نقش پلاستیک‌های مهندسی در صنعت

تحقیق در مورد ساخت پلاستیک‌های مستحکمِ مهندسی، یکی از شکوفاترین زمینه‌ها در صنایع شیمیایی جهان است. یک کشورِ دارای ذخایر نفتی و صنایع پتروشیمی، می‌تواند با انجام برنامه ریزی‌های دقیق، در صنایع شیمیایی پیش‌تاز باشد. بدیهی است که انتقال از فروش نفت به فروش فراورده‌های شیمیایی، از لحاظ اقتصادی و اجتماعی تحول بزرگی را برای این کشور در پی خواهد داشت.
از اتصالات اتوموبیل تا قطعات ماشین لباش‌شویی، و از راکت‌های تنیس تا ایستگاه‌های فضایی، پلاستیک‌های مهندسی اهمیت فزاینده‌ای در زمینه‌های گوناگون زندگی می‌یابند. این مواد، پلاستیک‌های محکمی هستند که در حجم کم اما با قیمت زیاد فروخته می‌شوند. با تغییر شرایط تولید یا با مخلوط کردن مواد دیگر در آن‌ها، می‌توان خصوصیات آن‌ها را به طور نسبتاً ساده‌ای تغییر داد. این مواد، برای مثال انواع فراوان پلاستیک‌های تقویت شده (مسلح شده) با الیاف کربن یا شیشه را در بر می‌گیرند. این مواد مرکب (یا کامپوزیت) کاربرد فزاینده‌ای در بال‌های هواپیما و دیگر محصولات صنعت هوا-فضا یافته‌اند.
پلاستیک‌های مهندسی جزو آن گروه از موادند که مواد پیش‌رفته نامیده می‌شوند. مواد شیمیایی الکترونیکی با پایه‌ی سیلیسیوم، آلیاژهای فلزی نوین، و سرامیک‌های مستحکم و مقاوم به گرما نیز جزو همین گروه از مواد قرار دارند. پلاستیک‌های مهندسی بیش‌تر از این لحاظ اهمیت دارند که به سهولت در فرایندهای تولید موجود قابل مصرف هستند. به همین سبب است که مهندسان تولید توجه زیادی به این مواد نشان می‌دهند؛ یکی از دلایل رشد سریع آهنگ مصرف آن‌ها نیز همین است. مصرف این پلاستیک‌ها به ویژه در صنعت اتوموبیل سازی زیاد است و شرکت‌هایی مانند فورد، جنرال موتورز، تویوتا، بی‌ام‌و، و فولکس واگن به طور فزاینده‌ای از این مواد برای ساختن قطعات بدنه، محور چرخ‌ها، و قطعات کوچک‌تری مانند قطعات سپر و پایه‌های آینه‌ی بغل استفاده می‌کردند. پلاستیک‌های مهندسی، از لحاظ شیمیایی، شبیهِ مواد پلاستیکی معمولی هستند که در محصولات ساختمانی و بسته بندی استفاده می‌شوند. پلاستیک‌های مهندسی با فروش سالانه‌ی ده‌ها میلیارد دلاری در دنیا، تنها اندکی از بازار مواد شیمیایی جهان را به خود اختصاص می‌دهند، بازاری که درآمدی در حدود پنجاه برابرِ رقم مربوط به پلاستیک‌های مهندسی را به خود اختصاص می‌دهد. اما برای بسیاری از کمپانی‌های غول پیکرِ شیمیایی دنیا، مانند باسف، بایر، و هوخست آلمان، آی‌سی‌آی انگلستان، و دوپون، و دو امریکا، پلاستیک‌های مهندسی بازار گسترده و پررونقی خواهند داشت. در حالی که بسیاری از رشته‌های صنایع شیمیایی، شامل پلاستیک‌های معمولیِ مورد استفاده در حجم‌های زیاد در کاربردهای غیر مهندسی، آهنگ رشد سالانه‌ی چند درصدی از لحاظ فروش دارند، آهنگ رشد در مورد بسیاری از پلاستیک‌های مهندسی بین هشت تا ده درصد است.
گروه صنعتی دیگری که به پلاستیک‌های مهندسی به عنوان موادی بسیار مهم می‌نگرد جنرال الکتریک است. این شرکت امریکایی در رشته‌ی الکترونیک و مهندسی برق کار می‌کند. در ژاپن و خاور دور نیز چند شرکت بزرگ در زمینه‌ی پلاستیک‌های مهندسی کار می‌کنند که از جمله‌ی آن‌ها می‌توان به شرکت‌های ژاپنی ایدمیتسو، میتسوبیشی، گاز کمیکال، آساهی گلاس، دایسل، کورها، سومیتومو، و توسو، و شرکت کره‌ای (مربوط به کره‌ی جنوبی) لاکی، و شرکت تایوانی چی‌می اشاره کرد. شرکت‌های ژاپنی طرح‌های مشترکی با شرکت‌های اروپایی و امریکایی اجرا نمودند. برای مثال، ایدمیتسو با کمک شرکت DSM، یکی از شرکت‌های بزرگ شیمیایی هلند، کارخانه‌ای برای تولید پلاستیک‌های مهندسی در هلند ساخت. شرکت‌های امریکایی جنرال الکتریک و دُو نیز طرح‌های مشترکی با سومیتومو و توسو اجرا کردند، و شرکت آلمانی هوخست با کورِها همکاری مشترک داشت.
