توسعه صنعت فلوئرو پلیمر

مروری بر توسعه صنعت فلوئرو پلیمر

این مقاله به طور خلاصه به بحث در مورد توسعه صنعت فلوروپلیمر در طی 70 سال گذشته پرداخته است. فلوروپلیمرهای صنعتی من جمله پلی تترا فلوئورواتیلن، پلی کلروتری فلوئوراتیلن (PCTFE)، پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF)، پلی وینیل فلوراید، ETFE، ECTFE، FEP، PFA، THV، تفلون AF و Cytop نیز در اینجا مورد بررسی قرار گرفته اند. نافیون بعنوان یک ماده فلوروپلیمری عملکردی خاص در این مقاله گنجانده شده است. این فلوروپلیمرهای صنعتی به ترتیب زمان کشف یا اولین تولید معرفی می شوند که شامل ساختار شیمیایی، خواص حرارتی، خواص مکانیکی، خواص الکتریکی و الکترونیکی، خواص نوری، مقاومت شیمیایی، پایداری اکسیداتیو، پایداری اقلیمی، فرآیندپذیری و برنامه های کاربردی آنها است. شرکت های اصلی تولید کننده انواع مختلف محصولات فلوروپلیمری نیز در اینجا ذکر شده اند.

فلوروپلیمرها مواد پلیمری حاوی اتم های فلوئور در ساختار شیمیایی خود هستند. باتوجه به مفاهیم کلی پلیمرهای آلی، دو دسته مواد فلوروپلیمری وجود دارد؛ پلیمرهای پرفلوروپلیمر و پلیمرهای فلوئوردار جزئی. در پرفلوروپلیمرها، تمام اتم های هیدروژن در ساختارهای پلیمری هیدروکربن مشابه با اتم های فلوئور جایگزین شدند. در پلیمرهای فلوئوردار جزئی، هر دو اتم هیدروژن و فلوئور در ساختارهای پلیمری وجود دارند. صنعت فلوروپلیمری مورد بحث در اینجا اساسآ به پرفلوروپلیمرها مربوط می شود؛ اگرچه در برخی موارد پلیمرهای فلوئوردار جزئی را نیز شامل می شود. در دسته دوم، هر دو اتم هیدروژن و فلوئور در ساختارهای پلیمری همراه با عنصر اضافی در موارد انتخاب شده مانند PVDF و PCTFE وجود دارد. فلوروپلیمرها از خواص منحصر به فردی مانند مقاومت شیمیایی بالا، پایداری اقلیمی، انرژی سطحی کم، ضریب اصطکاک پایین و ثبات دی الکتریک پایین برخوردار هستند. این خواص از ساختار الکترونیکی ویژۀ اتم فلوئور، پیوند کووالانسی پایدار کربن- فلوئور و برهمکنش های درون مولکولی و بین مولکولی منحصر به فرد بین بخش های پلیمری فلوئوردار و زنجیره های اصلی ناشی می شود. همچنین به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی خاص شان، کاربرد گسترده ای در صنایع شیمیایی، الکتریکی/ الکترونیکی، ساختمانی، معماری و خودروسازی دارند. در حال حاضر، مصرف جهانی فلوروپلیمرها به شدت رو به افزایش است. فروش جهانی آنها نیز در سال 2000 از 20 میلیارد دلار در مقایسه با 1.5 میلیارد دلار در سال 1994 فراتر رفت. حتی اگر این صنعت مانند سایر صنایع تحت تأثیر رکود اقتصادی سال 2008 قرار می گرفت، تا امروز با احیای اقتصاد جهانی چرخش قابل ملاحظه ای را در اقتصاد بازارهای فلوروپلیمرها به ویژه در وسایل نقلیه موتوری، سیم و کابل، باتری های پیشرفته، پیل های سوختی و ماژول های فتوولتائیک تجربه کرده بود. این مقاله توسعه محبوب ترین فلوروپلیمرهای صنعتی را همراه با ساختارهای شیمیایی، خواص کلیدی و برنامه های کاربردی شان مورد بحث قرار می دهد. برای کسب اطلاعات بیشتر می توانید به کتاب ها و مجلات منتشر شده قبلی در زمینه فعالیت های مونومر، روش های پلیمریزاسیون، روش های پردازش، خواص پلیمر و کاربرد آنها مراجعه کنید.

توسعه صنعت فلوروپلیمر از دهه 1930 تا 1990

توسعه صنعت فلوروپلیمر با کشف پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) توسط دکتر پلانکت در دوپونت در سال 1938 آغاز شد. پودر سفید رنگی که به طور تصادفی کشف شد، دریچۀ جادویی را به روی یکی از مهم ترین حوزه های شیمی کاربردی به نام "صنعت فلوروپلیمر" باز کرد که در 70 سال بعد سراسر جهان را تحت تأثیر قرار داد. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، PTFE یک پلیمر خطی تهیه شده از تترافلوئورواتیلن (TFE) است.

