پلی نفتالین سولفونات چیست و چه کاربردهایی دارد؟

پلی نفتالین سولفونات چیست؟

پلی نفتالین سولفونات ها از فوق روان کننده‌های معمول‌اند که به طور عموم، بر پایه ملامین سولفونات و یا نفتالین فرمالدئید هستند. در هنگام اختلاط جذب سیمان شده و در لحظات اولیه هیدارسیون سیمان، بار منفی ذرات سیمان را افزایش داده و باعث پخش شدن آن‌ها می‌گردد. این پخش شدگی، ناشی از خاصیت دافعه الکتریسیته ساکن است.

 خواص فیزیکی و شیمیایی پلی نفتالین سولفونات

پلی نفتالین سولفونات (PNS) با فرمول مولکولی C21H14Na2O6S2 و جرم مولی 472.422 گرم بر مول، جزو فوق روان‌کننده‌های بتن یا کاهش دهنده‌های آب بتن است که در فرم‌های متفاوت پودری و مایع تولید می‌شود؛ به صورت پودر قهوه‌ای انحلال‌پذیر یا محلول آبی به رنگ قهوه‌ای تیره.

این افزودنی بتن، تأثیر به‌سزایی بر کاهش آب بتن، بدون تاثیر بر زمان طبیعی سفت شدن آن دارد و باعث افزایش دوام، کارایی و مقاومت بتن می‌شود. پلی نفتالین سولفونات که نفتالین فرمالدئید سولفونه نیز نامیده می‌شود، یک فوق روان‌کننده نسل دوم است که برای تولید بتن‌های روان و خمیری و در تولید انواع ملات خشک کاربرد دارد.
این فوق روان‌کننده، از پلیمریزاسیون نمک سدیم نفتالین و سپس سولفونه کردن محصول با فرمالدئید به دست می‌آید که با در نظر گرفتن ساختار مولکولی خاص، خواصی مانند حفظ طولانی مدت روانی بتن و سهولت در بتن ریزی در شرایط سخت جوی را مهیا می‌کند.

ترکیب و خواص شیمیایی پلی نفتالین سولفونات

• فرمول شیمیایی: به دلیل پلیمریزاسیون، فرمول شیمیایی دقیق متغیر است، اما یک واحد نمایانگر آن تقریباً C₁₀H₇SO₃Na است و جرم مولی پلیمر حدود 472.44 گرم بر مول است.
• شکل ظاهری: به صورت پودر قهوه‌ای تا قهوه‌ای تیره یا محلول آبی (مایعات حاوی 40 تا 45 درصد جامد) موجود است.
• حلالیت: در آب به شدت محلول است، کمی در الکل‌ها حل می‌شود و در حلال‌های آلی غیرقطبی مانند بنزن یا تولوئن نامحلول است.
• pH: محلول‌های آبی (20 گرم در لیتر در دمای 25 درجه سانتی‌گراد) معمولاً pH بین 6.0 تا 9.0 دارند که بسته به نوع فرمولاسیون قابل تنظیم است.
• پایداری حرارتی: در دماهای بالا (تا 150 تا 200 درجه سانتی‌گراد) پایدار است، به همین دلیل برای بتن‌های عمل‌آوری‌شده با بخار و فرآیندهای صنعتی در دمای بالا مناسب است.
• محتوای فرمالدئید: فرمالدئید باقیمانده معمولاً کم (0.09%) و بسیار کمتر از حد مجاز ایمنی 0.2% تعیین شده توسط Cosmetic Ingredient Review (CIR) است، هرچند نگرانی‌هایی برای کاربردهای خاص وجود دارد.
• فعالیت سطحی: ساختار آمفیفیلیک آن (دم آب‌گریز، سر آب‌دوست) کشش سطحی را کاهش می‌دهد، پخش‌شوندگی را افزایش می‌دهد و امولسیون‌ها یا سوسپانسیون‌ها را پایدار می‌کند.
• پتانسیل زتا: در محلول‌های آبی، PNS بار منفی روی سطح ذرات را افزایش می‌دهد (به عنوان مثال، در pH 8، پتانسیل زتا را از 13- میلی‌ولت به 23- میلی‌ولت برای نانوذرات اکسید آهن تغییر می‌دهد) که باعث بهبود پایداری کلوئیدی می‌شود.

