پلیمر صنعتی و تشعشع

دسته: مقالات منتشر شده در 15 اسفند 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 470

پلیمرهای صنعتی و تشعشع

با پیشرفت صنایع، آلودگی به یک مشکل اساسی برای بشریت تبدیل شده است. در گرین درایو، یعنی جهان بدون آلودگی، فناوری تشعشع جایگاه مهمی دارد. تشعشعات هسته ای به بسیاری از فرایندهای شیمیایی وارد شده اند. "پلیمریزاسیون"، "پیوند" و "پخت" که فرایندهای شیمیایی بسیار مهمی در زمینه پلیمر هستند، می توانند از طریق تکنیک های تشعشع انجام شوند. فناوری تشعشع به دلایلی مانند سایر منابع انرژی معمولی بسیار مطلوب هستند؛ برای مثال واکنش های بزرگ، کیفیت محصول، مصرف انرژی، فرایندهای پاک، اتوماسیون و صرفه جویی در منابع را می توان کنترل کرد. تشعشع پلیمرها را می توان در بخش های مختلف اعمال کرد. این مقاله بر چهار بخش اصلی فناوری زیست پزشکی، نساجی، الکتریکی و غشایی متمرکز شده است.

 

از عصر سنگ و فلزات به عصر انرژی هسته ای و پلیمرها رسیده ایم. در واقع، در دنیای پلیمرها زندگی می کنیم. به همین دلیل، دانشمندان و فناوران این عصر را "عصر پلیمری" نامیده اند. در هر مرحله از زندگی روزمره به چیزهایی بر می خوریم که حاصلِ تحقیقات پلیمری است. دانشمندان و فناوران کاربرد روزافزون پلیمرها در زندگی روزمره را طی چند دهه گذشته اساسآ بعنوان یک موهبت پذیرفته اند. اگرچه از اواسط قرن گذشته مطرح شده است، اما بررسی این حوزه از شیمی به اندازه ای سریع و کاربردی بوده است که افزایش تعداد سیستم های پلیمری را در پی داشته است. همچنین، سه دهه گذشته شاهد ظهور تشعشعات هسته ای بعنوان منبع قدرتمند انرژی در کاربردهای پردازش شیمیایی بوده ایم. بنابراین، می توان آن را در حوزه های مختلف صنعتی به کار برد. این واقعیت که تشعشع می تواند واکنش های شیمیایی را آغاز کند یا میکروارگانیسم ها را از بین ببرد، زمینه را برای کاربرد گستردۀ تشعشع در فرایندهای مختلف صنعتی فراهم می کند. تشعشع هسته ای یک فرایند یونیزاسیون است که با عبور از ماده به الکترون ها و رادیکال های آزاد، یون های مثبت و مولکول های برانگیخته می رسد. گرفتن الکترون توسط مولکول ها نیز می تواند باعث ایجاد آنیون شود. با این حال، طیف کاملی از گونه های واکنش پذیر برای بررسی بیشتر در دسترس شیمیدانان قرار می گیرد. فرایندهای مبتنی بر تشعشع در مقایسه با سایر روش های متداول، مزایای زیادی دارند. برای فرایندهای اولیه، تشعشع با شروع شیمیایی متفاوت است. در پردازش تشعشع، برای شروع واکنش به هیچ کاتالیزور یا مواد افزودنی نیاز نیست. به طور کلی با استفاده از تکنیک تشعشع، جذب انرژی توسط پلیمر پایه آغازگر یک فرایند رادیکال آزاد است. با شروع شیمیایی، رادیکال های آزاد با تجزیه آغازگربه قطعاتی تبدیل شده و سپس به پلیمر پایه حمله می کنند که منجر به ایجاد رادیکال های آزاد می شود.

ساکورادا عملکرد دو فرایند را مقایسه کرده و ارزیابی کرد که تعداد یکسانی از رادیکال های آغازگر در واحد زمان با دوز تشعشع 1 پرتو/ ثانیه یا یک آغازگر شیمیایی تولید می شود؛ برای مثال بنزوئیل پراکسید با غلظت 0.1 مولار استفاده می شود. با این حال، شروع شیمیایی توسط غلظت و خلوص آغازگرها محدود می شود. در پردازش تشعشع نیز نرخ دوز تشعشع را می توان به طور گسترده ای تغییر داده و واکنش را بهتر می توان کنترل کرد. برخلاف روش شروع شیمیایی، فرایند ناشی از تشعشع هیچ گونه آلودگی ندارد. شروع شیمیایی اغلب مشکلاتی ناشی از گرمای بیش از حد موضعی در آغازگر را به دنبال دارد اما در فرایند القای تشعشع، تشکیل نقاط رادیکال آزاد بر روی پلیمر وابسته به دما نیست، بلکه تنها به جذب تشعشع انرژی نافذ توسط ماتریس پلیمری بستگی دارد. در نتیجه، پردازش تابش مستقل از دما است؛ یا به عبارت دیگر، می توان گفت یک فرایند انرژی فعال سازی صفر برای شروع است.

