تاریخچه ی توسعه ی مواد پلیمری (1)

مقدمه

"نبوغ یک درصد الهام و نود و نه درصد، سخت کوشی است" (توماس ادیسون)
ادیسون، یکی از بزرگترین مخترعین تاریخ است که کارهای متنوعی انجام داده است. او به کار گروهی اعتقاد داشت و می گفت: "من از جایی شروع می کنم که سایرین رسیده اند". در طی زمان، کار پیشگامان مربوطه به علوم پلیمر، بوسیله ی دیگران ادامه یافته است و بدین صورت، توسعه ی کنونی تکنولوژی پلیمر، انجام شده است:

سال	پیشرفت اتفاق افتاده
1839	ادوارد سیمون پلی استایرن را کشف کرد.
1843	هانکوک در انگلستان و گودیر در ایالات متحده ی آمریکا، ولکانش لاستیک را با مخلوط کردن این ماده با گوگرد، انجام دادند. چارلز گودیر 99 % روند تولید را بهینه سازی کرد و تمام محدودیت های این فرایند را برطرف کرد.
1854	ساموئل پک با مخلوط کردن لاک جلادهنده، خاک اره، سایر مواد شیمیایی و رنگ، و حرارت دهی و فشرده سازی مخلوط در قالب، یک کامپوزیت به نام Union Case تولید کرد. این عبارت به کامپوزیت ها گفته می شود و به معنای یک مخلوط و یا آمیزه می باشد.
1862	الکساندر پارک parkesine را تولید کرد. این ماده، یک سلولز نیترات است که در نمایشگاه بین المللی لندن به نمایش داده شد.
1868	برادران Hyatt در آمریکاشکل سلولویدی سلولز نیترات را با مخلوط کردن این ماده با کافور،  تولید کردند. این ماده در حقیقت ناپایدار بود ولی در حقیقت منجر به تولید سلولز استات شد. این افراد اولین روش های تولید انبوه محصولات پلاستیکی مانند قالب گیری بادی، قالب گیری فشاری و اکستروژن را توسعه دادند.
1869	دانیل اسپیل حق تولید  parkesine را در انگلیس در اختیار گرفت و شرکت Xylonite را تأسیس کرد.
1872	اکوئی بومن یکی از اولین کسانی بود که توانست پلی وینیل کلراید (PVC ) تولید کند.
1897	اسپیتلر در آلمان ماده ی پروتئینی شیر را ثبت اختراع کرد و آن را با نام Galalth به بازار عرضه کرد. این ماده از مخلوط نمودن پروتئین شیر با فرمالدهید، تولید می شد.
1907	لئو بیکلند فنول- فرمالدهید را تولید کرد. این ماده اولین پلاستیک مصنوعی واقعی است که باکلیت نامیده می شود.
1910	برادران دریفوس لاک الکل های سلولز استات و لایه های پلاستیکی را تکامل دادند.
1912	فریت کلیت پلی وینیل استات را کشف کرد و فرایند تولید PVC را ثبت اختراع کرد.
1924	روزیتر اوره تیواوره فرمالدهید را تولید کرد و آن را با نام Linga Longa و یا بدنه های Bandalasta به بازار عرضه کرد.
1928	اوتا روم در آلمان دو صفحه ی شیشه ای را با استفاده از اکریلیک استر، به هم متصل کرد و توانست به صورت تصادفی، شیشه های ایمنی را کشف کند. او در سال 1933، توانست برخی محصولات از این جنس تولید کند.
1933	ICI پلی اتیلن را کشف کرد.
1933	رزین های ملامین فرمالدهید در طی دهه ی 1930 و 1940 در شرکت های Cyanamid ، Ciba و Henkel تولید شد.
1935	والاس کاروتر که برای شرکت Dupont کار می کرد، پلی (هگزا متیلن – آدیپامید) را کشف کرد. دوپونت این محصول را نایلون نامید. کاروتر کاربردهای قابل توجه این ماده را تصور هم نمی کرد. این محصول در کاربردهای مختلف خانگی و کاربردهای خاص، مورد استفاده قرار می گیرند. او به طور ناگهانی در سن 41 سالگی، مرد.
1936	صفحات پلی متیل متااکریلات به نام Perspex بوسیله ی ICI تولید شد و اندکی بعد، او از این مخصولات در لعاب فضاپیما، استفاده کرد.
