|
|
|
پلیمرهای مهندسی |
| |||||||||||||||||||||||||||||||
|
پلاستیک های زیستی
کلمات کلیدی: پلاستیک، محیط زیست، تجدید پذیر
? ارمغان بیوتکنولوژی برای محیط زیست
اطرافمان انباشته از پلاستیک شده است. هر کاری که انجام می دهیم و هر محصولی را که مصرف می کنیم، از غذایی که می خوریم تا لوازم برقی به نحوی با پلاستیک سروکار داشته و حداقل در بسته بندی آن از این مواد استفاده شده است. در کشوری مثل استرالیا سالانه حدود یک میلیون تن پلاستیک تولید می شود که ?? درصد آن صرف مصارف داخلی می شود. در همین کشور هرساله حدود ? میلیون بسته یا کیسه پلاستیکی مصرف می شود. گرچه بسته بندی پلاستیکی با قیمتی نازل امکان حفاظت عالی از محصولات مختلف خصوصاً مواد غذایی را فراهم می کند ولی متاسفانه معضل بزرگ زیست محیطی حاصل از آن گریبان گیر بشریت شده است. اکثر پلاستیک های معمول در بازار از فرآورده های نفتی و ذغال سنگ تولید شده و غیرقابل بازگشت به محیط هستند و تجزیه آنها و برگشت به محیط چند هزار سال طول می کشد. به منظور رفع این مشکل، محققان علوم زیستی در پی تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر از منابع تجدیدشونده مثل ریزسازواره ها و گیاهان هستند.
واژه زیست تخریب پذیر یا Biodegradable به معنی موادی است که به سادگی توسط فعالیت موجودات زنده به زیرواحدهای سازنده خود تجزیه شده و بنابراین در محیط باقی نمی مانند. استانداردهای متعددی برای تعیین زیست تخریب پذیری یک محصول وجود دارد که عمدتاً به تجزیه ?? تا ?? درصد از محصول در مدت دو تا شش ماه محدود می شود. این استاندارد در کشورهای مختلف متفاوت است. اما دلیل اصلی زیست تخریب پذیر نبودن پلاستیک های معمولی، طویل بودن طول مولکول پلیمر و پیوند قوی بین مونومرهای آن بوده که تجزیه آن را توسط موجودات تجزیه کننده با مشکل مواجه می کند.
با این حال تولید پلاستیک ها با استفاده از منابع طبیعی مختلف، باعث سهولت تجزیه آنها توسط تجزیه کنندگان طبیعی می شود.
برای این منظور و با هدف داشتن صنعتی در خدمت توسعه پایدار و حفظ زیست بوم های طبیعی، تولید نسل جدیدی از مواد اولیه مورد نیاز صنعت بر اساس فرآیندهای طبیعی در دستور کار بسیاری از کشورهای پیشرفته قرار گرفته است. به طور مثال دولت آمریکا طی برنامه ای بنا دارد تا سال ،???? تولید مواد زیستی را با استفاده از کشاورزی و با بهره برداری از انرژی خورشید با درآمد تقریبی ?? تا ?? میلیارد دلار انجام دهد. در این بین تولید پلیمرهای زیستی جایگاه خاصی دارند. تولید اینگونه پلیمرها توسط طیف وسیعی از موجودات زنده مثل گیاهان، جانوران و باکتری ها صورت می گیرد. چون این مواد اساس طبیعی دارند، بنابراین توسط سایر موجودات نیز مورد مصرف قرار می گیرند و تجزیه کنندگان از جمله مهم ترین این موجودات زنده در موضوع مورد بحث ما هستند. برای بهره برداری از این پلیمرها در صنعت دو موضوع باید مورد توجه قرار گیرد:
? دید محیط زیستی: این مواد باید سریعاً در محیط مورد تجزیه قرار گیرند، بافت خاک را بر هم نزنند و به راحتی با برنامه های مدیریت زباله و بازیافت مواد از محیط خارج شوند.
? دید صنعتی: این مواد باید خصوصیات مورد انتظار صنعت را از جمله دوام و کارایی داشته باشند و از همه مهم تر، پس از برابری یا بهبود کیفیت نسبت به مواد معمول، قیمت تمام شده مناسبی داشته باشند.
در هر دو بخش، مخصوصاً بخش دوم، استفاده از مهندسی تولید مواد برای دستیابی به اهداف مورد انتظار ضروری است.
