دنياي پليمر(2)

صنایع پلیمر

پليمر های متداول امروزی از نفت خام ساخته می شوند كه با توجه به محدود بودن منابع نفتی بايد به تدريج با بيو پليمر ها كه از منابع تجديد شونده ساخته می شوند، جانشين شوند. بيوپليمر از نظر بيوشيمی دان ها عبارت است از ماكرومولكول های بيولوژی كه از تعداد زيادی زير واحد كوچك و شبيه به هم كه با اتصال كووالانسی به هم متصل شده اند ويك زنجيره طولانی را ايجاد می كنند، ساخته شده اند. پليمر های متداول امروزی از نفت خام ساخته می شوند كه با توجه به محدود بودن منابع نفتی بايد به تدريج با بيوپليمر ها كه از منابع تجديد شونده ساخته می شوند، جانشين شوند. بيوپليمر از نظر بيوشيمی دان ها عبارت است از ماكرومولكول های بيولوژی كه ازتعدادزيادی زير واحد كوچك و شبيه به هم كه با اتصال كووالانسی بههم متصل شده اند ويك زنجيره طولانی را ايجاد می كنند، ساخته شده اند.

در روند طبيعی، بيوپليمر ها و يا همان ماكرومولكول ها، تركيبات داخل سلولی هستند كه قابليت زنده ماندن را به ارگانيسم در شرايط سخت محيطی می دهند.مواد بيوپليمری در شكل های گوناگونی توسعه يافته اند؛ بنابراين ظرفيت استفاده در صنايع گوناگون را دارند. توسعه مواد بيوپليمری به چنددليل اهميت دارد. اول اين كه اين مواد بر خلاف پليمر های امروزی كه از مواد نفتی به دست می آيند، به محيط زيست برگشت پذير هستند؛ بنابراين موادآلوده كننده محيط زيست به شمار نمی آيند. در اين خصوص مواد بيوپليمری در ساخت پلاستيك ها به دو صورت استفاده قرار می شوند. اول استفاده از پلاستيک هايی كه درآنها يک ماده تخريب پذير(مانند نشاسته) به يک پلاستيک متداول (مانندپلی اتيلن) اضافه می شود، درنتيجه اين ماده به افزايش سرعت تخريب پلاستيک کمک می کند. اين مواد چند سالی هست که وارد بازار شده اند و با آن که کمک زيادی به کاهش زباله های پلاستيکی کرده اند، اما به دليل اين که در آنها از همان پلاستيک های متداول تخريب ناپذير استفاده می شود و استفاده از مقدار زيادی مواد تخريب پذير در پلاستيک ويژگی آن را تضعيف می کند، موقعيت چندان محکمی ندارند.دوم استفاده از پلاستيک های تخريب پذير ذاتی است که به دليل ساختمان شیمیایی خاص به وسیله باکتری ها، آب یا آنزیم ها در طبیعت تخریب می شوند و خیلی سریع تر از نوع اول به محیط زیست بر می گردند، دردرجه دوم اهمیت مواد بیوپلیمری به وسیله موجودات زنده ساخته می شوند و در نتیجه در چرخه ساخت و تجزیه مواد بیولوژیك قرار می گیرند، پس هیچ گاه منابع آن محدود و تمام شدنی نیست، در حالی كه مواد پلیمری و پلاستیكی امروزی از سوخت های فسیلی ساخته می شود كه منابع آن محدود و تمام شدنی است. هر چند این منابع در حال حاضر و به ویژه در كشور ما به وفور یافت می شوند، ولی روزی تمام خواهند شد. سومین مزیت بیوپلیمر ها، اقتصادی بودن این مواد است، زیرا تولید بیوپلیمر نیاز زیادی به كارخانه و صنعت پیشرفته ندارد و با حداقل امكانات می توان به تولیدآن مبادرت ورزید. همچنین قیمت بالای نفت خام، كشور ها را به سوی استفاده از این مواد سوق داده است.

گیاهان تولیدكننده

بیشترین تحقیقات بیوپلیمری روی مهندسی ژنتیك گیاهان تولیدكننده فیبر مانند كتان، كنف و ... متمركز شده است. به عبارت دیگر، توسعه واكنش های مولكولی درون سلولی گیاهان كه به تولید مواد بیوپلیمری منجر می شود، مورد توجه مهندسان ژنتیك و بیوتكنولوژی قرار گرفته است. مواد بیوپلیمری كه در سلول های گیاهی ساخته می شود، بیشتر از جنس پلی هیدروكسی بوتیرات (PHB) است. این ماده از نظر خصوصیات فیزیكی و مكانیكی بسیار شبیه پلی پروپیلن حاصل از مواد نفتی است. امروزه با همسانه سازی كردن ژن تولید كننده پلیمر پلی هیدروكسی بوتیرات در گیاهان معمولی كه قابلیت تولید بیوپلیمر را ندارند، توانسته اند این محصول پلیمری را به طور انبوه تولید كنند. گیاهان، نیشكر، یونجه، درخت خردل و ذرت برای تولید این بیوپلیمر از طریق مهندسی ژنتیك انتخاب شده اند كه ژن تولید كننده این پلیمر به داخل ژنوم این گیاهان وارد می شود و گیاه یادشده را به ساختن بیوپلیمر پلی هیدروكسی بوتیرات قادرمی سازد.