1936	برادران ولف در آلمان توانستند پلی استایرن با دوام بالا، تولید کند.
1937	اتو بایر پلی یوریتان را ثبت اختراع کرد.
1938	روی پلونکت که برای شرکت دوپونت کار می کرد، به صورت تصادفی، پلی (تترا فلئورواتیلن) (PTFE ) را تولید کرد و نام تجاری تفلون را بر آن نهاد.
1941	توسعه ی تجاری پلی استرها برای قالب گیری در آمریکا، انجام شد.
1941	پلی اتیلن ترفتالات (PET ) که در حقیقت یک پلی استر اشباع است، بوسیله ی John Rex Whinfield و James Tennant Dickson ثبت اختراع شد.
1948	اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS )
1951	پائول هوگان و رابرت بانکس از شرکت Phillips Petroleum  پلی اتیلن با دانسیته ی بالا و پلی پروپیلن کریستالی را تولید کرد.
1953	پلیمریزاسیون پلی اتیلن در فشارهای پایین و با استفاده از کاتالیست Ziegler انجام شد. و گایلو ناتا، به دلیل این کار در سال 1963 برنده ی جایزه ی نوبل شد.
1958	پلی کربنات به تولید انبوه رسید.
1964	استفانی لوییس در شرکت دوپونت، الیاف کولار را از پلی آرامیدها، تولید کرد.
1987	BASF در آلمان، یک پلی استیلن تولید کرد که رسانایی آن دو برابر مس است.

ICI کتابی با نام "نقاط عطف صنعت پلاستیک" را در بین سال های 1862-1962 منتشر کرد. در این کتاب، ابداعات مربوط به صنعت پلاستیک را آمده است.
محصولات، ماشین آلات و ساختارهای مختلف نیازمند استفاده از مواد و انرژی هستند. موادی که در این صنعت، مورد استفاده قرار می گیرند، به میزان در دسترس بودن، قیمت و البته میزان مناسب بودن با هدف ما، بستگی دارد. مشابه فلزکه در محصولات خانگی جایگزین چوب شد، پلاستیک ها نیز به عنوان یک جایگزین ارزان تر برای بسیاری از کاربردها، مطرح می شود. بعد از جنگ جهانی دوم، قیمت فلزات ریخته گری شده، به شدت افزایش یافت، در حالی که پلاستیک ها می توانستند با شیوه ای ارزان شکل دهی شوند. به همین دلیلف پلاستیک ها به تدریج جایگزین بسیاری از چیزها، مانند آنهایی شدند که در اصل از فلز ساخته می شدند. به هر حال، انتخاب مواد مورد نیاز باید با سبک و سنگین کردن، انجام شود. با توجه به این مسئله، پلاستیک ها به تدریج جایگزین بسیاری از چیزهایی شدند که در اصل از فلز ساخته می شدند. به هر حال، انتخاب یک فلز، نیازمند این است که مزیت های استفاده از فلز، غیر قابل جایگزین باشد. با توجه به این مسئله، این مواد، در بسیاری از کاربردهای مربوط به مهندسی مکانیک، مهندسی برق، تکنولوژی وسایل ورزشی و مهندسی پزشکی، مورد استفاده قرار گرفتند.
اهمیت فلزات و نیاز به بررسی و آگاهی در مورد مواد مهندسی، در ادامه، مورد بررسی قرار می گیرد. چرا یک آگاهی کامل در مورد مواد، امری ضروری می باشد؟
در زمان های قدیم، مهندسین طراح باید با چدن، گستره ی محدودی از فولادها، برخی فلزات غیر آهنی و چوب، کار می کردند. امروزه، ما با انتخاب های متعدد و تا حدی گیج کننده روبرو هستیم و همچنین در مورد مقایسه ی مواد مختلف و حتی انتخاب شرکتی که می خواهیم خرید از آن انجام بدهیم نیز مشکل داریم. به عنوان یک مهندس و متخصص، آگاهی دقیق از این مواد، امری ضروری برای موارد زیر است:
انتخاب یک ماده ی خوب و فرایند تولید مناسب برای یک کاربرد
انتخاب شامل در نظر گرفتن ملاحظات مربوط به خواص مواد (خواص مکانیکی، گرمایی، الکتریکی، نوری و شیمیایی)، شرایط سرویس دهی (مانند دمای عملیات و رطوبت)، عمر سرویس دهی، اثرات ایجاد شده بر روی محیط زیست و سلامتی و ایمنی، مسائل اقتصادی، ظاهر (مانند شکل، رنگ، سطح نهایی، دکوراسیون)، نوع تولید (قالب گیری تزریقی، اکستروژن، قالب گیری تحت فشار، قالب گیری انتقالی رزینی و ...) و رفتار وابسته به فرایند تولید (مانند جریان، شرینکیج، تنش های باقیمانده، خطوط جوشکاری و ...) می باشد.