همانطور که ذکر شد، تولید پلیمرهای تجدیدشونده با بهره برداری از کشاورزی، یکی از روش های تولید صنعتی پایدار است. برای این منظور دو روش اصلی وجود دارد: نخست استخراج مستقیم پلیمرها از توده زیستی گیاه است. پلیمرهایی که از این روش تولید می شوند عمدتاً شامل سلولز، نشاسته، انواع پروتئین ها، فیبرها و چربی های گیاهی هستند که به عنوان شالوده مواد پلیمری و محصولات طبیعی کاربرد دارند. دسته دیگر موادی هستند که پس از انجام فرآیندهایی مانند تخمیر و هیدرولیز می توانند به عنوان مونومر پلیمرهای مورد نیاز صنعت استفاده شوند.
مونومرهای زیستی همچنین می توانند توسط موجودات زنده نیز به پلیمر تبدیل شوند که مثال بارز آن پلی هیدروکسی آلکانوات ها هستند.
باکتری ها از جمله موجوداتی هستند که این دسته از مواد را به صورت گرانول هایی در پیکره سلولی خود تولید می کنند. این باکتری به سهولت در محیط کشت رشد داده شده و محصول آن برداشت می شود.
رهیافت دیگر جداسازی ژن های درگیر در این فرآیند و انتقال آن به گیاهان است که پروژه هایی در این زمینه از جمله انتقال ژن های باکتریایی تولید PHA به ذرت انجام شده است. نکته ای که نباید از نظر دور داشت این است که به رغم قیمت بالاتر تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر، چه بسا قیمت واقعی آنها بسیار کمتر از پلاستیک های سنتی باشد؛ چرا که بهای تخریب محیط زیست و هزینه بازیافت پس از تولید هیچ گاه مورد محاسبه قرار نمی گیرد. در ادامه مبحث، تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر PHA به طور اختصاصی مورد بررسی قرار می گیرد. تقریباً تمامی پلاستیک های معمول در بازار از محصولات پتروشیمی که غیرقابل برگشت به محیط هستند، به دست می آیند. راه حل جایگزین برای این منظور، بهره برداری از باکتری های خاکزی مانند Ralstonia eutrophus است که تا ?? درصد از توده زیستی خود قادر به انباشتن پلیمرهای غیرسمی و تجزیه پذیر پلی هیدروکسی آلکانوات (PHA) هستند. PHAها عموماً از زیرواحد بتاهیدروکسی آلکانوات و به واسطه مسیری ساده با سه آنزیم از استیل-کوآنزیم A ساخته شده و معروف ترین آنها پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) است. در خلال دهه ?? میلادی شرکت انگلیسی ICI فرآیند تخمیری را طراحی و اجرا کرد که از آن طریق PHB و سایر PHAها را با استفاده از کشت E.coli اصلاح ژنتیکی شده که ژن های تولید PHA را از باکتری های تولیدکننده این پلیمرها دریافت کرده بود، تولید می کرد.
متاسفانه هزینه تولید این پلاستیک های زیست تخریب پذیر، تقریباً ?? برابر هزینه تولید پلاستیک های معمولی بود. با وجود مزایای بی شمار زیست محیطی این پلاستیک ها مثل تجزیه کامل آنها در خاک طی چند ماه، هزینه بالای تولید آنها باعث اقتصادی نبودن تولید تجارتی در مقیاس صنعتی بود. با این وجود بازار کوچک و پرسودی برای این محصولات ایجاد شد و از پلاستیک های زیست تخریب پذیر برای ساخت بافت های مصنوعی بهره برداری شد. با وارد کردن این پلاستیک ها در بدن، آنها به تدریج تجزیه شده و بدن بافت طبیعی را در قالب پلاستیک وارد شده دوباره سازی می کند. در این کاربرد تخصصی پزشکی، قیمت اینگونه محصولات زیستی قابل مقایسه با کاربردهای کم ارزش اقتصادی پلاستیک در صنایع اسباب بازی، تولید خودکار و کیف نیست.
هزینه تولید PHAها با تولید آنها در گیاهان اصلاح ژنتیکی شده و کشت وسیع در زمین های کشاورزی، به نحو قابل ملاحظه ای کاهش خواهد یافت. این موضوع باعث شد که شرکت مونسانتو در اواسط دهه ?? میلادی امتیاز تولید PHA را از شرکت ICI کسب کند و به انتقال ژن های باکتری به گیاه منداب بپردازد. مهیا کردن شرایط برای تجمع PHAها در پلاستید به جای سیتوسل، امکان برداشت محصول پلیمری را از برگ و دانه ایجاد کرد. مهم ترین مشکل لاینحل باقی مانده در بخش فنی این پروژه، نحوه استخراج این پلیمر از بافت های گیاهی با روشی کم هزینه و کارآمد است.