کاربرد پلی نفتالین سولفونات

پلی نفتالین سولفونات (PNS) در مخلوط بتن و ملات، در شرایط محلول در آب، به مقدار 0.3 تا 0.8 درصد خشک اضافه می‌شود. این ماده کاربردهای بسیار گسترده‌ای در صنایع ساختمانی و راه‌سازی و پروژه‌های عمرانی دارد. از جمله‌ی این کاربردها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. صنعت ساخت‌وساز

PNS به عنوان یک افزودنی کاهنده آب با عملکرد بالا (سوپرپلاستی‌سایزر) در موارد مربوط به بتن و سیمان نقش کلیدی دارد:

– افزودنی‌های بتن: میزان آب را 16–25٪ کاهش می‌دهد و اسلامپ (میزان روان بودن) را بیش از 10 سانتی‌متر افزایش می‌دهد بدون اینکه مقاومت را به خطر بیندازد. این امر کارایی را بهبود می‌بخشد، مصرف سیمان را 10تا 25٪ کاهش می‌دهد و مقاومت فشاری را افزایش می‌دهد، که آن را برای بتن‌های با عملکرد بالا در پل‌ها، سدها، تونل‌ها و آسمان‌خراش‌ها ایده‌آل می‌کند.

– گچ و تخته گچی: به عنوان یک عامل روان‌کننده و پراکنده‌کننده عمل می‌کند و یکنواختی و مقاومت محصولات گچی مورد استفاده در دیوارهای خشک و گچ‌کاری را بهبود می‌بخشد.

– سیمان‌کاری چاه‌های نفت: ویسکوزیته دوغاب را کاهش می‌دهد، قابلیت پمپاژ را بهبود می‌بخشد و از دست رفتن سیال را در سیمان‌کاری چاه‌های عمیق کنترل می‌کند، که تضمین‌کننده ایزولاسیون منطقه‌ای مؤثر در چاه‌های نفت و گاز است.

– بتن‌های ویژه: در بتن‌های بخارپخت، ضدآب و با اسلامپ بالا استفاده می‌شود و دوام در برابر هوازدگی، کربناته شدن و چرخه‌های یخ‌زدگی-ذوب را افزایش می‌دهد.

2. صنعت نساجی و رنگرزی

– PNS یا پلی‌نفتالین سولفونات، رنگ‌های خمی و دیسپرس را پخش می‌کند و باعث توزیع یکنواخت رنگ در فرآیندهای چاپ و رنگرزی منسوجات می‌شود. این ماده تمایل زیادی به الیاف مبتنی بر پروتئین (مانند پشم و ابریشم) و پلی‌آمیدها (مانند نایلون) دارد، اما برای الیاف مبتنی بر سلولز مانند پنبه، کارایی کمتری دارد.

– عامل دباغی: در گذشته برای دباغی چرم استفاده می‌شد تا عوامل دباغی را پراکنده کند و نفوذ به پوست را بهبود ببخشد، هرچند با فناوری‌های جدیدتر استفاده از آن کاهش یافته است.

– تثبیت‌کننده: پایداری حمام‌های رنگرزی را افزایش می‌دهد، از تجمع جلوگیری می‌کند و کاربرد رنگ یکنواخت را تضمین می‌کند.

3. لوازم آرایشی و بهداشتی و مراقبت شخصی

– سورفکتانت و هیدروتروپ: کشش سطحی را در شامپوها، صابون‌ها، شوینده‌های بدن و خمیردندان کاهش می‌دهد و به امولسیون‌سازی روغن-آب و پاک‌سازی کمک می‌کند.

– تثبیت‌کننده امولسیون: از جدایش فازها در فرمولاسیون‌های آرایشی جلوگیری می‌کند و یکنواختی محصول را تضمین می‌کند.

– ملاحظات ایمنی: در حالی که به طور کلی ایمن (غیرسمی، غیرتحریک‌کننده) است، داده‌های کافی برای کاربردهایی که شامل تماس با غشاهای مخاطی (مانند محصولات لب) یا بلع (مانند خمیردندان) وجود ندارد، به دلیل احتمال باقی‌مانده‌های فرمالدهید. CIR در چنین مواردی احتیاط را توصیه می‌کند.

4. معدن و فرآوری مواد معدنی

– فلوتاسیون کف: به عنوان یک سورفکتانت آنیونی و جمع‌کننده عمل می‌کند، به مواد معدنی سولفیدی (مانند کالکوپیریت، اسفالریت) جذب می‌شود تا انتخاب‌پذیری و بازیافت در کنسانتره‌های معدنی را افزایش دهد. همچنین با کاهش کشش سطحی آب، کف را تثبیت می‌کند.

