« ملات ضد اسید چیست؟ »

عنوان:

« ملات ضد اسید چیست؟ »

خلاصه

صنایعی که در فعالیت های خود با مواد شیمیایی اسیدی کار می کنند باید در مورد نحوه نگهداری و پوشش کف سالن ها وکف سازی محیط کار خود، در جهت جلوگیری از خوردگی و تخریب آن راه حلی پیدا کنند. برخی از پوشش‌ها و آسترهای ارگانیک را می‌توان در چنین محیط‌هایی، یا برای محافظت از مصالح ساختمانی آسیب‌پذیر، یا در ترکیب با تقویت‌کننده‌ها، برای جایگزینی آنها استفاده کرد. با این حال، مکانیسم‌های تخریب پوشش‌های آلی در سرویس‌های اسیدی به‌طور کامل شناخته نشده‌اند و تحقیقات کمی مربوطه کمیاب است. در نتیجه دانش بیشتری در مورد مکانیسم های تخریب شیمیایی و فیزیکی مورد نیاز است و بهبود مقاومت در برابر دماهای بالا و سایش می تواند خطر استفاده را کاهش دهد و زمینه های بالقوه کاربرد پوشش های آلی در معرض محیط های اسیدی را در صنایع شیمیایی افزایش دهد.

پوشش های آلی در محیط های اسیدی

پوشش‌ها و آسترهای آلی مقاوم در برابر اسید، درمان‌های سطحی هستند که می‌توانند مقاومت اسیدی زیرلایه‌های سرامیکی، فلزی یا آلی را افزایش دهند. این فناوری‌های پوشش‌دهی را می‌توان در صنایع شیمیایی یا هر فرآیند صنعتی دیگری که شامل مصرف، تولید یا حمل و نقل مواد شیمیایی اسیدی باشد، برای افزایش طول عمر و عملکرد مواد آسیب‌پذیر استفاده کرد.

مواد پوشش دهنده ارگانیک می توانند سازه های خودنگهدار تقویت شده یا پوشش های غیر مسلح باشند. پوشش‌های تقویت‌شده با الیاف در کارخانه‌های گوگردزدایی گاز مرطوب(FGD)  استفاده شده‌اند. در حالی که پوشش‌های تقویت‌نشده، در کاربردهایی از جمله: برای خط‌کشی مخازن واگن ریلی برای حمل اسید، محافظت از لوله‌های فاضلاب در برابر اسیدهای میکروبی، و حفظ راکتورهای آب‌شویی اسید همزده در فرآیندهای هیدرومتالورژیکی استفاده شده‌اند. جدول زیر فهرستی از صنایعی است که در آنها از پوشش‌های آلی مقاوم به اسید استفاده می‌شود یا به عنوان پوشش‌های محافظ کاربرد بالقوه ای دارند. استفاده از پوشش‌های ارگانیک به حفاظت اسید محدود نمی‌شود، همچنین می‌توان از آن ها در محیط‌های سوزاننده و مواد شیمیایی آلی استفاده کرد.

صنایع منتخبی که در آنها از پوشش های آلی مقاوم به اسید استفاده می شود یا کاربرد بالقوه ای دارند، به عنوان پوشش های محافظ

مانند هر ماده دیگری، پوشش های ارگانیک محدودیت هایی دارند. متغیرهای فرآیند صنعتی مانند دما، فشار، سایش، نوع اسید و وجود مواد شیمیایی اضافی می‌توانند قابلیت استفاده از یک پوشش آلی را محدود کنند. در ادامه تاریخچه مختصری از پوشش‌های آلی در محیط‌های اسیدی و مروری بر محدودیت‌های فرآیند عمومی پوشش‌های آلی، قابل استفاده برای حفاظت از اسید ارائه می‌شود. 