انتخاب برخی اوقات می تواند مرگ آور و یا حیات آفرین باشد. برای مثال، فاجعه ی مربوط به شاتل فضایی چلنجر، که در ژانویه ی 1986 رخ داد، ظاهراً نتیجه ی انتخاب نامناسب بخش آب بندی مربوط به سیستم سوخت این شاتل بوده است. آب بندی او رینگ سیستم سوخت رسانی این شاتل صلب شد و در دماهای پایین، قابلیت ارتجایی خود را از دست داد. این مسئله موجب نفوذ سوخت به خارج شد. آب بندی با استفاده از رابر سیلیکونی انجام شده بود که در حقیقت این رابر تحت تنش، کریستالی می شود. وقتی سفینه ی فضایی منتظر پرتاب بود، این او رینگ، به مدت زمان طولانی تحت تنش بود و از این رو، میزان T_g آن به حد قابل توجهی، افزایش یافته بود.
سقوط کنکورد (cancorde crash) که در جولای 2000 اتفاق افتاد، منجر به کشته شدن 113 تن شد. این افراد شامل تمام سرنشینان این هواپیما، 9 خدمه و 4 نفر افراد عادی بودند که در زمین قرار داشتند. در این حادثه، هواپیما در هنگام برخاستن از باند فرودگاه شارل دوگل فرانسه، آتش گرفت (شکل 1). در حقیقت یکی از تایرهای این هواپیما، بوسیله ی یک نوار فلزی سوراخ شد و با ایجاد اصطکاک، مخزن سوخت هواپیما، آتش گرفت. بعد از این اتفاق، اگر چه تایرهای کنکورد اصلاح شدند و زیر پوسته ی هواپیما نیز با استفاده از الیاف کولار، تقویت گردید، پروازهای کنکورد دیگر ادامه پیدا نکرد.
رویز رویز که یکی از پیشگامان در زمینه ی تولید و استفاده از الیاف کربنی با کیفیت در دهه ی 1960 می باشد، از الیاف کربن در تولید پره های کمپرسور در موتورهای مدل Aero استفاده کرد. این پره ها، در معرض برخورد پرنده، قرار می گرفتند. در نتیجه، همانگونه که بوسیله ی خود متخصصین این شرکت گفته شده است، مسائل موجود، شرکت را به استفاده از الیاف کربن در این سازه ها، مجبور ساخت.
فرایی از مثال های هوافضایی، Ezrin (1996) مثال هایی از دستگاه های بخور تولید شده از پلی اتیلن با دانسیته ی بالا (HDPE) را در بخش فاضلاب مثال زده است که به دلیل ایجاد تنش های محیطی (ESC) متحمل شکست شده اند. طراحی در حقیقت، در انتخاب HDPE اشتباه کرده بوده است زیرا این ماده دارای مقاومت به ESC پایینی است و از این رو، نباید از این ماده استفاده می کرد. شکست ایجاد شده، در نزدیکی محل خمش این دستگاه ها رخ داده است (در نزدیکی بست های قرار گرفته در پایه های بتنی).
بنابراین، وقتی مواد جدید را در نظر می گیریم، باید موارد زیر را مورد ارزیابی قرار دهیم:
در دسترس بودن
خواص
قابلیت عمل آوری و فرآوری
مناسب بودن و یا عملکرد مناسب ، حتی در شرایط بحرانی
اثرات محیطی و سلامتی و ایمنی
از همه مهم تر، در حقیقت فکر در مورد نحوه ی تولید و یا خوردگی و تخریب آنها می باشد.