– پراکندگی نانوذرات: پایداری کلوئیدی نانوذرات اکسید فلزی (مانند اکسید آهن) را در محلول‌های آبی بهبود می‌بخشد، که برای فرآوری مواد معدنی و تصفیه فاضلاب حیاتی است.

5. سایر کاربردهای صنعتی

– رنگ‌ها و پوشش‌ها: رنگ‌دانه‌ها را در رنگ‌های پایه آب، اکریلیک‌ها و فرمولاسیون‌های لاتکس پراکنده می‌کند و یکنواختی و پایداری رنگ را بهبود می‌بخشد.

– تولید کاغذ: پراکندگی خمیر کاغذ را بهبود می‌بخشد و از توده شدن جلوگیری می‌کند، که کیفیت کاغذ و کارایی تولید را افزایش می‌دهد.

– کشاورزی:

در کشاورزی، PNS به عنوان یک پخش‌کننده در پودرهای آفت‌کش قابل حل در آب (Wettable Powders) استفاده می‌شود. این کاربرد باعث می‌شود که آفت‌کش به صورت یکنواخت اسپری شود و فراهمی زیستی آن بهبود یابد.

– تصفیه آب:

به عنوان پراکنده‌کننده و بازدارنده رسوب در سیستم‌های تصفیه آب صنعتی عمل می‌کند.

– آبکاری الکتریکی: پلی‌نفتالین سولفونات (PNS) به عنوان یک افزودنی در فرآیند  آبکاری الکتریک  باعث بهبود یکنواختی و چسبندگی پوشش‌های فلزی می‌شود.

– لاستیک مصنوعی: در گذشته به عنوان یک امولسیون‌کننده ثانویه در پلیمریزاسیون امولسیونی استفاده می‌شد و پایداری لاتکس را در طول تولید حفظ می‌کرد.

مزایا

• کاهش چشمگیر آب: این ماده، میزان آب مورد نیاز در بتن را ۱۵ تا ۲۵ درصد کاهش می‌دهد. این ویژگی باعث افزایش مقاومت بتن و کاهش هزینه‌های سیمان می‌شود که به نوبه خود، ردپای کربن در صنعت ساخت‌وساز را کم می‌کند.
• افزایش دوام و پایداری: ساختار منافذ بتن را بهبود می‌بخشد، نفوذپذیری آن را کاهش می‌دهد و مقاومت آن را در برابر حملات سولفاتی، کربناته شدن و چرخه‌های ذوب و انجماد افزایش می‌دهد.
• سازگاری بالا: به خوبی با انواع سیمان‌ها (مانند پرتلند و سیمان‌های مخلوط) و سایر افزودنی‌ها (مانند افزودنی‌های حباب‌ساز یا دیرگیرکننده) سازگار است.
• مقرون به صرفه بودن: نسبت به فوق روان‌کننده‌های پلی‌کربوکسیلات اتر (PCE) ارزان‌تر است، به همین دلیل در بازارهای حساس به قیمت، گزینه ارجح به شمار می‌آید.
• دوست‌دار محیط زیست: برخی از فرمولاسیون‌های PNS کاملاً “زیست‌تخریب‌پذیر نهایی” بوده و سمیت آبی پایینی دارند، که با گرایش‌های ساخت‌وساز پایدار هم‌خوانی دارد.
• غیرخطرناک: این ماده غیر سمی، غیرخورنده برای فولاد، غیر قابل اشتعال و غیر پرتوزا است و ایمنی در جابه‌جایی و کاربرد آن را تضمین می‌کند.

روندهای آینده

فرمولاسیون‌های دوست‌دار محیط زیست: تحقیقات در حال حاضر بر کاهش محتوای فرمالدئید و توسعه جایگزین‌های زیستی برای نفتالین متمرکز شده است.

نانوتکنولوژی: نقش PNS در پایدارسازی نانوذرات (به‌عنوان مثال، در صنایع معدن یا دارورسانی) یک حوزه رو به رشد و مورد توجه است.

بازیافت و مدیریت پسماند: بررسی کاربرد PNS در فرآیندهای بازیافت مصالح ساختمانی برای افزایش پایداری نیز از دیگر حوزه‌هایی است که در حال بررسی است.

