قرن ۲۱، قرن شگفتی ها و عصر ارتباطات است. همانطور که مواد اولیه دنیای پیرامون ما را تشکیل می دهند، پیشرفت های امروزی نیز مرهون متولد شدن مواد اولیه شگفتی ساز است. پلیمر ها خانواده مهمی از مواد اولیه هستند و فناوری های امروزی مهمی همچون، چاپگرهای سه بعدی، باتری، صنعت هوا – فضا، نانو و بیوتکنولوژی، پوشش های خود ترمیم شونده و بسیاری از فناوری های دیگر بدون پلیمرها قابلیت تجاری سازی ندارند. در حقیقت در این نوشتار خواهیم گفت پلیمرها چگونه المان اصلی مواد اولیه در سال ۲۰۳۰ خواهند بود.

هر ساله بیش از ۲٫۵ میلیون اختراع و نوآوری در حوزه پلیمرها ثبت می شود تا بتواند به نیازها و چالش های امروزی صنایع مختلف پاسخ دهد. مهمترین بخش هایی که پیشران نوآوری های حوزه پلیمر ها هستند، عبارتند از:

• کشاورزی: پلاستیک ها توانسته اند تحولی عظیم در افزایش راندمان کشاورزی به کمک استفاده از فناوری پوشش های مالچ، گلخانه، کشت های هیدروپونیک و طبقاتی، آبیاری قطره ای و زیر سطحی، نوارهای بذر محلول در آب، روکش دهی کود و بذر ایجاد کنند. در حقیقت در این بخش پلیمرها تولید غذا در هر هکتار زمین های کشاورزی را به چندین برابر افزایش داده اند.
• بسته بندی: سالیان طولانی است که صنایع غذایی دریافته اند پلیمرها تنها مواد اولیه ای هستند که به کمک آن ها می توانند بسته بندی های هوشمندی را مختص هر محصول غذایی طراحی کنند و به این ترتیب زمان ماندگاری انواع مواد غذایی را افزایش و از میزان هدر رفت و اتلاف آن ها کاهش دهند. باید گفت پلیمرها صنعت بسته بندی را متحول کرده اند.
• استفاده بهینه از منابع آب در دسترس: لوله های پلیمری نقش بسزایی در ایجاد شبکه های آب رسانی برای مصارف کشاورزی، صنعتی و آبرسانی شهری هستند. به کمک شبکه های تاسیساتی تشکیل شده از پلیمرها هدر رفت آب به حداقل می رسد و لوله ها و غشاهای پلیمری در تصفیه پساب های مختلف نقش کلیدی دارند. پلیمرها تضمین کننده تامین آب بهداشتی و سلامت در قرن حاضر هستند.
• صنعت حمل و نقل: کامپوزیت ها و پلیمرهای مهندسی با وزن بسیار کم خود صنعت حمل و نقل را متحول کرده اند و یکی از راهکارهای موثر در راستای کاهش مصرف سوخت های فسیلی و تولید گازهای گلخانه ای در سراسر جهان هستند. تولید خودروهای سبک تر به کمک پلیمرها به افزایش راندمان این وسایل کمک شایانی خواهد کرد.
• ذخیره انرژی گرمایی در خانه ها: سیستم های عایق سازی فضاهای صنعتی و مسکونی بر پایه پلیمرها هستند. همچنین پلیمرها جزء اصلی سیستم های گرمایش/ سرمایش خانه های ما خواهند بود. بدین ترتیب خانه های آینده به کمک پلیمرها عایق و از نظر مصرف انرژی بهینه خواهند بود.
• لباس های تنفس پذیر: به لطف پلیمرهای با نفوذ پذیری قابل تنظیم در برابر هوا و همچنین امکان ایجاد قابلیت ایجاد گرمایش / سرمایش در الیاف های هوشمند پلیمری در آینده ای نزدیک لباس های بهینه شده برای اقلیم های مختلف تولید خواهند شد.
• پایش علائم حیاتی و سطح سلامت افراد: امروزه سنسورهای هوشمند بر پایه پلیمرها توسعه داده شده اند و قادرند علائم حیاتی افراد را به همراه سطح سلامتی آن ها دائما ثبت و به دستگاه های الکترونیکی مانند ساعت و گوشی های هوشمند ارسال کنند. به این ترتیب روند بیماری ها و پیش بینی آن ها ممکن خواهد شد.
• سیستم های رسانش دارو: داروهای پوشش داده شده با پلیمرهای خواص می توانند با قرار گرفتن در سیستم گوارش از طریق رهگیری شاخص های بدن، مانند PH، خود را به محل مورد نظر بیماری برسانند و با تزریق دارو در محل موثر روند درمان را سرعت ببخشند و از آسیب رسیدن به سایر بافت ها جلوگیری کنند.
• تحول در تولید اندام های مصنوعی: توسعه پلیمرهای سازگار به بدن انسان از یک سو، و تجاری شدن چاپگرهای سه بعدی از سوی دیگر، تولید پروتزهای ارتوپدی و دیگر اندام های داخلی بدن انسان را در آینده ای نزدیک متحول خواهد کرد و تحولی در درمان افراد درگیر با ضایعه های ارتوپدی و نیازمند به پیوند عضو خواهد بود.