مشکل دیگر در زمینه PHB است که در حقیقت مهم ترین گروه از PHAها بوده ولی متاسفانه شکننده بوده و در نتیجه برای بسیاری از کاربردها مناسب نیست. بهترین پلاستیک های زیست تخریب پذیر، کوپلیمرهای پلی هیدروکسی بوتیرات با سایر PHAها مثل پلی هیدروکسی والرات هستند. تولید اینگونه کوپلیمرها در گیاهان اصلاح ژنتیکی شده بسیار سخت تر از تولید پلیمرهای تک مونومر است. در سال ???? این مشکلات به همراه مسائل مالی شرکت مونسانتو باعث شد تا این شرکت امتیاز تولید PHA اصلاح ژنتیکی شده را به شرکت Metabolix واگذار کند. شرکت Metabolix در قالب یک پروژه مشارکتی با وزارت انرژی آمریکا به ارزش تقریبی ?/?? میلیون دلار، برای تولید PHA در گیاهان اصلاح ژنتیکی شده تا پایان دهه ???? میلادی تلاش می کند. گروه های دیگری نیز برای تولید PHA در گیاهانی مثل نخل روغنی تلاش می کنند. باید منتظر بود تا سرانجام شاهد تولید اقتصادی این محصولات دوستدار محیط زیست در آینده ای نزدیک بود.
» منبع: Aftab.ir
متن فوق نشاندهندة فراگیر شدن استفاده از الیاف کربن در کاربردهای گوناگون است و جایگزینی گستردهای که در آینده به نفع الیاف کربن رخ خواهد داد. این مساله ایجاد بازار بزرگی برای این الیاف و قطعات تقویت شده با این مواد را نوید میدهد. بازاری که با توجه به زمینههایی که در بالا برای کاربرد این الیاف بیان شده است ارزش زیادی خواهد داشت. علاوه بر این با توجه به خصوصیاتی که کامپوزیتهای ساخته شده از این الیاف دارند مانند مقاومت بالا و عدم خوردگی، هزینههای تعمیر و نگهداری را به شدت کاهش میدهند. در کشور ما توانمندیهایی در ساخت کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف کربن وجود دارد که جای امیدواری است ولی محدود میباشد و باید گسترش یابد. در زمینة تولید این الیاف کاری صورت نگرفته است. در صورت تولید این الیاف در داخل کشور علاوه بر تامین نیاز داخلی ما میتوانیم در بازار آیندة این الیاف نیز سهم داشته باشیم.ادامه مطلب...
هوشمندی در مواد، خاصیتی است که مختص به گروه خاصی نبوده و در اغلب گروههای مواد دیده میشود. پلیمرها نیز از این قضیه مستنثنا نیستند و در برابر محرکهای مختلف مثل دما، میدانهای الکتریکی و میدانهای مغناطیسی، عکسالعملهای متفاوتی از خود نشان میدهند. این پلیمرها به گروههای مختلفی تقسیم میشوند و دارای خواص و کاربردهای متفاوتی میباشند. در ذیل به معرفی، تقسیمبندی، کاربردها و بازار این مواد به طور مختصر اشاره شده است:
مکانیزم هوشمندی در این مواد، عکسالعمل در برابر تحریکات الکتریکی خارجی است. این عکسالعمل، تغییر در ابعاد و هندسه ماده را شامل می شود.
این پلیمرها که در سال 1990 شناخته شدهاند، کاربردهای زیادی در پزشکی، صنعت و مهندسی عمران دارند. این پلیمرها به دو دسته عمده تقسیم میشوند:
الف)پلیمرهای فعال الکتریکی الکترونیکی که به منظور حفظ تغییر مکان ایجاد شده در اثر اعمال ولتاژ DC مورد استفاده قرار میگیرند و کاربردهای زیادی در رباتها دارند. این دسته خود از جنبه کاربردی به دو گروه تقسیم میشود که عبارتند از: گروهی که در حسگری خود از رسانایی و هدایت الکتریکی بهره میبرند و گروهی که از فعالیت الکتریکی خود در اثر تحریک خارجی به عنوان محرک استفاده میکنند.
کاربردهای این پلیمرها در صنایع مختلفی است که میتوان از جمله آنها مواد الکترواستاتیک در لباسهای ضد الکتریسیته، چسبهای رسانا، حفاظهای الکتریکی و مغناطیسی، تختههای مدار چاپی الکترونیکی، رشتههای اعصاب مصنوعی، سازههای هواپیما و پیزوسرامیکها را نام برد.
