پلیمرهای ماندگار از منابع تجدیدپذیر

بسپار/ ایران پلیمر به کارگيري منابع تجدیدپذیر (Renewable) در تهیه بسپارها بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. تکپارهایی نظیر دی‌اکسیدکربن، ترپن‌ها (Terpene)، روغن‌های گیاهی و کربوهیدرات‌ها می‌توانند به عنوان مواد اولیه در تولید محصولات ماندگار (Sustainable)، شامل لاستیک‌ها، پلاستیک‌ها، هیدروژل‌ها، قطعات الکترونیکی انعطاف‌پذیر، رزین‌ها، بسپارهای مهندسی و چندسازه‌ها (کامپوزیت­ها) به­کار روند. در تولید تکپارها برای تسهیل انتخاب‌پذیری بسپارش و امکان بازیابی یا به­کارگیری دوباره پسماند (Waste) مواد، به یاریگری (کاتالیزور) کارا نیاز است. فرصت استفاده از بسپارهای ماندگار هم در زمینه­هایی با ارزش افزوده زیاد و هم در کاربردهای ساده مثل بسته‌بندی، وجود دارد. تخمین طول عمر بسپار ماندگار می‌تواند در تعیین مزایای استفاده از آن مفید واقع شود.

زندگی نوین امروزی به بسپارها وابسته است؛ از موادی که در تهیه پوشاک، لوازم خانگی، خودرو و هواپیماها گرفته تا آن­چه با کاربردهای پیچیده در زمینه‌های پزشکی، تشخیصی و الکترونیک در ارتباط است. بخش عمده‌ای از این بسپارها از فرایندهای پتروشیمی به­دست می‌آیند. بسپارهای زیادی هستند که نقش پررنگی در بهبود کیفیت زندگی و پاکیزگی محیط زیست دارند، مثل بسپارهایی که می‌توانند آب را تصفیه کنند یا چندسازه‌های بسپاری که به عنوان سوخت هواپیماها به­کار می‌روند و دارای صرفه اقتصادی بهتری نیز هستند. با این­که تنها 6 درصد از نفت تولیدی جهان در تولید بسپارها به­کار می‌رود، هم­چنان نگرانی‌های زیست‌محیطی در رابطه با مواد خام مصرفی در تولید بسپارها و پسماند آن­ها در انتهای طول عمر بسپارها، وجود دارد. گرچه هیچ نوش‌دارویی برای مشکلات زیست‌محیطی ایجاد شده وجود ندارد، ولی توسعه بیشتر بسپارهای ماندگار می‌تواند راهکار مناسبی برای پیشگیری از تشدید این مشکلات باشد. تحقیق‌ها بیشتر بر جایگزینی مواد اولیه فسیلی با مواد تجدیدپذیر و گسترش موادی که در انتهای عمر خود قابلیت بازیابی یا تخریب دارند، متمرکز شده است. اگر مواد اولیه بسپار از زیست‌توده (Biomass) پایه گیاهی تهیه شده باشد، بسپار حاصل زیست­پایه (Bio derived) خوانده می‌شود. در رابطه با اصطلاح زیست‌تخریب‌پذیر (Biodegradable)، مهم است تشخیص داده شود که برخی از بسپارهای پایه نفتی (petroleum-based) نیز زیست‌تخریب‌پذیر هستند، اما تمام بسپارهای زیست­پایه، زیست‌تخریب‌پذیر نیستند. پتانسیل کاربرد بسپارهای ماندگار توسط سیاست، قوانین و توافقات بین­المللی، از جمله برخی از مذاکرات در همایش تغییرات آب و هوایی سازمان ملل متحد سال 2015، که در پاریس با موضوع کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن، برگزار شد، مطرح شده است. اگرچه کاربردهای تجاری بسپارهای زیست­پایه، از نظر زیست‌محیطی (به عنوان سیاست یا قوانین حمایتی) سودمند است، اما نیاز است که از لحاظ اقتصادی و خواصی نظیر مقاومت گرمایی، استحکام مکانیکی، فرایندپذیری و سازگاری، بهتر از مواد رایج باشد. تامین تمام این موارد به­صورت هم­زمان، مشکل است و برای همین تعداد بسپارهای ماندگاری که امروزه به صورت موفقی تجاری شده‌اند، کم است. برای مثال در سال 2014، تنها 7/1 مگا تن از حدود 300 مگا تن بسپار تولیدی جهان، منشا زیستی داشتند و سه محصول عمده از نظر حجمی، پلی‌اتیلن‌ترفتالات، پلی‌اتیلن و پلی‌لاکتیک بوده­اند. دو رویکرد کلی در رابطه با تهیه بسپارهای ماندگار وجود دارد: اول کاهش اثرات زیست‌محیطی محصولات رایج، برای مثال با استفاده از زیست‌توده برای ساختن تکپار یا بسپار شناخته شده مثل PET و پلی‌اتیلن؛ دوم تهیه ساختار ماندگار جدید، مثل پلی­لاکتیک از مواد خام تجدیدپذیر.

