اختصاصی بسپار/ تجدید علاقه به چندسازه‌‌ها (کامپوزیت ها)ی طبیعی

گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ ایران پلیمر به علت تقاضای مصرف‌‌کنندگان به آمیزه‌‌های پلاستیک‌‌های زیست‌‌پایدارتر (و اغلب سبک‌‌تر)، درخواست مجدد برای پر‌‌کننده‌‌ها و الیاف طبیعی پایه ‌‌گیاهی مشاهده شده است. در این مقاله پیشرفت‌‌ها در این حوزه آورده شده است.

پر‌‌کننده‌‌ها و الیاف پایه گیاهی تجدید‌‌پذیر یا طبیعی از ابتدای صنعت پلاستیک برای آمیزه‌‌های بسپاری یک گزینه بودند، اما تمرکز اخیر روی کاهش ردپای کربن توجه جدیدی را به آن‌‌ها جلب می‌‌کند و در عین حال، در برخی موارد، مواد پایه گیاهی موجود خواص مکانیکی لازم برای این‌‌که بتوانند به طور مستقیم جایگزین تقویت‌‌کننده‌‌ی الیاف شیشه شوند را ندارند، طراحان فرمول‌، راه‌‌های بسیاری ازجمله ترکیب الیاف طبیعی با الیاف شیشه یا به‌‌کار‌‌گیری روش‌‌های جدید برای بهبود خواص ذاتی ماده‌‌ی گیاهی را، برای جبران این مسئله پیدا کردند.
سال‌‌های زیادی است که بخش خودرو برای استفاده و به‌‌کارگیری الیاف طبیعی در خط مقدم کار است و برای افزایش استفاده از مقادیر زیست‌‌پایدار ضمن حفظ کارایی و عملکرد، به تلاش خود ادامه می‌‌دهد. شرکت خودروسازی فورد (Ford) می‌‌گوید که چندین عامل از جمله بازار، سیاست و عوامل فنی دست به دست هم دادند که الیاف طبیعی را برای بخش ‌‌خودرو، جذاب‌‌تر می‌‌کنند. این عوامل منجر به تغییر در رفتار مصرف‌‌کننده، چارچوب سیاست‌‌های اخیر، افزایش استفاده از پلاستیک‌‌ها در خودرو‌‌ها، نگرانی‌‌های زنجیره‌‌ی تامین الیاف شیشه و اختراعات و نوآوری‌‌های تحقیق و توسعه توسط تامین‌‌کنندگان الیاف طبیعی است.
به‌‌گفته‌‌ی شرکت فورد، این یک روش اصلی کاری و تجاری برای صنعت خودرو برای مقابله با آینده‌‌ای با منابع محدود می‌‌شود. استفاده از الیاف طبیعی، زیست‌‌پایداری محیطی شرکت فورد را بهبود می‌‌بخشد. براساس مطالعات داخلی این شرکت و داده‌‌های گروه سوم، بی‌‌شک مزایای ارزیابی چرخه‌‌ی عمر (LCA) در مقابل پر‌‌کننده‌‌ها و الیاف معدنی وجود