مانع التسرب هو مادة تستخدم لمنع مرور السوائل عبر الفتحات الموجودة في المواد، وهو نوع من أنواع السدادات الميكانيكية. في مجال البناء، يعتبر مانع التسرب مرادفًا للسدادة، كما أنه يخدم أغراض منع انتقال الغبار والصوت والحرارة.
لا تتمتع مادة مانعة للتسرب بقوة عالية جدًا، لذا يجب إضافة مواد مالئة ذات تأثيرات تقوية معينة. تشمل المواد المالئة الشائعة كربونات الكالسيوم، ومسحوق الكوارتز، والأسود الكربوني، وثاني أكسيد التيتانيوم، وهيدروكسيد الألومنيوم، والتلك، والكاولين، والطين، وغيرها. من بين هذه المواد المالئة، تتمتع كربونات الكالسيوم بالعديد من المزايا. فهي تتمتع بتصنيفات متعددة لحجم الجسيمات، وطرق معالجة سطحية متنوعة، وبياض عالي، وتكنولوجيا إنتاج ناضجة، وسعر منخفض. وبالمقارنة مع المواد المالئة الأخرى، فهي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع.
كربونات الكالسيوم في المواد المانعة للتسرب
تتمثل مزايا كربونات الكالسيوم في المواد المانعة للتسرب في قدرتها على زيادة حجم المادة المانعة للتسرب وتحسينها قوة الشد، مقاومة التآكل، مقاومة التمزق، الصلابة، وأكثر من ذلك. يمكن أن تشكل كمية كربونات الكالسيوم المضافة من 10% إلى 70% من تركيبة مانع التسرب بالكامل. نظرًا للكمية الكبيرة من كربونات الكالسيوم المستخدمة في مانعات التسرب، فقد رفعت صناعة مانعات التسرب أيضًا متطلبات أعلى لمنتجات كربونات الكالسيوم. الجودة المستقرة، والتقلبات الصغيرة في مؤشرات الأداء المختلفة، وتأثير التعزيز الجيد وأداء المعالجة، والسعر المناسب، والقدرة على توليد فوائد اقتصادية معينة كلها مهمة جدًا.
في الوقت الحاضر، تغلبت كربونات الكالسيوم المحلية تدريجيًا على العديد من الصعوبات الفنية، واستبدلت منتجات كربونات الكالسيوم المستوردة بجودة المنتج الممتازة. وقد عزز تطوير مجال المواد المانعة للتسرب نمو صناعة كربونات الكالسيوم بأكملها. وتتكامل الصناعتان وترتبطان ارتباطًا وثيقًا.
اختلافات كربونات الكالسيوم
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من منتجات كربونات الكالسيوم: كربونات الكالسيوم النانوية، وكربونات الكالسيوم الخفيفة، وكربونات الكالسيوم الثقيلة. يحتاج موظفو البحث والتطوير إلى اتخاذ خيارات معقولة بناءً على متطلبات أداء المادة المانعة للتسرب. عند تحضير مواد مانعة للتسرب مثل مركبات الصب، يمكن اختيار كربونات الكالسيوم بحجم جسيمات كبير وسيولة جيدة. بالنسبة للمواد المانعة للتسرب ذات متطلبات اللزوجة العالية، يمكن اختيار كربونات الكالسيوم بحجم جسيمات صغير ومعالجة سطحية. عند تحضير مواد مانعة للتسرب عالية الصلابة، يمكن زيادة كمية كربونات الكالسيوم المضافة بشكل مناسب. لتحسين خصائص البثق، يمكن استخدام كربونات الكالسيوم النانوية وكربونات الكالسيوم الثقيلة معًا.
بالإضافة إلى ذلك، فإن الاختلافات في حجم الجسيمات، وقيمة امتصاص الزيت، ومحتوى الرطوبة، وطريقة تنشيط السطح، واختيار المنشط يمكن أن تؤدي إلى اختلافات كبيرة في الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للمواد المانعة للتسرب. على سبيل المثال، من خلال دراسة تأثير كربونات الكالسيوم على أداء مانع التسرب المصنوع من السيليكون المكون من مكونين، يمكننا تقديم معلومات مرجعية قيمة لاختيار كربونات الكالسيوم في المواد المانعة للتسرب.
