إلى الاصدقاء الزملاء الكيميائيين الذين طلبوا مني أن أجعل لهم نصيبا في مقالاتي التي أكتبها في الفيسبوك أقول :
صحيح أن مقالاتي متنوعة بين : تاريخية , وأدبية . وصناعية , وزراعية , وفقهية , ودينية , وقصص من أدب الرحلات , وعلمية , وطبية , وصيدلانية . إلى جانب الكيميائية التي تأخذ حيزا كبيرا مما أنشر واكتب , ولكنني أكتبها للعامة والخاصة تحت عنوان تبسيط الكيمياء ليفهمها الجميع ,
وغايتي من تنوع مواضيع مقالاتي شيئان :
الأول : دعوة أصدقاء الفيسبوك أن يكتب كل في مجال إختصاصه , فليس من المعقول أن نرى طبيبا أو مهندسا أو محاميا أو فقيها ….إلخ يكتب في الشعر أو السياسة أو في النكت البايخة والساقطة أحيانا , ولا أحد يكتب في مجال إختصاصه ليثقف الناس .
الثاني : أن أسلّي الاصدقاء بمواضيع متنوعة , كالداخل إلى بستان ينتقل من زهرة يشمها إلى زهرة , ومن ظل شجرة إلى ظل أخرى , ومن فاكهة يأكلها إلى أخرى .
إليكم اصدقائي الزملاء الكيميائيين هذا الموضوع عن : البولي فينيل كلوريد ( PVC )
بولي فينيل كلوريد ( PVC )
1 – تقديم :
مادة بلاستيكية كثيرة الاستعمال وهي من أكثر المنتجات الثمينة للصناعة الكيميائية . والبولي فينيل كلوريد من بوليميرات الضم التي تصنع منها كميات كبيرة جداً عبر آلية جذرية حرة . يحضر البولي فينيل كلوريد من مونوميره كلوريد الفينيل وهو مركب هام جداً في الصناعة . عالمياً أكثر من 50 % من البولي فينيل كلوريد المصنع يستخدم في البناء كمادة إنشائية لأنه رخيص وسهل التركيب . في السنوات الأخيرة استبدل البولي فينيل كلوريد مكان مواد إنشائية كثيرة في العديد من المناطق على الرغم من وجود مخاوف حول تأثير البولي فينيل كلوريد على البيئة والصحة البشرية . حيث أن هذا البوليمير غير مستقر تجاه الضوء والحرارة وهذا يؤدي إلى تغيرات واسعة في البنية وذلك بسبب طرح HCl وهذا يؤثر أيضاً على خواصه الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية .
الإنتاج العالمي السنوي لفينيل كلوريد حوالي 17 مليون طن في عام 1985 وأكثر من 26 مليون طن في عام 1995 وأكثر من مائة مليون طن حاليا , حيث أن أكثر من 64 % منه ينتج في أوروبا و USA . إن حوالي 95 % من إنتاج العالم من فينيل كلوريد يستخدم لإنتاج البولي فينيل كلوريد . وقد اكتشف البولي فينيل كلوريد عرضياً في القرن التاسع عشر أولاً في عام 1835 وذلك من قبل العالم Regnault والأخرى في عام 1872 من قبل العالم Baumann وفي كلا الاكتشافين ظهر البوليمير كمادة بيضاء صلبة داخل قوارير فينيل كلوريد التي تركت معرضة لضوء الشمس .
وفي مطلع القرن العشرين حاول العالم الروسي Ostromisleusky استعمال البولي فينيل كلوريد في المنتجات التجارية لكن الصعوبات التي واجهته في معالجته كانت كبيرة وأحياناً كان يحصل على بوليمير هش . في عام 1926 طور Semon طريقة لمعالجة البولي فينيل كلوريد بمزجه بالإضافات المختلفة والنتيجة كانت مادة أكثر مرونة وسهولة في التصنيع وهذه الطريقة جعلت منه مادة ذات استعمال واسع في كل جوانب الحياة .
2 – الخواص الفيزيائية لفينيل كلوريد :
فينيل كلوريد (V C ) : غاز عديم اللون ، قابل للاشتعال ، له رائحة تشبه رائحة الكلوروفورم وهو أثقل من الهواء . الصيغة الكيميائية : CH2 = CH2 Cl – الوزن الجزيئي : 62.5 غرام / مول .