ارگانیه های تولیدكننده بیوپلیمر ها

درحدود ۸۰ سال قبل برای نخستین بار بیوپلیمر پلی هیدروكسی بوتیرات از باكتری باسیلوس مگاتریوم جدا سازی شد. ازآن پس دانشمندان بیوپلیمر به دنبال یافتن راه هایی هستند كه تولیدات بیوپلیمری باكتریایی را توسعه دهند و به صورت تجاری درآورند. بیوپلیمر هایی كه سلول های باكتریایی قادر به تولید آن هستند و از آنها جداسازی شده اند، عبارتند از: پلی هیدروكسی آلكانوات (PHA)، پلی لاكتیك اسید (PLA) و پلی هیدروكسی بوتیرات (PHA). این بیوپلیمر ها از نظر خصوصیات فیزیكی به پلیمر های پلی استیلن و پلی پروپیلن شبیه هستند. بیوپلیمر های میكروبی در طبیعت به عنوان تركیبات داخل سلولی میكروب ها یافت می شوند و بیشتر زمانی كه باكتری ها در شرایط نامساعد محیطی قرار می گیرند، اقدام به تولید این مواد می كنند. این مواد در حالت طبیعی به عنوان یك منبع انرژی راحت و در دسترس عمل می كنند.
PHB در درون سیتوپلاسم باكتری به صورت دانه های ذخیره ای (اینكلوژن بادی) ذخیره می شود كه این مواد را به وسیله سانتریفیوژ و واكنش های شست وشوی چند مرحله ای می توان استخراج و خالص سازی و ازآن استفاده كرد.در یك نتیجه گیری كلی در مورد استفاده از بیوپلیمر ها به جای پلاستیك ها و پلیمر های نفتی می توان گفت كه با توجه به ماهیت و خصوصیات بیوپلیمر ها كه مواد تجدید شونده و قابل برگشت به محیط زیست و یا به عبارتی دوست محیط زیست هستند، استفاده از آنها كاری معقول و اقتصادی خواهد بود. از سوی دیگر، با توجه به قیمت بالای نفت خام و محدود بودن منابع آن، استفاده از آن برای تولید مواد پلاستیكی كه هم آلوده كننده محیط زیست است و هم در جامعه ما ارزش چندانی ندارد، كاری غیر اقتصادی است. پس امید می رود با توجه به سرعت روز افزون علم در زمینه مواد بیوپلیمری در بیشتر كشورها، دركشور ما نیز به این مقوله توجه بیشتری شود و با جانشین كردن مواد بیوپلیمری با پلیمر های نفتی، طلای سیاه را برای آیندگان به میراث بگذاریم.

پليمر ها به ياري محيط زيست مي آيند

بيوپليمر از نظر بيوشيمي دان ها عبارت است از ماكرومولكول هاي بيولوژي كه از تعداد زيادي زير واحد كوچك و شبيه به هم كه با اتصال كووالانسي به هم متصل شده اند ويك زنجيره طولاني را ايجاد مي كنند، ساخته شده اند. در روند طبيعي، بيوپليمر ها و يا همان ماكرومولكول ها، تركيبات داخل سلولي هستند كه قابليت زنده ماندن را به ارگانيسم در شرايط سخت محيطي مي دهند.
درحدود 80 سال قبل براي نخستين بار بيوپليمر پلي هيدروكسي بوتيرات از باكتري باسيلوس مگاتريوم جدا سازي شد. ازآن پس دانشمندان بيوپليمر به دنبال يافتن راه هايي هستند كه توليدات بيوپليمري باكتريايي را توسعه دهند و به صورت تجاري درآورند. بيوپليمر هايي كه سلول هاي باكتريايي قادر به توليد آن هستند و از آنها جداسازي شده اند، عبارتند از: پلي هيدروكسي آلكانوات ، پلي لاكتيك اسيد (PLA) و پلي هيدروكسي بوتيرات .
اين بيوپليمر ها از نظر خصوصيات فيزيكي به پليمر هاي پلي استيلن و پلي پروپيلن شبيه هستند. بيوپليمر هاي ميكروبي در طبيعت به عنوان تركيبات داخل سلولي ميكروب ها يافت مي شوند و بيشتر زماني كه باكتري ها در شرايط نامساعد محيطي قرار مي گيرند، اقدام به توليد اين مواد مي كنند. اين مواد در حالت طبيعي به عنوان يك منبع انرژي راحت و در دسترس عمل مي كنند. همچنين هنگامي كه محيط اطراف باكتري غني از كربن باشد و از نظر ديگر مواد غذايي مورد استفاده باكتري دچار كمبود باشد، باكتري اقدام به ساخت بيوپليمر هاي يادشده مي كند. پليمر هاي متداول امروزي از نفت خام ساخته مي شوند كه با توجه به محدود بودن منابع نفتي بايد به تدريج با بيوپليمر ها كه از منابع تجديد شونده ساخته مي شوند، جانشين شوند

کوپلیمریزاسیون

کوپلیمریزاسیون عبارتست از پلیمریزاسیون دو یا چند نوع مونومر و ایجاد مولکولهایی با بیش از یک نوع واحد ساختمانی ، که آنها را کوپلیمر می‌نامند. فرمول عمومی کوپلیمر را می‌توان به صورت...A)n(B)m(C)p) نشان داد که C,B,A و غیره نشان دهنده واحدهای ساختمانی مختلف
می‌باشند. .