فرآیند تولید پلی‌نفتالن سولفونات

پلی‌نفتالن سولفونات (PNS) از طریق یک فرآیند سه مرحله‌ای سنتز می‌شود:

1. سولفوناسیون: نفتالن با اسید سولفوریک (H₂SO₄) در دماهای کنترل‌شده (120–160 درجه سانتی‌گراد) واکنش می‌دهد تا اسید نفتالن سولفونیک تولید شود.
2. تراکم: اسید سولفونیک با فرمالدهید (CH₂O) در شرایط اسیدی متراکم می‌شود تا پلیمر پلی‌نفتالن سولفونات تشکیل شود. درجه پلیمریزاسیون بر وزن مولکولی و عملکرد محصول تأثیر می‌گذارد.
3. خنثی‌سازی: پلیمر با هیدروکسید سدیم (NaOH) خنثی می‌شود تا نمک سدیمی تشکیل شود، که سپس به صورت پودر خشک شده یا به صورت محلول مایع باقی می‌ماند.

این فرآیند به دلیل در دسترس بودن مواد اولیه (نفتالن، مشتق زغال‌سنگ یا نفت) مقرون‌به‌صرفه است و برای تولید صنعتی قابل مقیاس‌بندی است. با این حال، مقررات زیست‌محیطی تولیدکنندگان را وادار کرده است تا فرآیندها را بهینه کنند تا انتشار فرمالدهید و ضایعات را به حداقل برسانند.

مزایای استفاده از پلی نفتالین سولفونات

استفاده از پلی نفتالین سولفونات کمک بسیار زیادی به بهبود کیفیت بتن کرده و در رسیدن آن به استانداردهای مطلوب، تاثیر چشم‌گیری می‌گذارد. برای مثال، باعث اعمال تغییرات زیر در کیفیت بتن می‌شود:

افزایش جریان مخلوط بتن تا 16-21 سانتی‌متر و بالاتر، بدون از دست دادن قدرت و دوام بتن (در نسبت ثابت آب / سیمان)

افزایش ویژگی‌های قدرتی بتن تا 20٪ و بیشتر (به دلیل کاهش مصرف آب در سیمان ثابت و جریان مخلوط بتن)

به دست آوردن بتن با مقاومت ضد آب بالا، مقاومت در برابر یخ (300 سیکل و بیشتر) و مقاومت در برابر خوردگی

بهبود چسبندگی و پخش ذرات ریز در بتن‌ها

افزایش سازگاری نسبت به بتنی که از پلی نفتالین استفاده نکرده است.

سازگاری با دیگر افزودنی‌ها

افزایش قابلیت پمپ کردن و کاهش آب انداختگی

کاهش مصرف سیمان در مخلوط به همان اندازه جریان 15-20٪

کاهش زمان و مصرف انرژی در موقعیت رطوبتی و حرارتی بتن

سازگاری با انواع سیمان پرتلند و مواد جایگزین سیمان

به میزان قابل توجهی زمان و قدرت ورودی برای ارتعاش مخلوط بتن را کاهش می‌دهد و گاهی اوقات کاملا ارتعاش‌ها را رد می‌کند.

نکات ایمنی هنگام کار با پلی نفتالین سولفونات

پلی نفتالین سولفونات نباید بلعیده شود و یا تماس با پوست و چشم داشته باشد. بهتر است هنگام کار، از دستکش‌های حفاظتی مناسب و عینک استفاده شود. در صورت تماس با چشم یا پوست، بلافاصله با مقدار زیادی آب شستشو شود. اگر بلعیده شد، سریعا به پزشک مراجعه گردد و فرد مذکور، وادار به استفراغ شود.

خرید پلی نفتالین سولفونات

شیمی بازار به عنوان بورس آنلاین خرید و فروش مواد شیمیایی، کمک شایانی به مصرف‌کنندگان مواد شیمیایی می کند تا بتوانند در فضایی کاملا شفاف، به تامین‌کنندگان انواع محصولات شیمیایی، از جمله خرید پلی نفتالین سولفونات ، از بین تمامی تولیدکنندگان، واردکنندگان و یا فروشندگان این ماده، دسترسی داشته و بهترین تامین‌کننده این محصول را با توجه به نیاز خود یافته و مستقیما و بدون واسطه با او ارتباط برقرار نمایند. و از این طریق، اقدام به خرید پلی نفتالین سولفونات کنند.