این مقاله به بازنگری برخی از فرصت‌ها برای خلق بسپارهای ماندگار از مواد خام تجدیدپذیر نظیر دی‌اکسیدکربن، ترپن‌ها، روغن‌های گیاهی و کربوهیدرات‌ها می‌پردازد (شکل1). این مواد اولیه قادرند بسپارها و موادی با طیف گسترده‌ای از خواص و کاربردها را تولید کنند. در اینجا کاربرد بسپارهای طبیعی اصلاح شده مثل کتان، ابریشم، گرمانرم‌های نشاسته، مشتقات سلولز و پپتایدهای طبیعی بحث نشده و تنها اشاره‌ای مختصر به فرایند تولید بسپار از لیگنین شده است. مثال‌های ارایه شده بر اساس غلبه آن­ها بر چالش‌های موجود در زمینه استفاده از بسپارهای ماندگار انتخاب شده است.

[EasyDNNGallery|24466|Width|200|Height|200|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1 – گزینه ­های جایگزین مواد پایه نفتی به عنوان مواد اولیه مورد استفاده در تولید بسپارها.

دی‌اکسیدکربن با اکسیدپروپیلن برای تولید پلی‌ال‌های کربنات پروپیلن هم­بسپار می‌شود. ترپن‌ها، مثل لیمونین، به شکل شیمیایی به اکسید لیمونین تبدیل می­شود.

اولین چالش موجود این است که تبدیل منابع تجدیدپذیر و تولید بسپار، باید بازدهی زیادی داشته باشد تا هزینه تولید کاهش یابد. استفاده از مخلوط چند ماده خام، تولید تکپار با خلوص کمتر یا با استفاده از ضایعات کشاورزی و صنعتی، می‌توان صرفه تولید را افزایش داد. دومین چالش این است که بسپارهای ماندگار باید خواصی  مکمل یا بهبود یافته نسبت به بسپارهای موجود، نشان دهند. کاربرد در بازارهایی با ارزش زیاد، مثل گرمانرم­های کشایند، پلاستیک‌های سخت و پلی‌ال‌ها، ممکن است از لحاظ اقتصادی نسبت به کاربردهایی نظیر بسته‌بندی، مطلوب‌تر باشند. سوم این­که، برای تعیین اثر ماندگاری بسپارها و مقایسه آن با معیارهای بسپارهای پایه نفتی موجود؛ چرخه عمر باید ارزیابی شود. این روش معمولا برای ارزیابی اثرات زیست‌محیطی و پیامدهایی که با تولید بسپار در ارتباط است، استفاده می‌شود. گرچه نیاز به مقایسه‌های این­چنینی بدیهی به نظر می‌رسد، ولی در رابطه با انتخاب معیارها، مرزها و داده‌ها پیچیدگی‌هایی وجود دارد. در حال حاضر، مواد در مراحل اولیه ساخت، به­ ویژه در آزمایشگاه‌های علمی، معمولا مورد ارزیابی چرخه عمر قرار نمی‌گیرند. در ادامه به مثال‌هایی از ارزیابی چرخه عمر اشاره می‌شود که نشان می­دهد ماندگاری بسپارها ارتقا یافته و با طراحی و توسعه مواد آینده در ارتباط است.

