رزین فنولیک برای مواد کامپوزیت چگونه در برابر خوردگی شیمیایی مقاومت می‌کند؟

مقدمه

رزین های فنولیکبرای چندین دهه به عنوان یک ماده ماتریس ترموست پایه در صنعت کامپوزیت عمل کرده اند. از جمله مهمترین ویژگی های آنها مقاومت در برابر محیط های شیمیایی است. با این حال، بیانیه "رزین فنولیک در برابر مواد شیمیایی مقاوم است" به شرایط قابل توجهی نیاز دارد. برای مهندسان، متخصصان تدارکات و طراحانی که کامپوزیت‌های فنلی را برای شرایط خدمات تهاجمی شیمیایی ارزیابی می‌کنند، سؤال مربوطه این نیست که آیا رزین به صورت مطلق «مقاوم در برابر شیمیایی» است، بلکه این است: تحت چه شرایط خاصی، در برابر کدام محیط، و با حفظ چه عملکردی یک فرمول فنولی خاص عملکرد قابل قبولی دارد؟

این مقاله به بررسی مبانی علمی مقاومت شیمیایی درکامپوزیت های رزین فنلی، تصورات غلط رایج را روشن می کند و چارچوبی برای ارزیابی مطالب مسئول فراهم می کند.

ساختار شیمیایی و پیامدهای آن برای مقاومت شیمیایی

رزین های فنولیک از طریق پلی تراکم فنل یا فنل های جایگزین شده با فرمالدئید سنتز می شوند. ساختار پلیمری نهایی به شدت به نوع رزین - نوولاک یا رزوله - و تاریخچه پخت بستگی دارد.

یک شبکه فنلی پخته شده معمولاً حاوی حلقه‌های فنل معطر است که عمدتاً توسط پل‌های متیلن به هم متصل می‌شوند. بسته به سیستم رزین و شرایط خاص پخت، شبکه همچنین ممکن است حاوی پیوندهای دی متیلن اتر باشد که شیوع آن می تواند با شیمی رزین و تاریخچه پخت متفاوت باشد. نسبت‌های نسبی این ساختارهای پل بر واکنش حرارتی و شیمیایی مواد تأثیر می‌گذارد.

چندین ویژگی ساختاری می توانند بر پاسخ شیمیایی تأثیر بگذارند. حلقه‌های آروماتیک ممکن است به دلیل جابجایی رزونانس پایداری ایجاد کنند، اما این پایداری کل شبکه را در برابر حمله همه عوامل شیمیایی تحت شرایط تهاجمی مصون نمی‌سازد. گروه‌های هیدروکسیل فنلی قطبی هستند و ممکن است با محیط‌های قطبی تعامل داشته باشند و به طور بالقوه به عنوان مکان‌هایی برای پیوند هیدروژنی با آب جذب شده یا سایر مولکول‌های قطبی عمل کنند. پل های متیلن و پیوندهای دی متیلن اتر بسته به محیط خاص می توانند از نظر حساسیت به حملات اکسیداتیو، حرارتی یا هیدرولیتیک متفاوت باشند. مونومرهای باقیمانده و ساختارهای پخت ناقص ممکن است شسته شوند یا تحت شرایط خاصی با محیط تماس واکنش دهند. چگالی اتصالات متقاطع بر تحرک زنجیره حاکم است اما مانعی غیرقابل نفوذ برای ورود مواد شیمیایی ایجاد نمی کند.

تمایز بین پیش پلیمرهای پخته نشده یا نیمه پخته شده، شبکه های ترموست پخته شده، رزین های تمیز، کامپوزیت های پر شده یا تقویت شده با الیاف و محصولات نهایی ضروری است. ویژگی های ایجاد شده برای یک فرم را نمی توان بدون تأیید آزمایشی به دیگری تعمیم داد.

اتصالات عرضی و محدودیت های حمل و نقل

یک ساده سازی فراگیر در بحث مقاومت شیمیایی رزین فنلی این ادعا است که یک شبکه بسیار متقابل به طور فیزیکی از نفوذ مولکول های تهاجمی به مواد جلوگیری می کند.