● هموپلیمرها (homopolymers)

ساده ترین انواع پلیمرها ، هموپلیمرها هستند که از زنجیره های پلیمری متشکل از واحدهای تکراری منفرد تشکیل شده‌اند. بدین معنی که اگر A یک واحد تکراری باشد، یک زنجیره هموپلیمری ، ترتیبی به صورت… AAAدر زنجیره مولکولی پلیمر خواهد داشت. به عبارت دیگر می توان برای هموپلیمرها فرمول عمومی An را در نظر گرفت. از جمله هموپلیمرها می توان پلیمرهایی مثل پلی‌اتیلن ، پلی‌پروپیلن ، پلی‌استایرن و پلی‌وینیل‌کلراید یا PVC را نام برد.

● کوپلیمرها (Coplymers)

کوپلیمرها، پلیمرهایی هستند که از پلیمریزاسیون دو یا چند مونومر مختلف و مناسب با یکدیگر بوجود می‌آیند که از این راه می توان پلیمر را با ساختمانهای متفاوتی بوجود آورد. در کوپلیمریزاسیون دو مونومر B,A ، زنجیرهای پلیمر می‌توانند مونومر A یا مونومر B را در انتهای رشد کننده خود داشته باشند. در نتیجه ، چهار واکنش امکان پذیر است، واکنش زنجیر دارای انتهای A با مونومر A یا B و واکنش زنجیر دارای انتهای B با مونومر A یا B هر یک از واکنش ها ثابت سرعت مشخصی دارند. از روی نسبت داده شده مولکولهای مونومر می‌توان نسبت واحدهای مونومرهای بکار رفته در یک پلیمر را بدست آورد.

انواع کوپلیمریزاسیون

کوپلیمرها انواع مختلفی دارند و لیکن می توان آنها را به چهار نوع مجزا از کوپلیمرها به صورت تصادفی ، تناوبی ، دسته ای و پیوندی دسته بندی نمود.

ـ کوپلیمرهای تصادفی یابی نظم (Random Copolymers)

این کوپلیمرها بوسیله پلیمریزاسیون مخلوط مناسبی از مونومرهای مختلف که به طور تصادفی در زنجیره های پلیمر مرتب شده اند، تهیه می‌شوند. اگر B و A مونومرهای یک کوپلیمر باشند، در اینصورت آرایش کوپلیمر ممکن است به صورت زیر باشد: ...AABABBBAA
مثالهایی از این نوع ، کوپلیمرهای کلرواتن- اتنیل- اتانوات (وینیل کلراید- وینیل استات) و فنیل اتن- بوتا ۱و۳ - دین می‌باشند. در مورد کوپلیمر کلرواتن – اتنیل اتانوات حضور اتینل اتانوال باعث افزایش حلالیت و بهبود خاصیت قابلگیری (توسط افزایش میزان جاری شدن) در مقایسه با هموپلیمر کلرواتن می‌شود.

ـ کوپلیمرهای متناوب (alternating copolymers)

در این کوپلیمرها ، واحدهای تکراری مختلف بصورت متناوب درون زنجیر پلیمری قرار گرفته اند. در واقع هنگامی که نسبت واکنش پذیری دومونومر B و A صفر باشد، مونومرها به هیچ وجه با زنجیرهای پلیمر در حال رشد که دارای واحد انتهایی مشابه با آنها باشد، وارد واکنش نمی‌شوند. در نتیجه "کوپلیمریزاسیون متناوب" انجام می گیرد. آرایش یک کوپلیمر متناوب متشکل از مونومرهای B,A به صورت زیر می باشد: ...ABABAB
مثالی از این کوپلیمرها ، محصولی است که از کوپلیمریزاسیون رادیکالی بوتن دیوئیک انیدرید (مالئیک ایندرید) و فنیل اتن با نسبت های مولی تقریبا مساوی بدست می آید. بوتن دیوئیک انیدرید همچنین می‌تواند بصورت رادیکال آزاد با فنیل اتین (فنیل استیلن) کوپلیمر شود.

