طرح توجیهی تولید پلیمر های رنگ پذیر با نانو افزودنی ها

.1 معرفی محصول

از سال 1980 که شرکت تویوتا اولین قطعات نانوکامپوزیتی حاصل از پلیمر-خاک رس را جهت استفاده در خودرو تولید کرد نانوکامپوزیتها به صورت تجاری درآمدند. پیشرفت هایی که در زمینه توانایی تعیین مشخصات، تولید و دستکاری مواد نانومقیاس ایجادشده باعث گردیده تا از آنها به عنوان

مواد پرکننده1 در گونههای جدید نانو کامپوزیت ها استفاده شود. نانوکامپوزیتهای حاصل از پلیمرها و نانوذرات فلزی، اکسیدها و سایر مواد افزودنی، مقاومت کششی، مدول و دمای اعوجاج حرارتی بسیار خوبی دارند. همچنین بعضی ویژگیهای کامپوزیتها مانند رنگ و شفافیت، رسانایی، مقاومت در برابر سوختن، عایق بودن، ویژگیهای مغناطیسی و ضدخوردگی به واسطه نانومواد بهبود یافتهاند.

نانوکامپوزیت به دسته خاصی از کامپوزیت گفته می شود که حداقل یکی از اجزای آنها نانومقیاس باشد. بیشتر نانوکامپوزیتها دارای مقدار کمی عموماً( کمتر از 5 درصد وزنی) از پرکننده های معدنی ورقهای و یا نانولوله های کربنی دارای ساختار منفرد میباشند. یک کامپوزیت مادهای متشکل از دو یا چند جزء با ویژگیهای فیزیکی متفاوت است که هر کدام از این مواد باعث ایجاد ویژگیهای مثبتی در ماده نهایی میگردند. در نانوکامپوزیتها حداقل یکی از اجزا نانوذرهای است که که موجب ایجاد خواص مورد نظر میگردد. مبنای این موادعموماً یک رزین یا پلیمر است که نانوذرات را به یکدیگر پیوند میدهد. نسبت به مواد کامپوزیتی معمول (که از پرکنندههایی همچون تالک، سیلیکون، یا پرکنندههای کربنی بهره میبرند) نانوکامپوزیتها موجب ایجاد استحکام بیشتر، شکنندگی کمتر،

مقاومت بیشتر در برابر آتش، رسانایی بیشتر و یا رنگ پذیری بهتر میگردند. پرکنندههای نانوذرهای را میتوان در حجم های بسیار پایینتر استفاده کرد که این کار موجب کاهش وزن و هزینه میگردد. به طور ایدهآل، مواد نانوکامپوزیتی را میتوان با قالبها و فرآیندهای موجود و بدون هیچ سرمایهگذاری عمده جدید تولید نمود.

از دهها سال پیش مواد نانوساختار شناخته شده و مورد استفاده قرار میگرفتهاند. به عنوان مثال، لاستیک های دودهای تقویت شده که از دهه های نخستین قرن بیستم در تایرهای اتومبیل مورد استفاده قرار میگرفتهاند نیز یک نوع نانوکامپوزیت هستند. در ساخت نانومواد اولیه مذکور کنترلی بر ساختار و ریخت این مواد وجود نداشت و علت پیدایش خواص منحصربهفرد آنهاکاملاً ناشناخته بود.

نانوکامپوزیتهای تجاری اولیه بر پایه نایلون ساخته شده بودند. شرکت تویوتا اولین نسل این مواد را در دهه هشتاد ساخت. این ماده یک نایلون پرشده با مونتموریلونیت بود و در تسمه تنظیم زمان اتومبیل مورد استفاده قرار گرفت.

در دهه نود، نانوکامپوزیتهای نایلونی مبتنی بر پرکنندههای نانولوله کربنی به شکل گستردهای مورد استفاده قرار گرفتند.این مواد به صورت اجزای پراکنده سازی الکتریسیته ساکن در سیستمهای سوخت اتومبیل و هد های خواندن-نوشتن رایانهای به کار رفتهاند.

به دلیل ابعاد نانومقیاس پرکننده های مورد استفاده در نانوکامپوزیتها، بر هم کنش بین پرکننده و ماتریس با برهمکنش موجود در کامپوزیتهای معمولی متفاوت است. این برهمکنش ها با شکلهای

مختلف روی ویژگیهای فیزیکی نانوکامپوزیتها اثر میگذارد. این مطالعه به خواص نانوذرات برای رنگ پذیری پلیمرها پرداخته است.

پرکنندههای نانومقیاس نور را به گونهای متفاوت با ذرات بزرگتر، جذب و بازتابش میکنند، زیرا اغلب اندازه این مواد کوچکتر از طول موج نور است. به عنوان مثال، ذرات دی اکسید تیتانیوم با ابعاد معمولی سفید رنگ هستند، در حالی که رزین ادغام شده با نانوذرات دی اکسید تیتانیوم نیمه شفاف به نظر میرسد. این خصوصیت برای برخی از پوششهای نانوکامپوزیتی نقطه قوتی محسوب می شود، زیرا ذرات موجود در این پوششها به دلیل کوچکی بر روی جلای سطوح نهایی اثر نمیگذارند.

همچنین به کمک این ویژگی نانوکامپوزیت ها، میتوان مواد رسانای نیمه شفاف ساخت، که یکی از اجزای مهم صفحات نمایش هستند.

