مترجم: حبیب الله علیخانی

 
شکست ساختاری در فرآوری پلیمرها
مراحل اولیه و همچنین فرایندهای شکل دهی پلیمرها، بر اساس اصول مربوط به پدیده ی انتقال، مکانیک سیالات و انتقال جرم و حرارت، رئولوژی پلیمرها، مکانیزم های جامد و اختلاط می باشد. این اصول در حقیقت یک ابزار اساسی برای تجزیه و تحلیل کمی در فرآوری پلیمرها، ایجاد می کند. یکی دیگر از ورودی های اساسی مربوط به یادگیری فرایند پلیمری، فیزیک و شیمی پلیمرهاست. همانگونه که قبلا بدان اشاره شد، خواص محصول نهایی، می تواند به طور فوق العاده ای، بوسیله ی ساختارسازی، بهبود یابد.
شکل 1 خلاصه ای شماتیک در مورد رویه ما در زمینه ی مطالعه ی فرایندهای پلیمری، می باشد. مواد خام، از طریق مراحل اولیه، برای شکل دهی، آماده می شوند. مراحل اولیه ممکن است مقدم بر شکل دهی باشند و یا آنها ممکن است به طور همزمان با شکل دهی، انجام شوند. ساختارسازی از طریق این فرایندها، انجام می شود و یا بعد از این فرایندها، انجام می شود. در نهایت، عملیات های پس از شکل دهی به منظور اهدافی به غیر از ساختارسازی، ممکن است، انجام شوند (مثلا فرایند رنگ آمیزی، دکوراسیون و ... ).
این واضح است که به منظور ایجاد قابلیت استفاده از قابلیت ساختارسازی، یک آگاهی کامل و محاسباتی در مورد شیمی پلیمر، رئولوژی پلیمر در سطح ماکرومولکولی و فیزیک تغییر فازی تحت میدان تنشی و شرایط غیر ایزوترمال، باید ایجاد گردد. با پیشرفت در این زمینه و رشد فزاینده ی توان محاسباتی موجود، مزیت های قابل توجهی هم اکنون به منظور نیل به خواص خاص در محصولات، ایجاد شده است. این مزیت ها از طریق سعی و خطا بدست نیامده اند بلکه، از طریق شبیه سازی فرایند حاصل شده اند.
تقسیم بندی مفهومی فرایندهای پلیمری، یکی از شیوه های مدرن در مطالعه ی فرایندهای پلیمری می باشد که در این مقاله نیز مورد استفاده قرار گرفته است. هنوز هم این زمینه و صنعت مربوطه در دوره ی گذار، بر روی ترکیب سازی، تمرکز داشته است و امروزه، این تمرکز در حال گذر به سمت استفاده از پرکننده ها در مذاب های پلیمری، اصلاح ریزساختاری و پایدارسازی سیستم های غیر قابل امتزاج و ایجاد آمیزه های پلیمری رآکتیو چند جزئی حرکت کرده است. در این زمینه، مراحل اولیه ی مهم در حقیقت، ذوب شدن سریع می باشد (که به طور قابل توجهی بوسیله ی PED و VED وابسته است)، توزیع سریع و مخلوط سازی مناسب افزودنی ها و خروج مواد فرار، می باشند. این مراحل اغلب در حضور واکنش هایی انجام می شود که در داخل مذاب پلیمری، در حال رخ دادن می باشد. TSE های مختلف و SSE ها ادوات فرآوری هستند که در این زمینه، مورد استفاده قرار می گیرند.
تقسیم بندی بیان شده در شکل 2 به صورت ساده، نشانگر این است که ترکیب سازی، آمیزه سازی و فرایندهای رآکتیو موجب می شوند تا پلیمرها، متحمل دو فرایند ترمومکانیکی شوند و محصول مورد استفاده در حقیقت قرص های حاوی افزودنی و دارای ریزساختار اصلاح شده، می باشند، در حالی که دومین فرایند در اصل برای تولید محصول نهایی، استفاده می شود. مراحل اولیه ی مهم در هر آزمایش، و مکانیزم های فیزیکی که بر آنها اثرگذار هستند، متفاوت هستند علت این مسئله، اهداف متفاوت در هر مورد می باشد.