دارد. استفاده از این مواد در حال گسترش بیشتر است. گروه Sustainability و Emerging Materials فورد از سال 2000 تحقیقات چندسازه‌‌های زیست‌‌پایدار را شروع کرده است که نتیجه در استفاده از طیف وسیعی از مواد تجدید‌‌پذیر شامل کناف (kenaf)، پوسته‌‌ی برنج (rice hulls) و سلولز داشته است. برخی از آن‌‌ها، منتخب‌‌های برجسته‌‌تری نسبت به بقیه‌‌ی آن‌‌ها هستند، آزمایشهای اخیر فورد نشان داده است که پوست دانه‌‌ی قهوه، پس از فرایند کربنی کردن زیستی (biocarbonisation)، می‌‌تواند جایگزین تالک در آمیزه‌‌های پلی‌‌پروپیلن (PP) شود.
آزمایش پوسته‌‌ی دانه‌‌ی قهوه به عنوان راهی برای استفاده از پسماند‌‌های کشاورزی برای تبدیل به محصولی زیست‌‌پایدار انجام شد. اولین آزمایشها مشکلاتی هم‌‌چون بو و جذب آب را داشت که با کربنی کردن پوسته‌‌ی دانه‌‌ی قهوه این نگرانی برطرف شد و نتیجه در سازگاری بهتر با بستر پلی‌‌پروپیلن داشت. بهبود سازگاری همراه با کاهش آب‌‌دوستی ‌‌پرکننده‌‌ی کربنی شده نتیجه در جذب ‌‌آب کمتر قطعه‌‌ی چندسازه دارد.
گروه فورد یک فرمول‌‌بندی PP با استفاده از 20 درصد پوسته‌‌ی دانه‌‌ی قهوه کربنی‌‌شده‌‌ی زیستی به عنوان جایگزین 40 درصد تالک برای چراغ‌‌ جلوی خودرو‌‌های 2020 Lincoln Continental که به روش قالب‌‌گیری تزریقی تولید می‌‌شوند، ساخت. در شکل 1 نمونه‌‌ی این محصول نشان داده شده است. با استفاده از زیست‌‌کربن قهوه، وزن تا 17 درصد و هزینه تا 5 درصد کاهش می‌‌یابد، بدون این‌‌که فراورش یا عملکرد قطعه به مخاطره بیافتد.
فورد هم‌‌چنین توانست از دمای فرایند کمتری برای قالب‌‌گیری قطعه‌‌ی چندسازه‌‌ی زیستی استفاده کند که موجب چرخه‌‌های سرمایش کوتاه‌‌تر و صرفه‌‌جویی در مصرف انرژی شد. یک صرفه‌‌جویی حدود 15‌‌ درصدی نیز در مصرف انرژی در زمان رانشگری مواد پر‌‌شده با زیست‌‌کربن‌‌ به علت روان‌‌کنندگی ذاتی مواد آلی در مقایسه با رفتار شارشی (rheology) مواد معدنی وجود دارد. به طور کلی، فورد تخمین می‌‌زند که این چندسازه‌‌ی جدید، موجب 25 درصد صرفه‌‌جویی در مصرف انرژی می‌‌شود.

