تأثير محتوى المطاط المسترجع المُعَدّ لمرحلة إزالة الكبريت على البنية والخصائص الميكانيكية وسلوك الشيخوخة الحرارية-الأكسدية لمطاط الإيثيلين-بروبيلين-داين-مونومر (EPDM)

لماذا لا يزال المطاط القديم مهمًا

كل سنة ينتهي المطاف بكميات هائلة من المطاط المستعمل من الأختام والخراطيم والأسطح والإطارات كنفايات، لأن العملية التي تجعل المطاط قويًا ومرنًا تجعل أيضًا من الصعب إعادة تدويره. تدرس هذه الدراسة طريقة واعدة لإعطاء نوع شائع من المطاط، EPDM، حياة ثانية. عبر كسر وإعادة تشكيل بعض الروابط الصغيرة التي تربط المادة ببعضها بعناية، يستقصي الباحثون كمية المطاط المعاد تدويره التي يمكن خلطها مع منتجات جديدة دون التضحية بالسلامة أو المتانة أو الأداء. تشير نتائجهم إلى إمكانية إنتاج أجزاء مطاطية أكثر استدامة في السيارات والمباني والصناعة مع تقليل كمية المادة المرسلة إلى مكبات النفايات أو المحروقة كوقود.

تحويل المطاط البالي إلى مكوّن مفيد

يُستخدم مطاط EPDM على نطاق واسع لأنه يقاوم الحرارة والأوزون والعوامل الجوية أفضل من كثير من الإيلاستومرات الأخرى. بمجرد أن يخضع لعملية «التهبئة» (vulcanization) — أي الربط الكيميائي الشبكي لتكوين شبكة ثلاثية الأبعاد — يصبح قويًا ومرنًا لكن من الصعب جدًا إذابته وإعادة تشكيله. عمل الفريق مع EPDM «المعاد إليه الكبريت» (devulcanized)، حيث تم كسر العديد من الروابط المرتكزة على الكبريت بين السلاسل بشكل انتقائي مع الحفاظ إلى حد كبير على العمود الفقري البلمري. لا يزال هذا المادة المسترجعة تحتوي على بوليمر وكربون أسود وزيوت ومواد مالئة معدنية. خلط الباحثون هذا المكوّن في مركب ختامي قياسي من EPDM بأربعة نسب: لا شيء (مرجع جديد)، 20%، 40%، و60% مطاط مُعاد إزالة الكبريت. بالنسبة لأعلى نسبة، جربوا أيضًا وصفة معدّلة خفّضت الكربون الأسود والملطف للتعويض عن ما يجلبه المطاط المعاد تدويره مسبقًا.

كيف يغيّر المطاط المعاد تدويره البنية

لفهم ما يحدث داخل المطاط، استخدم المؤلفون مجموعة من التقنيات التي تتتبع كيفية تكوّن الشبكة وشيخوختها. اختبارات التصلب، تجارب الامتزاز، استرخاء الإجهاد المعتمد على درجة الحرارة، رنين نووي مغناطيسي منخفض المجال، وطريقة نقطة التجمد للمذيب المحبوس كلها تستقصي مدى إحكام ربط السلاسل معًا. اتفقت معظم هذه الأساليب على أن إضافة EPDM المعاد إليه الكبريت يزيد الكثافة الكلية للروابط في الشبكة، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن المادة المعاد تدويرها لا تزال تحمل كبريتًا تفاعليًا وروابط مكسورة جزئيًا يمكنها تكوين جسور جديدة أثناء إعادة المعالجة. مع ذلك، أشارت تقنية واحدة — تعتمد على كيفية إزاحة وجود المطاط لنقطة تجمد مذيّب — إلى أنه عند محتوى معاد تدويره عالٍ يزداد متوسط المسافة بين الروابط بالفعل. يقترح المؤلفون أن هذا التباين قد يعكس خليطًا أكثر تعقيدًا من جسور كبريت طويلة ومرنة مقابل جسور أقصر وأصلب في المركبات الغنية بالمادة المعاد تدويرها، وأن ليس كلّ الأساليب «تُظهر» هذه البنية بنفس الطريقة.