چشم انداز دیگر: از فرآوری پلیمرها تا مهندسی ماکرومولکولی
در می 2002، یک کارگاه بین المللی بوسیله ی پیشگامان در عرصه ی فرآوری محصولات پلیمری برگذار گردید تا در آن، تغییرات تاریخی در زمینه ی فرآوری پلیمرها، توسعه های تجزیه و تحلیلی کنونی و در حقیقت تغییرات ساختاری این صنعت، مورد ارزیابی قرار گیرد. در این مقاله، مباحث مطرح شده در این کارگاه، مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.
در حقیقت، همه ی مبانی بدست آمده، مربوط به سطح پیشرفته ی صنعت پلیمر نمی باشد. در واقع اصول بدست آمده، ریشه در فرآوری کلاسیک پلیمرها دارد. اصول بدست آمده، در حقیقت ریشه در دانش هایی از جمله، پدیده های انتقال شامل: مکانیک سیالات، انتقال حرارت و نفوذ مولکولی گونه های شیمیایی، مکانیک سیال های غیر نیوتنی، رئولوژی، خواص ترموفیزیکی رزین ها، معادلات حالت، روش های ریاضی کلاسیک و مکانیک سیالات محاسباتی و همچنین فیزیک و ترمودینامیک پلیمرها دارد. تمرکز تحقیقات گذشته و همچنین تحقیقات کنونی بر روی فرآیندها و مقیاس بررسی ماشین ها و همچنین توسعه و بهبود فرایندها و ماشین آلات، تمرکز دارد.
در طی این دوره، تمرکز اندکی بر روی محصولات و ساختار میکروسکوپی و مولکولی آنها بوده است و این تمرکز بیشتر بر روی عملیات های اولیه و نیمه کمی بوده است که در حقیقت، ساختارسازی نامیده می شوند. امروزه، برخی از مراکز تحقیقاتی و توسعه ای، یک گذار مهم انجام داده اند و بر روی محصولات و خواصی متمرکز شده اند که در مقیاس میکرو و مولکولی قرار دارند.
بخش هایی که نیازمند تحقیقات بیشتر می باشد، عبارتند از:
• یادگیری بهتر در مورد فرمول های ریاضی پیشرفته برای تمام مکانیزم های اساسی و تحت شرایط ماشینی واقعی در زمانی که از یک پلیمر و یا آمیزه های پلیمری استفاده می شود. این یادگیری موجب می شود تا شبیه سازی ها به طور بهتری انجام شوند.
• یادگیری اساسی و چند رشته ای در مورد فرایند ذوب ذرات پلیمری متراکم تحت نرخ تغییر شکل بالا.
• اگاهی عمیق تر در مورد جزئیات مربوط به نجوه ی اثر فرایند بر روی میکروساختار و ساختار مولکولی
• برهمکنش های مواد/ ماشین آلات، رفتار ویسکوالاستیک سه بعدی و پایداری مربوط به مایع های پلیمری
• جریان گذرا و رئولوژی غیر ایزوترمال
• جوانه زنی و کریستالی شدن تحت تنش
• پدیده ی جهت گیری مولکولی
• واکنش و پلیمریزاسیون تحت جریان و تغییر شکل
• جریان های چند فازی در نرخ های کرنش بالا
• تعادل حرارتی، مومنتم، جرم و انتالپی در سطح ساختار با دمین محدود مربوط به مایع ها و جامدها در طی تغییر شکل، ذوب و انجماد
• ترمودینامیک برهمکنش ها
• استحاله های فازی
• مدل های مولکولی و مدل سازی های مربوطه
• ارتباط کمی بین ساختار و تشکیل ساختار در سطح مولکولی و میکرویی و اثر آن بر روی محصول نهایی
• روش های اندازه گیری شامل اندازه گیری های این- لاین فرایند و اندازه گیری ها در سطوح میکرو برای تأیید تئوری ها و پیش بینی های تئوری
به هر حال، حتی آگاهی کامل در مورد این مسائل نیز برای رسیدن به منفعت های کامل موجود در طبیعت مولکولی مواد پلیمری کافی نیست. در حقیقت، این مسائل در سطح بلوک های ساختاری مواد رخ می دهد. به همین خاطر، یک پیش بینی کمی در مورد خواص محصول، نیازمند اطلاعاتی در مورد ساختار ماکرومولکولی و شرایط عملیاتی می باشد.