پلیمرهای مقاوم حرارتی

پلیمرها، بخش عمده ای از مشتقات نفتی هستند كه در انواع مختلف در صنعت پتروشیمی، تولید و در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند. امروزه استفاده از پلیمرها به اندازه ای رایج شده كه می توان گفت بدونِ استفاده از آنها بسیاری از حوایج روزمره ما مختل خواهد شد. مقاله حاضر، پلیمرهای مقاوم حرارتی را مورد مطالعه قرار می دهد كه علاوه بر مصارف متعدد، در صنایع هوا- فضا نیز نقش عمده ای ایفا می كنند. پلیمرها، بخش عمده ای از مشتقات نفتی هستند كه در انواع مختلف در صنعت پتروشیمی، تولید و در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند. امروزه استفاده از پلیمرها به اندازه ای رایج شده كه می توان گفت بدونِ استفاده از آنها بسیاری از حوایج روزمره ما مختل خواهد شد در اينجا پلیمرهای مقاوم حرارتی را مورد مطالعه قرار می دهيم كه علاوه بر مصارف متعدد، در صنایع هوا- فضا نیز نقش عمده ای ایفا می كنند. هنگامی كه تركیبات آلی در دمای بالا حرارت داده می شوند، به تشكیل تركیبات آروماتیك تمایل پیدا می كنند. بنابراین می توان نتیجه گرفت كه پلیمرهای آروماتیك باید در مقابل دماهای بالا مقاوم باشند. انواع وسیعی از پلیمرها كه واحد های تكراری آروماتیك دارند، در سالهای اخیر توسعه و تكامل داده شده اند.
این پلیمرها در صنایع هوا- فضا مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا در برابر دمای زیاد پایداری مطلوبی از خود نشان می دهند. برای این كه یك پلیمر در برابر حرارت و در برابر گرما مقاوم تلقی شود، نباید در زیر دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد تجزیه شود. هم چنین باید خواص مورد نیاز و سودمند خود را تا دماهای نزدیك به دمای تجزیه حفظ كند. این گونه پلیمرها دارای Tg بالا و دمای ذوب بالا هستند. پس می توان گفت پلیمرهای مقاوم حرارتی به پلیمرهایی گفته می شود كه در دمای بالا بكار برده می شوند، به طوری كه خواص مكانیكی، شیمیایی و ساختاری آنها، با خواص سایر پلیمرها در دماهای پایین متفاوت باشد. پلیمرهای مقاوم حرارتی به طور عمده در صنایع اتومبیل سازی، صنایع هوا- فضا، قطعات الكترونیكی، عایق ها، لوله ها، انواع صافی ها، صنایع آشپزی و خانگی، چسب ها و پوشش سیم های مخصوص مورد استفاده قرار می گیرد. پلیمرهای یاد شده هم به روش آلی و هم به روش معدنی تهیه می شوند. ذكر این نكته مهم است كه روش آلی متداول تر و اغلب پژوهش ها توسط دانشمندان پلیمر در این زمینه ها به ثمر رسیده است.

پایداری حرارتی

پایداری حرارتی پلیمرها، تابع فاكتورهای گوناگونی است. از آنجا كه مقاومت حرارتی تابعی از انرژی پیوندی است، وقتی دما به حدی برسد كه باعث شود پیوندها گسیخته شوند، پلیمر از طریق انرژی ارتعاشی شكسته می شود. پس پلیمرهایی كه دارای پیوند ضعیفی هستند در دمای بالا قابل استفاده نیستند و از بكار بردن منومرها و هم چنین گروه های عاملی كه باعث می شود این پدیده تشدید شود، باید خودداری كرد.البته گروه هایی مانند اتر یا سولفون، نسبت به گروه هایی مانند آلكیل و NH و OH پایدارتر هستند، ولی وارد كردن گروه هایی مانند اتروسولفون و یا گروههای پایدار دیگر صرفاً بخاطر بالا بردن مقاومت حرارتی نیست، بلكه باعث بالا رفتن حلالیت نیز می شوند. تاثیرات متقابلی كه بین دو گونه پلیمری وجود دارد، ناشی از تاثیرات متقابل قطبی- قطبی، و پیوند هیدروژنی (۶-۱۰ Kcal/mol) است كه باعث بالا رفتن مقاومت حرارتی در پلیمرها می شوند. این قبیل پلیمرها باید قطبی و دارای عامل هایی باشند كه پیوند هیدروژنی را بوجود آورند، مانند: پلی ایمیدها و پلی یورتانها. انرژی رزونانسی كه به وضوح در آروماتیك ها به چشم می خورد، مخصوصاً در حلقه های هتروسیكل و فنیلها و كلاً پلیمرهایی كه استخوان بندی آروماتیكی دارند باعث افزایش مقاومت حرارتی می شوند.
در مورد واحدهای تكراری حلقوی، شكستگی یك پیوند در یك حلقه باعث پایین آمدن وزن مولكولی نمی شود و احتمال شكستگی دو پیوند در یك حلقه كم است. پلیمرهای نردبانی یا نیمه نردبانی پایداری حرارتی بالاتری نسبت به پلیمرهای زنجیره باز دارند. بنابراین اتصالات عرضی موجب صلب پلیمرهای خطی می شوند كه شامل حلقه های آروماتیك با چند پیوند یگانه مجزا هستند. با توجه به نكاتی كه ذكر شد برای تهیه پلیمرهای مقاوم حرارتی باید نكات زیر رعایت شوند.
-استفاده از ساختارهایی كه شامل قوی ترین پیوند های شیمیایی هستند. مانند تركیبات هتروآروماتیك، آروماتیك اترها و عدم استفاده از ساختارهایی كه دارای پیوند ضعیف مثل آلكیلن- آلیسیكلیك و هیدروكربن های غیر اشباع می باشند.
-ساختمان تركیب باید به گونه ای باشد كه به سمت پایدار بودن میل كند، پایداری رزونانسی آن زیاد باشد و بالاخره ساختارهای حلقوی باید طول پیوند عادی داشته باشند، به نحوی كه اگر یك پیوند شكسته شد، ساختار اصلی، اتم ها را كنار هم نگه دارد.