تبدیل مجدد دی­اکسیدکربن به بسپارها

کاربرد ضایعات گازهای گلخانه‌ای (Greenhouse) مثل دی‌اکسیدکربن، در تهیه بسپارهای کارآمد، از دیرباز مورد توجه محققان بوده و این واکنش شیمیایی هم اکنون در دست تجاری‌سازی است. مثال‌های كمي از فرایندی که دی‌اکسیدکربن را به عنوان واکنشگر مصرف کند؛ وجود دارد. تنها 30 تا 50 درصد از توده بسپار می‌تواند از دی‌اکسیدکربن تشکیل شود و مابقی از مواد پایه نفتی تشكيل شده و به این صورت منافع زیست‌محیطی و اقتصادی با هم تامین می‌شوند. شکل 2 کاربرد مجدد دی‌اکسیدکربن و تبدیل به بسپارهای ماندگار با ارزش زیاد را نشان می­دهد. دی­اکسیدکربن و اپوکسیدها می‌توانند با هم­بسپار شدن به پلی‌کربنات‌های آلیفاتیک تبدیل شوند. پلی‌ال‌های پلی‌کربنات با جرم مولکولی کم در تهیه اسفنج‌ها، پوشش‌ها و چسب‌ها مناسب هستند. در صورتی که جرم مولکولی پلی‌کربنات زیاد باشد می‌تواند به عنوان پلاستیک سخت یا کشایند به­ کار رود.

[EasyDNNGallery|24467|Width|200|Height|200|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 2 – کاربرد مجدد دی‌اکسیدکربن و تبدیل به بسپارهای ماندگار با ارزش زیاد.

بسپارهای ماندگار می‌توانند از طریق جایگزینی هم‌بسپارش اپوکسیدها كه معمولا اکسید پروپیلن و دی‌اکسیدکربن هستند، تولید شوند. بازدهی اين فرایندها به طور مستقیم به یاریگر مورد استفاده بستگی دارد و در سراسر جهان تلاش برای بهبود و درک اساس عملکرد یاریگر است. یاریگرهای همگن سبب افزایش جذب سطحی دی‌اکسیدکربن بر بسپار شده و در نتیجه اتصال اپوکسید- دی‌اکسیدکربن تشکیل شده و پلي­كربنات آليفاتيك توليد مي‌شود. در مقابل یاریگرهای ناهمگن به شکل قابل توجهی نیاز به فشار بیشتر دارند و در سطح مقدار کم دی‌اکسیدکربن، پلی‌اتر کربنات‌هایی تولید می‌کند که در آن پیوندهای اتر در مرحله بعدی اپوکسید شدن تشکیل می‌شوند. امکان ترکیب انتخابی هم‌بسپارش تناوبی اپوکسیدها و دی‌اکسیدکربن با بسپارش دیگر تکپارهای زیستی برای تشکیل هم­بسپارهای قطعه‌ای شامل استر، اتر و قطعه‌های کربنات نیز وجود دارد. اگرچه این روش‌ها در ابتدای راه هستند، ولی نشان می‌دهند که به شیمی انتخابی قوی نیاز است. استفاده از مخلوط تکپارها و پتانسیل کاربرد هم­بسپارهای قطعه‌ای به منظور کنترل خواص در مقیاس بزرگ (ماکروسکوپی)، دو موضوع مهم برای پیشرفت‌های آتی در این زمینه است.