پلاستیک‌های مهندسی از این لحاظ توجه صنایع شیمیایی را به خود جلب کردند که دو تکنولوژی پیش‌رفته را دربر دارند: فراوری و تولید. عرضه کنندگان این مواد هم باید بدانند که چگونه مواد را با نسبت‌های درست با یک‌دیگر مخلوط کنند و هم باید شرایط تولید را بدانند تا بتوانند پلاستیک‌هایی (به عنوان ماده‌ی اولیه) با کیفیت مناسب بسازند. هم‌چنین باید بدانند که چگونه می‌توان این مواد اولیه را به قطعات قابل استفاده‌ای تبدیل کرد که ممکن است هر چیزی باشند – از اسباب بازی بچه‌ها گرفته تا پره‌های هلیکوپتر. شرکت‌هایی که در این زمینه فعالیت می‌کنند باید طیف وسیعی از تخصص‌های مهندسی را دارا باشند، از جمله طراحی به وسیله‌ی کامپیوتر، و تازه‌ترین سیستم‌های قالب گیری و ماشین کاری خودکار را. این شرکت‌ها باید در تماس نزدیکی با مصرف کنندگان نیز باشند. متأسفانه این همکاری و هم‌فکری در بسیاری از شاخه‌های صنایع تولیدی دیده نمی‌شود. در حال حاضر، مصرف کنندگان پلاستیک‌های مهندسی در حالِ برقراری ارتباط‌های رسمی و غیر رسمی با سازندگان‌اند. برای مثال، شرکت جنرال اکتریک در اروپا همکاری نزدیکی با رنو و فولکس واگن و نیز با الکترولوکس برقرار کرد. الکترولوکس یکی از بزرگ‌ترین تولید کنندگان کالاهای مصرفی و لوازم خانگی در سوئد است و از پلاستیک‌های مهندسی در ماشین لباس‌شویی استفاده می‌کند.
پلاستیک‌های مهندسی تنها در حدود ده درصد تولید سالانه‌ی صنایع پلاستیک را تشکیل می‌دهند. در حدود چهار پنجم این تولید سالانه، پلاستیک‌های روزمره‌اند که در صنایع ساختمان و بسته بندی به کار می‌روند و به طور عمده عبارتند از پلی‌استیرن، پلی‌وینیل‌کلرید (PVC)، پلی‌اتیلن، و پلی‌پروپیلن. سه پلاستیک اول را پژوهشگران آلمان و انگلستان در دوران طلایی ابداع پلاستیک‌ها در دهه‌ی 1930 میلادی اختراع کردند. پلی‌پروپیلن تقریباً عضو متأخری است که در اواخر دهه‌ی 1950 در ایتالیا ابداع شد. به طور کلی پلاستیک‌ها از لحاظ مصرف در هفتاد سال گذشته سریع‌تر از هر ماده‌ی ساختمانی دیگری رشد کرده‌اند، و رشدی بسیار سریع‌تر از مصالحی قدیمی مانند فولاد، چوب، و شیشه داشته‌اند.
در دهه‌ی آخر قرن گذشته‌ی میلادی آهنگ رشد سالانه‌ی صنعت پلاستیک بیش‌تر از چند درصد نبود چرا که رشد اقتصادی در کشورهای توسعه یافته‌ی دنیا آهسته‌تر می‌شد و مسائل زیست محیطی ناشی از دور ریختن زباله‌های پلاستیکی حادتر می‌گردید. اما برعکس، فروش پلاستیک‌های مهندسی افزایش یافت آن هم به طور عمده در کاربردهایی که این مواد جای‌گزینِ مواد سنتی و به ویژه فلزات می‌شوند. پلاستیک‌های مهندسی از لحاظ تکنولوژی به آسانی قابل واگردانی‌اند، و از لحاظ اقتصادی نیز، به سبب زیاد بودن قیمت آن‌ها، واگردانیِ آن‌ها باصرفه‌تر است. شرکت‌های ب‌ام‌و و ولوو به این مطلب به خوبی آکاهی دارند. آن‌ها برای بازیابی و استفاده‌ی مجدد از پلاستیک‌های مصرف شده‌ی اتوموبیل‌های تولیدی‌شان، پس از اسقاط شدن، برنامه‌هایی را اجرا نمودند.