لباس فضا نوردان

امروزه در زمینه پلیمرهای مقاوم حرارتی پیشرفت های زیادی حاصل شده است. پژوهشگری به نام كارل اسی مارول كه یك محقق برجسته در زمینه مقاومت حرارتی پلیمرها است، باعث توسعه تجارتی پلی بنزایمیدازول، با نام تجارتی PBI ، شده است كه به شكل الیاف برای تهیه لباس فضانوردان مورد استفاده قرار می گیرد. البته این تنها یكی از موارد كاربردهای متنوع پلیمرهای مقاوم حرارتی در برنامه های فضایی است. بی تردید اگر سالها پژوهش علمی و آزمایش های گوناگون موجب كشف الیاف پلیمری مقاوم برای تهیه لباس فضا نوردان نمی شد، هیچ فضا نوردی نمی توانست به فضا سفر كند.
طی سال های اخیر گونه های وسیعی از پلیمرهای آروماتیك و آلی فلزی مقاوم در برابر گرما، توسعه و تكامل داده شده اند، كه تعداد كمی از آنها به علت قیمت بالای آنها در تجارت قابل قبول نبوده اند. پلیمرهای آروماتیك، به خاطر اسكلت ساختاری صلب، دمای گذار شیشه ای Tg و ویسكوزیته بالا، قابلیت حلالیت كم دارند، بنابراین سخت تر از سایر پلیمرها هستند. در حال حاضر بالاترین حد مقاومت گرمایی از پلیمرهای آلی بدست آمده است، بنابراین در سال های اخیر تاكید روی معرفی تفاوت های ساختاری پلیمرها بوده است.
پیوستن گروه های انعطاف پذیر مانند اتر یا سولفون در اسكلت، یك راهكار است. هر چند این اقدامات باعث حلالیت بیشتر، ویسكوزیته كمتر و معمولاً پایداری حرارتی كم می شود. نگرش دیگر برای وارد كردن گروههای آروماتیك حلقه ای این است كه به صورت عمودی در اسكلت صفحه ای آروماتیك قرار می گیرد. همان طور كه در پلی بنزایمیدازول اشاره شد این ساختارها كه »كاردو پلیمر« نامیده می شوند معمولاً پایداری بالایی دارند، بدون این كه خواص دمایی آنها از بین برود. وارد كردن اسكلت با گروههای فعال كه در اثر گرما موجب افزایش واكنش حلقه ای بین مولكولی می شوند، راهی دیگر برای پیشرفت روندكار است.
مهم ترین و پرمحصول ترین راه از نقطه نظر توسعه تجارتی، سنتز الیگومرهای آروماتیك یا پلیمرهایی است كه با گروههای پایانی فعالی، خاتمه داده شده اند. الیگومرهایی كه انتهای آنها فعال شده اند، در دمای نسبتاً پایین ذوب می شوند و در انواع حلال ها نیز حل می شوند. هم چنین در موقع حرارت دادن به پلیمرهای شبكه ای پایدار تبدیل می شوند.