الحالة الفيزيائية : غاز في الدرجة العادية من الحرارة , عديم اللون , ذو رائحة حلوة .
درجة الانصهار : ( 153.8 – ) درجة مئوية . درجة الغليان : ( 13.5 – ) درجة مئوية
درجة الوميض ( 78 – ) درجة مئوية , يذوب في الايثانول , ورابع كلور الكربون , والبنزن والإثير .
3 – طرق الحصول على فينيل كلوريد :
نظراً لأهمية هذا المونومير فقد اتبعت كل الطرق في سبيل تصنيع هذا المركب وحالياً فإن المواد الأساسية الضرورية هي الكلور والإستيلين أو الإيتلين ويمكن استخدام الكلور على شكل عنصري فهو يحضر لذلك من التحليل الكهربائي لكلوريدات المعادن القلوية أو على شكل حمض كلور الماء وهناك أربع طرق اصطناع وهي :
أ- نزع كلوريد الهيدروجين من 2,1 – ثناثي كلور الايتان تحت تأثير القلويات أو بالتحلل الحراري بدرجات حرارة عالية ( 450 – 500 o C ) وبوجود وسيط من الحديد.
ب – بدءاً من الإستيلين : يتم بتفاعل HCl مع الإستيلين في الدرجة 150- 200 o C وبوجود وسيط من كلور الزئبق , أو في وسط مائي في الدرجة 20 – 25 ºC وهذه الطريقة لا تعطي نواتج ثانوية .
ج – بدءاً من الإيتلين : وذلك بكلورة الإيتلين حيث نحصل على 2-1 ثنائي كلور الإيتان و ذلك في الدرجة ( 40 – 60 o C ) وثلاثي كلور الحديد كوسيط . ويمكن كلورة الايتلين مباشرة وذلك عند درجات حرارة عالية ( 500 – 600 o C ) ,
وبنزع HCl في درجة حرارة عالية يعطي ثنائي كلور الإيتان جزيء كلور الفينيل وذلك عند درجات حرارة عالية تتراوح بين ( 400 – 500 o C ) . بوجود أكسيد الألمنيوم و الكربون النشط كوسيط
د – طريقة الأكسدة الكلورية : ويتم هذا التفاعل عند درجة حرارة عالية بحدود 470 – 500ºC
4 – دراسة آلية التفاعل :
تتم بلمرة كلور الفينيل بآلية الجذر الحر والتي يمكن تقسيمها إلى ثلاث مراحل أساسية :
1- مرحلة التهييج أو المبادرة وتشكل المراكز الفعالة .
وهي أساسية للحصول على الجذور التي تبادر في التفاعل وتكون المبادرة اما :
* – حرارية : حيث تظهر الجذور الحرة تحت تأثير الحرارة ويمكن اعتبار تشكل الجذر الحر هو عملية انفتاح الرابطة الثنائية . هذا الجذر الثنائي يتفاعل مع المونومير ويعطي جذراً أحادياً بوليميرياً
* – وأما في المبادرة الكيميائية الضوئية يمتص المونومير كونتم الطاقة الضوئية وينتقل إلى حالة التهييج . والجزيء المتهيج يشكل جذراً ثنائياً بدوره , ومن ثم تتحول هذه الجذور الثنائية إلى جذور أحادية بوليميرية .
* – المبادرة باستخدام المبادرات وتتم بإدخال جذور حرة إلى الوسط من الخارج وهي تدخل إما بشكل أو بشكل مركبات تتفكك أثناء التفاعل لتشكيل جذور وتستخدم بكميات قليلة 0.1 – 1 % من وزن المونومير ومن هذه المبادرات فوق الأكاسيد العضوية وفوق الأكاسيد الاعضوية والآزوتيدات وبعض مركبات آزو وديازو .
2- مرحلة نمو السلسلة :
في هذه المرحلة تنمو السلسلة البوليميرية في عمليات متتابعة لتفاعل الجذر الحر مع المونومير نفسه بحيث تصبح السلسلة نفسها جذراً يزداد وزنه الجزئي كلما تقدم التفاعل .
