بخشی از مقاله
طراحی آمیزه لاستیکی جهت پوشش مخازن مواد شیمیایی قابل پخت با بخار آزاد و سرعت پخت بالا
چکیده :
لاستیک یکی از قدیمیترین و با دوام ترین مواد برای حفاظت سطوح فلزی در برابر مواد خورنده بوده و عملیات رابر لاینینگ نزدیک به صد سال است که برای حفاظت قطعات فلزی در برابر محیطهای خورنده استفاده میشود. در پژوهش حاضر جهت سرعت بخشیدن به عملیات را بر لاینینگ، کاهش زمان پخت و امکان انجام این عملیات در محیطهای روباز یک ترکیب لاستیکی شبه ابونیتی مقاوم در برابر اسید کلریدریک ۳۰-۲۵ درصد وزنی و درجه حرارت ۹۰-۸۰ درجه سانتیگراد طراحی گردیده است. پس از بررسیهای انجام شده بر روی کامپاندهای ابونیتی SBR-NR و کامپاندهایی برپایه الاستومر EPDM که هر دو در شرایط آزمایش مقاوم اند مشخص گردید هیچکدام از دو کامپاند امکان پخت بخار آزاد و با سرعت پخت بالا را نداشته و همچنین بررسی خواص آلیاژهای الاستومر EPDM با الاستومرهای غیراشباع SMR و SBR و نتایج حاصل از آزمایشات بیانگر این امر است که آلیاژ EPDM و SBR دارای مقاومت شیمیایی و سرعت پخت مناسب در دمای زیر ۱۰۰ درجه سانتیگراد می باشد. با استفاده از این کامپاند امکان پخت قطعات در دمای کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد و بدون اعمال فشار خارجی میسر شده است. کلیه مراحل عملیات رابرلاینینگ از قبیل آمادهسازی سطوح فلزی، نوع چسب و پرایمر مصرفی و مناسبترین شرایط پخت قطعات با این کامپاند بررسی و بهینه سازی گردید. واژه های کلیدی: لاستیک، رابرلاینینگ، ابونیت مقدمه از آنجاییکه صنایع شیمیایی شامل فرآینده ها و واحدهای مختلف می باشند و هرکدام به نحوی باعث خوردگی سطح فلزات می شوند، روشهای کاهش یا جلوگیری از خوردگی تنوع زیادی پیدا کردهاند. در اکثر کاربردهای مهندسی مسئله خوردگی ایجاب می کند که از فلزات یا آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی استفاده شود ولی مشکلات مربوط به هزینه، دسترسی به مواد مناسب و تولید باعث میگردد که از مواد قابل دسترس و نسبتاً ارزان مانند فولاد استفاده شود. فولاد مقاومت خوبی در برابر خوردگی ندارد، یکی از مهمترین روشهای کاهش و یا جلوگیری از خوردگی فولاد، کاربرد پوششهای مقاوم پلیمری است. این پوششها یک لایه مقاوم فیزیکی بین سطح پوشش داده شده و محیط خورنده به وجود میآورند. این پوشش باید تحت شرایط خاص شیمیایی، دما و فشار در مقابل محیط خورنده مقاومت داشته باشد و از نفوذ مواد خورنده بر سطح فلزات پوشش داده شده جلوگیری کند. نیاز روزافزون به محافظت فلزات در محیطهای خورنده و پژوهشهای وسیع در این زمینه باعث پیشرفتهای زیادی در روشهای تهیه آلیاژها و پوششهای پلیمری مقاوم در برابر خوردگی شده است || ۱ . لاستیک یکی از قدیمیترین و با دوام ترین مواد پلیمری برای حفاظت از خوردگی سطوح فلزی است. عملیات را برلاینینگ (آستر لاستیکی) نزدیک به صد سال است که برای حفاظت قطعات در تماس با محیطهای خورنده استفاده شده است. لاستیک به صورت ورقه های پیش ساخته به عنوان پوشش داخلی تانکهای ذخیره مواد شیمیایی، محفظه های آب، کند انسورها، لوله های گاز دی سولفوراسیون، خطوط لوله، مخلوط کنها، شیرآلات، پمپها و... بکار میرود. بعلت مقاومت ضربه ای، سایشی و شیمیایی، رابرلاینینگ با صخامت ۳-۶mm برای تماس با مایعات معمولی تا چندین سال مناسب ست و در بیشتر موارد عمر مفید این پوششبخش تئوری رابرلاینینگ شامل مراحل اساسی زیر میباشد:
۱- آماده سازی سطوح فلزی . ۲- تهیه کامپاند. رابری مناسب مطابق شرایط سرویس کار قطعه. ۳- استفاده از چسبها و پوششهای چسبناک کننده مناسب. ۴- نصب رابر بر روی سطح فلز. ۵- پخت قطعه رابرلاینینگ شده.
