- ۱۳۹۸ ۱۴ بهمن
اروزیل آب گریز یا فوم سیلیکای هیدروفوب
اروزیل آب گریز یا اروزیل هیدروفوب از اروزیل های آب دوست یا اروزیل های هیدروفیل ساخته می شوند. اروزیل های هیدروفیل دارای عاملیت Si-OH یا گروه سیلانول در ساختار شیمیایی خود می باشند که این گروه سیلانول در اروزیل باعث ایجاد آب دوستی می گردد. اروزیل ها برای کاربردهای مختلف نیاز به خواص ویژه ای دارند که یکی از این خواص آب گریز یا هیدروفوب بودن آن است که پس از تولید اروزیل به روش شعله آن را برای آب گریز کردن پیش آمایش (پیش-اصلاح) می کنند که در اصلاح اروزیل آب دوست به اروزیل آب گریز یا اروزیل هیدروفوب تبدیل می گردد. عملیات آب گریز کردن اروزیل از واکنش گروه سیلانول (Si-OH) با گروه های سیلانی آلی مطابق شکل زیر صورت می پذیرد:
بعد از این مرحله این گروههای آلی توسط پیوندهای کوالانسی محکم به سطح اروزیل پیوند داده می شوند. که این واکنش باعث ایجاد تغییر در ساختار اروزیل معمولی می گردد جدا کردن این گروه های آلی اتصال داده شده به سطح فوم سیلیکا فقط با تجزیه حرارتی امکان پذیر است. مطابق شکل زیر در نگاه اول، اروزیل آب گریز نسبت به اروزیل آب دوست در آب فرو نمی رود ولی اروزیل آب دوست در آب فرو می رود. شکل ظاهری هردو به صورت پودرهای اکسیدی سفید می باشد. هنگامی که این دو پودر اروزیل آب دوست و اروزیل آب گریز با آب مخلوط گردد آب دوست کاملا ً با آب مخلوط شده و آب گریز اصلا با آب مخلوط نمی شود. این رفتار آب گریزی اروزیل ناشی از گروههای زنجیرهای آلی بلند یا کوتاه پیوند خورده به سطح فوم سیلیکا می باشد.
در فرآیند ساخت اروزیل آب گریز دو نوع پیش آمایش پایه ای وجود دارد:
1-واکنش پودر اروزیل معمولی به صورت مستقیم با ترکیبات شیمیایی هالوژن سیلانول
2- واکنش سطح اروزیل با گروههای سیلانی، سیلوکسان و سیلازان ها سیلوزان ها به ساختار هیدریدی نیتروژن و هیدروژن ترکیبات سیلیکون گفته می شود که در آن اتم سیلیکون و نیتروژن توسط پیوند کوالانسی به هم اتصال داده شده اند.
سیلازان ها از نظر ساختاری مشابه سیلوکسان ها هستند با این تفاوت که در سیلازان ها اتم های –NH- جایگزین –O- شده اند. ترکیبات سیلازان حساس به رطوبت می باشند. هردو فرآیند پیش آمایش به صورت پیوسته بوده و تولید یک دست با کیفیت یکسان داشته و اصلاح سطحی مؤثری توسط گروههای آلی از بیرون انجام می پذیرد.
در روش اول اروزیل معمولی بدون فشردگی و مستقیما ً پیش آمایش شده و با گروههای سیلانی وارد واکنش می گردد. سریع واکنش دادن گروههای آلی سیلانی با اروزیل فاکتور مهمی در تولید می باشد که باید بدون آنکه گروههای آلی تجزیه شوند سریع وارد واکنش اصلاح سطحی گردند و در طول واکنش پایدار باشند.
در روش دوم واکنش با گروه های سیلان یا سیلوکسان در حین فرآیند تولید اروزیل معمولی صورت می پذیرد بدون آنکه هالوژن سیلانی وارد واکنش گردد. در این روش گروههای ترکیبات پیچیده آلی به سطح اروزیل چسبیده که عاملیت های آلی حساسی دارند. در هر دو روش ظرفیت سطحی سیلیکا به طور کامل کنترل می گردد و به طور کامل وارد واکنش گردد، این کنترل توسط روش اسپکتروسکوپی IR (مادون قرمز) برای اروزیل معمولی و اروزیل پیش آمایش شده سطحی به روش شیمیایی صورت می پذیرد. مطابق شکل زیر پیک 3750 cm-1 به گروههای سیلانول آزاد در سطح نسبت داده می شود که توسط واکنشگر اصلاحی وارد واکنش شده و برداشته شده اند و تولید گروههای تری متیل سیل [-Si(CH3)3] کرده اند. در نمودار بعدی (خاکستری رنگ) به طور همزمان که تشکیل پیوندهای ارتعاشی آلی C-H در زیر عدد موجی 3000 cm-1 نشان داده شده است.