تاریخچه:

ترموپلاستیک هایی مانند پلی اتیلن PE، کشف شده در سال 1933 و پلی تترا اورواتیلن  PTFE یا Te onTM، در سال 1938 کشف شدند. استفاده از آن به دلیل مقاومت در برابر اسیدها، به ویژه نسبت به اسید هیدروکلریک HCl است که بسیاری از آلیاژهای فولادی را دچار خوردگی می­کند. این مقاومت با بسیاری از مواد دیگر ترموست و ترموپلاستیک مشترک است. از زمان اختراع آنها، چنین پلاستیک هایی به عنوان مواد مقاوم در برابر اسید در اجزای تجهیزات، ظروف و مخازن، و پوشش های مانع استفاده شده اند. به ویژه، پلاستیک های ترموست سخت شده شیمیایی، با چگالی اتصال عرضی بالا، در محیط های اسیدی استفاده می شود. مهمترین آنها اپوکسی وینیل استرها، فنولیک اپوکسی ها و پلی اورتان هستند.

به عنوان پوشش محافظ در محیط های اسیدی، پلی اورتان توسط برخی از تولیدکنندگان در نیروگاه ها و همچنین صنایع خمیر و کاغذ توصیه می شود، هرچند که همیشه در ترکیب با پوشش های مبتنی بر اپوکسی قرار می گیرد.

اپوکسی های فنلی مانند اپوکسی بیسفنول A، از سال 1947 به عنوان پوشش محافظ مورد استفاده قرار گرفته اند، و اپوکسی های نوولاک به عنوان رزین این دسته با بالاترین مقاومت شیمیایی شناخته می شوند. تجربه استفاده از اپوکسی ها در محیط های اسیدی بیشتر از پلی یورتان ها است و برای نیروگاه ها و تولید خمیر و کاغذ بیشتر توصیه می شود.

وینیل استرهای اپوکسی در اواخر دهه 1960 کشف شدند و جایگزین پلی استر فومراته بیسفنول A ترد تر به عنوان رزین انتخابی در محیط های شیمیایی تهاجمی شدند.

وینیل استر به عنوان مواد ساختمانی مقاوم در برابر اسید و همچنین پوشش های محافظ در صنایع شیمیایی استفاده می شود و طول عمر آن بین 15 تا 25 سال در چنین محیط هایی گزارش شده است. امروزه تمام رزین های ذکر شده در محیط های اسیدی صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

محدودیت های فرآیندی پوشش های مقاوم در برابر اسید

1- درجه حرارت

نقطه ضعف پوشش های ارگانیک این است که آنها فقط در محدوده دمایی محدودی قابل استفاده هستند. دمای انتقال شیشه ای (Tg)  یک پوشش سخت شده، نشانگر خوبی برای تحمل دمای بالا است.

2- فشار

اثرات فشار بر روی پوشش های آلی در محیط های اسیدی با جزئیات بیشتری تا بحال بررسی نشده است. با این حال، گزارش شده است که کاهش فشار به پوشش‌ها آسیب می‌رساند، زیرا باعث انبساط سریع گازها یا مایعات محلول در پوشش می‌شود و منجر به تشکیل تاول می‌شود. نمونه ای از پوشش های آلی در عملیات فشار بالا شامل پوشش های ماروپلیمری مانند PTFE است که در اتوکلاوهایی که بین 15 تا 35 مگاپاسکال کار می کنند استفاده می شود.

3- فرسایش و سایش

سایش فرسایشی زمانی اتفاق می‌افتد که ذرات بر روی سطح پوشش قرار گیرند و مواد پوشش را خراش دهند. این یک عمل زیرمجموعه از سایش است که به عنوان سایش ناشی از ذرات سخت یا برآمدگی های سختی که در برابر یک سطح جامد قرار گرفته و در امتداد آن حرکت می کنند، تعریف می شود.

پوشش های آلی را می توان با استفاده از فرآیندهایی با سطح فرسایش کم یا ساییدگی خفیف استفاده کرد. که می تواند پوشش هایی برای مهار ثانویه باشد مثلا پوششی در معرض سایش لغزشی عابران پیاده قرار می گیرد، یا پوشش های داخلی لوله برای حمل و نقل مواد دوغاب.

ویژگی خاص برخی از پوشش های آلی، توانایی تغییر شکل در صورت اعمال نیرو و بازیابی شکل اولیه در صورت شل شدن است. و خاصیت ارتجاعی، مقاومت بالایی در برابر ضربه و فرسایش ناشی از آن ایجاد می‌کند، اما پوشش‌های آلی نیز می‌توانند سفت و سخت باشند و در بسیاری از انواع شرایط ساینده مفید باشند.