تنقسم مانعات التسرب السيليكونية إلى مكونين: الغراء الأساسي (المكون أ) ومادة المعالجة (المكون ب).
المكون أ: أضف 120 جزءًا من مطاط السيليكون 107 و100 جزء من كربونات الكالسيوم إلى خلاط كوكبي مزدوج واخلطي المكونات جيدًا، ثم انقلي الخليط إلى وعاء نظيف وأغلقيه بإحكام.
المكون ب: أضف عامل المعالجة إلى خلاط كوكبي مزدوج، واخلطه جيدًا، ثم انقله إلى أنبوب بلاستيكي نظيف وأغلقه.
معلومات تفصيلية عن منتجات كربونات الكالسيوم من ستة مصنعين موضحة أدناه:
الجدول 1: معلومات مفصلة عن منتجات كربونات الكالسيوم من مختلف الشركات المصنعة.
محتوى الرطوبة في كربونات الكالسيوم
تظهر نتائج اختبار محتوى الرطوبة لمنتجات كربونات الكالسيوم من مختلف الشركات المصنعة في الجدول 2.
الجدول 2: محتوى الرطوبة في منتجات كربونات الكالسيوم من مختلف الشركات المصنعة
كما هو موضح في الجدول 2، فإن محتوى الرطوبة في جميع عينات كربونات الكالسيوم المكتشفة بعد دخول المصنع أعلى من القيمة التي يوفرها المصنع إلى حد ما. وذلك لأن كربونات الكالسيوم تمتص الرطوبة بسهولة أثناء النقل. وعندما يصل امتصاص الرطوبة إلى مستوى معين، تتشكل بنية شبكية مجهرية محلية مع كربونات الكالسيوم كعقدة. في الظروف الشديدة حالاتقد يحدث تكوين مجهري موضعي وتركيز إجهاد في المادة المانعة للتسرب، مما يؤدي إلى تكوين عدد كبير من "الجسيمات" الدقيقة الموزعة بالتساوي، والتي تتجلى في شكل انكماش موضعي أو نتوءات. لذلك، أثناء إنتاج المادة المانعة للتسرب، تكون عملية التجفيف مطلوبة في مرحلة الخلط. بالنسبة للمواد المانعة للتسرب المعالجة بالرطوبة، يجب تجفيف كربونات الكالسيوم قبل الدمج لتجنب التأثير على استقرار تخزين المادة المانعة للتسرب.
تأثير كربونات الكالسيوم المختلفة على لزوجة المادة المانعة للتسرب
بعد وضع مكون مانع التسرب المحضر A في ظروف قياسية لمدة 24 ساعة، تم اختبار لزوجته باستخدام مقياس اللزوجة الدوراني. وتظهر نتائج الاختبار في الجدول 3.
الجدول 3: لزوجة المكون أ
من الجدول 3، يتبين أن لزوجة المواد المانعة للتسرب المصنوعة من منتجات كربونات الكالسيوم ذات أحجام الجسيمات المتشابهة متشابهة أيضًا. ومن بين منتجات المواد المانعة للتسرب الستة، تكون لزوجة المواد المانعة للتسرب المصنوعة من كربونات الكالسيوم 5# و6# أقل قليلاً، وذلك بسبب أحجام الجسيمات الأكبر لكليهما.
تأثير كربونات الكالسيوم المختلفة على سيولة المواد المانعة للتسرب
تظهر نتائج اختبار سيولة المواد المانعة للتسرب في الجدول 4.
الجدول 4 سيولة المادة المانعة للتسرب
من النتائج في الجدول 4، يمكن ملاحظة أن المواد المانعة للتسرب المحضرة بكربونات الكالسيوم 1# و2# لا تتدفق، في حين أن المواد المانعة للتسرب المحضرة بكربونات الكالسيوم 3#-6# جميعها تظهر سيولة جيدة. بعبارة أخرى، تتمتع المواد المانعة للتسرب المصنوعة من كربونات الكالسيوم النانوية بخصائص ثيكسوتروبية جيدة، في حين تتمتع تلك المصنوعة من كربونات الكالسيوم الخفيفة والثقيلة بخصائص تسوية جيدة. وبالتالي، فإن حجم جزيئات كربونات الكالسيوم يحدد خصائص ثيكسوتروبية وتسوية المادة المانعة للتسرب.