هم‌‌چنین گروه تحقیق‌‌و‌‌توسعه‌‌ی فورد روی پر‌‌کننده‌‌های زیست‌‌کربن‌‌ ساخته شده با روش تف‌‌کافتی (pyrolysis) توده‌‌ی زیستی برای دستیابی به یک ماده‌‌‌‌ی متخلخل توجه دارند، چون راه‌‌حلی برای بهبود پایداری گرمایی مواد طبیعی است. الیاف طبیعی، پایداری گرمایی کمتری از بسیاری از الیاف مصنوعی دارند که این امر استفاده از آن‌‌ها را تنها برای بسپار‌‌هایی با دمای فرایند‌‌ کم و کمتر از 200 درجه سلسیوس و محیط‌‌های خودرویی با دمای کم، محدود می‌‌کند. مطالعات اخیر فورد ثابت کرد که آن‌‌ها می‌‌توانند زیست‌‌کربن‌‌ را به عنوان یک پر‌‌کننده‌‌ی طبیعی در چندسازه‌‌های گرمانرم مهندسی هم‌‌چون پلی‌‌آمید 6 (PA6) و پلی‌‌آمید 66 (PA66) استفاده کنند.

نانو‌‌سلولز
شرکت کانادایی Performance Biofilaments که توسط Mercer International و Resolute Forest Products حمایت می‌‌شود، می‌‌گوید که فناوری فرایند مخصوص آن‌‌ها الیاف چوب را استخراج و آن‌‌ها را به نانولیفچه‌‌های سلولز (nanofibrillated cellulose (NFC)) با استحکام و خلوص زیاد تبدیل می‌‌کند. این شرکت می‌‌گوید، مواد NFC، در گرمانرم‌‌ها برای گستره‌‌ای از کاربرد‌‌ها ارزیابی شدند.
شرکت Performance Biofilaments اخیرا یک سری آزمایش‌‌ها را به همراه مرکز تحقیق‌‌و‌‌توسعه‌‌ی مواد خودرو‌‌یی گروه سومی در کانادا تکمیل کرد. آن‌‌ها مواد NFC خود را در یک سامانه‌‌ی ترکیبی با الیاف شیشه در آمیزه‌‌های PP، ترکیب و آمیزه‌‌سازی کردند و نتایج مطلوبی به دست آوردند. هدف این سری از آزمایش‌‌ها این بود که این شرکت نشان دهد که می‌‌تواند مقدار زیست‌‌پایداری (افزایش مقدار الیاف طبیعی و کاهش مقدار الیاف شیشه) را در آمیزه‌‌ی PP افزایش دهد و سطح بالایی از کارایی و عملکرد را حفظ کند. این شرکت یک کارخانه‌‌ی تجاری برای تولید NFC می‌‌سازد که انتظار می‌‌رود در انتهای 2022 شروع به تولید کند.
شرکت Green Dot Bioplastics مستقر در آمریکا، بسپار‌‌های زیستی و قابل تبدیل به پسماند پوسیدنی (compostable) تولید می‌‌کند و خط محصول پلاستیک تقویت‌‌شده‌‌ با الیاف طبیعی (NFRP) خود را تحت عنوان Terratek در سال 2020 تجاری‌‌سازی کرد. این چندسازه‌‌های زیستی از الیافی هم‌‌چون سیسال (sisal)، بامبوی‌‌ آمریکایی و الیاف کنف احیاشده (reclaimed jute) به عنوان جایگزین الیاف شیشه در پلی‌‌پروپیلن ((PP، پلی‌‌اتیلن (PE) یا پلی‌‌آمید (PA) استفاده می‌‌کنند. درحالی که الیاف طبیعی جایگزین 1:1 الیاف شیشه نشدند، آن‌‌ها گزینه‌‌ی زیست‌‌پایدار در کاربرد‌‌های بسپاری در جایی که تقویت‌‌کننده و سفتی فراتری از مواد پر‌‌نشده لازم است، فراهم می‌‌کنند که هم آمیزه‌‌ها و هم مستربچ‌‌های الیاف طبیعی را تامین می‌‌کنند. در شکل 2 مقایسه‌‌ی خواص مکانیکی آمیزه‌‌ی PPتقویت‌‌شده با 20 درصد الیاف سیسال با آمیزه‌‌ی همتای پرشده با 20 درصد الیاف شیشه مقایسه شدند.
شرکت Green Dot Bioplastics می‌‌گوید کارایی و تامین، دو نیرو‌‌ی محرکه‌‌ی کلیدی در انتخاب الیاف طبیعی است و آن‌‌ها باید بتوانند از قابل تکرار بودن محصول و کارایی آن برای مشتریانشان مطمئن شوند. بامبوی‌‌ آمریکایی یک گیاه بومی با خواص فیزیکی عالی و امکان رشد زیست‌‌پایدار است.
سال 2021، شرکت Green Dot Bioplastics با شرکت Mayco International تامین‌‌کننده‌‌ی خودرو همکاری کرد تا پسماند قطعات برش‌‌خورده و ضایعات الیاف کنف باقی‌‌مانده از فرایند Mayco را برای ایجاد یک ماده‌‌‌‌ی NFRP جدید به‌‌کار گیرد. نسبت به ضایعات و قطعات برش‌‌خورده که دفن می‌‌شوند، این شرکت، آن‌‌ها را جمع‌‌آوری و به‌‌ شکل دانه‌‌‌‌ی چندسازه زیستی برای استفاده در کاربرد‌‌های دیگر مخلوط می‌‌کند.