اسیدها و pH

اسیدها می توانند در فرآیندهای صنعتی به عنوان واکنش دهنده ها، حلال ها، تنظیم کننده های pH و محصولات دلخواه یا نامطلوب وجود داشته باشند. اسیدهای رایج تر عبارتند از: سولفوریک H2 SO4، هیدروکلریک و اسید نیتریک HNO3.

فرآیندهای صنعتی با استفاده از مواد شیمیایی اسیدی می‌تواند از استفاده از اسیدهای ضعیف تا قوی و غلظت‌های کم تا بالا، در محدوده pH 1.25  تا 7 متفاوت باشد. می‌توان پوشش‌هایی را که قادر به مقاومت در برابر این مقادیر pH پایین هستند، تهیه کرد، اما pH تنها عامل مهم مربوط به مقاومت در برابر اسید نیست.

به طور کلی، پوشش‌های آلی می‌توانند مقاومت بسیار خوبی در برابر اسیدها داشته باشند، اما نوع اسید(های) مورد پردازش باید در نظر گرفته شود. خاصیت اکسیداتیو یا کاهنده اسیدها و همچنین ماهیت آلی یا معدنی از عوامل مهم هستند.

لیستی از اسیدهای آلی، معدنی و اکسید کننده رایج در جدول زیر آورده شده است. اسیدهای بسیار اکسیداتیو می توانند با توانایی آنها در شکافتن پیوندهای شیمیایی مهم در رزین های پوشش دهی و ایجاد صدمات جبران ناپذیر مشکل ساز باشند. در حالی که اسیدهای آلی به دلیل شباهت شیمیایی با رزین می توانند به سرعت از طریق یک پوشش آلی استفاده شوند. بنابراین یک پوشش مقاوم در برابر اسید کلریدریک احیاکننده، ممکن است عملکرد ضعیفی در اسید نیتریک یا فرمیک آلی (HCOOH)  اکسیدکننده داشته باشد.

اپوکسی

پوشش‌های مبتنی بر اپوکسی در محیط‌های اسیدی کاربردهای بسیاری پیدا کرده‌اند، به ویژه اپوکسی‌های نوولاک معمولاً به دلیل چگالی اتصال متقابل بالا، در مقایسه با اپوکسی‌های معمولی بیسفنول A استفاده می‌شوند. با این وجود، هیچ فعالیتی در مورد تجزیه اسیدی اپوکسی‌های نوولاک یافت نشده است، بنابراین اپوکسی‌های بیسفنول A و F به عنوان نمونه استفاده می‌شوند. شیمی رزین یک اپوکسی پخته شده می تواند بسیار متفاوت باشد، زیرا گروه انتهایی اپوکسی می تواند با تعداد زیادی از مواد شیمیایی، از جمله خودش هنگام گرم شدن، واکنش دهد. زمانی که مقاومت اسیدی بالا مورد نظر باشد، سیستم‌های پخت آمین رایج‌تر هستند. یک اپوکسی lm پخته شده حاوی پیوندهای اتر، گروه های هیدروکسیل، گروه های اپوکسی واکنش نداده یا عامل پخت بسته به استوکیومتری پخت، و پیوندی وابسته به عامل پخت انتخابی است. شکل زیر شیمی پیوند متقاطع برخی از عوامل پخت با اپوکسی را نشان می دهد.

پیوندهای اتری در ستون فقرات اپوکسی ها وجود دارند و طبق گفته ( Hare, CH) در کتاب: “تخریب پوشش های ناشی از مواد شیمیایی”، می توانند به هیدرولیز ناشی از اسید حساس باشند. از نظر نویسندگان، هیچ منبعی این موضوع را برای رزین های اپوکسی تایید نکرده است. تنها تحقیق موجود در مورد این موضوع از Bauer (نویسنده دیگر) می آید که نشان داد برای پوشش های هم پلیمری با پیوند متقابل ملامین فرمالدئید، پیوندهای اتری می توانند در حضور اسیدها دچار شکاف هیدرولیتیک شوند.

