أنواع المطاط : المطاط الطبيعي – المطاط الصناعي

أكتشاف المطاط الطبيعي وتطوره

– عندما وصل الغزاة الأسبان الأوائل إلى الدنيا الجديدة، وجدوا أن بعض أطفال الهنود الحمر يلعبون بكرات مصنوعة من مادة غريبة (المطاط الطبيعي)، ولها القدرة على الارتداد عند ارتطامها بسطح الأرض.

– لم يهتم الأسبان الأوائل بهذه المادة، فقد كان هدفهم الأول هو البحث عن الذهب وبعض مصادر الثروة الأخرى، ولذلك لم يعيروا التفاتاً لهذه الكرات ولا للمادة المصنوعة منها.

– في عام 1521 رأى بعض المستكشفين الأسبان بعض الوطنيين من أهل المكسيك وهم يستخرجون مادة لبنية مرنة من أشجار خاصة كانوا يطلقون عليها اسم كاو أوتشو Cao Auchu ، وهى كلمة تعنى فى لغتهم (الشجرة الباكية) أو (شجرة الدموع).

– كان الوطنيون يقومون بتشريط لحاء هذه الأشجار فيخرج منها نز يشبه اللبن، يجمعونه فى أوانى خاصة ويتركونه جانباً مدة من الزمن فينفصل هذا النز إلى ماء وسائل كثيف، وبعد أن يتخلصوا من الماء يحولون السائل الكثيف إلى کرات يزداد تماسكها عند تعريضها للحرارة.

– بعد نحو مائتي عام روى بعض الفرنسيين الذين كانوا يستكشفون الأراضي الممتدة على طول نهر الأمازون أن سكان هذه المناطق من الهنود كانوا يصنعون من هذه المادة صنادل ونعالاً وبعض الأقداح، وأطلقوا على هذه المادة اسم (الكاوتشوك) وهو اسم مستخرج أو محرف من الاسم الوطني لشجرة المطاط.

– عندما أخذ الكاوتشوك إلى أوربا لم يهتم به أحد، فلم تكن له فائدة معروفة فى ذلك الحين، وكانت أى أداة تصنع منه تصبح لزجة في الجو الحار، وتتحول إلى مادة هشة فى الشتاء البارد في أوربا.

– أول من اكتشف فائدة للكاوتشوك كان العالم الإنجليزي (بريستلي) فقد وجد عام 1766 أنه يمحو الكتابة بأقلام الرصاص من على الورق، ولهذا أطلق عليه اسم (Rubber) وهى تعنى الماحى أو المساح.

– في عام 1823 صنع شاب إسكتلندى يدعى (تشارلز ماكنتوش) نوعاً من النسيج لا ينفذ منه الماء، وذلك بوضع طبقة رقيقة من المطاط بين طبقين من النسيج، وضغطهما معاً. وقد كانت هذه هي البداية الأولى في تصنيع المعاطف الواقية من المطر، وعرفت فيما بعد باسم (معاطف ماكنتوش) نسبة إلى مبتكرها، ولكن نسيج هذه المعاطف كان ينكمش ويتجعد ويتحول إلى نسيج يابس في الجو البارد، كما كانت تنطلق منها رائحة منفرة في الجو الحار.

محاولات تحسين صفات المطاط الطبيعي

– كانت هناك محاولات عدة لتحسين صفات المطاط الطبيعي أهمها المحاولات التي كان يجريها الأمريكي تشارلز جوديير Charles Goodyear ، وكان يعتقد أن معاملة المطاط الطبيعي بحمض النتريك قد تحسن خواصه، ولكن محاولاته الأولى التي أجراها عام 1836م لم تحقق النجاح المطلوب.

– علم (جوديير) أن رجلا هولنديا يدعى (فان چیونز Van Geuns) كان يستعمل بعض المحاليل المحتوية على الكبريت لتحسين صفات المطاط، ونجح في أن يصنع منه بعض الوسائد وبعض خراطيم الحريق.

– كذلك اطلع جوديير على تسجيل لطريقة ابتكرها رجل يدعى (هیوارد) Hayword عام 1835 واستخدم فيها مسحوق الكبريت بعد خلطه مع المطاط وتعريضه لضوء الشمس مدة من الزمن.

–  أسرع (جوديير) بشراء حقوق هذا التسجيل وبدأ في إجراء تجارب مماثلة، واكتشف فى إحدى هذه التجارب أن تسخين المطاط الطبيعي مع الكبريت يحسن كثيراً من خواصه ويحوله إلى جسم جامد مرن يمكن استخدامه في كثير من الأغراض، وعرفت هذه الطريقة فيما بعد باسم (الفلكنة) Vulcanization ، وقام بتسجيلها عام 1844.