ارزیابی استعداد و توانایی محصول
پلاستیک های جدید و گریدهای مختلف این مواد، همواره در حال بهبود می باشند. البته تجربه ی دراز مدت در بسیاری از این بخش ها، مورد نیاز می باشند. قرارداد حفظ حقوق مصرف کننده که در سال 1987 به تصویب و امضا رسید، مسئولیت خاصی را به طراحین محصولات پلاستیکی داد تا بدین وسیله، اطمینان حاصل کنند که انتخاب پلاستیک، برای مصرف کننده، مخاطره برانگیز نباشد. برای مثال، میزان مواد سمی مورد استفاده در این محصولات تا حد ممکنه کم و یا حذف شود. Ezrin (1996) می گوید که "بخشی از استعداد و توانایی محصول پلاستیکی در حقیقت، توسعه ی مواد جدید و نوآورانه ای است که بتوانند نیازهای مختلف ایجاد شده در بخش های جدید را پوشش دهی کنند. سرعت پیشرفت تکنولوژی پلاستیک ها بسیار سریع است و با زمان تغییر خواهد کرد. از این رو، باید ارزیابی کاملی از کلیه ی شرایط شکست های بالقوه در قطعات، انجام شود. این گفته شده است که محصولاتی که بدون داشتن دانش کافی در مورد محدودیت های پلاستیکی و روش های سنتز، تولید می شوند، بسیار مشکل آفرین هستند.
ملاحظات مربوط به طراحی که دارای اثر مستقیمی بر روی استعداد محصول و ایمنی آن هستند، عبارتند از:
عملکرد محصول
اطلاعات مربوط به بازار و فروش
ویژگی های طراحی
ملاحظات مربوط به تست ها
قطعات و بخش های بحرانی
ملاحظات محیط زیستی
استفاده های با ریسک بالا
الزامات مربوط به قابلیت اطمینان
حفظ و نگهداری و تقاضاهای عملیاتی
تطابق با استانداردها و الزامات قانونی
بسته بندی و حمل و نقل
الزامات مربوط به استفاده کننده ی نهایی
توسعه و خودکار کردن روش های تولید
بهبودهای قابل توجهی بر روی روش های تولید انجام شده است تا بدین صورت، میزان نیروی کار مورد نیاز،کاهش یابد. این مسئله در بیشتر فرایندهای پلاستیکی مورد توجه قرار گرفته است که میزان نیروی کار مورد استفاده، بالاست.
در حقیقت، پلاستیک ها بر روی درختان رشد می کنند! پلاستیک های با قابلیت زیست تخریب پذیری،(که مناسب برای تولید بطری و محفظه های مشابه می باشد)، بر روی گیاهان رشد می کنند مانند قارچ، چقدر قند. در این محصولات، مهندسی ژنتیک، بکار رفته است.
مونسانتو در حال رشد گیاهان پلاستیکی با قابلیت زیست تخریب پذیری با استفاده از مهندسی ژنتیک است.
طراحی به منظور قابلیت بازیافت
اقتصاد تولید و دغدغه های مربوط به آلودگی محیط زیستی موجب شده است تا فشار بر روی طراح ها اعمال شود تا بدین صورت، در مورد روش تولید، بازنگری کنند و محصولاتی طراحی کنند که قابلیت بازیافت داشته باشند. چالش های فنی مربوط به بازیابی و بازیافت اجزای پلاستیکی اصلی، بوسیله ی صنعت پلاستیک، تولیدکننده های ادوات تولید (OEMs) مورد بررسی قرار گرفته است و از این رو، صنعتی به نام صنعت بازیافت، متولد شده است. بازیافت گسترده ی محصولات پلاستیکی ارزشمند موجب می شود تا مزیت های بازیافتی خوبی حاصل شود.
استفاده ی روز افزون از پلاستیک در صنایعی مانند صنعت خودرو، به دلیل پیشرفت های انجام شده در این صنایع مانند کاهش وزن، هزینه های تولید، افزایش انعطاف پذیری تولید و کوتاه کردن زمان تولید می باشد. یکی از محدودیت هایی که مخصوصاً پیش روی این صنعت می باشد، فقدان یک روش جداسازی مؤثر و یک تکنولوژی بازیافت مناسب می باشد. این مسئله در واقع ِ یک مانع در برابر تحقق استفاده ی واقعی از پتانسیل پلاستیک ها، می باشد.
حل مسائل و مشکلات
برای مثال، رخ دادن جنگ، در حقیقت نیروی محرکه برای بسیاری از پیشرفت های قابل توجه در زمینه ی مواد می باشد. در حقیقت، در شرایط اضطرار، همواره راه حل هایی مناسب برای مسائل و مشکلات، ارائه می شود که قبلاٌ وجود نداشته است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay