مقدمه
رزین وینیل استر نووالاک (Novolac Vinyl Ester Resin) یکی از پیشرفته‌ترین رزین‌های ترموست صنعتی است که ترکیبی از خواص اپوکسی و پلی‌استر غیراشباع ارائه می‌دهد. این رزین با ساختار شیمیایی مبتنی بر نووالاک (رزین فنولیک چندعامله) و گروه‌های وینیل استر، مقاومت شیمیایی استثنایی، استحکام مکانیکی بالا و پایداری حرارتی عالی را فراهم می‌کند. از دهه ۱۹۷۰ میلادی توسط شرکت‌هایی مانند Ashland و Reichhold توسعه یافت و امروزه در صنایع حساس مانند پتروشیمی، دریایی، هوافضا و ساخت مخازن شیمیایی کاربرد گسترده دارد. در ایران، با رشد صنایع پالایشگاهی و نیاز به مواد مقاوم در برابر اسیدهای قوی، رزین وینیل استر نووالاک به عنوان جایگزین برتر فولاد ضدزنگ و رزین‌های معمولی شناخته می‌شود. این مقاله به بررسی ساختار شیمیایی، خواص، روش‌های تولید، کاربردها، مقایسه با سایر رزین‌ها، مزایا و معایب و چشم‌انداز آینده این رزین می‌پردازد. هدف، ارائه اطلاعات دقیق و کاربردی برای مهندسان، طراحان و تولیدکنندگان است تا بتوانند از این ماده در پروژه‌های خود بهره ببرند.
ساختار شیمیایی رزین وینیل استر نووالاک
رزین وینیل استر نووالاک از واکنش رزین نووالاک اپوکسی‌شده با اسید متاکریلیک یا آکریلیک تولید می‌شود. نووالاک پایه، پلیمر فنولیک با پیوندهای متیلن (-CH₂-) بین حلقه‌های فنلی است که از واکنش فرمالدهید با فنل اضافی (نسبت مولی F/P < ۱) به دست می‌آید. این ساختار چندعامله (Functionality > ۲) امکان اتصال چندگانه با گروه‌های اپوکسی را فراهم می‌کند.
در مرحله بعدی، گروه‌های اپوکسی انتهایی با متاکریلیک اسید واکنش داده و گروه‌های وینیل استر (-CO-CH=CH₂) ایجاد می‌کنند. فرمول کلی:
[Novolac-Epoxy] + CH₂=CH-COOH → [Novolac-Vinyl Ester] + Glycidolاین ساختار دوگانه (اپوکسی در backbone و وینیل در انتها) باعث می‌شود رزین هم کیورینگ رادیکالی (مانند پلی‌استر) و هم خواص مکانیکی اپوکسی را داشته باشد. وزن مولکولی متوسط (Mw) بین ۸۰۰ تا ۲۰۰۰ دالتون و ویسکوزیته ۳۰۰ تا ۱۰۰۰ سانتی‌پواز است. حلال استایرن (۳۰-۴۵ درصد) برای رقیق‌سازی اضافه می‌شود تا ویسکوزیته به ۲۰۰-۵۰۰ cps برسد.
خواص فیزیکی و شیمیایی
رزین وینیل استر نووالاک خواص برتری نسبت به وینیل استرهای بیسفنول A دارد:
- مقاومت شیمیایی: مقاوم در برابر اسیدهای قوی (H₂SO₄ ۹۸%، HCl ۳۷%، HNO₃ ۷۰%)، بازها (NaOH ۵۰%) و حلال‌های آلی تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد. نرخ جذب آب کمتر از ۰.۱ درصد.
- پایداری حرارتی: HDT (دمای تغییر شکل حرارتی) تا ۱۵۰-۱۸۰ درجه سانتی‌گراد (بالاتر از بیسفنول A با ۱۰۰-۱۲۰ درجه).
- استحکام مکانیکی: استحکام کششی ۸۰-۱۰۰ مگاپاسکال، مدول الاستیک ۳.۸-۴.۲ گیگاپاسکال، ازدیاد طول ۳-۵ درصد.
- مقاومت خستگی: تحمل بیش از ۱ میلیون چرخه در ۵۰ درصد بار نهایی.
- عایق الکتریکی: مقاومت الکتریکی > ۱۰¹⁴ اهم-متر.
این خواص با تست‌های ASTM D543 (خوردگی)، ASTM D648 (HDT) و ASTM D790 (خمش) تأیید می‌شود.
روش‌های تولید
تولید در دو مرحله اصلی انجام می‌شود:
۱. سنتز رزین نووالاک
فنل و فرمالدهید (۳۷%) در حضور کاتالیست اسیدی (HCl یا اگزالیک اسید) در راکتور ۱۰۰-۱۲۰ درجه سانتی‌گراد واکنش می‌دهند. نسبت مولی ۱:۰.۸، زمان ۴-۶ ساعت. محصول شستشو و خشک می‌شود (نرم‌شدن در ۷۰-۹۰ درجه).
۲. اپوکسی‌سازی و وینیل‌دار کردن
- اپوکسی‌سازی: نووالاک با اپی‌کلروهیدرین (ECH) در حضور NaOH در ۹۰-۱۰۰ درجه واکنش می‌دهد. DGE (Diglycidyl Ether) تشکیل می‌شود.