– بعد اكتشاف طريقة الفلكنة زاد الطلب على المطاط الطبيعي الذي كان يستخرج من نوع من الشجر يعرف باسم (هيفيا برازیلنس) Hevea Brazilensis التي تنمو في حوض نهر الأمازون.

– كانت حكومة البرازيل تشدد الرقابة على مزارع أشجار المطاط باعتبارها ثروة قومية، ومصدراً هاماً للعملات الأوربية، ولكن الإنجليز وضعوا خطة للحصول على بذور هذه الأشجار لمحاولة زرعها فيما بعد في الهند وسيلان التي يشبه جوها الحار جو البرازيل.

– استطاع رجل إنجليزى الجنسية عام 1873 أن يهرب من الرقابة التي تفرضها حكومة البرازيل وخرج منها حاملا نحو 2000 بذرة من بذور هذه الأشجار، التي زرعت فيما بعد في الهند وسيلان ونمت فيهما بشكل طبيعي.

– انتقلت بعد ذلك زراعة شجر المطاط إلى الملايو عام 1907 ونقلها الهولنديون إلى أندونيسيا، وفعل ذلك الفرنسيون فى الهند الصينية.

– قدرت مساحة الأرض المزروعة بأشجار المطاط فى مناطق جنوب شرق آسيا بنحو 11 مليون فدان ويحتوى كل فدان منها على نحو 100 شجرة أو أكثر. وتبلغ كمية المطاط الطبيعي الناتج من كل فدان نحو 200 -300  كيلو جرام على أساس الوزن الجاف للمطاط.

بداية المطاط الصناعي

– عندما اشتد الطلب على المطاط الطبيعى نتيجة للتوسع الصناعي في بعض دول العالم، ونتيجة لاختراع السيارات وصنع الإطارات المملوءة بالهواء عام 1896، أصبحت الكميات المنتجة من المطاط الطبيعي لا تكفى لمقابلة الاحتياجات الصناعية، ولهذا بدأت المحاولات التى كان الهدف منها صنع مادة تشبه في خواصها المطاط الطبيعى ويمكن استعمالها بديلاً له.

– كانت ألمانيا من أوائل الدول التي شعرت بالحاجة إلى إيجاد بديل للمطاط الطبيعي وخاصة في أثناء الحرب العالمية الأولى عام 1914، فقد انقطعت عنها واردات المطاط الطبيعى الواردة من منطقة جنوب شرق آسيا، وكان على علماء الكيمياء بها أن يجدوا بديلاً له يمكن استخدامه فى التجهيزات الحربية الألمانية وفي غيرها من الصناعات.

– أول من اكتشف التركيب الكيميائي للمطاط الطبيعي كان العالم البريطاني (فارادای)، فقد اكتشف هذا العالم أن المطاط مركب عضوى يتكون من الكربون والهدروجين فقط، وأن نسبة وجودهما فيه هي خمس ذرات من الكربون إلى ثماني ذرات من الهدروجين، وبذلك أصبحت صيغته الكيميائية الأولية (C₅H₈).

– تبين عام 1860 ، أن المطاط الطبيعي يعطى عند تقطيره مركباً غير مشبع يتكون من نفس العدد من ذرات الكربون والهيدروجين أى أن صيغته الأولية كذلك هي (C₅H₈) وعرف باسم الأيزوبرين، وهو يشبه البيوتادايين في تركيبه بل هو مثيل بيوتادايين.

– اكتشف بعد ذلك كيميائى بريطاني يدعى ماتيوز (Matthews) أن الايزوبروين يمكن أن يتحول في وجود فلز الصوديوم، إلى بوليمر يشبه المطاط الطبيعي في خواصه العامة.

– نجح الألمان في خلال الحرب العالمية الأولى فى تحضير مطاط صناعي ببلمرة مركب غير مشبع من مشتقات البيوتادايين، ويعرف باسم ثنائي مثيل بيوتادايين، وأطلق على هذا المطاط اسم (المطاط المثيلي) Methyl Rubber وأنتجت منه كميات لا بأس بها، ولكنه لم يكن صالحاً للاستعمال في كل الأغراض، بالإضافة إلى أن تكلفته كانت مرتفعة إلى حد ما بسبب صعوبة الحصول على مركب ثنائي مثيل بيوتادايين في ذلك الوقت.