اصلاح سطحی باعث ایجاد خواص فیزیکی- شیمیایی کاملا ً متفاوتی نسبت به اروزیل معمولی می گردد، که این امر کاربردهای فراوانی را برای اروزیل ایجاد می نماید. اروزیل های اصلاح شده کاربردهای زیادی در صنایع سیلیکون رابرها، رنگ و پوشش تونرهای چاپ، چسب ها، درزگیرها، پلیمرها و پلاستیک های مهندسی و سیستم های رزینی مختلف دارند. از جمله اروزیل های تجاری اصلاح شده پرکاربرد و هیدروفوب اروزیل R-972 (Aerosil R-972) اروزیل R-974 (Aerosil R-974) هستند.
یک مثال جالب دیگر جذب سطحی رطوبت از هوا اروزیل معمولی نسبت به اروزیل هیدروفوب است که در شکل زیر نشان داده شده است.
سطوح غیر قطبی نسبت به سطوح قطبی (اصلاح نشده) جذب رطوبت کمتری دارد. غیر قطبی بودن سطح باعث کاهش برهم کنش بخار آب موجود در هوا شده و جذب بخار آب شدیدا ً کاهش می یابد. یک مثال مهندسی دیگر کاربرد ایجاد ویسکوزیته در رزین های اپوکسی با ویسکوزیته کم در محیط های قطبی می باشد که در نمودار زیر برای اروزیل R-202 و اروزیل R-805 نسبت به اروزیل 300 هیدروفیل نشان داده شده است.
تولید محصولات از اروزیل با عاملیت های سطحی مختلف
اگر یک ماده اصلاح سطحی مناسب انتخاب شود، باعث ایجاد عاملیت شیمیایی خاص بر روی سطحی می گردد که این عامل می تواند قطبیت سطح را تغییر دهد. در بسیاری از کاربردها اروزیل های هیدروفوب، به تنهایی هیدروفوب بودن کافی نیست به طوری که یک عاملیت شیمیایی مناسب نیاز است که محصول بتواند عملکرد مطلوبی داشته باشد. برای تنظیم اینکه سطح اروزیل بتواند با زیرآیند اطراف خودش به درستی واکنش دهد طیف گسترده ای از واکنش گرها با عاملیت های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال عاملیت های آمینی، اپوکسی، متاکریلاتی می تواند به سطح اروزیل پیوند داده شود. یک نمونه مثال عامل دار اروزیل R-711 است که در شکل زیر نشان داده شده است:
اروزیل R-711 یک نمونه فوم سیلیکا است که دارای عاملیت های متاکریلاتی بوده، که این محصول خواص بسیار بهینه ای در کاربردهایی از قبیل رنگ و پوشش الاستومرها با کارآیی بالا، مواد کامپوزیت پرکردن دندان ایفاء می کند. یک زمینه دیگر از کاربردهای اروزیل عاملیت دار کنترل بار الکتریکی در تولید تونرهای چاپ می باشد. به صورتی که بسیار مهم است ذرات پیگمنت موجود در تونر دارای یک بار الکتریکی سطحی بهینه باشند که ممانعت به عمل آید.
چسبیدن ذرات به هم دیگر قطعا ً در کیفیت چاپ اثر منفی دارد. شرکت اونیک برای شاخه های حساس صنعتی محصولات اروزیلی زیادی را توسعه داده است که یک نمونه ویژه از آن ها عبارت اند از:
اروزیل R-504 Aerosil R-504
محصول اروزیل R-504 خلوص بالایی داشته که خاصیت هیدروفوب به آن داده شده و عاملیت های شیمیایی ویژه با گروه های آمینی را دارا می باشد.
این گروههای آمینی بر روی سطح به صورت خیلی عالی بار الکتریکی ساکن را در پودرها کنترل می کنند که خیلی ضروری و مفید در تولید تونرهای چاپ می باشد. ایجاد بار سطحی مثبت بر روی پودر فقط با عامل دار کردن پیش آمایش بر روی اروزیل میسر می گردد، که آمین دار شدن سطح و ایجاد بار مثبت اروزیل R-504 مطابق شکل زیر یک محصول پرکاربرد در تونرهای چاپ کرده است.
از جمله اروزیل های هیدروفوب پرکاربرد در ایران اروزیل R-972 و اروزیل R-974 می باشد که اروزیل R-972 نسبت به اروزیل R-974 از سطح ویژه کمتری برخوردار می باشد و سطح هر دو با دی متیل دی کلروسیلان آب گریز شده است و کاربرد و خرید و فروش هر دو اروزیل برای صنایع سیلیکون رابر، درزگیرهای سیلیکونی، ژل ها، چسب ها، صنایع کشاورزی و رنگ و پوشش و غیره می باشد. که عملکرد عالی در شره کردن، رسوب پیگمنت ها از خود نشان می دهد.