تعریف پلاستیک‌هایی که در گروه مواد مهندسی قرار می‌گیرند همیشه آسان نیست. گاهی به درستی، سازندگان مختلف، از یک پلاستیک هم به عنوان ماده‌ی مهندسی و هم به عنوان لفاف ارزان قیمت نام می‌برند. به طور کلی، تمایز در این مورد، به فرایند تولید ماده، استفاده از مواد افزودنی برای زیاد کردن استحکام، یا خصوصیات ویژه‌ی دیگر بستگی دارد. به کمک سه خصیصه‌ی کلیدی می‌توان پلاستیک‌های مهندسی را تعریف کرد: کاربرد، کیفیت، و قیمت. یک ماده زمانی پلاستیک مهندسی است که به عنوان جزئی از ساختاری استفاده شود که تولید آن به دقت زیادی نیاز داشته باشد. این ماده احتمالاً باید استحکام کافی داشته باشد یا دارای ویژگی دیگری مانند مقاومت به گرما باشد. سومین جنبه، قیمت است. قیمت بیش‌تر پلاستیک‌های استاندارد بین هفت‌صد تا دو هزار دلار به ازای هر تُن است در حالی که معمولاً قیمت پلاستیک‌های مهندسی حداقل سه هزار دلار در تُن است و بعضی از گونه‌های خاص آن‌ها تا سی هزار دلار به ازای هر تُن قیمت دارند.
موادی که به نام پلاستیک‌های مهندسی مشخص می‌شوند شامل پلی‌کربنات، پلی‌استیل، و بیش‌تر انواع پلی‌آمیدها هستند. پلی‌آمیدها را بیش‌تر به نام نایلون می‌شناسند. هم‌چنین آکریلونیتریل بونادین استیرن (ABS)، بعضی از انواع ویژه‌ی پلی‌پروپیلن، و گونه‌ای از پلاستیک‌های شامل پلی‌فنیلین اکسید، پلی بوتیلین ترفتالات (PBT)، بعضی از انواع پلی‌اتیلن ترفتالات (PET)، پلی‌اترسولفون، و آلیاژهای پلی‌فنیلین اتر، جزو گروه مواد پلاستیکی مهندسی قرار دارند. همه‌ی این مواد متعلق به خانواده‌ی ترموپلاستیک (یا گرمانرم) هستند؛ با فرایند برگشت پذیرِ سرد و گرم کردن می‌توان این مواد را شکل داد و سخت کرد و سپس دوباره نرم کرد و شکل داد و سخت کرد. رزین‌های اپوکسی، که می‌توان آن‌ها را با الیاف کربن یا شیشه مستحکم کرد و به عنوان ماده‌ی مرکب برای ساختن بال‌های هواپیما یا چوب ماهی‌گیری به کار برد جزو ترموپلاستیک‌های سنتی هستند. بعضی از انواع پلی اورتان (PU)ها نیز در این خانواده قرار دارند، موادی که غالباً در تولید کفش و دمپایی مصرف می‌شوند. خانواده‌ی دیگری از پلاستیک‌های مهندسی وجود دارد که شامل پلاستیک‌های ترموست (یا گرماسخت) است. در فرایند تولید، این پلاستیک‌ها بر اثر گرما به طور برگشت‌ناپذیر، سخت می‌شوند و نمی‌توان با گرمایش دوباره آن‌ها را مجدداً نرم کرد و شکل داد. به همین سبب، این مواد را نمی‌توان به آسانی واگرداند.
یکی از مزایای عمده‌ی پلاستیک‌های مهندسی، امکان مصرف آن‌ها در روش‌های تولید خودکار است که در آن‌ها می‌توان قطعات را با سرعت بیش‌تر و با هزینه‌ی کم‌تری (در مقایسه با مواد سنتی، مانند فولاد و آلومینیم) قالب‌گیری کرد و شکل داد. از آن جا که تولید کنندگان به آسانی می‌توانند خصوصیات پلاستیک‌های مهندسی را تغییر دهند (با تغییر دادنِ فرمول شیمیایی یا شرایط واکنش در ضمن فراورش در کارخانه‌ی شیمیایی)، این مواد به خوبی با روند امروزی تولید مناسبت و مطابقت دارند. در این روند، که امروزه رشد وسیعی دارد، همواره به قطعات سفارشی خاصی احتیاج پیدا می‌شود که نیازهای مصرف کننده را تأمین می‌کنند و تولید کننده باید بتواند شرایط کار خود را برای تولید این قطعات سفارشی تنظیم کند. بسیاری از تکنیک‌های خودکارسازی (اتوماسیون) جدید، به بهترین نحوی از مزایای پلاستیک‌های مهندسی و پلاستیک‌های تقویت شده با الیاف بهره می‌گیرند و مواد مرکب (کامپوزیت) تولید می‌کنند. یکی از این تکنیک‌ها عبارت است از کشیدن دسته‌ای از الیاف پیوسته از درون حمامی از پلاستیک مذاب، که می‌تواند ترموپلاستیک (گرمانرم) یا ترموست (گرماسخت) باشد، و سپس از درون یک قالب گرم شده. پس از سرد شدن ماده، یا پس از واکنش با یک ماده‌ی شیمیایی دیگر در مورد رزین‌های اپوکسی ترموست، ماده‌ای مرکب به دست می‌آید. مهندسان از این فرایند برای ساختن قطعات پل و بال‌های هواپیما استفاده می‌کنند. برای مثال، از این پلاستیک‌های مهندسی در ساختن بخش‌هایی از بال هواپیماهای ایرباس A320 استفاده شد.