پلاستیک ها مواد اولیه قرن ۲۱ هستند.

همه می دانیم PVC سومین پلاستیک پر مصرف در سراسر جهان است. اگر قوانین محدوده کننده کاربردهای این پلاستیک به دلیل مسائل زیست محیطی و مخاطرات سلامتی وضع نمی شد، شاید الان PVC پر مصرف ترین پلاستیک دنیا بود. این پلاستیک محبوب نسل های گذشته و البته ارزان قیمت فعلی، فرایند تولید خاص و پیچیده ای دارد. در حقیقت PVC به دلیل مقاومت حرارتی کم و همچنین خاصیت چسبندگی به دیواره ماشین آلات تولید قطعات، فرایند تولید ویژه ای دارد و به افزودنی های خاص در ترکیب خود به منظور دست یابی به خواص فیزیکی – مکانیکی مناسب، نیاز دارد. یکی از مهمترین معیارهای ارزیابی مناسب بودن فرایند شکل دهی PVC، درجه ژل شدن آن است.

در تمامی کاربردهای PVC کیفیت قطعه تولید شده به شدت به نحوه ذوب شدن PVC و اختلاط آن با سایر افزودنی ها و اجزای موجود در فرمولاسیون بستگی دارد. کیفیت فرایند تولید PVC تعیین کننده درجه ژل یا ذوب آن است که این پارامتر به صورت مستقیم کیفیت قطعات تولیدی را تعیین می کند. علاوه بر نوع فرایند شکل دهی (مانند تزریق، اکستروژن لوله، اکستروژن فیلم و …)، دمای عملیات شکل دهی موثرترین پارامتر تعیین کننده درجه ژل شدن PVC است. برای مثال اگر دمای فرایند شکل دهی پایین باشد، میزان ژل شدن PVC کم خواهد بود و همچنین اگر این دما بالا باشد، می تواند منجر به تخریب ساختار PVC و کاهش خواص فیزیکی – مکانیکی آن شود.

به دلیل اهمیت بالای درجه ژل در تعیین خواص قطعات تولیدی بر پایه PVC، امروزه روش های کمی جهت محاسبه این پارامتر توسعه داده شده اند. در ادامه این نوشتار با این روش ها آشنا می شویم، چراکه تعیین درجه ژل PVC می تواند معیاری برای انتخاب افزودنی های مناسب نیز، برای مثال کمک فرایندها، باشد.

روش غوطه وری

این روش مطابق استاندارد ASTM D2152 انجام می شود. به این منظور تکه ای از قطعه تولیدی بدون وارد شدن شوک دمایی، جدا شده و در استون با کیفیت و بدون رطوبت، برای بیست دقیقه قرار داده می شود. پس از پایان آزمون قطعه بایستی عاری از هر گونه نفوذ حلال به بخش های مختلف قطعه و انحلال PVC باشد. در روشی دیگر و بر اساس استاندارد ISO 9852 از حلال دی کلرومتان به جای استون استفاده می شود. در حقیقت قطعه به مدت ۳۰ دقیقه در حلال قرار داده می شود و نبایستی آثاری از حمله دی کلرومتان بر سطوح مختلف قطعه مورد نظر وجود داشته باشد. تصویر زیر نمونه ای از تخریب های حاصل از حلال را نشان می دهد.

استفاده از DSC

روش های ذکر شده در بالا به استفاده از حلال های سمی نیاز دارند، اما به کمک دستگاه پر کاربرد DSC، یا همان گرماسنجی روبشی تفاضلی که ترجمه شده عبارت Differential Scanning Calorimetry است، روشی مطمئن و با قابلیت کمی سازی به منظور محاسبه درجه ژل PVC پس از فرایند تولید توسعه داده شده است. در این روش مقدار بسیار کمی از قطعه مورد نظر در دستگاه DSC از دمای اتاق تا ۲۴۰ °C با نرخ حرارت دهی ۲۰ °C/min حرارت داده می شود. در حقیقت باید گفت دستگاه DSC می تواند میزان بلورچه یا همان کریستال های ناشی از فرایند ذوب و همچنین بخشی از ساختار که در فرایند تولید ذوب یا ژل نشده است را مشخص کند. به این ترتیب می توان درجه ژل PVC را تعیین کرد. همانطور که در نمودار حاصل از DSC در شکل زیر دیده می شود، بخش A مربوط به قسمت های ذوب شده در فرایند تولید و بخش B جزئی از ساختار است که به صورت ژل نشده باقی مانده است. درجه ژل نیز بر اساس فرمول ارائه شده در زیر محاسبه می شود.

 

فرمول محاسبه درجه ژل:

تعیین دمای مناسب شکل دهی و دست یابی به میزان ژل بالا در قطعات PVC تعیین کننده کیفیت محصولات تولیدی و خواص فیزیکی – مکانیکی آن است.