد این مشتق گران را محدود کرده‌اند. از مخلوط لاستیک‌ها و رزین‌ها به‌وفور استفاده می‌شود، با افزودن لاستیک، خواص ویژه‌ای چون مقاومت ضربه‌ای، کش پذیری و جهندگی افزایش می‌یابد.
