نانوکامپوزیت های پلیمری در آینده
افزایش روزافزون استفاده از مواد بسته بندی انعطاف پذیر 38 میلیارد دلار در سطح جهانی هزینه به همراه دارد. با میانگین افزایش سالانۀ 3.5 درصدی تقاضا در بخش صنعتی، مواد انعطاف پذیر به کار رفته در صنعت بسته بندی بایستی بتوانند انتظارات بالای مصرف کنندگان و عوامل استرس زای زنجیرۀ تأمین را برآورد کرده و از آن فراتر روند. با بالا رفتن رقابت بین تأمین کنندگان در چارچوب مقررات دولتی، این مواد به نوآوری هایی در تولید فیلم های بسته بندی تبدیل می شود که عملکرد محصول را بهبود بخشیده و نگرانی های جامعه جهانی از ضایعات بسته بندی را برطرف می کند. یکی از این نوآوری ها، فناوری نانوکامپوزیت پلیمری است که کلید پیشرفت های آینده در صنعت بسته بندی انعطاف پذیر محسوب می شود. طبق یافته های آرون برودی در دسامبر 2003 در مقاله اش در حوزه فناوری مواد غذایی، به نظر می رسد نانوکامپوزیت ها قادر هستند که پلاستیک را بدون حضور تنظیم کننده ها به یک ابر مانع معادل شیشه یا فلز، تبدیل کنند. این مقاله به بررسی چگونگی ساخت نانوکامپوزیت ها و مزایای استفاده از مواد نانوکامپوزیت در صنعت بسته بندی، چه در حال و چه در آینده می پردازد.
پیش بینی رشد فناوری نانو
نانوکامپوزیت ها که بعنوان پلیمرهایی پیوند یافته با نانوذرات به منظور تولید مواد با خواص بهبود یافته تعریف می شوند، سال هاست که وجود داشته اند اما اخیرآ به روند تجاری در صنعت بسته بندی راه پیدا کرده اند. ایالات متحده با بیش از 400 مرکز تحقیقاتی و شرکت با بیش از 3.4 میلیارد دلار بودجه در تحقیقات فناوری پیشرو است. اروپا دارای بیش از 175 شرکت و سازمان است که با 1.7 میلیارد دلار بودجه در زمینه تحقیقات علم نانو فعال هستند. علاوه براین، ژاپن نیز با بیش از 100 شرکت در این حوزه فعالیت می کند. انتظار می رود بازار جهانی نانوکامپوزیت ها تا سال 2008 به 250 میلیون دلار افزایش یافته و این نرخ رشد بین 25-18 درصد در سال پیش بینی می شود.
نحوه عملکرد نانوکامپوزیت ها
نانوکامپوزیت های پلیمری با افزودن فیلر به نانوذراتی که پلاکت های مسطح را تشکیل می دهند، ساخته می شوند. همانطور که در شکل زیر مشخص شده است، این پلاکت ها سپس در یک ماتریس پلیمری پراکنده شده و لایه های موازی متعددی ایجاد می کنند تا گازها را از یک "مسیر غیرمستقیم" پلیمری عبور داده و موانع پیچیده ای را برای گازها و بخار آب تشکیل می دهند.
شکل 1:
ساختار پلیمری نشان دهندۀ خواص مانع بالاتری است. ضریب نفوذپذیری لایه های پلیمری هم با استفاده از دو عامل ضرایب انتشار و حلالیت به صورت زیر تعیین می شود:
پراکندگی بیشتر نانوذرات در یک پلیمر به طور قابل ملاحظه ای نفوذپذیری آن را کاهش می دهد. به گزارش مرکز سیستم های سرباز ناتیک ارتش امریکا، میزان پراکندگی نانوذرات در پلیمر به بهبود خواص مکانیکی و مانع در فیلم های نانوکامپوزیتی حاصل شده نسبت به فیلم های پلیمری خالص مرتبط است. نانوذرات، در مقایسه با فیلرهای سنتی، از سطوح بارگذاری بسیار پایین تری برای دستیابی به عملکرد بهینه برخوردار هستند. معمولآ میزان افزودنی نانوفیلرها کمتر از 5 درصد است که به طور قابل توجهی کاهش وزن فیلم های نانوکامپوزیتی را تحت تأثیر قرار می دهد. این روند پراکندگی منجر به افزایش نسبت ابعاد به سطح می شود که عملکرد پلاستیک نسبت به فیلرهای معمولی را افزایش می دهد.از فیلرهای مختلفی استفاده می شود که رایج ترین آنها یک ماده نانورس به نام مونت موریلونت است که به صورت رس لایه ای اسمکتیک استفاده می شود. خاک رس در حالت طبیعی، برخلاف پلیمرها که آبگریز هستند، آب دوست است. برای سازگاری این دو ماده، قطبیت خاک رس بایستی اصلاح شود تا "ارگانیک" تر شده و بتواند با پلیمرها تعامل موفقیت آمیزی داشته باشد. یکی از روش های اصلاح خاک رس، تبادل کاتیون های آمونیوم آلی با کاتیون های معدنی از سطح خاک رس است. نانوفیلرهای اضافی شامل نانولوله های کربن، پلاکت های گرافیتی، نانوالیاف کربن و همچنین سایر فیلرهای بررسی شده مانند خاک رس مصنوعی، الیاف طبیعی (کنف یا کتان) و POSS (سیلیسکویوکسان الیگومری چند وجهی) هستند. نانولوله های کربنی گران تر از نانوفیلرهای نانورس هستند که به راحتی نیز در دسترس بوده و از هدایت الکتریکی و حرارتی فوق العاده ای برخوردار هستند.