اپوکسی های پخت شده با آمید در برابر تخریب در محیط های اسیدی آسیب پذیر هستند و تحت تغییرات شیمیایی قرار می گیرند که منجر به افزایش غلظت گروه های کربونیل می شود، در حالی که مشخص شده است که پیوندهای آمیدی خود برای رزین های غیر اپوکسی بر اساس واکنش دچار شکاف هیدرولیتیکی می شوند. همچنین ثابت شده است که اسیدهای غیر اکسید کننده باعث افزایش چگالی اتصال متقابل برای اپوکسی های پخت شده با آمید می شوند. همچنین می توان به افزایش چگالی پیوند متقابل در اپوکسی های آمیدی در مواجهه با اسید سولفوریک اشاره کرد که باعث ایجاد استرس داخلی و به دنبال آن تشکیل تاول در پوشش ها می شود.

پیوندهای آمین نیز کاملاً بی اثر نیستند. پس از بررسی اپوکسی های پخت شده با آمین در اسیدهای مختلف مشخص شد که پیوندهای آمینی در رزین پخت شده به تخریب ناشی از اسید حساس هستند. همچنین در طی بررسی تجزیه آکریلیک ملامین در اسید سولفوریک، و به دنبال آن تبدیل به نمک آمین،مشخص شد که مستعد هیدرولیز است. برخی محققان (اونو و هوجو)  معتقدند توالی واکنش در آزمایشات معکوس می شود که محصول واکنش را به عنوان یک نمک آمین و به دنبال آن قیچی پیوند C-N توصیف می کنند. که در شکل زیر نشان داده شده است. در مقابل محقق دیگری بیان می کند که اپوکسی های پخت شده با آمین در معرض اسید سولفوریک دچار تغییر شیمیایی قابل توجهی نمی شود

 اونو همچنین با استفاده از اسید نیتریک، رفتار بیسفنول A آماده شده با آمین را در یک محیط اکسید کننده اسیدی بررسی کرد و به این نتیجه رسید که پیوندهای آمین و اتری در چنین محیطی مستعد شکست هستند. مشاهده شد که این تخریب سریع و بسیار مخرب بود. کار مشابهی توسط دانگ و همکاران انجام شد. که تجزیه بیسفنول A و F را در اسید نیتریک مورد مطالعه قرار دادند. دانگ به پیوندهای آمینی حساس به شکاف اشاره می کند و نیتراسیون حلقه های بنزن را در هر دو نوع اپوکسی مشاهده می کند. قیچی شدن C-O در اترها و پیوند C-N و C-C در آمین های سوم توسط اسید نیتریک توسط محقق تراهانوفسکی ذکر شده است.

به طور خلاصه، اپوکسی های پخت شده با آمید در محیط اسیدی عملکرد ضعیفی دارند زیرا به هیدرولیز و همچنین اتصال متقابل القا شده حساس هستند. اپوکسی های پخت شده با آمین در محیط های اسیدی عملکرد بهتری دارند، اما در اسیدهای اکسید کننده به دلیل شکستن پیوند آمین (C-N) و اتر (C-O) تجزیه می شوند. شکاف شیمیایی پیوندهای آمینی توسط اسیدهای غیر اکسید کننده شرح داده شده است، اما واکنش باید کند باشد زیرا تغییرات شیمیایی قابل توجهی به راحتی مشاهده نمی شود.

اسیدها و بتن

بتن مسلح یک ماده مرکب است. عملکرد سازه ای آن تنها زمانی تحقق می یابد که بتن و فولاد در طول عمر سازه به طور هماهنگ عمل کنند.  بارهای فشاری و کششی به ترتیب توسط بتن و فولاد حمل می شوند.  فولاد از بتن در برابر ترک خوردگی تحت بارهای کششی محافظت می کند و بتن با ایجاد یک محیط قلیایی در اطراف آن از فولاد در برابر خوردگی محافظت می کند.  تا زمانی که این اتفاق بیفتد، سازه های بتن مسلح عملکرد رضایت بخشی دارند.  هر چقدر که بتن یک ماده بسیار قوی باشد، همانقدر در معرض تخریب نیز می باشد. بتن می تواند متخلخل باشد در این صورت مواد شیمیایی میتوانند به منافذ نفوذ کرده و به خمیر حمله کنند.  خمیر و سنگدانه همچنین می توانند در اثر ضربه فیزیکی و سایش فرسوده شوند.  آب می تواند در بتن نفوذ کند، یخ بزند و با کاهش دما در داخل آن منبسط شود.  و در نهایت بتن را از درون ضعیف می کند.  بعلاوه، اگر بتن دارای میلگردهای فولادی تقویت‌کننده برای ایجاد مقاومت بیشتر و سایر خواص باشد، در صورت نفوذ یون‌های رطوبت، اکسیژن و کلرید به بتن، میلگرد می‌تواند دچار خوردگی شود.  خوردگی میلگرد روند خراب شدن بتن را تسریع می کند.