مقاومت در برابر حرارت

هنگامی كه از پلیمرهای مقاومت حرارتی صحبت می شود باید مقاومت حرارتی آنها را برحسب زمان و دما تعریف كنیم. افزایش هر كدام از فاكتورهای ذكر شده موجب كاهش طول عمر پلیمر می شود و اگر هر دو فاكتور افزایش یابند طول عمر به صورت لگاریتمی كاهش می یابد. به طور كلی اگر یك پلیمر به عنوان پلیمر مقاوم حرارتی در نظر گرفته می شود، باید به مدت طولانی در ۲۵۰ درجه سانتی گراد، در زمان های متوسط در پانصد درجه سانتی گراد و در كوتاه مدت در دمای یكهزار درجه سانتی گراد خواص فیزیكی خود را حفظ كند. به طور دقیق تر یك پلیمر مقاوم حرارتی باید طی سه هزار ساعت و در حرارت ۱۷۷ درجه سانتی گراد، یا طی یكهزار ساعت در ۲۶۰ درجه سانتی گراد، یا طی یك ساعت در ۵۳۸ درجه سانتی گراد و یا طی ۵ دقیقه در ۸۱۶ درجه سانتی گراد، خواص فیزیكی خود را از دست ندهد.
برخی از شرایط ضروری برای پلیمرهای مقاوم حرارتی، بالا بودن نقطه ذوب، پایداری در برابر تخریب اكسیداسیونی در دمای بالا، مقاومت در برابر فرآیندهای حرارتی و واكنش گرمای شیمیایی است. سه روش اصلی برای بالا بردن مقاومت حرارتی پلیمرها وجود دارد. افزایش بلورینگی، افزایش اتصال عرضی و حذف اتصال های ضعیفی كه در اثر حرارت اكسید می شوند. افزایش بلورینگی، كاربرد پلیمرها را در دمای بالا محدود می كند. زیرا موجب كاهش حلالیت و اختلال در فرآورش می شود. برقرار كردن اتصال های عرضی در الیگومرها روش مناسبی است و خواص پلیمر را به طور واقعی اما غیر قابل برگشت تغییر می دهد.
اتصالاتی كه باید حذف شود شامل اتصال های آلكیلی، آلیسیكلی، غیر اشباع و هیدروكربن های غیر آروماتیك و پیوند NH است . اما اتصالاتی كه مفید است شامل سیستم های آروماتیكی، اتر، سولفون و ایمید و آمیدها هستند. این عوامل پایدار كننده به صورت پل در ساختار پلیمر واقع و موجب پایداری آنها می شوند. از طرفی ضروری است كه پلیمر از قابلیت به كار گیری و امكان فرآورش مناسب برخوردار باشد.
پس باید تغییرات ساختاری طوری باشد كه حلالیت و فرآورش مناسب تر داشته باشند. برای این منظور باید از واحد های انعطاف پذیرِ اتر، سولفون، آلكیل و همچنین از كوپلیمره كردن، و تهیه ساختارهایی با زنجیر نامنظم استفاده كرد.به طور كلی پلیمرهای مقاوم حرارتی به چهار دسته تقسیم می شوند. پلیمرهای تراكم ساده، مانند پلیمرهایی كه از حلقه آروماتیك تشكیل شده اند و با اتصالات تراكمی به یكدیگر متصل هستند. پلیمرهای هتروسیكل، یعنی پلیمرهایی كه از حلقه های آروماتیك تشكیل شده اند اما از طریق حلقه های هتروسیكل به هم وصل شده اند. كوپلیمرهای تركیبی تراكمی هتروسیكل، یعنی پلیمرهایی كه شامل تركیبی از اتصال های تراكمی ساده و حلقه های هتروسیكل می باشند و پلیمرهای نردبانی كه شامل دو رشته زنجیر هستند.

پيل سوختي پليمري با سيستم گرمكن كاتاليزوري در هواي سرد

وقتي پيل سوختي در معرض هواي سرد زمستاني و دماي زير صفر درجه قرار بگيرد،آب يخ مي زند.و واكنش هاي لازم در پيل سوختي انجام نمي شود.از اين رو لازم است كه پيل را توسط گرمكن برقي، حرارت داد تا شروع به كار نمايد.راه ديگري كه جهت بكار اندازي چنين پيل هايي ارائه شده است استفاده از يك كاتاليزور در چند راهه اكسيد كننده مي باشد.در صورتي كه مقدار كمي سوخت به هواي ورودي به چند راهه اضافه شود،در حضور كاناليزور با اكسيژن واكنش مي دهد،و گرماي ناشي از واكنش باعث افزايش دماي پيل سوختي مي گردد. مقدار اكسيژن اضافه شده به هواي مصرفي بسيار كم مي باشد(حدود 5% حجم مخلوط هوا، تا باعث شعله ور شدن و انفجار آن در داخل پيل نشود و از طرفي دماي پيل از 90درجه سانتي گراد بالاتر نرود).
مخلوط رقيق سوخت و اكسيد كننده بوسيله يك پمپ به داخل پيل تزريق مي شود. منبع سوخت مي تواند تحت فشار در يك سيلندر ذخيره شده باشد و يا اينكه از هيدروژني كه به عنوان پيش سوخت به كار مي رود استفاده شود. كاتاليزوري كه در ورودي هوا بكار مي رود مي تواند از فلزات بي اثر يا آلياژي از فلزات بي اثر (مثل آنچه كه در پيل سوختي بكار مي رو) باشد. بستر كاتاليزور ، آلومينا و سراميك هاي نظير آن است، بستر مي تواند فلز ويا حتي كربن باشد. همچنين كاتاليزور مي تواند فلزات واسطه مثل نيكل يا كبالت باشد، بعلاوه بستر مي تواند كروي و يا به شكل اسفنج مشبك باشد، با چنين طرحي براي كاتاليزور،در حين عمل پيل سوختي،افت فشار ايجاد نمي شود. همچنين مي توان بستر را از بافت هاي سراميكي يا كربني يا پشم شيشه يا الياف زير كونيا انتخاب كرد.