دو تأمین کنندگان اصلی نانو رس ها کمپانی های آمریکایی نانوکور و کلی سوثرن هستند. سه روش متداول برای تقویت پلیمرها با کمک نانو فیلر به منظور ساخت نانو کامپوزیت وجود دارد: ترکیب مذاب، پلیمریزاسیون درجا و روش محلول. ترکیب مذاب یا پردازشِ نانوفیلرها به پلیمر به طور همزمان در صورتی انجام می شود که پلیمر ازطریق اکسترودر، قالب گیری تزریقی یا دیگر دستگاه های پردازش فرآوری شود. پلت های پلیمری و فیلر (رس) با استفاده از نیروهای برشی در فرایند لایه برداری فشرده می شوند. علاوه براین، فیلر در پلیمریزاسیون درجا مستقیمآ در مرحله پلیمریزاسیون به مونومر مایع اضافه می شود. با استفاده از روش محلول نیز فیلرها با کمک حلال هایی مانند تولوئن، کلروفرم و استونیتریل برای یکپارچه سازی پلیمر و مولکول های فیلر به محلول پلیمری افزوده می شوند. با اینکه این حلال ها زیست سازگار نیستند، پردازش مذاب و پلیمریزاسیون درجا پرکاربردترین روش های ساخت نانوکامپوزیت محسوب می شوند.
کاربرد نانوکامپوزیت ها در صنعت بسته بندی
فیلم های نانوکامپوزیت دارای مزایای زیادی هستند و کاربرد گسترده ای نیز بر همین اساس در صنعت بسته بندی دارند. به دلیل الگوهای پراکندگی در فرایند ساخت نانوکامپوزیت، پلاکت ها منجر به بهبود عملکردهای زیر می شوند:
-خواص مانع گاز، اکسیژن، آب و غیره
- مقاومت مکانیکی
- پایداری حرارتی
- پایداری شیمیایی
- قابلیت بازیافت
- ثبات ابعادی
- مقاومت حرارتی
- شفافیت نوری
نانوکامپوزیت ها مصرف بالایی در صنایع نوشیدنی دارند. از پلاستیک های تجاری، انعطاف پذیر و سخت مختلفی همچون پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلی اتیلن (PE) و نایلون برای ساخت نانوکامپوزیت استفاده می شود.
آیندۀ نانوکامپوزیت ها
براساس ارزیابی های انجام شده، تا سال 2009 مصرف مواد نانوکامپوزیت در صنایع غذایی و نوشیدنی 5 میلیون خواهد بود. این رقم تا 2011 به 100 میلیون پوند خواهد رسید. به نظر می رسد صنعت آبجو تا سال 2006، با 3 میلیون پوند مصرف بزرگترین مصرف کنندۀ نانوکامپوزیت باشد و بطری های نوشابه گازدار تا سال 2011 از 50 میلیون پوند نانوکامپوزیت استفاده خواهند کرد. نانوکامپوزیت های پلیمری آینده صنعت بسته بندی جهانی را تضمین می کنند. با کاهش هزینه های تولید و مواد اولیه، شرکت ها از این فناوری به منظور به حداکثر رساندن طول عمر و بقای محصول تولیدی شان از طریق زنجیره تأمین بهره خواهند گرفت تا علاوه بر ارائه محصول با کیفیت، در هزینه های مصرفی هم صرفه جویی کنند. مزایای نانوکامپوزیت ها معمولآ بیشتر از هزینه ها و نگرانی های پیش رو است و با گذشت زمان این فناوری بیشتر تغییر کرده و به توسعه بیشتری نیز می رسد. پژوهش ها در حوزه دیگر فیلرها (برای مثال نانو لوله های کربن) ادامه دارد که به ساختارهای نانوکامپوزیت جدید با خواص بهبود یافتۀ متفاوت اجازه می دهند تا استفاده از نانوکامپوزیت ها را در بسیاری از کاربردهای بسته بندی افزایش دهند.