تأثير كربونات الكالسيوم المختلفة على صلابة المادة المانعة للتسرب
وتظهر نتائج اختبار صلابة المادة المانعة للتسرب في الجدول 5.
الجدول 5 صلابة المادة المانعة للتسرب
تأثير كربونات الكالسيوم المختلفة على الخواص الميكانيكية للمواد المانعة للتسرب تحت الظروف القياسية
تظهر البيانات المقدمة في الجدول 5 أن المواد المانعة للتسرب المحضرة باستخدام كربونات الكالسيوم الثقيلة 5# و6# تظهر صلابة أقل، في حين أن تلك المحضرة باستخدام كربونات الكالسيوم 1#-4# تظهر صلابة أعلى. ويمكن أن يعزى هذا الاختلاف إلى المعالجة السطحية لكربونات الكالسيوم. حيث تشكل كربونات الكالسيوم المعالجة بالأحماض الدهنية العديد من نقاط الترابط الفيزيائي، مما يزيد من صلابة المادة المانعة للتسرب الناتجة. وعلى النقيض من ذلك، فإن كربونات الكالسيوم الثقيلة، التي تفتقر إلى المعالجة السطحية، تؤثر على صلابة المادة المانعة للتسرب بناءً على صلابتها الجوهرية.
الخصائص الميكانيكية للمواد المانعة للتسرب في ظل الظروف القياسية
تم خلط مكونات A و B من مانع التسرب بنسبة كتلة 12: 1 وتركها لتتصلب لمدة 14 يومًا في ظل ظروف قياسية [درجة الحرارة: (23 ± 2) درجة مئوية، الرطوبة النسبية: (50 ± 5) %]. تم تشكيل ورقة بسمك (2.0 ± 0.2) مم بعد الخلط. ثم تم اختبار الخصائص الميكانيكية، بما في ذلك قوة الشد والاستطالة عند الكسر، وفقًا لمعيار GB / T 528-2009. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء اختبارات درجات الحرارة العالية والمنخفضة لتقييم أداء مانع التسرب في ظل ظروف قاسية. لاختبار درجات الحرارة العالية، وُضعت العينة في فرن بدرجة حرارة 90 درجة مئوية لمدة 168 ساعة، تلا ذلك اختبار الشد. لاختبار درجات الحرارة المنخفضة، تعرضت العينة لـ -30 درجة مئوية لمدة 168 ساعة قبل اختبار الشد.
الجدول 6 ملخص نتائج اختبارات الخواص الميكانيكية في ظل الظروف القياسية
قوة الشد والاستطالة عند كسر المواد المانعة للتسرب المصنوعة من كربونات الكالسيوم المختلفة
كما هو موضح في الجدول 6، فإن الأنواع الستة من مانعات التسرب المصنوعة من كربونات الكالسيوم المختلفة تظهر قوة شد واستطالة متفاوتة عند الكسر بعد عملية البركنة. على وجه التحديد:
- إن قوة الشد والاستطالة عند كسر المواد المانعة للتسرب المصنوعة من كربونات الكالسيوم 1# و2# متشابهة.
- كما أن قوة الشد والاستطالة عند كسر المواد المانعة للتسرب المصنوعة من كربونات الكالسيوم 3# و4# قابلة للمقارنة أيضًا.
- إن قوة الشد والاستطالة عند كسر المواد المانعة للتسرب المصنوعة من كربونات الكالسيوم 5# و6# متقاربة مع بعضها البعض.
تتميز كربونات الكالسيوم 1# و2# بحجمها النانوي، حيث يبلغ حجم جزيئاتها حوالي 50 نانومترًا ومساحة سطحية محددة كبيرة. تحتوي كربونات الكالسيوم النانوية هذه على العديد من نقاط التلامس (مواقع التعزيز) مع مصفوفة البوليمر الخاصة بمانع التسرب، مما يسهل التفاعلات القوية عند الواجهة الجزيئية. يعمل هذا على تحسين صلابة مانع التسرب ومقاومته للصدمات ومقاومته للتمزق من خلال منع انتشار الشقوق وتوليد أحزمة القص وامتصاص الطاقة، وبالتالي تعزيز كل من قوة الشد والاستطالة.
