اهمیت صنعتی

تولید، تبدیل و فراوری پلیمرها در صنعت اروپا از اهمیت بالایی برخوردار است. امروزه تولید جهانی پلیمرها از تولید فولاد فراتر رفته است، به‌طوری که این رقم در سال 2000 بالغ بر 180 میلیون تن بوده است. سهم اروپا از این مقدار حدود 28 درصد (50 میلیون تن)، معادل با 100 میلیارد یورو می­باشد


فراوری پلاستیک‌ها متمایز از تولید(سنتز) پلاستیک‌ها است و مشخصه و نیروی کار مخصوص به خود را دارا است. زمانی که سنتز پلیمرها در سراسر جهان و همچنین در بعضی از شرکت‌های بزرگ اروپا (صنایع شیمیایی) از اهمیت بالایی برخوردار است، هزاران صنعت کوچک و بزرگ اروپا در فراوری پلیمرها فعال می­باشند و تنها در آلمان 2500 شرکت با 220000 نفر کارمند در این زمینه پیدا می­شود. در حدود 60 درصد از تولید پلیمرها، جهت تامین مواد ساختاری (Structural Material) روانه بازار می­شود و 40 درصد بقیه مواد کارکردی (Fanctional Material) را تحت پوشش قرار می­دهند.

مواد ساختاری (Structural Material)

بیشتر پلیمرهایی که به عنوان مواد ساختاری و تحت عنوان "پلاستیک­های استاندارد" تولید می­شوند، بر پایة پلی­اولفین­ها (پلی­اتیلن، پلی­پروپیلن) و کوپلیمرهای هیدروکربنی مشابه هستند. این پلیمرها دارای کاربردهای زیر هستند:

بسته‌بندی (41 درصد)، ساختمان (20 درصد)، عایق­های الکتریکی(9 درصد)، قطعات خودرو (7 درصد)، کشاورزی (2 درصد) و مواد متنوع دیگر(21 درصد).

کاربرد پلاستیک‌ها به عنوان جایگزین برای مواد رایج و سنتی صنایع بسته‌بندی از قبیل فلزات، شیشه و سرامیک‌ها یا به مثابه یک منبع ثابت در توسعة تکنولوژی­های جدید (مانند دیسک­های صوتی و تصویری) درحال تکامل صنعتی می­باشد.

همچنین اخیراً با توسعة خواص فرایندپذیری و مشخصات فیزیکی پلی اولفین­ها (با استفاده از اختراع و سازگار ساختن کاتالیست­های جدید که برای کنترل بهتر ساختار ماکرومولکولی صورت گرفته است)، جایگزینی مناسب برای پلیمرهای ویژه بسیار گران­قیمت پیدا شده است.

لازم به ذکر است که پلیمرهای ویژه، جایگاه محکمی در صنعت مدرن دارند و اغلب مشخصات یک تکنولوژی پیشران را دارا می­باشند. به عنوان یک مثال در این زمینه می­توان به تولید، کاربرد و تکامل اپوکسی در جهت بهبود کارایی آن اشاره کرد که به عنوان مواد عایق و بسته­بندی در صنایع الکتریکی و الکترونیکی کاربرد دارد.

مواد کارکردی(functional materials)

پلیمرهای کارکردی دارای کاربردهای متنوعی به عنوان افزودنی‌ها، کمک­فرایندها، چسب­ها، پوشش­ها، منظم­کنندة ویسکوزیته و روان­کننده هستند. پلیمرهای کارکردی دارای زمینه­های مصرف زیر می­باشند:

مواد دارویی و آرایشی، در انواع غذاهای نیم‌آماده، جوهرهای چاپ و رنگ‌ها، روان­کننده­ها، به عنوان اتصال­دهنده، تصفیه فاضلاب‌ها و به عنوان چسب در تولیدات سخت‌افزاری و وسایل الکترونیکی که اینها فقط مقدار کمی از کاربردها را شامل می­شود.

پیشرفت جدید در پلیمرهای کارکردی، تاثیرات انقلابی در صنایع داشته است و این مواد یک پایه تکنولوژیکی پیشران را برای سیستم­های تولید جدید و پیشرفته ایجاد کرده­اند.