مطاط النيوبرين

– تمكن كيميائي أمريكي يدعى کاروزرس H. Carothers من بلمرة مرکب آخر غير مشبع من مشتقات البيوتادايين، ويعرف باسم (كلورو بيوتادايين)، وتحويله إلى مادة تشبه المطاط الطبيعي في خواصها المرنة، ولكنها جامدة إلى حد ما وتشبه المطاط المفلكن في خواصها.

– في عام 1932 قامت شركة (ديبون) الأمريكية بإنتاج مطاط صناعي من الكلورو بيوتادايين وأطلقت عليه اسم نيوبرین Neoprene.

– استعملت هذه المادة فى صناعة أنواع من الطلاء المقاوم للرطوبة وللأحماض ، كما استعملت في صنع بعض المواد اللاصقة، وصنعت منها بعض النعال المرنة للأحذية وعرفت باسم مطاط الكريب.

– صنعت بعد ذلك أنواع جديدة من المطاط الصناعي بطريقة (البلمرة المشتركة) Copolymerization لمادتين معاً إحداهما من نوع الأوليفين الثنائي التي تحتوى جزيئاتها على رابطتين غير مشبعتين والأخرى مادة مشتقة من الإثيلين وبجزيئاتها رابطة غير مشبعة واحدة.

مطاط بونا – S

– قامت شركة (باير) الألمانية عام 1935 بإنتاج مطاط صناعي من هذا النوع بالبلمرة المشتركة بين البيوتادايين وبين الستايرين في وجود فلز الصوديوم. 

– أطلق على هذا المطاط اسم ہونا – BUNA – S) S)، حيث ترمز (B) إلى البيوتادايين، و (Na) إلى فلز الصوديوم، و(S) إلى الستايرين.

– يمكن تغيير نسب كل من المادتين الداخلتين في صنع هذا المطاط وبذلك يمكن تغيير صفاته ومرونته والأوجه التي يستخدم فيها في الصناعة، فعند بلمرة البيوتادايين وحده ينتج بوليمر مرن وعالى المرونة من النوع الذي يطلق عليه إيلاستومر Elastomer ، كذلك عند بلمرة الستايرين وحده يعطى بوليمراً جامداً

– لهذا فإن زيادة نسبة البيوتادايين في مطاط بونا S تعطى نوعاً من المطاط المرن، أما زيادة نسبة الستايرين فى البوليمر المشترك فتعطى مطاطاً أكثر صلابة.

– صنع هذا المطاط في أمريكا كذلك وعرف باسم (المطاط الحكومي) Government Rubber ويرمز له بالرمز GRS.

– الستايرين يصنع من البنزين والإثيلين لتكوين مركب إثيل البنزين، ثم تنزع ذرتا هيدروجين من هذا المركب بواسطة أكسيد الحديد في عملية تعرف باسم نزع الهدروجين (Dehydrogenation)، فيتحول إلى الستايرين.

– كذلك كان البيوتادايين يصنع من غاز البيوتيلين الناتج من عمليات تكرير البترول، وذلك بنزع ذرتى هدروجين منه بواسطة مادة حافزة للتفاعل مثل فوسفات النيكل والكالسيوم.

– عادة ما تضاف مواد أخرى إلى خليط المادتين السابقتين في أثناء عملية البلمرة المشتركة والهدف من إضافة بعض هذه المواد هو السيطرة على درجة البلمرة وعلى طول السلاسل الهدروكربونية الناتجة.

– الناتج من تفاعل البلمرة عادة ما يكون على هيئة سائل لزج كثيف القوام، يعرف باسم (لاتكس Latex) ، وتزداد درجة لزوجة السائل بإضافة الملح، ثم يضاف إليه بعد ذلك حمض مخفف حتى يتخثر ويتجمع على هيئة كتل من المطاط المرن، يتم ترشيحها ثم تجفف.

– المطاط المرن أو الراتينجات التى تحتوى على نسبة عالية من البيوتاداين فهي تستعمل فى صنع أنواع من الطلاء وفى تكسية بعض أنواع من النسيج لجعلها منيعة للماء.

– أما المطاط من نوع بونا S الذى يحتوى على نسبة عالية من الستايرين والذي يتصف بصلابته، فيستعمل في صنع نعال الأحذية وفي بعض الأغراض الأخرى.

– النوع الغالب من مطاط بونا S يحتوى عادة على نسب متكافئة من كل من البيوتادايين والستايرين وهو يستعمل في صناعة الأنواع العادية من المطاط كما تصنع منه إطارات السيارات وغيرها.

