اختصاصی بسپار/ جایگزین سازگارتر با محیط زیست برای منابع برپایه صنعت پتروشیمی
بسپار/ایران پلیمر انقلاب صنعتی کنونی بر ضرورت استفاده از منابع و راهبردهای سازگارتر با محیط زیست برای رویارویی با چالش‌های اقتصاد زیست‌محور دنیای مدرن تاکید کرده است. با توجه به محدودیت‌پذیری، سلامت انسان و اثرات زیست‌محیطی منابع فسیلی، تلاش‌های تحقیقاتی کنونی به جستجو و توسعه جایگزین‌های تجدیدپذیر، زیست‌‌پایدار (sustainable) و سازگار با محیط‌زیست نرمکنندههای تجاری برای برآورده کردن دستورالعمل زیستی برای ایجاد یک جامعه زیستی تغییر می‌کند. جایگزینی نرمکنندههای پایه نفتی با زیست‌نرم‌کننده‌ها (bioplasticizer) مزایای قابل‌توجهی مانند قابلیت بازیافت، زیست تخریب‌پذیری، قدرت روان‌سازی زیاد، ضرایب نفوذ کم در بستر (matrix) بسپاری و فراریت بسیار کم را ارایه می‌دهد. علاوه بر این، زیست‌نرم‌کننده‌ها به دلیل در دسترس بودن در سطح جهانی و کاربردهای صنعتی مرتبط، مناسب‌ترین سکوی (platform) توسعه را فراهم می‌کنند. پارامتر‌های متعددی مانند حلالیت، قطبیت و سازگاری ساختاری، مهم در نظر گرفته می‌شوند و می‌توانند بر طراحی نرمکنندههای کارآمد تاثیرگذار باشند. در این زمینه، تحقیقات فراوانی در مورد ویژگی‌های ساختاری آنها و سازگاریشان با لاستیک‌‌‌ها و پلاستیک‌های مختلف انجام شده است. در این‌‌جا تعیین ارزش زیست‌نرم‌کننده‌ها در چندین فرایند صنعتی و زیست‌فناوری با مثال‌‌های مناسب آورده شده است. علاوه بر این، بینش معیارهای انتخاب و کلیات مربوط به نظریه‌‌های نرم‌کنندگی را نشان می‌دهد. بحث مختصری نیز در مورد سازوکار نرم‌کنندگی و اصلاحاتی، که در صنعت حاضر به کار گرفته میشود، ارایه شده است. این توضیحات به سمت طراحی نرمکنندههای موثر با وابستگی به ساختار و چگونگی بهبود عملکردشان در صنعت بسپار گسترش می‌یابد.
1- مقدمه
روغن‌های گیاهی به دلیل در دسترس بودن فراوان، هزینه نسبتا کم، نسبت کلی مقرون به صرفه، ویژگی‌های چند منظوره و فرایندپذیری آسان برای تبدیل های (transformations) شیمیایی بسیاری از محصولات مورد علاقه، مهم‌ترین دسته از منابع تجدیدپذیر هستند. این ترکیبات به تدریج در پوشرنگ‌‌ها، پوشش‌ها و روان‌کننده‌ها یافت می‌شوند. در سال‌های اخیر، برای تولید سوخت زیستی (بیودیزل) با فرایند ترااستری شدن (transesterification، فرایند مبادله گروه R آلی یک استر با گروه R آلی یک الکل) استفاده می‌شوند. هم‌‌چنین آنها به عنوان زیست بسپارها، یعنی گرمانرم و گرماسخت‌ها به عنوان منابع تجدیدپذیر، دارای ویژگی‌های گرمایی و مکانیکی عالی هستند. از چند دهه اخیر، روغن‌های گیاهی به عنوان نرم‌کننده در صنعت لاستیک با موفقیت مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. برای بهبود مقاومت در برابر جدا شدن لایه‌‌ها از آنها استفاده میشود. روغن‌های گیاهی از جمله روغن کلزا، روغن آفتابگردان با اولئیک بالا و روغن آفتابگردان معمولی به عنوان نرم‌کننده برای کائوچوی استایرن بوتادی‌‌ان (SBR) و کائوچوی پلی‌‌بوتادی‌‌ان (BR) استفاده شده‌اند. روغن نارگیل استحکام کششی، استحکام پارگی و جهندگی (resilience) بهتری نسبت به روغن نفتنیک در برابر کائوچوی طبیعی (NR) دارد. روغن بزرک (بذر کتان) به عنوان یک نرم‌کننده در SBR برای ساخت تایرها استفاده میشود. ذخایر نفت در خطر تمام شدن است. بنابراین، روغن‌های گیاهی مناسب‌ترین جایگزین برای روغن‌های معدنی در نظر گرفته می‌شوند، زیرا تجدیدپذیر، سازگار با محیط زیست و زیست تخریب‌پذیر و ارزان‌تر هستند. گروه Zawada و همکاران (2017) مجموعه‌ای از 13 استر و استرهای متیل‌‌دار شده گرفته شده از تارتاریک اسید طبیعی تجدیدپذیر را تولید کردند و به عنوان نرم‌کننده پلی‌‌لاکتید (PLA) استفاده کردند. در مطالعه دیگری، Mangeon و همکاران (2018)، از تِرپِن‌های طبیعی مانند لینالول، ژرانیول و ژرانیل استات در 10 تا 20 درصد وزنی به عنوان نرم‌کننده برای پلی (3-هیدروکسی بوتیرات) استفاده کردند. تقاضاهای فعلی بازار، نرمکنندههای متعددی است که دارای طیف وسیعی از ویژگی‌ها هستند که برای کاربردهای خاص مواد بحرانیِ مورد نیاز انتخاب شده‌اند. اگرچه به جز برای برخی کاربردهای خاص، جایگزینی کلی نرمکنندههای مرسوم با نرمکنندههای طبیعی غیرممکن به نظر می‌رسد. برای این منظور، تمایل به کشف برخی منابع جایگزین نرم‌کننده‌ها، همراه با افزایش علاقه محققان مواد و صنایع برای داشتن آهنگ مهاجرت کم و سازگاری بالا، تغییر می‌کند.