یک شبکه متقابل توسعه یافته تر می تواند تحرک زنجیره را محدود کند و ممکن است انحلال یا تورم را در برخی رسانه ها کاهش دهد. با این حال، رفتار حمل و نقل به عوامل متعددی از جمله اندازه و قطبیت نافذ، دما، حجم آزاد، ناهمگونی شبکه، ریزحفره‌ها، نقص‌های نانومقیاس، ترک‌ها، رابط‌ها و تاریخچه مواجهه بستگی دارد. شبکه متقاطع حاوی حجم آزاد و ریزحفره ها است و مسیرهای مویرگی ممکن است در مرزهای ماتریس فیبر وجود داشته باشد.

مایعات و بخارات می توانند وارد شوندرزین های فنولیکاز طریق این مسیرها هنگامی که در داخل، گونه های شیمیایی ممکن است ترکیبی از انتشار و نفوذ، جذب و تورم، پلاستیک، شسته شدن اجزای واکنش نداده، اکسیداسیون یا واکنش های دیگر، بریدگی زنجیره، و جدا شدن سطحی ایجاد کنند. اثر نهایی بر روی کامپوزیت را نه باید بر اساس این که آیا نفوذ رخ می دهد، بلکه با این که آیا درجه نفوذ باعث تغییرات غیرقابل قبول در خواص مربوط به کاربرد می شود ارزیابی شود.

مقاومت شیمیایی: یک سیستم چند متغیره

مقاومت شیمیایی در کامپوزیت های رزین فنلی یک ویژگی ماده واحد نیست. این نتیجه یک تعامل بین یک فرمول خاص و یک محیط شیمیایی خاص است.

متغیرهایی که مقاومت را تعیین می کنند

قبل از اینکه بتوان هر گونه اظهار نظر معنی داری در مورد مقاومت شیمیایی بیان کرد، متغیرهای زیر باید تعریف شوند.

• فرمول رزین شامل نوولاک در مقابل رزول، نوع و مقدار کاتالیزور، محتوای اصلاح کننده، نوع پرکننده، بارگیری و عملیات سطحی، و نوع فیبر، اندازه و معماری است.
• حالت پخت شامل درجه تبدیل، مشخصات دما و زمان پخت و شرایط پس از پخت است.
• متغیرهای محیط شیمیایی شامل هویت شیمیایی دقیق، غلظت یا ترکیب مخلوط، pH، وجود گونه‌های اکسیدکننده یا احیاکننده و آلاینده‌های مربوطه است.
• شرایط قرار گرفتن در معرض شامل دما، تماس مداوم یا متناوب، قرار گرفتن در معرض بخار، پاشش یا ریختن، مدت زمان، و تنش یا کرنش مکانیکی در طول قرار گرفتن در معرض است.
• ویژگی های نمونه آزمایشی شامل هندسه، ضخامت، وضعیت سطح، جهت الیاف و محتوای خالی است. این ویژگی ها باید به گونه ای انتخاب شوند که نشان دهنده مواد مورد نظر و شرایط ساخت باشد.

مشاهدات عمومی نیاز به صلاحیت دارد

متون منتشر شده و برگه‌های داده‌های عرضه‌کننده ممکن است گزارش دهند که رزین‌های فنلی مقاومت مفیدی در برابر اسیدهای معدنی رقیق خاص، طیفی از حلال‌های آلی یا محلول‌های نمک مختلف در شرایط خاص از خود نشان می‌دهند. با این حال، این عبارات کلی را نمی توان به طور خودکار به یک فرمول فنلی خاص منتقل کرد، غلظت، دما یا محدودیت های زمانی را برای درجه دیگر تعیین نمی کند، حفظ خواص مکانیکی را ایجاد نمی کند، و ممکن است رابط های فیبر-ماتریس را در اشکال ترکیبی به حساب نیاورند.

سیستم‌های مختلف رزین فنلی ممکن است حفظ عملکرد مفیدی را در محیط‌های شیمیایی خاص از خود نشان دهند، اما نتایج سازگاری نباید بدون در نظر گرفتن درجه‌ها، فرمول‌بندی‌ها، حالت‌های درمان و شرایط قرار گرفتن در معرض تعمیم داده شود. سازگاری رسانه خاص نیاز به آزمایش نمونه نماینده دارد.

تقویت فیبر و اثر رابط

پرکننده ها و الیاف تقویت کننده به طور خودکار مقاومت شیمیایی را در همه محیط ها بهبود نمی بخشند. الیاف شیشه، الیاف کربن و پرکننده های معدنی برای ترکیبی از الزامات مکانیکی، حرارتی، الکتریکی، ابعادی و پردازشی انتخاب می شوند.

