سادساً: الألياف الصناعية :Synthetic Fibers

تشكل المونومرات المشتقة من البتروكيماويات مصدرًا مهمّا في صناعة الألياف الصناعية. وقد أخذ استهلاك هذه الألياف الصناعية في الارتفاع في كثير من دول العالم، وتطور نمو هذه الصناعة في زمن سريع. خلال حقبة الستينات تصدرت ألياف النايلون مكانًا بارزًا، ووصل إنتاجها إلى حوالي 60% من جميع الألياف الصناعية. وبعد عام 1970م انخفض إنتاج ألياف النايلون إلى حوالي 30%، في حين بلغ إنتاج ألياف البولي إستر حوالي 50%، كما بلغ إنتاج ألياف الأكريلات والألياف الأخرى حوالي 20%. بحلول عام 2000م وصل إنتاج الألياف الصناعية في العالم حوالي 20 مليون طن، وتشكل كمية هذه الألياف حوالى 50% من باقي الألياف الأخرى التي يصنعها الإنسان.

1. ألياف البولي أميد Polyamide fibers

تحتوي ألياف البولي أميد على وحدات مونومر متصلة بمجموعات أميدية [CONHRNHCOR'-n]، ويتم تحضيرها من تفاعل ثنائي الأمينات مع ثنائي الحموض الكربوكسيلية، أو مع اللاكتامات لتتكون مجموعة أميدية من نوع [RCONH-n]، إذا كانت المجموعات R وكذلك R'، من نوع أليفاتيaliphatic، أو اليحلقي alicyclic، أو مخاليط تحتوى على الأقل على 85% وزنًا مجموعات أروماتية، فإنه يطلق على البولي أميدات اسم نايلون Nylon، أما إذا كان هناك أكثر من 85% وزنًا من الوحدات المتكررة مجموعات أروماتية، فإنه يطلق على هذه الألياف أراميدات Aramids.

يعدّ النايلون من أهم الألياف الصناعية، ويرجح ظهوره عام 1899م. في عام 1929م تم القيام بأبحاث نتج عنها ظهور الألياف الصناعية بطريقة تجارية، وقد نجحت هذه الأبحاث في إنتاج البولي أميدات من الحموض الأمينية الأليفاتية واللاكتام، وانتهت هذه الأبحاث بظهور نايلون - 6 Nylon-6. وفي عام 1938م، ظهرت أول براءة اختراع ألمانية لإنتاج البولي كابرو أميد القابل للغزل كألياف.

في أكتوبر 1939م، بدأت شركة دي بون الأمريكية في إنتاج النايلون، وتم تسويقه في مايو 1940. ثم قامت شركة مونسانتو للنسيج الأمريكية بإنتاج النايلون 6,6 Nylon-6,6 عام 1952م. بعد ذلك بدأ إنتاج النايلون - 6 في الولايات المتحدة الأمريكية بعد توافر مادة كابرو لاكتام على نطاق واسع عام 1955م.

في عام 1950م، تم إنتاج 55.000 طن متري من ألياف البولي أميد في أربعة عشر مصنعًا. وبحلول عام 1980م، ارتفع الإنتاج العالمي إلى حوالي 3 ملايين طن متري، يخص الولايات المتحدة الأمريكية منها حوالي مليون طن متري. (اُنظر شكل خط إنتاج ألياف النايلون).

2. ألياف البولي إستر Polyester fibers

تتكون ألياف البولي إستر من لدائن صناعية طويلة السلسلة، مركبة من 85% على الأقـل من إستر كحول ثنائي الهيدروكسيل HO-R-OH وحامض تيريفثاليك P-HOOC-C6H4-COOH. وأكثر ألياف البولي إستر استخدامًا هي تلك المصنوعة من لدائن بولي إيثيلين تيريفثالات الخطية PET

في عام 1948م، امتلكت شركة دي بونت حقوق براءة الاختراع الأمريكي لإنتاج ألياف البولي إستر PET، وحصلت شركة إمبريال للصناعات الكيماوية ICI البريطانية على حقوق براءة الاختراع لباقي العالم. في أوائل عام 1930م، أنتجت ألياف البولي إسترات الأليفاتية، ولكنها كانت ذات درجات انصهار منخفضة وغير مناسبة للاستخدام التجاري. ثم اكتشف بعد ذلك البولي إسترات الأروماتية الأخرى، وأصبحت ألياف البولي إستر متداولة تجاريّا في الولايات المتحدة الأمريكية عام 1953م، وتم التوسع في إنتاجها بكميات كبيرة في الفترة ما بين عام 1960م وعام 1970م.