انتخاب نرم‌کننده برای سامانه بسپاری از مولفه‌های زیر پیروی می‌کند: بازده فرایندپذیری، ویژگی‌های مکانیکی، گرمایی و الکتریکی مطلوب محصول، ماندگاری، مقاومت در برابر مواد شیمیایی و آب. برخی از مولفه‌های مهم در شکل 1 نشان داده شده است که باید برای معیارهای انتخاب یک زیست نرم‌کننده در نظر گرفته شود، زیرا خواص فیزیکی و عملکردی محصول را تعیین می‌کند. علاوه بر این، نرم‌کننده باید دارای فراریت و آهنگ نفوذ کم درون بستر بسپاری و هم‌‌چنین مقرون به صرفه باشد. اخیرا Sampathkumar و همکاران (2019)، الکترولیت‌های زیست بسپار جامد مقرون به صرفه‌‌ای را براساس پلی‌‌ساکارید دانه تمر هندی (TSP)، پرکلرات لیتیوم (LiClO4) و اتیلن کربنات (EC) تولید کردند. TSP به عنوان نرم‌کننده در یک بسپار میزبان با غلظت‌‌های مختلف LiClO4 به عنوان نمک ناخالص یونی و درصد وزنی متفاوت EC استفاده شد. TSP یک پلی‌‌ساکارید زیست‌‌تخریب‌پذیر است که از دانه‌های تمر هندی (Tamarindus indica Linn) استخراج میشود و استفاده از آن باعث بهبود محصولات زیست پایه با اهمیت صنعتی میشود. در حالی که، در مقایسه با سایر نمک‌های نوع فلوئوردار، استفاده از LiClO4 ویژگی‌های منحصر به فردی مانند انرژی کم شبکه (۷۲۳ کیلوژول بر مول)، کمترین انرژی تفکیک (dissociation) و الکترون‌‌کشانی (electronegativity) کمتر را ارایه می‌دهد.
در این تحقیق، کلیاتی در مورد رویکرد نرم‌کنندگی مورد بحث قرار می‌گیرد. الزامات اساسی برای زیست‌نرم‌کننده‌ها به طور خلاصه ذکر شده و برهم‌کنش انواع مختلف کائوچوها با زیست‌نرم‌کننده‌ها و پرکننده‌ها مورد مطالعه قرار گرفته است. بخش بعدی کار روی اصلاحات شیمیایی برای توصیف فرایندپذیری و عملکرد زیست‌نرم‌کننده‌ها در کائوچوها متمرکز است. هم‌‌چنین در مورد چگونگی اثربخشی در نرمکنندههای زیستی با انجام تغییرات در طراحی آنها با استفاده از جایگزین‌های مختلف (گروه‌های استر، زنجیره‌های آلکیل، حلقه‌های آروماتیک و غیره) و اعمال پرکننده‌ها و سامانه‌‌های پخت در لاستیک بحث شده است. هدف این بررسی، طراحی یک زیست‌نرم‌کننده نهایی برای لاستیک است که تمام الزامات یک نرم‌کننده کارآمد را برآورده می‌کند و تشریح اقدامات چندزمینه‌ای مبنی بر این‌‌که چگونه ذرات میکروسکوپی (ذره بینی) باعث ایجاد پیشرفت در خواص ماکروسکوپی (درشت بینی) توده (لاستیک) می‌شوند، است.
برگردان: مهندس گلرخ فرد ذوالفقاری
[email protected]