3 – مرحلة انقطاع السلسلة :
وهذه المرحلة مسئولة عن نهاية التفاعل ويحدث هذا عندما يلتقي الجذر النامي مع جذر نامي آخر ويغلق السلسلة .
5 – طرق بلمرة كلور الفينيل :
تتم بلمرة كلور الفينيل إما في كتلة أو في معلق أو في مستحلب . سرعة البلمرة تتعلق بنقاوة المونومير وتركيز المبادر ودرجة الحرارة . وبالتحكم بدرجة حرارة البلمرة نستطيع التحكم بنتائج البلمرة و خواص البوليمير .
1 – إنتاج البولي فنيل كلوريد في الكتلة :
عند بلمرة كلور الفنيل في الكتلة يتم التفاعل في وسط المونومير السائل والذي به يحل في كلور الفينيل، تتم العملية إما بشكل مستمر أو متقطع وكذلك من الممكن أن تتم في درجات حرارة منخفضة ( – 10 _ – 20ºC ) ودرجات حرارة عالية ( 40 – 70 ºC ) . البوليمير الناتج يكون ذو توزع جزيئي جيد ومن ميزاتها أيضا نظافة البوليمير الناتج وخواص العزل الكهربائي عنده جيدة إلى جانب شفافية القطع المنتجة منه .
2. تحضير البولي فنيل كلوريد في معلق :
ينتج القسم الأكبر من بوليمير البولي فنيل كلوريد بهذه الطريقة .حيث أن نوعية المنتج تكون جيدة إلى جانب سهولة التحكم بعملية البلمرة ( لا يتعدى الانحراف بدرجة الحرارة فيها ) وكذلك فإن فصل الحرارة الناتجة عن التفاعل وهي بحدود 91.6KJ / mol يتم في الوسط المائي والذي به ينتشر كلور الفنيل السائل وبوجود منظم للمعلق كلور الفنيل في الوسط المائي يكون بشكل نقاط والتي بها تتم البلمرة . أولاً في كل نقطة تظهر الدقائق الأولى وعند انتفاشها في المونومير تتكتل وهذا يلاحظ عندما تصل نسبة التحويل إلى 20- 30 % من كلور الفنيل وبعد ذلك تبدأ بالكبر والتكتل مع زيادة التحول. يؤثر على الكتلة الجزيئية للبوليمير المنتج وعلى خواصه الفيزيائية الأخرى العديد من العوامل كدرجة حرارة التفاعل والنسبة لكمية الماء والمونومير ودرجة التحول وغيرها ،أما نوعية المنظم المستخدم ونشاط التحريك فتؤثر وبشكل واضح على حجم دقائق البوليمير . الـ PVC المنتج بهذه الطريقة يكون بشكل مسحوق أبيض اللون والكثافة التفريغية (الحرة ) له . وأما الخصائص الكهربائية والميكانيكية فهي عالية .
3. تحضير البولي فنيل كلوريد في مستحلب :
إن بلمرة كلور الفنيل في مستحلب وكما هي في معلق تتم في وسط مائي ولكن بوجود مستحلب ومبادر منحلين في الماء ، سرعة العملية وخواص البولي فينيل كلوريد الناتج تتعلق بطبيعة و تركيز المبادر والمستحلب و PH الوسط ونسبة المونومير إلى الطور المائي ودرجة الحرارة وغيرها من الشروط . إن للـPH تأثير كبير على عملية البلمرة وعلى خواص البوليمير ، ويتم تنظيم الـPH بإضافة فوسفات أو كربونات الصوديوم ، وتكون عادة PH الوسط بحدود8.5 – 8 ونظراً لعدم التمكن من الفصل الكامل للمستحلب عن البوليمير فإن البوليمير الناتج بهذه الطريقة يكون أسوأ من المنتج بطريقة المعلق بخواص العزل الكهربائي والثباتية الحرارية وكذلك الشفافية ولكن بسبب سرعة البلمرة فيها ونعومة المسحوق المنتج تستعمل بشكل واسع، وهذه الطريقة يمكن أن تتم بشكل مستمر وبشكل متقطع . والبولي فنيل كلوريد المحضر بطريقة المستحلب يكون مسحوق أبيض اللون . إنتاج البولي فنيل كلوريد القاسي إن المواد القاسية المستعملة في الأعمال التصميمية و الإنشائية من البولي فينيل كلوريد نسميها ) فيني بلاست ( وهي مادة ملدنة كليا أو جزئياً. وتنتج بشكل صفائح وقساطل وبأشكال أخرى ونحصل على الفيني بلاست بالتلدين الحراري لمزيج من البولي فينيل كلوريد مع المواد المنظمة والمزلقة وبوجود ملونات في حالة الرغبة بذلك.