کیفیت آمادهسازی سطح فولاد باید مطابق با استانداردهای NACE و BS4232 در حد کیفیت درجه یک تعریف شده در این استانداردها باشد. برای رسیدن به کیفیت درجه یک که معروف به کیفیت «فلز سفید» است باید هرگونه زنگ، لایه اکسیدی، رنگ و ماده خارجی که به چشم دیده می شود، کاملاً از روی سطح زدوده شود. همچنین لایه چسبیده خاکستری رنگی که بین لایه رنگ و سطح فولاد وجود دارد نیز برداشته می شود نتیجه نهایی بدست آمدن یک سطح فولادی کاملاً برهنه است که هیچگونه باقیمانده آلودگی یا بدرنگی بر روی آن مشاهده نمیگردد || ۲ | مواد مورد نیاز برای رابرلاینینگ براساس پایه های الاستومری از کائوچوهای طبیعی و مصنوعی ساخته میشوند، کائوچوی طبیعی به سه صورت نرم، نیمه سخت و سخت کامپاند می شود. از کائوچوهای مصنوعی مورد استفاده می توان از بوتیل، نئوپرن، اتیلن - پروپیلن دی ان مونومر (EPDM)، هیپالون و... نام برد، لاینینگ چند لایه ترکیبی از دو یا سه لایه از رابرهای سخت و نرم است که باعث ایجاد خواص خاصی مانند انعطاف پذیری، مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر عبور هوا می شود. لایه نرمتر باعث ایجاد انعطاف پذیری و افزایش چسبندگی به قطعه فلزی شده و لایه سخت و یا نیمه سخت برای ایجاد مقاومت در برابر مواد شیمیایی استفاده میشود.
در جدول (۱) قابلیت کاربرد انواع آمیزههای لاستیکی در محیطهای شیمیایی مختلف برحسب غلظت و دمای کاربرد آورده شده است ۴ . در عملیات رابر لاینینگ از چسبهای قابل پخت در سیستم های سه تا پنج جزئی استفاده می شود، چسبهای معمولی شامل پرایمر فعال، چسب حد واسط، سمنت چسبناک کننده، یک یا دو جزئی است. در صورتیکه روش پخت بخار تحت فشار باشد استحکام چسب از استحکام رابر بیشتر خواهد بود و در هنگام انجام تست چسبندگی، پارگی در رابر ایجاد میشود. ورقه های لاستیکی، معمولاً با ضخامتهای mm ۶ و ۵ و ۴ و ۳ به روشهای کلندرینگ و یا الکسترودینگ تهیه شده و اتصال دو ورقه لاستیکی به روشهای زیر انجام می شود:
* Butt joint : در این اتصال دو ورقه لاستیک به صورت لب به لب بدون اینکه قسمتی روی هم قرار میگیرد اتصال مییابد و پس از آن اتصال با یک قطعه باریک پوشش داده می شود.