– تطورت عملية البلمرة المشتركة حديثاً، فهى تجرى حالياً على هيئة مستحلب، وتتم فيها البلمرة في درجة الحرارة العادية، ولهذا تسمى البلمرة على البارد (Cold Polymerizations) والمطاط الناتج بهذه الطريقة شديد التحمل للاحتكاك والبرى، ويستخدم عادة في صنع الإطارات الخارجية للسيارات والشاحنات.

مطاط بونا – N

– حضر نوع آخر من المطاط بالبلمرة المشتركة للبيوتادايين مع الاكريلونتريل وهو مشتق السيانيد من الإثيلين.

– تتم البلمرة في هذه الحالة بخلط البيوتادايين مع الأكريلونتريل في وجود الماء وعامل حافز من فوق كبريتات الصوديوم ويلزم تبريد خليط التفاعل لأن التفاعل طارد للحرارة، وذلك منعاً لزيادة الضغط في إناء التفاعل نتيجة لوجود البيوتادايين .

– يعرف هذا المطاط باسم مطاط بونا-BUNA N) N) حيث ترمز (N) إلى الأكريلونتريل، وذلك في ألمانيا، أما في الولايات المتحدة فيطلق عليه اسم (GR – N).

– تتصف هذه الأنواع من المطاط بصفاتها الجيدة، فمطاط (بونا S) بعد فلكنته، يقاوم الحرارة والاحتراق إلى حد كبير، ويتصف بمقاومته الكبيرة لعوامل البرى والاحتكاك ويعدم تأثره بطول مدة التخزين.

– كذلك يتصف مطاط (بونا N) بمقاومته العالية لمنتجات البترول وهو لا ينتفخ عند ملامستها، ولذلك تصنع منه الخراطيم التي تنقل هذه المواد كما تبطن به السطوح الداخلية لبعض صهاريج البترول، وتصنع منه بعض (الجوانات) التي تمنع تسرب الزيوت من الآلات والمعدات.

– يتضح من ذلك أن صناعة المطاط الصناعى قد بدأت قبل الحرب العالمية الثانية في ألمانيا وفي الولايات المتحدة، وفي الاتحاد السوفيتي السابق، وبلغ إنتاج هذا المطاط نحو 900.000 طن في عام 1948 في هذه الدول وفي بعض الدول الأخرى البعيدة عن ميدان الحرب مثل كندا، وخاصة بعد أن دخلت اليابان الحراب وتوقف ورود المطاط الطبيعي إلى الحلفاء.

– يتضح لنا كذلك أهمية المطاط الصناعي في مجابهة احتياجات مختلف الصناعات، فالكمية المنتجة منه عام 1948 وهى تصل إلى 900.000 طن تكافئ كمية المطاط الطبيعي التي يمكن إنتاجها من نحو خمسة ملايين فدان من مزارع المطاط.

– أنتجت بعد ذلك أنواع أخرى من المطاط بالبلمرة المشتركة بين البيوتادايين وبعض مركبات الفاينيل مثل كلوريد الفاينيل ونتج عنها بعض أنواع المطاط التي تقاوم فعل الحرارة والمواد الكيميائية ولا تتأثر بطول التخزين.

– كذلك أنتج نوع من المطاط بالبلمرة المشتركة للبيوتادايين وحمض الأكريليك.

ويلاحظ أن السلاسل الهدروكربونية في هذا المطاط بها مجموعات كربوكسيل تساعد على عملية الفلكنة.

مطاط البيوتيل

– كذلك صنعت أنواع أخرى من المطاط من مواد غير البيوتادايين، ومن أمثلتها مطاط البيوتيل Butyl Rubber الذي يصنع ببلمرة الأيزوبيوتيلين.

– يتم الحصول على الأيزوبيوتيلين من قطفة البيوتان، ويتم إسالة خليط البيوتان والأيزوبيوتيلين أولاً، ثم يمتص الأيزوبيوتيلين غير المشبع في حمض الكبريتيك المركز، ويطلق منه بعد ذلك الأيزوبيوتيلين بالحرارة، ولا يمتص البيوتان المشبع في الحمض بل يبقى كما هو.

– تتم بلمرة الأيزوبيــوتــيلين على البارد، فهو يذاب أولاً في هدروكربون مسال مثل البروبيلين، ويضاف إليه قدر صغير من الأيزوبرين أو من البيوتادايين للمساعدة على بدء تفاعل البلمرة ويبرد المحلول إلى نحو -90 سلزيوس، ثم تضاف المادة الحافزة، وهى فى هذه الحالة كلوريد الألومنيوم اللامائي.