تولید بیوپلیمر کیتوزان از پوست میگو

در اينجا ابتدا یك پایلوت نیمه مداوم جهت تولید بیوپلیمر كیتوزان از پوست میگو، طراحی و ساخته شد. به منظور ارزیابی فنی كاربرد بیوپلیمر كیتوزان تولید شده به عنوان كمك منعقد كننده، ابتدا در مقیاس آزمایشگاهی با استفاده از دستگاه جارتست عملكرد كیتوزان تولیدی با كیتوزان تجاری و پلیالكترولیت مصنوعی مقایسه شد. پس ازاطمینان از مشابه بودن عملكرد این كیتوزان با كیتوزان تجاری و پلیالكترولیت مصنوعی، عملكرد كیتوزان تولیدی دركلاریفایر نیروگاه قم مورد ارزیابی قرار گرفت كه در این مورد نیز عملكرد مناسبی از خود نشان داد. محاسبات و بررسیهای انجام شده نشان میدهد كه استفاده از كیتوزان تولید داخل به عنوان كمك منعقدكننده، بسیار مقرون به صرفه است. همچنین تحقیقات انجام شده حاكی است كه استفاده از بیوپلیمر كیتوزان به عنوان كمك منعقد كننده نه تنها مشكل زیستمحیطی نداشته بلكه از ایجاد بسیاری مشكلات زیستمحیطی جلوگیری میكند.
سختپوستان دریایی نظیر خرچنگ، میگو، لابستر و برخی بندپایان دیگر دارای مواد معدنی، آلی و كیتین هستند.كیتین ماده اولیه تولید بیوپلیمر كیتوزان است. كیتین و كیتوزان در برخی كشورها بصورت تجاری تهیه میشوند. خصوصیات شیمیایی و بیولوژیكی بیوپلیمر كیتوزان موجب استفاده گسترده آن در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، پزشكی، داروسازی، كشاورزی و غذایی شده است. بیشترین میزان مصرف كیتوزان در سیستمهای تصفیه آب و پساب به عنوان منعقدكننده و كمك منعقدكننده است. در سیستمهای تصفیه آب، كیتوزان به عنوان كمكمنعقدكننده به همراه منعقدكنندههای متداول آلوم و كلرورفریك استفاده میشود. این بیوپلیمر توانایی بالاتری در لخته سازی ذرات كلوئیدی نسبت به پلیالكترولیتهای مصنوعی دارد. كیتوزان برای تصفیه آبهای آلوده به مواد نفتی، سمی، رادیواكتیو و تركیبات آلی نظیر پلیكلروبیفنیل بكار میرود. این بیوپلیمر همچنین در تصفیه پسابهای حاوی حشرهكشهای د.د.ت، متیل استات جیوه، استالدئید، آرسنیك و تركیبات كلردار بنزین استفاده میشود.

●فرآیندهای تولید كیتوزان از پوست میگو

برای تولید كیتوزان از پوست میگو، ابتدا باید پوست میگو را شستوشو و خشك كرده، سپس آن را بوسیله آسیاب به دانههای ۲ الی ۶ میلیمتری ریز كرد. استخراج كیتین از دانههای فوق شامل دو مرحله است. در مرحله اول مواد معدنی نظیر كربنات و فسفات كلسیم با استفاده از محلول اسید كلریدریك و در مرحله دوم مواد آلی (پروتئین، چربی و رنگدانهها) با استفاده از محلول هیدروكسید سدیم، از دانهها جدا میشوند. سپس عملیات شستوشو و خشك كردن كیتین انجام شده و در انتها با دیاستیله كردن كیتین حاصل،كیتوزان تولید میشود.
لازم به ذكر است در این تحقیق یك پایلوت نیمه مداوم جهت تولید بیوپلیمر كیتوزان، در بحش طرحریزی فرآیندهای صنعتی شركت متن، طراحی و ساخته شد.

●ارزیابی فنی كاربرد كیتوزان تولیدی به عنوان كمك منعقدكننده

۱- ارزیابی فنی كاربرد كیتوزان تولیدی در مقایسه با كیتوزان تجاری، با استفاده از دستگاه جارتست

ابتدا ۶ نمونه آب با كدورت NTU۳۰ و هر یك به حجم نیملیتر را در ۶ بشر ریخته، سپس آنها را در زیر همزنهای جارتست قرارداده و به مقدار مورد نظر آلوم به آنها اضافه شد. همزدن نمونهها شامل دو مرحله اختلاط سریع، هدف توزیع همگن منعقدكننده است لذازمان این مرحله كوتاه و دور همزن بالا (rpm۱۴۰-۱۰۰) است اما در مرحله لخته سازی نیاز به اختلاط نمونه با سرعت كم (rpm ۴۰-۳۰) است تا امكان برخورد ذرات بدون بار با یكدیگر و ایجاد فلوك مهیا شود. اگر زمان لخته سازی بیش از حد باشد فلوكهای تشكیل شده مجدداً شكسته شده و باعث بالا رفتن كدورت خواهند شد. زمان لخته سازی، ۱۰ الی ۴۰ دقیقه پیشنهاد شده است كه برحسب شرایط و نمونه تعیین میشود. بنابراین پس از تزریق آلوم، اختلاط نمونهها با سرعت rpm۱۲۰ و به مدت یك دقیقه انجام شد، سپس سرعت همزن را به rpm۴۰ كاهش داده و عمل لخته سازی به مدت ۱۰ الی ۲۵ دقیقه صورت گرفت. بعد از این مرحله نمونهها از زیر همزن بیرون آورده شده و به صورت ساكن قرار داده شدند. پس از تهنشین فلوكها، با نمونهگیری از آب كدر، كدورت باقیمانده به وسیله دستگاه كدورتسنج اندازه گیری شد.
لازم به ذكر است كه به منظور ارزیابی عملكرد كیتوزان تولیدی در مقایسه با كیتوزان تجاری، افزایش مقادیر مختلفی از آلوم قبل از اختلاط سریع و كیتوزان تولیدی و تجاری قبل از اختلاط كند به نمونههای فوق در نظر گرفته شد.نتایج به دست آمد از آزمایشات دستگاه جارتست در زمینه كاهش كدورت آب كدر نشان داد كه كیتوزان تولیدی عملكردی مشابه با كیتوزان تجاری داشته و میتوان امیدوار بود كه با انجام اصلاحاتی در نحوه تولید كیتوزان، محصولی تولید كرد تا به راحتی به عنوان كمك منعقدكننده مورد استفاده قرار گرفته و بتدریج جایگزین پلی الكترولیتهای مصنوعی شود.