- وینیل‌دار کردن: DGE با متاکریلیک اسید در حضور کاتالیست (تری‌فنیل‌فسفین) و مهارکننده (هیدروکینون) در ۱۱۰-۱۲۰ درجه واکنش می‌دهد. استایرن اضافه شده و محصول فیلتر می‌شود.
در ایران، شرکت‌های پتروشیمی مانند پتروشیمی خوزستان مواد اولیه تأمین می‌کنند و تولیدکنندگان کامپوزیت رزین را فرموله می‌کنند.
کاربردها در صنایع شیمیایی و پالایشگاهی
رزین وینیل استر نووالاک در ساخت تجهیزات مقاوم به خوردگی کاربرد دارد:
- مخازن و لوله‌ها: لاینینگ مخازن اسید سولفوریک، هیدروکلریک و نیتریک. ضخامت ۳-۵ میلی‌متر با روش Hand Lay-up یا Filament Winding.
- دودکش‌ها و اسکرابرها: تحمل گازهای داغ (SO₂، HCl) تا ۱۸۰ درجه.
- کف‌پوش‌های صنعتی: در پالایشگاه‌ها با مقاومت به مواد نفتی و اسید.
در پالایشگاه بندرعباس و پتروشیمی بندر امام از این رزین استفاده شده است.
کاربرد در صنایع دریایی و فراساحلی
- بدنه قایق و شناور: مقاومت به آب دریا و UV (با ژلکوت).
- پلتفرم‌های نفتی: سازه‌های FRP در برابر خوردگی نمک.
- پروانه و شفت: کامپوزیت با الیاف کربن.
کاربرد در هوافضا و نظامی
- پنل‌های کامپوزیتی: در پهپادها و موشک‌ها به دلیل وزن سبک و استحکام.
- رزین ماتریس در GRP/Novolac: با الیاف آرامید یا شیشه.
مقایسه با رزین‌های دیگر
| ویژگی | وینیل استر نووالاک | وینیل استر بیسفنول A | اپوکسی استاندارد | پلی‌استر غیراشباع |
|---|---|---|---|---|
| مقاومت اسید قوی | عالی | خوب | متوسط | ضعیف |
| HDT (درجه سانتی‌گراد) | ۱۵۰-۱۸۰ | ۱۰۰-۱۲۰ | ۱۲۰-۱۵۰ | ۶۰-۸۰ |
| استحکام کششی (MPa) | ۸۰-۱۰۰ | ۷۰-۸۵ | ۶۰-۸۰ | ۴۰-۶۰ |
| هزینه نسبی | بالا | متوسط | بالا | پایین |
نووالاک در محیط‌های خشن برتر است.
مزایا و معایب
مزایا:
- مقاومت شیمیایی بی‌نظیر
- پایداری حرارتی بالا
- چسبندگی عالی به الیاف
- کیورینگ سریع (ژل‌تایم ۱۵-۳۰ دقیقه)
- عمر مفید ۲۰-۳۰ سال
معایب:
- هزینه بالا (۲-۳ برابر پلی‌استر)
- ویسکوزیته بالا (نیاز به حلال)
- حساسیت به رطوبت در کیورینگ
- تولید گاز استایرن (نیاز به تهویه)
برای کاهش معایب، از پراکسیدهای کم‌بو (Low Styrene Emission) استفاده می‌شود.
فرآیند کیورینگ و افزودنی‌ها
کیورینگ با پراکسیدها (MEKP یا BPO) در دمای اتاق یا گرم (Post-Cure در ۸۰-۱۲۰ درجه) انجام می‌شود. افزودنی‌ها:
- شتاب‌دهنده: کبالت اکتوات (۰.۱-۰.۵%)
- پرکننده: سیلیس، کربنات کلسیم
- تقویت‌کننده: الیاف شیشه E، S یا کربن
استانداردهای کیفی
- ASTM D543: مقاومت شیمیایی
- ASTM D2583: سختی بارکل
- ISO 178: خمش
- MIL-R-9300: نظامی
چشم‌انداز آینده
نوآوری‌ها شامل:
- رزین‌های بدون استایرن (LSE)
- نانوکامپوزیت با گرافن
- رزین‌های بازیافت‌پذیر
- کیورینگ UV برای سرعت بالاتر
در ایران، با تحریم‌ها، تولید داخلی رشد کرده و صادرات به عراق و ترکیه آغاز شده است.
نتیجه‌گیری
رزین وینیل استر نووالاک با ترکیبی از مقاومت شیمیایی، حرارتی و مکانیکی، ماده‌ای استراتژیک در صنایع سنگین است. از مخازن اسیدی تا سازه‌های فراساحلی، این رزین عمر تجهیزات را چندین برابر می‌کند و هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد. انتخاب درست فرمولاسیون (استایرن، پراکسید، الیاف) کلید موفقیت است. در ایران، با دسترسی به فنل و متاکریلیک اسید، فرصت تولید رقابتی وجود دارد. آینده این رزین با فناوری‌های سبز و هوشمند، روشن است و می‌تواند جایگزین فلزات گران‌قیمت شود. سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه، ایران را به قطب منطقه‌ای کامپوزیت‌های پیشرفته تبدیل خواهد کرد.
https://triumph.srivenkateshwaraa.edu.in/profile/sazin