مواد مختلف محیطی متخاصم خارجی مانند عوامل اسیدی موجود، محیط های شیمیایی، آب، دی اکسید کربن، اکسیژن، کلریدها، سولفیدها و موجودات بیولوژیکی از اتمسفر به داخل بتن منتقل می شوند و با مکانیسم های مختلف به فولاد و بتن حمله می کنند و باعث تخریب زودرس بتن می شوند و دوام آن را به چالش می کشند و در نتیجه آن را دچار آسیب می کنند. در شکست زودرس سازه ها، می توان با ایجاد پوشش های سطحی مانع روی بتن، ورود عوامل مضر را محدود کرد و یا از آن جلوگیری کرد. مثل استفاده از ملات های ضد اسیدی مانند ملات ضد اسید اپوکسی Tiss A 1080، که در مقابل محیط های اسیدی، روغن ها و حلال ها مقاوم بوده و قابلیت استفاده بر روی انواع سطوح را دارد. بنابراین می توان یکپارچگی سازه را در طول عمر مفید آن حفظ کرد.

تشکیل اسید سولفوریک H2SO4

H2SO4 از طریق یک فرآیند با واسطه باکتری به نام “خوردگی سولفید بیوژنیک” تشکیل می شود.محیط های شیمیایی حاوی پروتئین هایی است که شامل ترکیبات آلی گوگرد است، زمانی که باکتری ها شروع به کاتابولیزاسیون این ماده آلی می کنند، اکسیژن موجود (محلول در آب) کاهش می یابد. در غیاب اکسیژن، نیترات ها، و سولفات ها به سولفید هیدروژن تبدیل می شوند. گاز سولفید هیدروژن در مجاورت رطوبت به صورت بیوشیمیایی اکسید می شود و اسید سولفوریک تشکیل را می دهد.

خوردگی

اسید سولفوریک تولید شده توسط میکروارگانیسم ها با سطح بستر بتن واکنش نشان خواهد داد.اسید سولفوریک با هیدروکسید کلسیم موجود در بتن (سیمان پرتلند) واکنش داده و سولفات کلسیم را تشکیل می دهد.

محیط اسیدی

بیشتر زیرساخت های محیط های شیمیایی و اسیدی جهان با استفاده از بتن ساخته می شود که یکی از همه کاره ترین مواد موجود است. بتن قوی، شکل پذیر، نسبتاً ارزان است و طول عمر نسبتاً خوبی دارد. با این حال، محدودیت هایی نیز دارد. بتن به تنهایی به طور ایده آل برای طول عمر در محیط های خورنده موجود در زیرساخت های شیمیایی و اسیدی مناسب نیست زیرا این گونه محیط ها حاوی اسید سولفوریک هستند که به بتن در این محیط ها حمله می کند.  اثر اسید سولفوریک بر سطوح بتنی و فولادی در این محیط‌ ها، طول عمر را با چالش جدی مواجه می‌کند.  استفاده از مواد ضد اسید در این زیرساخت ها و همچنین در نتیجه برای اقتصاد پروژه مفید و ضروری است. تنها در ایالات متحده، خوردگی ناشی از اسید و مواد شیمیایی باعث خسارات زیرساخت می شود که دست کم حدود 14 میلیارد دلار در سال تخمین زده می شود. استفاده از ملات ضد اسید اپوکسی Tiss A 1080 یکی از راه حل های مناسب و مقرون به صرفه در برابر این نوع معضلات و خسارات می باشد که کاربرد آن در انواع پروژه ها مانند کارخانه های فرآورده های غذایی و لبنی، نصب و بندکشی کاشی و آجرهای ضد اسید، محل هایی که در تماس با مواد شیمیایی می باشند، پوشش سطوحی که در مجاورت مواد شیمیایی خورنـده قرار دارند، اتاق های باتری، مخازن الکترولیزو… ضروری می نماید. در ادامه به معرفی این محصول پرداخته خواهد شد.