كربونات الكالسيوم 3# و4# عبارة عن مساحيق خفيفة الوزن نشطة بحجم الميكرون، مع مساحة سطح محددة أصغر قليلاً فقط من مساحة كربونات الكالسيوم النانوية. تأثير التعزيز الخاص بها مشابه، ولكنه أقل فعالية قليلاً من تأثير كربونات الكالسيوم النانوية، بسبب نقاط التعزيز الأقل.
كربونات الكالسيوم 5# و6# عبارة عن مساحيق كالسيوم ثقيلة نشطة ذات مساحة سطحية محددة أصغر بشكل ملحوظ مقارنة بكربونات الكالسيوم النانوية والخفيفة النشطة. توفر هذه المساحيق أقل عدد من نقاط التعزيز، مما يؤدي إلى أقل قوة شد واستطالة عند الكسر، وأضعف تأثير تعزيز.
الخصائص الميكانيكية للمادة المانعة للتسرب تحت ظروف درجات الحرارة العالية 90 درجة مئوية
تظهر نتائج اختبار الخصائص الميكانيكية للمادة المانعة للتسرب تحت ظروف درجة حرارة عالية تبلغ 90 درجة مئوية في الجدول 7.
الجدول 7 الخصائص الميكانيكية للمادة المانعة للتسرب تحت ظروف درجات الحرارة العالية 90 درجة مئوية
بعد المعالجة بدرجة حرارة عالية عند 90 درجة مئوية، تقل قوة الشد والاستطالة عند كسر المادة المانعة للتسرب بشكل كبير. ومن بين جميعها، تظهر تلك المصنوعة من كربونات الكالسيوم النانوية 1# و2# أكبر انخفاض في القوة والاستطالة. ويعزى ذلك إلى المساحة السطحية النوعية الكبيرة لكربونات الكالسيوم النانوية، مما يؤدي إلى مساحة تسخين أكبر. ونتيجة لذلك، يكون تأثير التعزيز الخاص بها أكثر حساسية للمعالجة بدرجة حرارة عالية، مما يؤدي إلى انخفاض أكبر في الخصائص الميكانيكية.
الخصائص الميكانيكية للمواد المانعة للتسرب في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة التي تصل إلى -30 درجة مئوية
تظهر نتائج الاختبار للخصائص الميكانيكية للمواد المانعة للتسرب في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة التي تصل إلى -30 درجة مئوية في الجدول 8. وبالمقارنة بالظروف القياسية، فقد زادت قوة الشد والاستطالة عند كسر العديد من المواد المانعة للتسرب بدرجات متفاوتة. وتستحق أسباب هذه النتيجة غير المتوقعة مزيدًا من التحقيق والتأكيد.
الجدول 8 الخواص الميكانيكية للمادة المانعة للتسرب عند درجة حرارة منخفضة تبلغ 30 درجة مئوية
خاتمة
تتمتع أنواع مختلفة من كربونات الكالسيوم بتأثيرات مميزة على أداء المواد المانعة للتسرب. كربونات الكالسيوم النانويةيوفر كربونات الكالسيوم، بحجم جزيئاته الصغير، أفضل تعزيز، مما ينتج عنه منتجات مانعة للتسرب. كما يتمتع بخصائص ممتازة للتماسك وأعلى قوة شد واستطالة عند الكسر. توفر كربونات الكالسيوم الخفيفة وكربونات الكالسيوم الثقيلة، ذات أحجام الجزيئات الأكبر قليلاً، تعزيزًا أقل فعالية مقارنة بكربونات الكالسيوم النانوية. لكن المواد المانعة للتسرب المصنوعة منها تتميز بسيولة جيدة. تتمتع المواد المانعة للتسرب المصنوعة من كربونات الكالسيوم الخفيفة بأعلى صلابة. تتمتع تلك المصنوعة من كربونات الكالسيوم الثقيلة بأقل صلابة.
تؤثر معالجات درجات الحرارة العالية والمنخفضة على الخواص الميكانيكية لمواد الختم المصنوعة من السيليكون. فبعد التعرض لدرجات حرارة عالية، تقل قوة الشد واستطالة مواد الختم المصنوعة من كربونات الكالسيوم المختلفة. وعلى العكس من ذلك، بعد التعرض لدرجات حرارة منخفضة، تزداد هذه الخواص عبر الأنواع المختلفة من مواد الختم المصنوعة من كربونات الكالسيوم.