* Lap joint: در این اتصال یک ورقه لاستیکی لایه دیگر را پوشش میدهد، مینیمم سطح پوشش cm ۵ توصیه می شود برای افزایش سطح تماس و ایجاد یک اتصال بدون عیب لایه پوشش داده شده تحت زاویه ای برش داده می شود.
* Skive joint : این اتصال یک اتصال Bull با زاویه ۴۵ درجه معکوس مابین دو ورقه لاستیکی مجاور است ۵]. ولکانیزاسیون (پخت) مرحله بحرانی فرآیند است. چندین روش اساسی برای ولکانیزاسیون رابر لاینینگ وجود دارد که استفاده از هر روش به شکل، موقعیت و ابعاد قطعه وابسته است این روشها عبارتند از:
• پخت تحت فشار در اتوکلاو با هوای گرم فشرده و یا بخار فشرده
• ورود بخار داخل محفظه لاینینگ شده
* پخت با بخار آزاد تحت فشار اتمسفر
* پخت در دمای محیط با استفاده از مواد شیمیایی
کنترل کیفی قطعات لاینینگ شده نیز در چندین مرحله، قبل از لاینینگ، در حین انجام
لاینینگ ، قبل از پخت، پس از پخت و پس از نصب مطابق استاندارد 3486 ASTM D انجام می شود.
هدف از انجام پروژه طراحی کامپاند لاستیکی مقاوم در برابر اسیدکلریدریک با غلظت ۲۵-۳۰ درصد وزنی تحت دمای ۹۰-۸ درجه سانتیگراد قابل پخت با بخار تحت فشار اتمسفر و با سرعت پخت بالا میباشد. این کامپاند جهت رابر لاینینگ سطوح وسیع، حوضچه های اسید و مناطقی که به صورت تعمیراتی در محل نصب لاینینگ می شوند (به عنوان مثال حوضچه های اسیدشویی مجتمع فولاد مبارکه) و امکان پخت تحت فشار بالا، برای قطعات وجود ندارد طراحی شده است.
براساس بررسیهای انجام شده و مطابق جدول (۲) کامپاند ابونیتی برپایه الاستومرهای NR-SBR، الاستومر EPDM و الاستومرهای فلوئوره در این شرایط مقاوم میباشند. به دلیل قیمت بالای آمیزه های بر پایه الاستومرهای فلوئوره استفاده از این کائوچو در شرایط مذکور مقرون به صرفه نمی باشد و در صنعت رابرلاینینگ معمولاً از کامپاندهای بر پایه PDM: او لاستیک سخت (ابونیت) بر پایه NR-SBR استفاده میشود.
در شرایط پخت تحت فشار بالا استفاده از لاستیک سخت به دلیل خواص برجسته مکانیکی و شیمیایی و سهولت فرآیند ترجیح داده میشود ولیکن براساس تجربیات بدست آمده امکان پخت ابونیت با بخار آزاد (تحت دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد و فشار اتمسفر) وجود ندارد زیرا در سیستم های پخت کند، زمان طولانی برای ولکانیزاسیون مورد نیاز است و پس از صرف زمان، باز هم ابونیت به سختی مورد نظر نرسیده و لذا خواص نهایی ابونیت مطلوب نخواهد بود. از طرفی در سیستمهای پخت سریع، به علت گرمازایی واکنش پخت و میزان بالای سولفور در کامپاند. پس از ورود بخار ۱۰۰ درجه سانتیگراد و عدم وجود فشار خارجی، نواحی سطحی قطعه به علت تولید گاز H2S در حین ولکانیزاسیون متخلخل و تخریب می شود و لذا با وجود اینکه ابونیت از نظر مقاومت شیمیایی و خواص کاربردی انتخاب بسیار خوبی است لیکن به علت عدم امکان پخت در بخار آزاد نمی توان از آن استفاده کرد [۶.