ملات های بر پایه رزین اپوکسی

ملات های بر پایه رزین اپوکسی عمدتاً ملات های دو جزئی می باشند. یکی از اجزاء، رزین اپوکسی به عنوان عامل پیوند دهنده، جزء دوم هاردنر است که عموماً مایع است. هاردنرهای مورد استفاده جهت خشک شدن رزین های اپوکسی غالباً پلی آمین های آلیفاتیک و آروماتیک می باشند. مخلوط کردن هاردنرها با رزین های اپوکسی می بایست براساس نسبت دقیق اختلاط که سازنده مواد ارایه می دهد، انجام شود.

ملات های بر پایه رزین اپوکسی بر حسب نوع استفاده از هاردنر دارای مقاومت های بسیار متنوعی می باشند. آن ها در برابر اسیدهای معدنی با غلظت پایین، قلیاها و نمک ها مقاومت دارند ولیکن مقاومت آن ها در برابر مواد اکسیدکننده، اسیدهای معدنی غلیظ، اسیدهای آلی با جرم مولکولی پایین و بسیاری از حلال ها نسبتاً ضعیف است. مقاومت حرارتی این گروه از ملات های رزینی در حدود ۶۰ درجه سانتی گراد می باشد.

ملات های بر پایه رزین اپوکسی چسبندگی بسیار عالی بر روی سطوح بتونی و نیز مواد سرامیکی دارند. به دلیل چسبندگی خوب آن ها، اغلب می توان کاشی ها را مستقیماً بر روی سطوح با استفاده از ملات های اپوکسی و بدون نیاز به استفاده از membrane اجرا نمود.

ملات ضد اسید اپوکسی Tiss A 1080

این ملات موثر و کاربردی مخلوطی دو جزیی است که با استفاده از رزین اپوکسی و هاردنر تولید می گردد. این ملات پایداری عالی در مقابل محیط های اسیدی، روغن ها و حلال ها دارد و دارای چسبندگی خوب به سطوح و مقاوم در برابر فشارهای مکانیکی می باشد و استفاده از آن در محیط هایی که سطوحی مثل بتن و یا کف سازی ها در ارتباط با مواد شیمیایی و اسیدی هستند، خصوصا کارخانجات و پالایشگاه ها و محیط های آزمایشگاهی و… به شدت توصیه می گردد. از این محصول می توان جهت پوشش دهی سطوح بدون نصب کاشی هم استفاده نمود و نیز جهت چسباندن و بندکشی کاشی های ضد اسید نیز استفاده می گردد. ملات ضد اسید اپوکسی Tiss A 1080، مطابق با استاندارد جهانی ASTM C 395, ASTM C 321، تولید گردیده است. 

موارد کاربرد:

• استفاده در محل هایی که امکان ریزش مواد شیمیایی وجود دارد.
• اتاق های باتری
• نصب و بندکشی کاشی و آجرهای ضد اسید
• کارخانجات غذایی و لبنی
• محل هایی که در تماس با مواد شیمیایی می باشند
• مخازن الکترولیز
• کفپوش های صنعتی

منابع:

backend.orbit.dtu.dk

www.nbmcw.com

aryasath.com

گردآوری شده توسط تیم ترجمه سفید بام کرمانیان

همچنین می توانید برای مطالعه بیشتر پیرامون انواع دیگر عایق ها، مقالات زیر را نیز مطالعه فرمایید:

مواد افزودنی عایق رطوبتی برای بتن – نیاز، عملکرد، دوز و مکانیسم

انواع دیگر محصولات TISS و همچنین لیست قیمت ها و دریافت مشاوره جهت سفارش و خرید را در اینجا ببینید.