إنتاج الصفائح بطريقة السحب يتألف من المراحل التالية :
1 – خلط المواد . 2 – سحب المواد . 3 – الصقل للصفائح . 4 – ضغط الصفائح.
4 – صفات بولي فينيل كلوريد :
تتعلق صفات PVC الميكانيكية والفيزيائية على تركيبه وعلى طرق إنتاج هذا المركب . تحدد الصفات الكيميائية لبولي فينيل كلوريد المتجانس بالبنية الكيميائية الأساسية لجزيء البوليمير ولكن من الأكيد أن بعض الصفات الكيميائية ( الثباتية الحرارية ) تتأثر بوجود عدم نظامية في البنية مثل السلاسل الجانبية و عدم الإشباع . يتميز بولي فينيل كلوريد بوزن جزيئي كبير ففي درجات الحرارة العادية فان عدد كبير من المركبات العضوية ليس لها تأثير عليه أما المركبات التي تهاجمه هي الهيدروكربونات العطرية الكلورية و بعض الاسترات . خواص بولي فينيل كلوريد الطري و القاسي :
5 – تأثير الأحماض والقلويات :
لا تأثير للأحماض القوية والضعيفة على البولي فينيل كلوريد . وكذلك لا تأثير للأسس القوية والضعيفة عليه .
6 – استخدامات بولي فينيل كلوريد :
يستخدم البولي فينيل كلوريد في عزل الأبنية والمعادن والألياف الزجاجية ولإنتاج ورق الجدران وكأغطية للأرض ( عوازل للأرض ) وفي صناعة الأقمشة المشمعة وكل استخدام له طريقة تحضير خاصة به . في حالة عزل الأبنية من المهم جداً أن نتجنب اختراق عجينة البوليمير داخل البناء لذلك لزوجة العجينة يجب أن تكون عالية في حال معدل قص منخفض وذات لزوجة معتدلة عند معدل قص مرتفع وفي حال تصنيع ورق الجدران حيث تكون السماكات قليلة اللزوجة المنخفضة هي المطلوبة . وفي حال عزل الأرض نستخدم ثلاث أو حتى أربع أغلفة أولاً طبقة مشبعة لإشباع الألياف وطبقة أو طبقتين من الإسفنج وطبقة أخرى تتمتع بقوة ومقاومة ميكانيكية عالية .
7 – الأمن الصناعي في صناعة البولي فنيل الكلوريد :
بشكل عام كل صناعة البولي الفنيل كلوريد قابلة للانفجار والحريق ولذلك فإن قسم البلمرة يجب أن يتوضع في بناء لوحده والنابذات والمنشفات والتخزين في بناء آخر. كل المياه الناتجة عن صناعة البولي فينيل كلوريد وهي بحدود 8 – 6 طن لكل طن بولي فينيل كلوريد يجب أن تخضع للتنظيف البيولوجي بعد الترقيد وفصل راسب البولي فينيل كلوريد , ومن الجدير ذكره أن البولي فينيل الكلوريد والبوليميرات المشتركة لكلور الفينيل هي مواد غير سامة في حالة خلوها من بقايا كلور الفينيل ولكن باحتراقها تعطي مواد سامة . أما كلور الفينيل فانه سام للأحياء حيث أنه يحدث تخرشاً في الأغشية المخاطية لمجاري التنفس وتخديراً إذا كان تركيزه كبيراً ويسبب للإنسان ألم في الرأس ويسبب أحياناً تقيؤ وقد يؤدي إلى التهاب الكليتين وحدوث أورام خبيثة بالإضافة إلى ذلك يظهر عند الإنسان ضعف ووهن وقلق في النوم وتهيج وسرعة غضب وعند التوقف عن العمل مع كلور الفينيل يمكن للحالة أن تتحسن .