اثرات آنها بر پاسخ شیمیایی غیر مستقیم و وابسته به فرمولاسیون است. رابط های فیبر ماتریس، خیس شدن ناقص، تخلخل، ریزترک ها، لبه های آشکار و سایر عیوب تولید ممکن است مسیرهای انتقال را فراهم کنند. برخی پرکننده‌ها نیز ممکن است با رسانه‌های خاصی تعامل داشته باشند. مقاومت شیمیایی یک کامپوزیت را نمی توان تنها از عملکرد رزین تمیز استنباط کرد. بنابراین در آزمایش باید از نمونه های کامپوزیتی که نماینده لمینیت یا قطعه قالب گیری مورد نظر هستند استفاده شود.

درمان ویندوز و یکپارچگی ساختاری

رابطه بین شرایط پخت و مقاومت شیمیایی متفاوت است. تحت شرایط فرمولاسیون و قرار گرفتن در شرایط مشابه، پخت کامل تر ممکن است مونومرهای واکنش نداده یا گونه های با وزن مولکولی پایین را که می توانند استخراج شوند یا با محیط تماس واکنش نشان دهند، کاهش دهد. یک شبکه توسعه یافته تر نیز ممکن است تورم تعادل را در برخی از سیستم های حلال کاهش دهد.

با این حال، خروج از یک درمان معتبر یا پنجره پس از درمان ممکن است استرس داخلی، شکنندگی، تشکیل نقص یا شرایط رابط را تغییر دهد. نتیجه به سیستم رزین، هندسه قطعه، تاریخچه حرارتی و تقویت بستگی دارد. نه شدت درمان بیشتر و نه تراکم اتصال عرضی بالاتر نباید برای بهبود مقاومت شیمیایی در هر کاربرد فرض شود.

چارچوب ارزیابی برای ارزیابی مقاومت شیمیایی

کامپوزیت های رزین فنولی که برای قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی در نظر گرفته شده اند باید با استفاده از یک برنامه آزمایشی ساختاریافته و خاص ارزیابی شوند.

پارامترهای نوردهی برای تعریف

طرح آزمایش باید هویت و ترکیب شیمیایی، غلظت، حالت قرار گرفتن در معرض، دما، مدت زمان قرار گرفتن در معرض، بارگذاری مکانیکی مربوطه و مشخصات نمونه را مشخص کند. مخلوط ها و آلاینده های مربوطه باید در جایی که بخشی از محیط خدمات واقعی هستند درج شوند. نمونه‌های آزمایشی باید فرمول مورد نظر، تقویت‌کننده، زمان‌بندی پخت، هندسه، وضعیت سطح و پیکربندی لبه‌های باز را تا حد امکان منعکس کنند.

اندازه گیری اموال قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض

ASTM D543-21 روش‌هایی را برای ارزیابی پلاستیک‌های در معرض واکنش‌های شیمیایی ارائه می‌کند و شامل مقرراتی برای گزارش تغییرات وزن، ابعاد، ظاهر، رنگ، استحکام و سایر خواص مکانیکی تحت شرایط قرار گرفتن در معرض انتخاب‌شده است. ویژگی های انتخاب شده باید به جای پیروی از یک لیست حداقل جهانی، با الزامات عملکردی جزء مطابقت داشته باشد.

عدم وجود آسیب قابل مشاهده نشان نمی دهد که خواص مکانیکی، الکتریکی، ابعادی یا سطحی حفظ شده است. در صورت لزوم، اندازه‌گیری‌های تکمیلی ویژه برنامه ممکن است علاوه بر ویژگی‌هایی که توسط ASTM D543-21 نشان داده شده است، انتخاب شوند. چنین اندازه‌گیری‌ها الزامات ASTM D543-21 نیستند.

معیارهای پذیرش

معیارهای پذیرش و تغییرات مجاز باید قبل از آزمایش بر اساس عملکرد جزء، ریسک، نیازهای مشتری و مشخصات قابل اجرا تعیین شوند. ASTM D543-21 به‌جای محدودیت‌های عبور یا شکست جهانی، شیوه‌های رویه‌ای را ارائه می‌کند.

محیط انتخاب شده، غلظت، دما، زمان قرار گرفتن در معرض و شرایط تنش باید منعکس کننده محیط خدمات مورد نظر باشد. آزمایش تحت ASTM D543-21 یا روش معتبر دیگر مناسب به خودی خود مناسب بودن را برای یک برنامه خاص ایجاد نمی کند.

