سيليكا، المعروف أيضًا باسم ثاني أكسيد السيليكون، هو مادة غير عضوية مهمة المواد الكيميائية مادة خام. بفضل تركيبها السطحي الفريد وشكل جسيماتها، تتميز السيليكا بثبات ممتاز، وقدرة على التعزيز، وسلوك تكثيف، وخواص لزجة. هذه الخصائص تجعلها مادة حشو غير عضوية أساسية في العديد من المجالات، مثل المطاط والطلاء والبلاستيك. ومع ذلك، لإطلاق كامل إمكاناتها وتعزيز توافقها مع مختلف المصفوفات العضوية، تعديل السطح غالبًا ما يُستخدم السيليكا. هذه العملية أساسية لتخصيص خصائصه لتطبيقات محددة.
تعديل السطح من السيليكا
يجعل التركيب الداخلي للبولي سيلوكسان ومجموعات السيلانول النشطة سطحيًا السيليكا المترسبة شديدة الامتصاص للماء، مما يؤدي إلى ضعف قابليتها للبلل والتشتت في الأطوار العضوية. تساهم مجموعات الهيدروكسيل على السطح في ارتفاع طاقة السطح، مما يسبب تكتلًا يؤثر على أداء المنتج. أثناء الإنتاج، يؤدي هذا إلى التكتل، وحب الماء، وارتفاع التكاليف، وانخفاض الكفاءة، واستهلاك كبير للطاقة. في ظل الضغوط البيئية المتزايدة، أصبح خفض التكاليف، وتحسين الكفاءة، وتعزيز كراهية السطح للماء أمرًا بالغ الأهمية.
هناك ثلاثة أنواع من مجموعات الهيدروكسيل على سطح السيليكا:
- مجموعات الهيدروكسيل المعزولة، والتي هي حرة وغير متأثرة؛
- مجموعات الهيدروكسيل التوأمية، حيث ترتبط ذرتان من الهيدروكسيل بنفس ذرة السيليكون؛
- مجموعات الهيدروكسيل المرتبطة، والتي ترتبط ببعضها البعض بروابط هيدروجينية.
سطح تعديل السيليكا تتضمن هذه الطريقة استخدام معدِّل يتفاعل كيميائيًا مع مجموعات الهيدروكسيل السطحية لإزالة أو تقليل مجموعات السيلانول، وبالتالي تغيير خصائص السطح.
عمليات تعديل السطح
بناءً على طبيعة المُعدِّل، يمكن تصنيف تعديل السطح إلى عضوي و غير عضوي التعديلات. من بينها، يُعدّ التعديل العضوي الأكثر استخدامًا. التقنية الرئيسية للتعديل العضوي هي معالجة السيلان العضوي، حيث تحل المجموعات الوظيفية العضوية محل مجموعات الهيدروكسيل على سطح السيليكا.
تُقسّم طرق التعديل العضوي عمومًا إلى طرق جافة، ورطبة، وحرارية مضغوطة. حاليًا، تستخدم الدول المتقدمة الطريقة الجافة بشكل رئيسي لتعديل السيليكا المتبخرة.
مميزات الطريقة الجافة:
- عملية بسيطة مع خطوات أقل بعد العلاج.
- التكامل السهل مع عملية إنتاج السيليكا المدخنة.
- مناسبة للإنتاج الصناعي على نطاق واسع.
عيوب الطريقة الجافة:
- استهلاك عالي للمُعدِّل.
- يتطلب معايير معدات عالية وظروف تشغيل صارمة.
- تكلفة الإنتاج مرتفعة نسبيا.
ال طريقة التعديل الرطب ويُستخدم أيضًا بشكل شائع ويتضمن بشكل أساسي طريقتين:
مميزات الطريقة الرطبة:
- انخفاض استهلاك المعدل.
- عملية بسيطة ومتطلبات معدات أقل.
- انخفاض تكلفة الإنتاج وتحسين مراقبة الجودة.
عيوب الطريقة الرطبة:
- عملية معقدة بعد العلاج.
- قضايا التلوث البيئي.
- من الصعب توسيع نطاق الإنتاج الصناعي الضخم.
يتضمن نهج التعديل الرطب الآخر التعديل في الموقع أثناء عملية ترسيب السيليكا، مما يمكن أن يعزز الكفاءة والتكامل.
المعدلات الشائعة ومبادئ التعديل
تشمل المُعدِّلات الشائعة السيلانات العضوية المهلجنة، وعوامل ربط السيلان، والسيليلامينات، والسيلوكسانات، ومركبات الكحول. ترتبط هذه الكواشف كيميائيًا بمجموعات الهيدروكسيل السطحية على السيليكا أو تحل محلها، مما يُحسِّن من كراهية الماء، وقابلية التشتت، والتوافق مع المواد العضوية.
تطبيقات السيليكا المعدلة
يعد السيليكا المعدل عامل تقوية مهم في منتجات المطاط، حيث يملأ الفجوة حيث أسود فاحم لا يُستخدَم في المواد ذات الألوان الفاتحة. في صناعة الإطارات، تُحسِّن إضافة السيليكا المُعَدَّلة القوة الميكانيكية للمطاط، وتُقلِّل من فقدان الهستيريسيس، وتُخفِّض مقاومة التدحرج، وتُحافظ على مقاومة ممتازة للانزلاق على الأسطح الرطبة.
في مواد الختم والمواد اللاصقة، يُحسّن السيليكا المُعدّل قابلية التشتت والتوافق ومتانة المنتج. أما في الطلاءات، فيُستخدم السيليكا كعامل تلميع شائع؛ إذ يُحسّن استخدامه تشتته ويُقلل من مشاكل التكتل أو الترسيب.
بالمقارنة مع السيليكا العادية، تظهر السيليكا المعدلة أداءً أفضل بشكل عام ونطاق تطبيق أوسع.
خاتمة
لا تحتفظ السيليكا المعدلة بخصائص السيليكا العادية الممتازة فحسب، بل تتميز أيضًا بمقاومة عالية للماء وخصائص سطحية مُحسّنة. هذا يُوسّع بشكل كبير من إمكانيات التطبيق. مع التطور الاقتصادي المستمر، يستمر الطلب على السيليكا المعدلة في السوق في النمو. أصبح تطوير تقنيات إنتاج السيليكا المعدلة الصديقة للبيئة والفعّالة من حيث التكلفة وعلى نطاق واسع توجهًا رئيسيًا لمصنعي السيليكا في المستقبل.