این زمینه، با سایر زمینه ها مورد مقایسه قرار گرفته است. مثلا در صنعت نیمه رسانا در حقیقت نیازمند شناخت در مورد مکانیک کوانتم پدیده هستیم و همچنین باید از محاسبه ی چند مقیاسه در مورد مکانیک جامدات آگاهی داشته باشیم. در حقیقت با بررسی این مباحث، رفتار میکروسکوپی از قوانین موجود در مقیاس اتمی، پیش بینی می شود. توسعه های دارویی انجام شده با استفاده از روش غربال گری شبیه سازی کامپیوتری با مولکول های جدید، کاتالیست جدید و بیو کاتالیست ها و بیولوژی مولکولی با استفاده ی بالقوه از خواص خود منتاژ کنندگی نیز جنبه هایی هستند که بواسطه ی این بررسی ها، پیشرفت داشته اند.
این مسئله منتج شده است که فرایندهای پلیمری مدرن یا فرایندهای پلیمری آینده، بر روی ماشین آلات تمرکز ندارند، بلکه تمرکز آنها بر روی محصول می باشد. اهداف دراز مدت در واقع پیش بینی خواص محصولاتی است که از پلیمرهای غیر موجود و یا مواد پایه پلیمری مجهول، ساخته شده اند. این کار از طریق شبیه سازی بر پایه ی اصول مولکولی اولیه و بررسی های چند مقیاسی، انجام می شود. این روش، که در واقع بیشتر تکیه بر توان محاسباتی و شبیه سازی های پیچیده دارد، ممکن است از طبیعت تقلید کند. این کار از طریق خواص هدف و بواسطه ی طراحی های معماری مولکولی انجام می شود. به هر حال، دو چالش مهم و کلیدی باید به طور موفقیت آمیز، پاسخ دهی شود تا بدین صورت، به این هدف برسیم. اول، آنکه شبیه سازی های پیچیده نیازمند مدل های مولکولی پیچیده تری می باشد که در حال حاضر، وجود ندارند. دوم، آنکه اگاهی بهتری باید در مورد تاریخچه ی ترمومکانیکی پیچیده ای ایجاد شود که در ماشین های فرآوری پلیمرها، انجام می شود. سپس، یک چنین تجزیه و تحلیل هایی تنها منجر به محصولات جدید، نخواهد شد، بلکه موجب بهبود ماشین آلات کنونی و یا حتی منجر به طراحی ماشین آلات جدید، می شود. با وجود این، تمرکز هنوز هم بر روی محصول است. هدف در این جا، مهندسی مواد پیشرفته ی جدید و واقعی است که هنوز خواص و ویژگی های ترکیبی آنها، شناخته نشده است. این مسئله احتمالاً موجب شروع شدن دوره ی طلایی این زمینه، می شود (مانند سال های دهه ی 1950، 1960 و 1970). در این سال ها بود که اکثر پلیمرهای موجود، توسعه یافتند.