منابع داده: TDS، SDS، و محدودیت اطلاعات منتشر شده

برگه داده های فنی ممکن است شناسایی درجه، توصیه های پردازش و ویژگی های معمولی یا مشخصات انتخاب شده را ارائه دهد. محتویات دقیق در بین محصولات و تامین کنندگان متفاوت است. این داده‌های سازگاری جامع را برای هر محیط شیمیایی، غلظت، دما و دوره قرار گرفتن در معرض ارائه نمی‌کند و جایگزین آزمایش نمونه‌های معرف در شرایط مورد نظر نمی‌شود.

برگه اطلاعات ایمنی به ارتباطات خطر و اطلاعات مربوط به جابجایی ایمن، ذخیره سازی، واکنش اضطراری و دفع محصول ارائه شده می پردازد. مقاومت شیمیایی یک کامپوزیت پخته شده را ایجاد نمی کند یا مبنای مهندسی برای صلاحیت اجزای نهایی فراهم نمی کند.

نمودارهای مقاومت شیمیایی منتشر شده ممکن است از غربالگری اولیه پشتیبانی کند، اما نباید با استفاده از فرمول خاص و پیکربندی قطعه نماینده، اعتبارسنجی را جایگزین کند.

صلاحیت ویژه برنامه

هر استفاده مورد نظر از یک کامپوزیت فنلی شامل ترکیب خاصی از محیط های شیمیایی، دما، بارگذاری مکانیکی، شرایط ساخت و الزامات عملکرد است. فرمولاسیونی که عملکرد قابل قبولی در یک کاربرد دارد را نمی توان بدون آزمون صلاحیت برای دیگری مناسب فرض کرد.

نتیجه گیری

کامپوزیت‌های رزین فنلی ممکن است عملکرد مفیدی را در محیط‌های شیمیایی انتخاب شده در صورت فرمول‌بندی، پردازش و اعتبارسنجی مناسب ارائه دهند. مقاومت شیمیایی آنها یک پاسخ در سطح سیستم است که تحت تأثیر شیمی رزین، حالت پخت، تقویت، رابط‌ها، کیفیت ساخت، شرایط قرار گرفتن در معرض و بارگذاری مکانیکی قرار می‌گیرد.

انتخاب مواد مسئول مستلزم تعریف محیط قرار گرفتن در معرض واقعی، آزمایش نمونه های مرکب معرف، اندازه گیری خواص مربوط به کاربرد و ایجاد معیارهای پذیرش خاص برنامه است. TDS، SDS و اطلاعات سازگاری منتشر شده می‌توانند از غربالگری اولیه پشتیبانی کنند، اما نمی‌توانند جایگزین اعتبارسنجی نماینده شوند.

تماس بگیرید

اطلاعات درجه موجود می تواند از غربالگری اولیه پشتیبانی کند. مهندسان و متخصصان تدارکات ممکن است فرم کامپوزیت، محیط شیمیایی و غلظت هدف، دمای عملیاتی، حالت و مدت زمان قرار گرفتن در معرض، بارگذاری مکانیکی، شرایط پخت و حفظ اموال مورد نیاز را ارائه دهند.

انتخاب نهایی مواد، ساخت کامپوزیت و اعتبارسنجی عملکرد باید با استفاده از فرمول‌های نماینده، شرایط پردازش و محیط‌های خدمات تکمیل شود.

مراجع

[1] Gardziella، A.، Pilato، LA، & Knop، A. (2000). رزین های فنولیک: شیمی، کاربردها، استانداردسازی، ایمنی و اکولوژی (ویرایش دوم). اسپرینگر برلین، هایدلبرگ. شابک گالینگور: 978-3-540-65517-6. ISBN کتاب الکترونیکی: 978-3-662-04101-7.https://doi.org/10.1007/978-3-662-04101-7

[2] پیلاتو، لس آنجلس (ویرایش). (2010). رزین های فنولیک: یک قرن پیشرفت اسپرینگر برلین، هایدلبرگ. شابک گالینگور: 978-3-642-04713-8. ISBN کتاب الکترونیکی: 978-3-642-04714-5.https://doi.org/10.1007/978-3-642-04714-5

[3] ASTM International. (2021). ASTM D543-21: روش های استاندارد برای ارزیابی مقاومت پلاستیک ها در برابر معرف های شیمیایی. ASTM International.https://doi.org/10.1520/D0543-21