تهیة مواد کارکردی جدید بر توسعة خطوط تولید و ماشین­آلات صنایع موثر است که یک نمونه بارز آن صنعت چاپ می­باشد که پیشرفت در این صنعت عمدتاً متکی بر تهیه مرکب­هایی جدید و بهینه­شده­ای برای ماشین چاپ است که کارایی خود را در سرعت­های بالای چاپ حفظ می­کنند.

مشابه این قضیه در تکنیک چاپ لیزری هم صادق است که سرعت در این تکنیک عمدتاً بر سرعت فرایند تحویل کاغذ که بر پایه پلیمر است، بستگی دارد.

کاربرد بیوپزشکی پلیمرها

لازم است که کاربردهای بیوپزشکی پلیمرها نیز ذکر گردد. پلیمرها نقش فزاینده­ای را در ایمپلنت­ها (موادی که در داخل بدن به کار برده می­شوند)، دندانپزشکی، جراحی بافت‌ها و رگ‌ها دارند که این کاربردها، بازار بزرگی برای پلیمرها و فعالیت­های تحقیقی بین‌رشته­ای ایجاد کرده است.

سنتز پلیمرها

پیشرفت در سنتز پلیمرهای مهندسی و معمولی تحت تأثیر کاتالیزورهای جدید می­باشد. تلاش برای یافتن اصول و قواعد جدید، جهت بهبود کاتالیزورهایی که هم‌اکنون در کارخانجات بزرگ تولید پلیمر دنیا رایج است، امری حیاتی به حساب می­آید. طراحی ساختار مولکولی شامل "توزیع جرم طول زنجیر، شکل فضایی زیرساختار و ساختار کوپلیمری"، جهت افزایش کارآیی و فرایندپذیری پلیمرها، کلید اصلی رشد این صنعت می­باشد.

سنتز پلیمرهای ویژه، با هدف تولید پلیمرهای کارکردی و پلیمرهای پیشران (پلیمرهای که موجب تحول در صنعت می­شوند) انجام می­گیرد.

پلیمرهای جدید در توسعه موارد زیر نقش کلیدی دارند:

1) وسایل الکترو- نوری در ارتباطات مدرن (دیودهای انتشار سبک، نمایشگرها، سنسورها، باتری‌ها)

2) کاربردهای بیوپزشکی (لنزها، اتصال‌ها، پوست و رگ‌های مصنوعی).

پیشرفت در شبیه­سازی کامپیوتری رفتارهای مورد انتظار از کاربرد پلیمرها، می­تواند فرایند تحقیق و توسعه را سرعت ببخشد؛ اگر چه درک تئوری برهم‌کنش مولکولی پلیمرها، هنوز در دوران اولیه رشد خود قرار دارد. نرم‌افزارهای مربوط به پلیمرها هنوز نتوانسته است انتظارات را برآورده سازند. مشابه این قضیه در بررسی تئوریک و کامپیوتری فرایندهای کاتالیزوری هم صادق است.

انواع مونومرها آنقدر زیاد است که بیشتر نیازهای ما را برای ساخت مواد مختلف تامین می­­کند. بنابراین تحقیق برای تولید مونومرهای جدید، اهمیت کمتری نسبت به سنتز ساختارهای مولکولی جدیدتر بر پایه مونومرهای موجود دارد.

اکستروژن واکنشی(reactive extrusion) یا (در حالت کلی) فرایندهای واکنشی موضوع دیگری است که کنترل محاسباتی نسبت‌های واکنش‌گرها در آن بسیار مهم می­باشد. فرایندها و سنتزهای با اهمیت و ارزش بالا در بسیاری مواقع باعث پیشرفت­های جدید می­شود و این فرایندها و سنتزها نیاز به مهارت و توانایی قابل توجهی دارد. مثالها در این زمینه عبارتند از کاربردهای بیوپزشکی بی­نظیر (که وجود محصولات جانبی سمی در آنها مجاز نیست) و یا در الکترونیک ( که ورود و باقی‌ماندن مقادیر کوچکی از محصولات جانبی باعث خراب شدن وسیله می­گردد).