تكون ألياف البولي إستر سوقًا للألياف الصناعية السريعة النمو في الولايات المتحدة الأمريكية وجميع أنحاء العالم.

وتنتج ألياف البولي إستر بتفاعل حامض التيرفثاليك TA أو ثنائي ميثيل الإستر DMA مع الإيثيلين جلايكول لتكوين مونومر الثنائي الإستر، والذي يتبلمر إلى بوليمر البولي إستر المتجانس PET.

ويصهر هذا البوليمر، ويدفع خلال منتجات مغزلية، ليكون خيوطًا تتصلب بالتبريد في تيار من الهواء، ثم تسحب الألياف بالحرارة، وتمدد الخيوط إلى أطوال أكثر من طولها عدة مرات، لتكوين تركيبات بلورية ذات خواص طبيعية مطلوبة.

3. ألياف الأكريليك Acrylic fibers

تتكون ألياف الأكريليك من لدائن صناعية طويلة السلسلة، مكوّنة على الأقل من 85% وزنًا، من وحدات أكريلونيتريل. أما الألياف من نوع مود أكريليك Modacrylic فهي مركبة من وحدات أكريلونيتريل نسبتها أقل من 85% وزنًا، ولكنها تحتوي على الأقل على 35% وزنًا من هذه الوحدات.

هناك أنواع منتشرة تجاريّا من الألياف الصناعية من نوع مواد أكريليك، تحتوي على 25-60% من مونومرات، مثل كلوريد الفينيل، وبالتالي تتميز بدرجة عالية في مقاومة الحريق.

بدأت بحوث إنتاج الألياف الصناعية من نوع البولي أكريلو نيتريل PAN في ألمانيا، في بداية عام 1930م، ثم انتقلت بعد ذلك إلى الولايات المتحدة الأمريكية. وفي عام 1938م، أمكن إنتاج الألياف الصناعية من اللدائن الذائبة في محلول ملحي مائي، يحتوي على ثيوسيانات الصوديوم. وقد درست شركة دي بونت الأمريكية تأثير عدة مذيبات، وأنتجت أول ألياف تجريبية للاستخدام العسكري عام 1942م.

في عام 1949م، ظهر أول إنتاج لشركة دي بونت من ألياف الأكريليك بسرعة، ووصل الإنتاج العالمي إلى 130.000 طن متري في عام 1960م، ثم إلى 400.000 طن متري عام 1965م، ثم مليون طن متري في عام 1970م، ثم 1.4 مليون طن متري عام 1975م. وفي عام 1976م زاد الإنتاج العالمي على 2 مليون طن متري.

4. صناعة الألياف الصناعية في العالم

أ. بلغ الإنتاج العالمي من الألياف غير الطبيعية 22.2 مليون طن عام 1994م. وكان إنتاج ألياف البولي إستر يمثل أكثر من نصفها.

ب. كان التوزيع الجغرافي للإنتاج على النحو التالي:

ج. وقد وصل استهلاك العالم من الألياف (الطبيعية وغير الطبيعية) عام 1994م إلى 42.6 مليون طن على النحو التالي:

د. ونظرًا للارتفاع المستمر في حجم السكان بالعالم، ومشكلات موازنة العرض والطلب على محصول القطن في دول الصين والهند وباكستان، فإن الطلب على الألياف الصناعية سوف يستمر في النمو. (اُنظر جدول التوزيع الجغرافي لمناطق إنتاج الألياف الصناعية)

هـ. تختلف نسب إنتاج الألياف الصناعية من منطقة لأخرى، فعلى سبيل المثال، كان توزيع الإنتاج بالولايات المتحدة مقارنا بأوروبا عام 1994م. (اُنظر جدول توزيع إنتاج الألياف الصناعية في الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا)

و. انخفض إنتاج الألياف الصناعية في روسيا من 474 ألف طن عام 1992م، إلى 349 ألف طن فقط عام 1993م.