بنابراین، واژه های "فرآوری پلیمرها" یا "مهندسی پلاستیک ها" بسیار محدود و مقید می باشد و یک توصیف دقیق تر از این زمینه ی مهندسی جدید، در واقع، "مهندسی ماکرومولکولی" است. همانگونه که قبلا گفته شد، این زمینه ی جدید به طور ذاتی، یک زمینه ی بین رشته ای است و اگر این علم در یک سطح کلاسیک جهانی، توسعه بیابد، نیازمند یک همکاری نزدیک میان بسیاری از شاخه های علم و شاخه های مهندسی می باشد. از این رو، تمرکز باید از روی تحقیقات منحصربفرد به سمت تلاش های تیمی بزرگ تر، شیفت داده شود. این مسئله در واقع نتایج قابل توجهی بر روی تحقیقات آکادمیک و مرزهای دپارتمانی آکادمیک دارد. پیشرفت واقعی تنها در زمانی قابل حصول خواهد لود که منابع جایگزین متنوعی موجود باشد و این منابع به طور مناسب، تخصیص داده شوند.
مهندسی ماکرومولکولی در حقیقت یک بخش از دیدگاه وسیع تر است. در حقیقت، در سطح پایه ای تر، مرزهای آن با بیولوژی مولکولی ادغام شده است و به عبارت دیگر، با سیالات پیچیده، شیمی فیزیک، فیزیک و مهندسی شیمی، هم پوشانی پیدا کرده است. به عبارت دیگر، پیشرفت های ایجاد شده، موجب ایجاد پیچیدگی های آموزشی شده است که موجب خلق التزام های جدید و بی حدی شده است. در حقیقت، این زمینه، موجب بروز و پیشرفت زمینه های جدیدی از مهندسی مانند مهندسی مولکولی، ماکرومولکولی و ابرمولکولی، شده است (شکل 3).
اخیراً Jos Put در مورد دیدگاه روشنفکرانه ی J. L. Atwood و همکارانش در مورد طبیعت بیولوژی مولکولی و شیمی سنتزی صحبت کرده است. این مورد در شکل 4 مشهود می باشد. این طبیعت در حقیقت به یک سطح بزرگ از پیچیدگی و کنترل در ارگانیزم های زنده، رسیده است و البته یک سری از محدودیت ها در زمینه ی بلوک های ساختاری، شیمی سنتزی پلیمرها و مباحث مشابه، ایجاد شده است.
این طبیعت قادر به کنترل عالی بر روی توالی های مولکولی است که از طریق نظم دهی در سطح مولکولی و با طراحی های کامل ماکروسکوپی، ایجاد می شود. به عبارت دیگر، شیمی سنتزی ماکرومولکولی به طور قابل توجهی و با استفاده از تنوع گونه های شیمیایی، مورد بررسی قرار گرفته است، اما حصول پیچیدگی های ساختاری کنترل شده ی مناسب، به خوبی ایجاد نشده است. بیوتکنولوژی به سمت تنوع شیمیایی در سیستم های با قابلیت سازگارپذیری بیولوژیکی، حرکت کرده است و از این رو، شیمی سنتز نانویی موجب شده است تا پیچیدگی های قابل توجه در سطح نانو، کنترل شوند. این کار از طریق استفاده از نظم ساختاری در سطح ماکرومولکولی، انجام شده است. بنابراین، ادغام مرزهای مهندسی ماکرومولکولی و بیولوژی مولکولی موجب شده است تا پتانسیل قابل توجهی برای محصولات و مواد جدید، باز شود. این مسئله در شکل 4 مشهود می باشد.
مهندسی ماکرومولکولی از نقطه نظر تحقیقاتی، یک زمینه ی بین رشته ای است. در نتیجه، اقدامات و رویه های تحقیقاتی، به طور خاص در بخش آکادمیک، نیازمند ساختارسازی هستند. در حقیقت، این انتظار می رود که مدل های تازه، جایگزین مدل های قدیمی شود زیرا تنها این نیاز وجود دارد که مدل های قدیمی، کنار گذاشته شوند و به مدل های جدید، برسیم.
منبع مقاله :
Principles of polymer processing / Zehev Tadmor and Costas G. Gogos/ second edition