ب)پلیمرهایفعالالکتریکییونی هستند که در غشاهای مبادلهگر یونی، محرکهای الکترومکانیکی، سنسورهای حرارتی- شیمیایی، الکترولیتهای جامد، باطریهای قابل شارژ و سیستمهای رهایش دارو در پزشکی کاربرد دارند.
پلیمرهای فعال الکتریکی به عنوان دیالکتریک نیز مورد استفاده قرار میگیرند. به عنوان نمونه پلیمرهای که دارای سفتی (Stiffness) و ثابت دیالکتریک بالا میباشند، در محرکهای(Actuator) با کرنش بالا مورد استفاده قرار میگیرند که به طور نمونه در پیزوالکتریکها کاربرد دارند.
قابل ذکر است که الاستومرهای بلور مایع، الاستومرهای الکتروویسکوالاستیک، پلیمرهای فروالکتریک، نانولولههای کربن و پلیمرهای رسانا که بعنوان شناساگرهای گازهای سمی (حسگرهای یونی) در پالایشگاهها و صنایع نظامی کاربرد دارند، نیز در این گروه قرار میگیرند.
در این نوع از پلیمرهای هوشمند، با تغییر میدان مغناطیسی، ویسکوزیتة آنها تغییر میکند و عملکرد آنها مشابه سیالات الکتریکی رئولوژیکی میباشد.
این سیالات اساس پلیمری دارند و در برابر میدان الکتریکی از خود تغییر ویسکوزیته نشان میدهند که میتوان با این تغییر ابعاد را تحت تاثیر قرار داد. به طور مثال این مواد در کمک فنرهای خودرو در خودروهای جدید کاربرد دارند و با تغییر جریان میتوان ارتفاع خودرو را تنظیم نمود.
این نوع پلیمرها در راهسازی، پلسازی و صنعت ساختمان نیز استفاده میشود و امروزه در تکیهگاه خیلی از پلها خصوصاً پلهای معلق از این مواد استفاه میشود.
سیالات ERF دارای سه نوع مثبت، منفی و مواد نوری الکتریکی هستند. اگر با اعمال میدان الکتریکی، ویسکوزیته افزایش یابد ERF مثبت است، اگر با افزایش میدان الکتریکی ویسکوزیته کاهش یابد ERF منفی است و اگر با تاباندن اشعه ماوراء بنفش ویسکوزیته تغییر کند ERF از نوع نوری و الکتریکی میباشد.
با تغییر در زنجیره پلیمرها میتوان ژلها را ساخت که این کار با تعویض بعضی از مونومرهای زنجیره با مواد شیمیایی صورت میگیرد. تفاوت اصلی ژلها با پلیمرها سازگاری شیمیایی و ترمودینامیکی آنها با حلالها میباشد و نیز خاصیت رطوبتگیری که در آنها وجود دارد.
ژلها براساس ویژگیهایی نظیر طبیعت گروههای تشکیلدهنده، خواص مکانیکی، ویژگیهای ساختاری و شکل شبکه تقسیمبندی میشوند و در برا بر محرکهای مختلف فیزیکی و شیمیایی نظیر دما، میدان الکتریکی و مغناطیسی، نور، فشار و PH، از خود عکسالعمل نشان میدهند و در صنایع دفاعی، زیستی، داروسازی و غیره مورد استفاده قرار میگیرند.
مشابه آلیاژهای حافظهدار هستند به این ترتیب که در اثر تغییرات دمایی از خود تغییرات ابعادی نشان میدهند که علت آن تغییر در مورفولوژی زنجیرهها است. این پلیمرها در مواردی مثل جیگ و فیکسچرهای ماشینکاری کاربرد دارند.
Repeating Unit Solvents
Acetylene Isopropylamine, aniline
Acrylamide Morpholine, water
Acrylate esters Aromatic hydrocarbons, chlorinated hydrocarbons, THF, esters, ketones
Acrylic acid Alcohols, water, dilute aqueous alkali
Acrylonitrile Phenylenediamines, ethylene carbonate, sulfuric acid
Alkyl vinyl ethers Benzene, halogenated hydrocarbons, methyl ethyl ketone
Amic acids DMF, DMSO, tetramethylurea
Aryl sulfonates DMF
Butadiene Hydrocarbons, THF, higher ketones
?-Caprolactam (Nylon 6) m-Cresol, chlorophenol, formic acid
Cellulose Trifluoroacetic acid, aqueous solutions of cupriethylenediamine
Cellulose ethers Aqueous alkali
Cellulose triacetate Methylene chloride, THF, ethylene carbonate
Chloroprene Benzene, chlorinated hydrocarbons, pyridine