ز. صناعة الغزل والنسيج والملبوسات كثيفة العمالة، وتمثل الأجور المنخفضة في الدول النامية حافزًا للتوسع فيها، لذلك مثلت صادرات هذه الصناعة 25% من إجمالي الصادرات في الهند والصين، 30% في تونس وتركيا، ووصلت إلى 50% من إجمالي الصادرات في بنجالاديش وباكستان وهايتي عام 1991م.

سابعاً: المطاط الصناعي

قبل الحرب العالمية الثانية، كان المطاط الطبيعي يشكل 100% من صناعة المطاط. ثم بعد ذلك لم يستطع إنتاج المطاط الطبيعي أن يغطي احتياجات دول العالم، ومن ثم تطورت صناعة المطاط الصناعي وأصبح مطاط الإستايرين بيوتاديين أكثر أنواع المطاط إنتاجًا بالأطنان.

ويتم إنتاج المطاط الصناعي في خطوتين : (1) تحضير المونومر. (2) بلمرة المونومر.

وأهم مونومر يستخدم في صناعة المطاط الصناعي هو البيوتاديين:

1. مطاط البيوتاديين BUNA

تنتج البيوتاديين CH2=CH-CH=CH2 عادة من مخزون تغذية النفط، إذ يتم فصله من غازات تكسير النافثا. كما يتم إنتاج البيوتاديين، أيضًا، بواسطة عمليات نزع الهيدروجين أو الأكسدة ونزع الهيدروجين، من البيوتيلين في وجود حفاز أكسيد الأنتيمون في حرارة 400-450°م تحت ضغط 2 جو مع الاحتفاظ بنسبة الهواء إلى البخار
1.8 : 1.

ويمكن إنتاج البيوتاديين من الكحول الإيثيلى بواسطة طريقتين: الطريقة الأولى يتم فيها تحويل الكحول الإيثيلى إلى أسـيتالدهايد، الذي يتكثف إلى كروتونالدهايد ثم إلى بيوتاديين. أما الطـريقة الثانية فيتم فيها إمرار أبخرة الكحول الإيثيلى والأسـيتالدهايد فـوق سـليكا جيل محملة بأكاسـيد الزركونيوم في حـرارة 320-350°م. (اُنظر شكل إنتاج البيوتاديين)

يتبلمر البيوتاديين عن طريق بملرة الكتلة أو تكنولوجيا المستحلب بواسطة بلمرة الشقوق الحرة لتكوين أنواع مختلفة من مطاط البيوتاديين BUNA.

2. مطاط الإستايرين ـ بيوتاديين SRB

يتبلمر الإستايرين مع البيوتاديين بأي نسبة. والمنتج الناتج من 70% بيوتاديين، 30% إستايرين يعطي مطاطًا من نوع SRB. وهذا النوع هو أكثر الأنواع إنتاجا بالنسبة لجميع أنواع المطاط الصناعي. (اُنظر شكل مخطط إنتاج مطاط الإستايرين)

3. مطاط الكلوروبرين (النيوبرين CR)

مطاط الكلوروبرين مطاط له استخدامات خاصة، ويتميز بمقاومة الحرارة والزيوت والأوزون. هذا النوع من المطاط محور بالكلور والكبريت، لإكسابه خاصة المقاومة العالية للتمزق والحرارة.

4. مطاط البولي يوريثان

أدخل هذا النوع من المطاط بواسطة شركة باير عام 1950م، ويتميز بأن له خواص متوسطة بين البولي إستر والبولي أميد، وله تطبيقات عديدة في مجال المواد اللاصقة والنسيج والرغويات المرنة والصلبة، ولذلك يدخل في صناعة الأثاث والسيارات والثلاجات ومواد البناء والأحذية.

صناعة المطاط الصناعي في العالم

1. بلغ الاستهلاك العالمي من المطاط الصناعي عام 1994م حوالي 9 ملايين طن توزيعها الجغرافي كما يلي (مليون طن):

وينتظر أن يرتفع الاستهلاك إلى 10.5 مليون طن عام 2000م، وتجدر الإشارة إلى أن هذه الأرقام لا تشمل استهلاك دول أوروبا الشرقية والاتحاد السوفيتي السابق والصين وفيتنام وكوريا الشمالية.