 

نتیجه گیری

در طی 30 سال گذشته، تلاش جهانی به سمت توسعه ایمن تر و پاک تر از طریق فناوری تشعشع بر برخی موانع بزرگ غلبه کرد. با توجه به این واقعیت، تشعشعات هسته ای زمینه را برای ورود آنها به فرایندهای شیمیایی مختلف فراهم کرده است. تکنیک های تابش در زمینه پلیمر به دلیل مزایای منحصر به فرد توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده است. پردازش تابشی معمولآ دارای حاشیه های مهمی نسبت به فرایندهای صنعتی جایگزین است که به استفاده از مواد شیمیایی و گرما بستگی دارد. تقریبآ در هر نوع کاربرد با استفاده از تکنیک تابش، صرفه جویی در انرژی در مقایسه با دیگر فناوری های رقیب بسیار قابل ملاحظه است. قابلیت اطمینان، کنترل سادۀ فرایند، کاهش یا حذف کامل آلاینده های صنعتی و کیفیت برتر از دیگر مزایای این تکنیک محسوب می شوند. در این تکنیک، بیشتر تغییرات ماتریس پلیمری در مرحله ساخت یا پردازش رخ داده است. بهبود بیشتر با کمک پیوند، پیوند عرضی یا پلیمریزاسیون در اکثر لایه های فرآوری شدۀ تجاری با سایر ترکیبات واکنش دهنده نیز می تواند با استفاده از تشعشعات هسته ای امکان پذیر باشد. با این حال، تغییر خاص را می توان پس از مرحله پردازش در مواد پلیمری بدون اثرات ناگهانی بر ماتریس اصلی القا کرد. جدا از مزایای ذکر شدۀ پلیمر تابشی در بالا، تحقیقات به سمت "زیست تخریب پذیری" و "تبدیل زیست توده" پیش می رود. در مورد حل برخی از مشکلات آلودگی محیط زیست ناشی از ترکیبات زیست تخریب ناپذیر، تاکنون دو رویکرد ارائه شده است: یک رویکرد ترکیب گروه های حساس به تشعشع است که می توانند قطع زنجیره را با تشعشع آغاز کنند و دیگری، اصلاح پلیمر است به گونه ای که حلالیت آن بهبود یابد. در مورد تبدیل زیست توده، فناوری تابشی نقش مهمی ایفا می کند.

انسان اساسآ به حیوانات نشخوارکننده بعنوان تبدیل کننده های زیست توده به محصولات با ارزش بالا مانند گوشت، شیر، چرم، پشم و غیره وابسته است. نشخوارکنندگان "مدل اصلی" طبیعت برای مبدل های زیست توده هستند؛ این حیوانات منحصر به فرد با میکروب هایی رابطه همزیستی دارند که پیش از هضم غذا در "معده" آنها زندگی کرده و هر آنچه را که این حیوانات می خورند، تخمیر می کنند. آنها بسترهای سلولزی فیبری را به محصولات ساده تبدیل می کنند. فناوری تشعشع برای ارتقا بسترهای لیگنوسلولزی ضعیف تخمیر شده مانند نی، پوسته، بلال و محصولات جانبی چوب به مواد غذایی قابل تخمیر و مغذی برای نشخوارکنندگان استفاده شده است. از طرفی، اینها را می توان با واکنش های "پیوند" و "پیوند عرضی" انجام داد. اگرچه پردازش تشعشع پتانسیل آماده سازی مواد جدید را دارد، اما کاربردهای موفق در مقیاس بزرگ ناامیدکننده بوده است. شاید طول زمان تابش و هزینه اولیه برای راه اندازی را بتوان بعنوان دلایل اصلی این کاربرد محدود دانست. برای سرعت بخشیدن به واکنش، میدان پردازش تشعشع اکنون از طریق تکنیک های پردازش تشعشع الکترونی به سرعت رو به گسترش است. با این حال، به تحقیقات بیشتری در کاربردهای مقیاس کوچکتر پیوند تابشی با استفاده از منابع Co-60 نیاز است. در این روند به کاهش دوز تشعشع نیاز است؛ به ویژه برای ماکرومولکول های حساس به حرارت و تشعشع مانند سلولز و پلیمرهای نسبتآ بی اثر مانند پلی (تترافلور اتیلن) با دوزهای پیوند نسبتآ بالای مونومرهای خاص مهم است. در نتیجه، در آینده به تحقیقاتی برای کشف افزودنی های جدید با کاهش دوز پیوند به سطوحی حتی کمتر از استفادۀ فعلی نیاز است. در طی سه دهه گذشته، پیشرفت های قابل توجهی در تحقیقات پایه و کاربردی شیمی برتر صورت گرفته است. باتوجه به تحقیقات پایه، سهم انجام شده در این تحقیقات کاربردی بسیار ناچیز است.