در این میان، صنعت اتوموبیل سازی از تولید کنندگان می‌خواهد که نوعی مواد مهندسی تقویت شده با الیاف، بسازند که سطح ظاهری آن‌ها مطابق با نیازهای اتوموبیل سازان باشد. در پی این خواسته، دو شرکت امریکایی جنرال الکتریک و PPG (یکی از بزرگ‌ترین سازندگان الیاف شیشه) طرح مشترکی را سازمان دادند تا در آن به تحقیق در این مورد بپردازند که چه مخلوط‌هایی از پلاستیک‌های مهندسی و مواد مستحکم کننده، پلاستیک‌های براقی می‌سازند که بتوان آن‌ها را جای‌گزین فلزات در بدنه‌ی اتوموبیل‌ها کرد. البته تنها صنعت اتوموبیل سازی نیست که از پلاستیک‌های براق بهره خواهد برد. در انگلستان، شرکت ICI تکنیکی ابداع کرد که در آن سیلیس (اکسید سیلیسیوم) به رزین‌های آکریلیک افزوده می‌شود تا موادی برای تولید ظرفشویی آشپزخانه به دست آید که سطح آن ظاهری فلزی و سخت دارد. شرکت‌های دیگر نیز سرگرم پژوهش گسترده درباره‌ی چگونگی تأثیر افزودن مواد افزودنی و شیوه‌ی مخلوط کردن مواد بر ماهیت پلاستیک نهایی هستند. مواد حاصل، خصوصیات متفاوتی از لحاظ چگالی، استحکام، مقاومت به گرما، و سهولت فراوری و واگردانی خواهند داشت، که می‌توانند گستره‌ی مصرف آن‌ها را وسیع‌تر کنند. برای مثال، سازندگان اتوموبیل از آلیاژهایی متشکل از پلی‌کربنات و آکریلونیتریل بوتادین استیرن (ABS) همراه با حداکثر ده درصد رزین‌های مختلف یا دیگر افزودنی‌های آلی، استفاده می‌کنند.
گاهی سازندگان از بلورهای مایع برای تقویت پلاستیک‌های معمولی مهندسی استفاده می‌کنند. مزیت بلورهای مایع نسبت به الیاف این است که سازندگان می‌توانند مخلوط بلور و پلاستیک را در درون قالب بگذارند و شکل دهند بدون این که نیازی به عملیات جداگانه‌ی فرمولاسیون (تنظیم فرمول شیمیایی) پلاستیک و سپس افزودن الیاف باشد. شرکت آلمانی بایر یکی از شرکت‌هایی است که درباره‌ی این شیوه برای تولید پلاستیک‌های پراستحکام تحقیق نمود.
اما با تمام چشم اندازهای نویدبخشی که پلاستیک‌های مهندسی دارند هنوز شرکت‌های تولید کننده‌ی این مواد نگران آینده هستند. قیمت زیاد این مواد سبب می‌شود که بسیاری از مصرف کنندگان بالقوه، در مورد استفاده از این مواد تردید و تأمل بیش‌تری کنند چرا که جای‌گزین‌های ارزان‌تری مانند فلزات را در دسترس دارند. این امر ممکن است مانع تکامل و پیش‌رفت آن‌ها شود چرا که تولید کنندگانِ مواد پلاستیکی مهندسی از بازار رو می‌گردانند به ویژه از بازار اتوموبیل و هواپیما که بزرگ‌ترین جایگاه مصرف این ماده بوده‌اند. مسائل تولید کنندگان عبارت‌اند از هزینه‌های زیاد در زمینه‌ی ساخت، و نیاز به داشتن تجربه‌ی تکنولوژی‌هایی که ارتباطی به بخش‌های دیگرِ تولید شیمیایی ندارند.
منبع: راسخون