بیش از چندین سال است که سازمان تحقیقات اسپانیایی Aimplas، درباره‌‌ی الیاف طبیعی نظیر الیاف شاهدانه (hemp)، کناف (kenaf )، سیسال (sisal)، کتان (flax)، کنف (jute)، پنبه (cotton) و دیگر الیاف برای استفاده به عنوان افزودنی‌‌های تقویت‌‌کننده در چندسازه‌‌های پلاستیک‌‌های زیستی تحقیقات انجام داده است. زمانی که یک آمیزه از پلاستیک‌‌های زیستی ساخته می‌‌شود، این پلاستیک برای استفاده با الیاف طبیعی بسیار مناسب‌‌تر است چون بسیاری از اجزا‌‌ تا جای ممکن تجدید‌‌پذیر و همچنین در برخی موارد قابل تبدیل به پسماند پوسیدنی نیز هستند.
نگرانی‌‌ پوسش
امکان تبدیل به پسماند پوسیدنی (Compostability) یک صفت است که توجه رو به رشدی را در اروپا به خصوص برای بسته‌‌بندی به خود جلب کرده است. گرچه مواد بسته‌‌بندی با استفاده از پلاستیک‌‌های قابل تبدیل به پسماند پوسیدنی تقویت‌‌شده با الیاف پایه گیاهی ساخته شده باشند اما ممکن است سختی و مشکلی برای دستیابی به استاندارد EN 13432 برای امکان تبدیل به پسماند پوسیدنی صنعتی برحسب درصد الیاف مورد استفاده و ضخامت قطعه داشته باشند. آسیاب‌‌کردن بسته‌‌بندی قبل از پوسیدن آن ممکن است راه‌‌حل خوبی برای حل این مشکل ایجاد کند.
استحکام و وزن چندسازه عوامل کلیدی در بسیاری از مصارف نهایی هستند. از لحاظ خواص تقویت‌‌کنندگی، الیاف طبیعی یک جایگزین مستقیم برای الیاف شیشه نیستند اما افزوده می‌‌شوند تا بتوانند جایگزین پر‌‌کننده‌‌های تقویت‌‌کننده‌‌ی معدنی (mineral) باشند و موجب کاهش وزن شوند. دیگر افزودنی‌‌ها نظیر اصلاح‌‌کننده‌‌های ضربه، ممکن است برای ایجاد تعادل خواص لازم، استفاده شوند.
شرکت Aimplas اخیرا تاخیر‌‌اندازهای‌‌ شعله‌‌ با فرمول‌‌بندی‌‌های حاوی الیاف طبیعی را مطالعه می‌‌کند. این شرکت می‌‌گوید در فرمول‌‌های با خاصیت تاخیر‌‌انداز شعله، الیاف طبیعی اثر منفی روی خاصیت تاخیراندازی شعله نداشتند. آن‌‌ها پلاستیک را با درصدی از الیاف طبیعی جایگزین کردند که منجر به کاهش رهاسازی گرما شد. هم‌‌چنین این مطالعه فرمول‌‌بندی‌‌های دارای الیاف طبیعی و تاخیر‌‌انداز‌‌های شعله پایه فسفری را بررسی و امتحان کرد و تایید کرد که آن‌‌ها به شیوه‌‌ی مضری با هم برهم‌‌کنش نداشتند.
انجمن تحقیقاتی نروژی RISE PFI، می‌‌گوید که به ایجاد پیشرفت در توسعه‌‌ی چندسازه‌‌های زیستی تولید شده با استفاده از بسپار‌‌های زیستی نظیر الیاف پایه زیستی، نانوسلولز یا لیگنین ادامه می‌‌دهد. این چندسازه‌‌ها برای گستره‌‌ای از کاربرد‌‌هایی همچون زیرساخت و زیربنا، خودرو، بسته‌‌بندی مواد غذایی و نوشیدنی، بهداشت و سلامتی و چاپ سه‌‌بعدی افزایشی (3D printing) گسترش و ارزیابی می‌‌شوند. RISE PFI یک آزمایشگاه کاملا مجهز برای چاپ سه‌‌بعدی دارد تا افزایش تقاضا از سوی همکاران صنعتی خود که به دنبال مواد زیستی و زیست‌‌پایدار برای چاپ سه‌‌بعدی و هم‌‌چنین قالب‌‌گیری تزریقی هستند را پشتیبانی کند.
چاپ سه‌‌بعدی یک امکان خوب برای ساخت ساختار‌‌های پیچیده‌‌ای را فراهم می‌‌کند که تولید آن‌‌ها با فرایند‌‌های رایج آسان نیست (شکل 3). در شکل 4 نمونه‌‌ای از تک‌‌رشته‌‌ی چاپ سه‌‌بعدی تقویت‌‌شده با الیاف طبیعی که توسطRISE PFI تولید شده نشان داده شده است. چاپ‌‌ سه‌‌بعدی نه تنها برای ساخت نمونه‌‌ی اولیه استفاده می‌‌شود بلکه برای ساخت دستگاه‌‌های کاملا کاربردی برای موارد مصرف بسیار خاص و ویژه نیز استفاده می‌‌شود. به علاوه، مصرف ماده در این روش نیز کاهش می‌‌یابد که از نقطه‌‌ نظر اقتصادی و زیست‌‌محیطی یک مزیت بزرگ است.

(ادامه دارد …)

متن کامل این گفت و گو را در شماره 248 ماهنامه بسپار از گروه مجلات بسپار که در نیمه خرداد ماه 1402 منتشر شده است، می خوانید.

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه  و  فیدیبو  قابل دسترسی است.