همچنین برای مثال پلی پروپیلن یکی از پرمصرف ترین پلیمر های مصنوعی (سنتزی) جهان است که به علت قیمت مناسب، خواص ویژه و فرآیندپذیری خود، همچنان پرمصرف باقی مانده است. مشکل عمده کار با این پلیمر ضعف در رنگ پذیری است به همین علت وقتی از آن در بافت فرش یا زیرانداز استفاده می شود، تنوع رنگ ها کم و ثبات نوری و مقاومت در برابر شستشوی رنگ هم پایین است. همچنین در پلی پروپیلن ناممکن بودن تغییر رنگ نیز مشکل دیگر این حوزه است. برای حل این مشکلات روش هایی در برخی کشورهای توسعه یافته استفاده می شود که بخشی از آن استفاده از افزودنی های نانویی است.

مقدمه ای بر تجاری سازی تولید پلیمرهای رنگ پذیر با نانو افزودنی

فناوری نانو مملو از اصطلاحات مبهم است و افراد گوناگون با به کار بردن کلمات یکسان، به چیزهای کاملاً مختلفی اشاره میکنند. تجاری سازی در این مقوله فناوری نیازمند درک مشترک از مفهوم این فناوری است. مقبول ترین تعریف از فناوری نانو عبارت است از مهندسی هدفمند مواد در مقیاس کمتر از 100 نانومتر (nm) برای به دست آوردن ویژگی ها و عملکردهای وابسته به اندازه١. سه قسمت این تعریف محدوده فناوری نانو را مشخص می کند. مقیاس کمتر از 100 نانومتر برای نقطهای است که در آن ویژگیهای مواد (به شکل وابسته به اندازه) به دلیل اثرات مکانیک کوانتومی، افزایش بسیار زیاد در مساحت سطحی، یا اثرات دیگر خودشان را در مقیاس نانو نشان می دهند، تغییر می یابد. ویژگیها و عملکردهای وابسته به اندازه اصلیترین قسمت تعریف می باشد. کاربردهای فناوری نانو شامل مواد و

ساختارهایی میباشند که نه تنها کوچک بوده، بلکه کوچک و متفاوت هستند.

مورد مشابه برای فناوری نانو را باید در فناوریهای عمومی دیگری در تاریخ جستجو کنیم که کاربردهای بسیار وسیعی داشتهاند. به طور کلی این فناوریها تأثیر بسیار زیادی در موفقیت یا شکست صنایعی دارند که آنها را پذیرفتهاند؛ اما هویت و موجودیت این صنایع را تشکیل نمی دهند. این فناوریها ابزارهای جدیدی ایجاد میکنند و موجب ایجاد صنعت جدیدی نمیشوند. زمانی که هنری فورد از روشهای تولید خطی و پیوسته برای تولید خودرو مدل T در دهه 1910 استفاده کرد، شرکت او توانست هزینههای تولید محصول را تا 63 درصد کاهش دهد، بر رقبای خود چیره شود، و ارزش

سهامی به مراتب بیشتر از رقبای خود به دست آورد؛ اما فورد همچنان یک شرکت خودروسازی بود که در زمینه تولید خودرو فعالیت داشت، نه یک تولید کننده عمومی خط تولید که در »صنعت تولید خط تولید« فعالیت داشته باشد. از این رو نکته حائز اهیمت این است که پلیمرهای رنگ پذیر با نانو افزودنی ها می توانند باعث تغیر و تحول در بخشی از صنایع خودرو سازی، لوازم خانگی و ... گردند.

نکات مهم برای تجاری سازی پلیمرهای رنگ پذیر با نانو افزودنی ها

برای درک منطقی تجاری سازی پلیمرهای رنگ پذیر با نانو افزودنی ها، باید ابتدا از سه باور غلط در مورد فناوری نانو رها شد.

باور عمومی غیردقیق » : 1صنعتی به نام فناوری نانو وجود دارد.« بسیاری از فعالان حوزه کسب و کار فناوری نانو بر این باورند که یک صنعت یا بخش نوظهور به نام فناوری نانو وجود دارد که از

»شرکتهای فناوری نانو« همفکر با پیشرانهای و چالشهای تجاری مشابه تشکیل شده است و همگی

»محصولات فناوری نانو« را به فروش میرسانند. این مفاهیم هم غیردقیق و هم نامفید میباشند، چرا که فناوری نانو در بخشهای مختلفی گسترده شده است. الکتریسیته موجب ایجاد کاربردهای بسیار متنوعی از جمله روشنایی، تلفن، و صنعت نیمههادی ها شد، اما تمام این کاربردها چنان وسیع میباشند که به غیر از استفاده از فناوریهای بنیادی مشترک، هیچ وجه اشتراک دیگری باهم ندارند. این امر در مورد فناوری نانو نیز صدق میکند. شرکت نوپای C Sixty سازنده داروهای محافظت کننده

اعصاب1 با استفاده از خاصیت آنتیاکسیدانی فولرین است و شرکت American Bowling Services از فولرینها برای ساخت توپ های بولینگ با ساختار سطحی نانو (که مسیر مورد نظر را بهتر طی میکند) بهره می برد. این دو شرکت به هیچ طبقهبندی صنعتی یکسانی تعلق ندارند.

باور عمومی غیردقیق » :2اگر نانو هست، پس جدید است.« آنچه به طور روشن در فناوری نانو جدید میباشد، مهندسی هدفمند برای به دست آوردن ویژگیهای وابسته به اندازه میباشد.

باور عمومی غیردقیق » : 3اگر نانو است، پس قابلیت سودآوری بالایی دارد.«کاربردهای فناوری نانو از قبل در محصولات متنوعی وارد شده که با حاشیه سود پایین به فروش میرسند. این حاشیه سود پایین به دلیل ویژگیهای مشتریان و محصولات میباشد که تغییر نخواهد کرد. با وجودی که خریداران در ابتدا مقدار کمی هزینه اضافی بابت ویژگی های متفاوت محصول فناوری نانو پرداخت میکنند، اما این امر زمان زیادی دوام نخواهد داشت.