2. بلغ حجم السوق العالمي للمطاط عام 1995م حوالي 15 مليون طن، استهلكت صناعة الإطارات 60% منها، وبلغت نسبة المطاط الصناعي ثلثي حجم السوق العالمي للمطاط (10 ملايين طن).

3. ينتظر أن يصل حجم أسطول السيارات العالمي عام 2000م إلى أكثر من 800 مليون سيارة، وأن تحدث فجوة بين العرض والطلب على المطاط الصناعي.

4. التوزيع النسبي لنوعيات المطاط المستهلك بالولايات المتحدة الأمريكية عام 1993م على النحو التالي:

5. قدر حجم الاستهلاك العالمي من أسود الكربون المستخدم في صناعة المطاط عام 1994م بحوالي 6 ملايين طن، وحجم سوقه 3 بلايين دولار.

6. بلغ حجم السيليكا المرسبة الداخلة حديثاً في صناعة الإطارات بالولايات المتحدة حوالي 45 ألف طن، وينتظر التوسع في استخدامها ترشيدًا لاستهلاك الطاقة، وإطالة عمر الإطار وزيادة الأمان في استخدامه.

وتستهلك المنطقة العربية سنويّا أكثر من 6 ملايين إطار سيارات تصل قيمتها إلى 300 مليون دولار.

7. حدث تطور كبير في استهلاك المطاطيات من نوعية الثرموبلاستيك، نظرًا للوفر في عمليات الإنتاج وإمكانية إعادة تدويرها، مما رفع من حجم استهلاكها على المستوى العالمي من 90 ألف طن إلى 650 ألف طن خلال الفترة من الستينيات إلى بداية التسعينيات.

عام 1993م، استهلكت الولايات المتحدة وأوروبا الغربية واليابان 325 ألف طن من مطاط البولي يوريثان بلغت قيمتها أكثر من 1.5 بليون دولار، وهي المناطق الرئيسة للاستهلاك في الوقت الحاضر، ولكن الإنتاج والاستهلاك يتزايدان على المستوى العالمي، خاصة في منطقة الباسيفيك نظرًا للخواص المتميزة للمنتجات.

وبلغت قيمة المطاط الصناعي المستهلك عام 1994م بالولايات المتحدة الأمريكية 4.5 بليون دولار، بينما وصلت قيمة المنتجات المطاطية لأكثر من 18 بليون دولار (الإطارات 11.4 بليون دولار، ومنتجات مطاطية أخرى 6.7 بليون دولار).

وقدر حجم الكيماويات المستخدمة في صناعة المطاط على المستوى العالمي عام 1994 بحوالي 635 ألف طن، بلغت قيمتها 2.4 بليون دولار.

8. بينما كان استهلاك الاتحاد السوفيتي ودول أوروبا الشرقية يمثل حوالي 15% من حجم الاستهلاك العالمي من المطاط، انخفض الاستهلاك حاليّا لأقل من 5% من الاستهلاك العالمي.

ثامناً: المنظفات الصناعية Synthetic detergents

المنظفات الصناعية هي إحدى المواد ذات النشاط السطحي surfactants والتي كثر استخدامها بعد الحرب العالمية الثانية كمواد فعالة تستخدم في أغراض التنظيف المختلفة كبديل للصابون.

وتوجد عدة أنواع من المنظفات الصناعية، أهمها:

1. منظفات أنيونية Anionic detergents  

وتشمل كبريتات الألكيل، ومنها نوعان. كبريتات ألكيل أولية، وتحضر بتفاعـل الكحـول الأولي ذي السلسلة الكربونية الطويلة (12 - 18 ذرة كربون) مع حامض الكبريتيك المركز، وكبريتات ألكيل ثانوية، وهذه تحضر بتفاعل الأوليفينات أو الكحول الثانوي، مع حامض الكبريتيك المركز. وهناك نوع آخر من المنظفات الآنيوينة يسمى سلفونات الألكيل، الذي يحضر من البارافينات المحتوية على 12-18 ذرة كربون بواسطة التفاعل مع غازي ثاني أكسيد الكبريت والكلور (تفاعل ريد)، أو تفاعلها مع خليط ثاني أكسيد الكبريت والأكسجين. وقد ذكرت هذه الطرق في باب المواد البتروكيماوية الوسيطة كمواد ناتجة من البارافينات (سلفو كلورة وسلفو أكسدة).