– عند نهاية البلمرة يتم التخلص من السائل المذيب، وهو الهدروكربون المسال بواسطة الماء الساخن، ثم يفصل البوليمر الناتج ويجفف، ويضغط بعد ذلك على هيئة شرائح.

– يتميز مطاط البيوتيل بأنه لا يسمح بمرور الغازات في خلال الأغشية أو الأفلام المصنوعة منه، ولذلك يستخدم في صنع الإطارات الداخلية للسيارات والشاحنات، وتصنع منه الخراطيم والأنابيب التي تنقل بالبخار أو الغازات، كما يستعمل فى عزل أسلاك الكهرباء.

– يضاف إلى ذلك أيضاً أنه يدخل في صناعة أنواع العلك (اللبان) المعروفة باسم (Chewing Gum).

مطاط الإثيلين – بروبيلين

– صنع حديثاً نوع من المطاط بالبلمرة المشتركة بين الإثيلين والبروبيلين، وهو يعرف باسم (مطاط الإثيلين – بروبيلين)، وبدأ إنتاجه على نطاق تجارى لأول مرة في الولايات المتحدة.

– لهذا المطاط مزايا متعددة فهو يقاوم تأثير المواد الكيميائية وتأثير الأوزون، وهو يجمع بين قوة المطاط الطبيعى وتحمله، وبين مقاومة مطاط البيوتادايين – ستايرين للنحر والتآكل، وبين مقاومة مطاط البيوتيل لفعل الأوزون لعدم احتوائه على رباطات ثنائية في سلاسله الهدروكربونية.

مطاط السليكون

– يتكون مطاط السليكون من سلاسل طويلة تتابع فيها ذرات السليكون والأكسجين، وتتصل بها مجموعات جانبية من مجموعات الألكيل.

– تحضر مركبات السليكون المحتوية على مجموعات هدروكسيل بواسطة التحلل المائى لكلوريدات السليكون.

– استحدثت طريقة جديدة عام 1945 في الولايات المتحدة لتحضير ثنائي كلورو ثنائى مثيل السليكون بتسخين مسحوق السليكون مع حافز من النحاس عند 260 سبزيوس، ثم إمرار كلوريد المثيل على هذا الخليط.

– عند تحليل هذا المركب بالماء تستبدل مجموعات الكلور بمجموعات هدروكسيل ويحدث بينها تكاثف لتعطى بوليمراً مستقيم السلسلة.

– يمكن التحكم في طول سلسلة البوليمر بإضافة مركب يحتوى على مجموعة هدروكسيل واحدة مثل هدروكسي ثلاثى مثيل السليكون (Si(CH3)₃OH) الذي يتفاعل مع نهاية سلسلة البوليمر ويمنع نموها عن الحد المطلوب.

– يتصف مطاط السليكون بأنه يبقى مرناً في درجات الحرارة المنخفضة التي يتحول عندها المطاط العادى إلى مادة هشة ويصبح قصيفاً.

– كذلك يتميز مطاط السليكون بأنه لا يفقد مرونته عند درجات الحرارة العالية التي يفقد عندها المطاط الطبيعى مرونته إلى الأبد.

– يمكن تحسين صفات مطاط السليكون وزيادة مقاومته للقطع ولتأثير الزيوت والمذيبات بإضافة بعض بوليمرات الفلور مثل التفلون

– تستخدم هذه الأنواع من مطاط السليكون في صنع بعض أجزاء الطائرات وفي صنع الجوانات ومواد العزل، كما تدخل في صناعة بعض قنوات نقل الهواء الساخن وفي بعض أجهزة التسخين.

– كذلك استعمل أخيراً مطاط السليكون فى صنع الأنابيب المستخدمة في الطب مثل أنابيب نقل الدم وغيرها.

المراجع 

– كتاب الصناعات الكيميائية – الجزء الثالث – البترول والكيمياويات، الصابون الممظفات الصناعية. ، المطاط – د/ أحمد مدحت عبد السلام – القاهرة – دار الفكر العربي – الطبعة الأولى 1997.

– أسس الكيمياء الصناعية – د/ محمد مجدى واصل – القاهرة – دار الفجر للنشر والتوزيع – الطبعة الأولى 2005.

– الكيمياء الصناعية – الجزء الثاني – تكنولوجيا الصناعات الكيميائية العضوية. – د/ طارق إسماعيل كاخيا – الطبعة الأولى.