من اختبارات المختبر إلى الأداء الواقعي

كشفت الاختبارات الميكانيكية عن مقايضة واضحة مع زيادة محتوى EPDM المعاد إليه الكبريت. ارتفعت صلادة شور A، وهي مقياس بسيط لمدى صلابة الإحساس بالمطاط، تدريجيًا مع زيادة المحتوى المعاد تدويره، مما يعكس شبكة أكثر صلابة وربطًا وكثافة عالية من المواد المالئة. في الوقت نفسه، انخفضت المقاومة للشد والتمزق والامتداد عند الكسر، خاصة عند نسب 40% و60%. تؤدي عدم انتظامية دقيقة في كيفية ارتباط مناطق المطاط الجديد والقديم، وتفاوت في التشابك الشبكي، وسلاسل تالفة جزئيًا إلى وجود «نقاط ضعف» حيث يمكن أن تبدأ الشقوق وتنمو. خففت الوصفة المعدلة عند 60% بتخفيض الكربون الأسود والزيت من صلابة المادة قليلًا وحسنت قدرتها على الامتداد مقارنة بالخليط غير المعدّل عند 60%، بينما حافظت على معظم الخصائص في نطاق مماثل. يبيّن هذا أن صياغة ذكية يمكن أن تعوض جزئيًا عيوب إعادة التدوير المكثف.

ماذا يحدث مع تقدّم عمر المطاط

التحمل مهم بقدر القوة الأولية للأختام والحشايا التي قد تتعرض لبيئات ساخنة وغنية بالأكسجين لسنوات. لمحاكاة الخدمة طويلة الأمد، عرض الباحثون جميع المركبات لعمر يصل إلى ستة أسابيع عند 70 °م و100 °م، ولأزمنة أقصر مكافئة عند 125 °م. تتبعوا التغيرات في التركيب الكيميائي والصلابة والقوة والقدرة على التمدد والمرونة. كما هو متوقع، أدت الشيخوخة إلى مزيد من التشابك الشبكي وبعض تكسر السلاسل في كل المواد. ومع ذلك، لم تَعرَض المركبات المحتوية على المادة المعاد توصيلها تدهورًا أسرع من المرجع الجديد؛ ففي كثير من الحالات كان فقدان القوة والمرونة مماثلًا أو حتى أقل حدّة قليلًا. أظهرت طيفيات الأشعة تحت الحمراء وقياسات التشابك أن الشبكة تتحول تدريجيًا من جسور كبريت أطول وأكثر حركة إلى جسور أقصر وأكثر صلابة، لكن هذا التحول لم يتسبب في تكسير إضافي دراماتيكي في الخلطات المعاد تدويرها. أحيانًا تصرفت الوصفة المعدّلة بنسبة 60% بطريقة جيدة بشكل غير متوقع، مما يوحي بأن ضبط الوصفة يمكن أن يحسّن كلًا من الأداء الابتدائي ومقاومة الشيخوخة.

ماذا يعني كل هذا لمطاط أكثر خضرة

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن مطاط EPDM المصنوع بجزء كبير من مادة مُعاد إليها الكبريت بعناية يمكن أن يظل يؤدي أداءً محترمًا، خاصة إذا تم تعديل الوصفة لمراعاة المواد المالئة الإضافية والكبريت التفاعلي الذي يحملونه. يزيد المحتوى المعاد تدويره من صلابة المطاط لكنه يقلل من مرونته، والمستويات العالية جدًا لا تزال تُحدث تأثيرًا ملحوظًا في القوة. مع ذلك، لا تنهار الخلطات المعاد تدويرها بسرعة أكبر عند التعرض للحرارة والأكسجين؛ إذ تتقدم في العمر تقريبًا بنفس وتيرة EPDM التقليدي. يشير هذا إلى أنه في العديد من الاستخدامات العازلة والتوسيدية حيث لا تكون المتطلبات الميكانيكية القصوى حاسمة، يمكن للمصنّعين بأمان استبدال حصة كبيرة من المطاط الجديد بمطاط EPDM المسترجع، مما يقلل النفايات واستهلاك الموارد مع الحفاظ على عمر خدمة طويل.

الاستشهاد: Leng, Y., Spanheimer, V., Katrakova-Krüger, D. et al. Effect of devulcanized reclaimed rubber content on structure, mechanical properties, and thermo-oxidative aging behavior of ethylene-propylene-dien-monomer (EPDM) rubber. Sci Rep 16, 6350 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36961-w

الكلمات المفتاحية: مطاط EPDM, إزالة الكبريت, إعادة تدوير المطاط, شيخوخة المواد, بوليمرات مستدامة