کائوچویی EPDM نیز دارای مقاومت حرارتی، زمانبندی و مقاومت جوی عالی میباشد. این کائوچو همچنین دارای مقاومت بسیار خوب در برابر اسیدها، بازها، استن، الکل، بخار است. استفاده از این کائوچو در سرویسهای اسید قوی وابسته به حرارت و غلظت اسید میباشد، مزیت اصلی کامپاندهای برپایه EPDM مقاومت در رنج وسیعی از مواد شیمیایی است و لذا می توان فقط از یک لایه لاستیک برای لاینینگ، تانکها جهت انبار و یا انتقال مواد شیمیایی استفاده کرد [۳]. امکان پخت آمیزه های برپایه EPDM در بخار آزاد وجود دارد ولیکن به علت غیراشباعیت پایین در زنجیره پلیمر، سرعت پخت کامپاند بر این پایه پایین بوده و پخت در دمای پایین مستلزم صرف زمان طولانی خواهد بود از آنجایی که امکان اختلاط الاستومر EPDM با درصد غیراشباعیت بالا (۸٪ به بالا) با الاستومر غیراشباع وجود دارد لذا جهت رسیدن به خواص مابین ابونیت و امکان پخت در بخار آزاد، آلیاژهایی با نسبتهای مختلف EPDM با درصد غیراشباعیت بالا با الاستومرهای غیراشباع NR و SBR ساخته شده خواص آمیزه ها مطابق استانداردهایASTM ثدر شرایط آزمایش اندازه گیری شده است.
مواد فرمولاسیون پایه در جدول (۳) آورده شده است. به عنوان الاستومر پایه از EPDM با درصد غیراشباعیت g|Yu شرکت Sumitomo نام Esprene E505 gue استفاده گردید خواص الاستومر در جدول (۴) آورده شده است. منبع تهیه دوده 550-N شرکت کربن ایران، باریت شرکت آهکان و شتابدهنده های پخت و آنتی اکسیدانت مصرفی شرکت بایر آلمان میباشد.
روش تهیه آمیزه ها و انجام آزمونها
اختلاط اجزاء آمیزه بر روی آسیاب دو غلتکی (TWO-ROLL-MILL) با ابعاد ۱۵mm × ۱۵۰ با سرعت
rpm ۰/۵ ۲۴ نسبت غلتک کند به تند ۱:۱/۴ مطابق استاندارد 3182 ASTM D و تستهای رئومتری براساس استاندارد 2084 ASTMD با استفاده از دستگاه رئو میر هیوا ۱۰۰، تست سختی براساس استاندارد 2240 ASTM و تست کششی براساس استاندارد 12 4 ASTMD انجام شده است.
میزان مقاومت اسیدی کامپاندها، شامل درصد جذب اسید، تغییرات استحکام کششی،درصد ازدیاد طول نهایی و سختی براساس استاندارد 471 D اندازه گیری گردید این تست در محیط اسید کلریدریک با غلظت ۳۰-۲۵ درصد وزنی و به مدت ۱۶۶ ساعت در دمای ۲ +۸۵ درجه سانتیگراد انجام شده است. پس از انجام آزمایشات براساس استاندارد 471 D برای نمونه هایی که در شرایط اسیدی مقاومت مناسبی داشته اند براساس روشی استاندارد 3491 ASTMD ، جهت تخمین مقاومت شیمیایی و آزمایش انواع ترکیبات رابری ولکانیزه شده که بر روی سطح فلز لاینینگ شده اند تست دیگری انجام شد در این آزمایش یک طرف از سطح فلز لاینینگ شده و در تماس با محیط شیمیایی قرار میگیرد مشابه شرایط کارکرد، لاستیک از یک طرف با محیط شیمیایی در تماس است و اختلاف درجه حرارت مابین سطوح خارجی و داخلی محفظه میتواند عاملی برای تسریع نفوذ در رابر و خوردگی لاستیک شود. تصویری از دستگاه آزمایش در شکل (۱) آورده شده است.