۲- ارزیابی فنی كاربرد كیتوزان تولیدی در مقایسه با پلیالكترولیت مصنوعی، با استفاده از دستگاه جارتست

جهت ارزیابی فنی كاربرد كیتوزان تولیدی در مقایسه با پلیالكترولیت مصنوعی، آزمایشاتی توسط دستگاه جارتست بر روی نمونههای آب خام نیروگاه قم انجام شد.
ابتدا پارامترهای شیمیایی مورد نیاز آب خام نیروگاه قم اندازهگیری شده، سپس ۴ نمونه آب قم هر یك به حجم یك لیتر، در ۴ بشر ریخته شدند. در ادامه به هر یك از بشرها مقدار ppm۳۰ كلرور فریك تزریق كرده و دستگاه با دور همزن rpm۲۰۰ تنظیم شد. سپس كربنات سدیم و آهك هر یك به ترتیب به میزان ۷۵۰ و ۳۲۰ میلیگرم به محلول اضافه شدند. بعد از گذشت ۲ الی ۳ دقیقه، به بشرهای ۱ الی ۴ به ترتیب ppm۱ بیوپلیمر كیتوزان، ppm۱ پلی الكترولیت مصنوعی، ppm۲ بیوپلیمر كیتوزان و ppm۲ پلیالكترولیت مصنوعی افزوده شده ودستگاه با دور همزن rppm۴۰-۳۰ تنظیم شد. عمل اختلاط به مدت ۲۰ دقیقه ادامه یافت تا عمل لخته سازی تكمیل و تهنشینی صورت گیرد.نتایج آزمایشات نشان میدهد كه هر دو پلیالكترولیت از نظر حذف سختی كل و سایر پارامترها دارای عملكرد تقریباً یكسانی هستند.

۳- ارزیابی فنی كاربرد كیتوزان تولیدی در مقایسه با پلیالكترولیت مصنوعی، با استفاده از كلاریفایر نیروگاه قم

تصفیه خانه نیروگاه قم شامل قسمتهای پیش تصفیه و تصفیه نهایی است. در قسمت پیش تصفیه، آب خام ورودی با سختی كل ppm۱۰۰۰ و هدایت الكتریكی &۹۵۶;S/cm ۵۵۰۰ وارد كلاریفایر به حجم ۲۵۰ متر مكعب می شود. سختی این آب بیشتر از نوع غیركربناتی است لذا در فرآیند تصفیه باید از چهار نوع مواد شیمیایی شامل كربناب سدیم، آهك، كلرورفریك و پلیالكترولیت استفاده شود. بدین منظور ابتدا كلرورفریك به مقدار ppm۳۰ در مسیر آب خام ورودی به كلاریفایر در جایی كه اختلاط به شدت سریع است، تزریق میشود. بعد از این مرحله، آب خام وارد منطقه واكنش كلاریفایر میشود. در ابتدای ورود به این منطقه، آهك به مقدار ppm۳۲۰ تزریق شده و با توجه به اینكه كلاریفایر از نوع لجن برگشتی است از زیر منطقه واكنش، محلول لجن نیز وارد شده و توسط بهمزن كلاریفایر، اختلاط سریع صورت میگیرد. در فاصله كمی در این منطقه محلول كربنات سدیم به مقدار ppm۷۵۰ وارد واكنش شده تا عمل سختیگیری كامل شود. PH مناسب برای محیط حدود ۵/۱۰-۵/۸ است. پس از اینكه واكنش ها تكمیل شدند، محلول پلیالكترولیت PPM۱، به آب اضافه شده و از منطقه واكنش خارج و وارد منطقه لخته سازی میشود. در این منطقه لخته های بزرگ تشكیل و سپس ته نشین میشوند. آب تصفیه شده پس از خروج از این منطقه به سمت بالا حركت كرده و از بالا خارج وپس از عبور از *****های ثقلی در دو مخزن مخصوص ذخیره می شود. این آب در دو قسمت سرویس و تولید آب مقطر مصرف می شود.

منابع:

https://www.mypersianforum.com
http://irche.com
http://daneshnameh.roshd.ir
http://www.behtarinha.net
http://shimashimi.persianblog.ir

/س