أما النوع الأكثر شيوعًا في المنظفات الأنيونية فهو سلفونات ألكيل الأريل، ومن أمثلتها سلفونات دوديسيل بنزين Dodecyl benzene sulphonic، الذي يتم تحضيرها بتفاعل رباعي البروبلين مع البنزين في وجود عامل مساعد كما ذكر سابقا في باب ألكلة الأروماتيات. ويتم إجراء عملية سلفنة الناتج بواسطة حامض كبريتيك مدخن أو ثالث أكسيد الكبريت، وأخيرًا يعادل الحامض السلوفني الناتج بواسطة الصودا الكاوية، إذ يتكون دوديسيل بنزين سلوفنات الصوديوم.

هناك طريقة أخرى اقتصادية لتحضير المنظفات الأنيونية من الكيروسين، وذلك بواسطة إزالة الأروماتيات من الكيروسين بامتصاصها اختياريّا فوق السليكاجيل النشيطة السطوح أو الاستخلاص أو السلفنة، ثم يتم كلورة البارافينات المتبقية في الكيروسين بواسطة غاز الكلور، إذ يتكون الكلورو بارافين، الذي يتم ألكلة البنزين بواسطته في وجود حفاز كلـوريد الألومنيوم للحصول على كيريل البنزين Keryl benzene. يتم سلفنة الناتج الأخير ومعادلته بالصودا الكاوية للحصول على المنظف المطلوب. (اُنظر شكل منظفات صناعية من الكيروسين)

ومن المفيد أن نذكر هنا أن إنتاج المنظفات الأنيونية بجميع أنواعها يبلغ حوالي 48% من الإنتاج الكلي للمنظفات.

2. منظفات غير أيونية Nonionic detergents

يحضر هذا النوع من المنظفات بتفاعل المركبات المحتوية على هيدروجين نشيط، مثل الحموض الدهنية أو الكحولات الدهنية أو ألكيلات الفينولات أو الأمينات الدهنية مع أكسيد الإيثيلين. وتسمى المواد الناتجة من هذا التفاعل بالإيثوكسلات.

يتميز هذا النوع من المنظفات بقلة الرغوة وقوة الاستحلاب، كما أن نسبة الإنتاج منها تصل إلى 32% من المجموع الكلى للمنظفات.

3. منظفات كاتيونية Cationic detergents

من أمثلة هذا النوع من المنظفات الأمينات الدهنية ذات السلاسل الطويلة C8-C18، وأيضًا، أملاح الأمونيوم الرباعية التي تحضر بتفاعل الأمين الثلاثي مع هاليدات الألكيل.

ويستخدم هذا النوع من المنظفات في صناعات النسيج وعمليات الصباغة، بالإضافة إلى استعمالها كمواد مضادة للبكتيريا والفطريات، ويمثل إنتاج هذا النوع من المنظفات حوالي 12% من الإنتاج الكلي للمنظفات.

الطلب على المنظفات بالولايات المتحدة الأمريكية

1.  بلغ حجم الطلب على المواد الفعالة بالمنظفات الصناعية بالولايات المتحدة عام 1993م حوالي 1.26 مليون طن، وينتظر أن يرتفع إلى 1.47 مليون طن عام 2005م.

2. دخلت المواد الفعالة في تصنيع منتجات نهائية حجمها 5.35 مليون طن، وصلت قيمتها لأكثر من 5 بلايين دولار (عام 1993م).

3. تم تطوير إنتاج وإحلال مواد الجلوكوز كمواد فعالة منظفة أسهل في تحللها وآمني على الجلد من ألكيل بنزين سلفونات الشائع استخدامه حاليّا، كما يتم تطوير منتجات من النشا للاستخدام كمواد مالئة، أو منظفة، أيضًا.

4. كان استهلاك الفرد من المنظفات عام 1993م من 3-5 كجم في السنة بمنطقة أمريكا الجنوبية، مقارنًا بحوالي 11 كجم في المكسيك، 9.5 كجم في الولايات المتحدة الأمريكية.

5. يتجه العالم لتطوير وإنتاج منظفات من أصل نباتي كمصدر متجدد بجانب الحفاظ على البيئة