تحلیل ساختار پلیمرها

توسعه بیشتر روشهای تحلیلی جهت بررسی ساختار و کارآیی پلیمرها در محدودة فضا و زمان، از جمله پیش‌شرط­های لازم برای بهبود و توسعه این مواد است. تکنیک­های سریع و مناسب تعیین توزیع جرم مولکولی در پلیمریزاسیون و یا فرایند، از اهمیت بالایی برخوردار است. هم اکنون تکنیک‌های تحلیلی بررسی ساختار اولیه (شاخه­ای- فوق­شاخه­ای، شبکه­ای و غیره), در عمل غیردقیق و غیرقابل استفاده هستند، بنابراین لازم است که روشهای تحلیل جدید و سریع پیدا شوند.

ساختار فرامولکولی

خواص و کاربردهای پلیمرها و بیوپلیمرها، بر پایة برهم‌کنش­های ضعیف اما طولانی در محدودة اجزاء مولکولی می­باشد. هنوز به خوبی معلوم نشده که چرا و چگونه این واکنش­های درونی منجر به ساختارهای منظم و (در بیشتر حالات) منجر به خواص فیزیکی و مهندسی وابسته به زمان می­شود. تعیین و ایجاد ساختار کنترل شده، مؤثرترین راه ایجاد کارایی بالا است.

بهره­برداری بیشتر از خواص ذاتی پلیمرها بستگی دارد به "چگونگی کنترل برهم­کنش بین اجزاء ماکرومولکول‌ها و مواد دیگر پلیمری (رنگ‌دانه­ها، پایدارکننده­ها، عوامل تقویت‌کننده) در طی فرایند".

فرایندهای جدیدی در مورد پلیمرهای ویژه نیاز است تا خواص لازم جهت کاربرد آنها در میکرو و ماکروالکترونیک و در مواد پزشکی که در داخل بدن به کار برده می­شوند، را تامین کنند.

مورد فوق برای پلیمرهایی که در فرایندهای جداسازی به عنوان غشاهای فعال یا قابل نفوذ، جاذب­ها یا مواد کروماتوگرافی به کار می‌روند نیز صادق است.

در باتری‌ها یا پیل­های سوختی، پلیمرها به عنوان مواد انتقال‌دهندة یون و مواد جداکننده عمل می­کنند و نیاز شدیدی برای بهبود خواص مربوطه وجود دارد و لازم است که دانش ما از چگونگی پدیدة انتقال و دینامیک مربوط به ساختار مولکولی بیشتر شود.

استراتژی­های حامی

علم پلیمر فقط علم پایه برای کاربردهای صنعتی و تأمین کالاهای مصرفی برای مصرف‌کنندگان نیست, بلکه این علم نقشی اساسی در پیدایش مفاهیم جدید در حوزه­های مختلف علوم دارد. مسائل مربوط به فرایندهای شناسایی مولکولی، فرایند تبادل اطلاعات بین مولکولی و پروتئین­ها، مشکلات کنونی علم پلیمر هستند. تکنولوژی که در تحلیل ژن و در روشهای ترکیبی تحقیقات دارو به کار برده می­شود، به طور عمده بر پایه مواد پلیمری ویژه است. از طرف دیگر باید به نقش پلیمر به عنوان منبع تولید مسائلی در فیزیک نظری، علم کامپیوتر و ریاضیات اشاره کرد.

بنابراین، دلایل بسیار خوبی برای حمایت از علم پلیمر به عنوان یکی از علوم پیش‌برنده مدرن وجود دارد. ممکن است که تمایل صنعت برای سرمایه­گذاری و تحقیقات در تولید فرایند پلیمرهای رایج و معمولی، باعث درک اشتباه گردد. چرا که روند کنونی این صنایع، اهداف علم پلیمر را برای فرارفتن از نیازهای کنونی این صنایع و نیل به پلیمرهای ویژه محدود نمی­کند. علاوه بر این، نیازهای این صنایع در مواقعی که این شرکت‌ها ادغام و یا خرید و فروش می­شوند به خوبی تعریف نشده­اند و این باعث ایجاد نوسانی تقریبی در موقعیت تحقیقات صنعتی و توسعه رشته پلیمر شده است. بنابراین، استحکام تحقیقات دانشگاهی در آن است که در زمینه­هایی که در صنعت کمبود داریم فعال شوند.

نقش اتحادیه اروپا در این زمینه مهم است و نیاز است که علم پلیمر جایگاهی در برنامه­های توسعه اتحادیه اروپا داشته باشد