شکل 1:

تهیۀ PTFE به دلیل خواص شیمیایی TFE بسیار خطرناک است. با این حال، به تجهیزات خاصی برای تولید و فرآوری آن نیاز است. همچنین، ساختار شیمیایی PTFE شبیه به پلی اتیلن (PE) است؛ با این تفاوت که اتم های هیدروژن به طور کامل با فلوئور جایگزین می شوند. برخلاف تأیید زنجیره زیگزاگ پلنر PE، PTFE به دلیل حجم بالای فلوئور در زنجیره هلیکال (مارپیچی) تأیید شده است. زنجیره های پلیمری مارپیچ سفت و سخت می توانند به راحتی متبلور شده و منجر به تبلور بالا (تا 98 درصد) شوند. همچنین به دلیل ساختار کریستالی فشرده و اتم های متراکم فلوئور، PTFE سنگین ترین ماده پلیمری با چگالی 2.1 گرم بر سانتی متر مکعب است. ساختار زنجیرۀ پلیمری سفت و سخت همچنین باعث افزایش دمای ذوب (تا 320 درجه سانتیگراد) و ویسکوزیته مذاب بالا در PTFE می شود که پردازش آن را از طریق روش های سنتی برای مواد پلیمری دشوار می کند.

حال و آیندۀ صنعت فلوروپلیمر

صنعت فلوروپلیمر از ابتدای قبرن بیستم تاکنون هیچ محصول جدیدی ارائه نکرده است. محصولات موجود می توانند اکثر نیازهای مربوط به کاربردهای صنعتی خود را برآورد کنند. تلاش های فعلی بر به حداقل رساندن هزینه های تولید و گسترش بازارهای کاربردی با توسعه مداوم جهانی سازی (مانند سایر صنایع) متمرکز هستند. امریکای شمالی به دلیل تقاضای قابل توجه در بازارهای سیم و کابل، همچنان غالب ترین بازار برای فلوروپلیمرها محسوب می شود. انتظار می رود که منطقه آسیا- اقیانوسیه سریع ترین بازارهای رو به رشد برای فلوروپلیمرها باشند که رشد فوق العادۀ آن در انحصار کشورهای ژاپن، چین و هند است. در جدول زیر، خلاصه ای از کاربردهای رایج فلوروپلیمرها در بخش های مختلف صنعتی ارائه شده است.

جدول 1:

FEP و PVDF پرکاربردترین محصولات فلوروپلیمری هستند که در سلول خورشیدی و فیبر نوری استفاده می شوند. انتظار می رود PVDF به دلیل استفادۀ بالا در باتری های لیتیوم یونی و پوشش های معماری، رشد بسیار زیادی داشته باشد. توسعه بازارهای فرآوری شیمیایی، ظروف آشپزی، ظروف قنادی و تجهیزات پزشکی نیز نیروی محرکه مهمی برای صنعت فلوروپلیمر است. در جدول زیر خواص کلی اکثر محصولات فلوروپلیمر به طور خلاصه بیان شده است.

جدول 2:

برای انتخاب ماده مناسب در یک کاربرد خاص، لازم است که تمام خواص مربوطه و هزینه کلی گزینه های فلوروپلیمر کاملآ مورد بررسی قرار بگیرند. از آنجایی که خواص فلوروپلیمرها در اکثر موارد با هم همپوشانی دارند، ممکن است چندین انتخاب وجود داشته باشد. با این حال، بایستی الزامات، هزینه، سود و مزیت رقابتی محصول نهایی را نیز در نظر گرفت. همزمان با توسعه این صنعت، نگرانی های بیشتری از اثرات ایمنی و زیست محیطی این مواد بروز می کند. برای مثال، مردم از این امر نگران هستند که فلوروپلیمرها ممکن است باعث ایجاد آلاینده های فلوئوردار در محیط زیست شوند که می تواند سیستم بیولوژیکی کل کرۀ زمین را تهدید کند. این آلاینده های نگران کننده عبارتند از تری فلورواستیک اسید (TFA) و اسید پرفلوئورواکتانوئیک (PFOA). اما محققان تأکید کردند که هیچ مدرکی مبنی بر خطرناک بودن TFA ایجاد شده از فلوروپلیمرها برای سلامتی انسان وجود ندارد. با این حال، از آنجایی که TFA ماندگاری بالایی دارد؛ می تواند در محیط زیست منتشر شده و برای حیات گیاهی مشکل ساز شود. چندین آژانس دولتی من جمله کمیسیون ایمنی محصولات مصرفی ایالات متحده (CPSC)، سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) و آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA) ایمنی محصولات فلوروپلیمری را مورد بررسی و مطالعه قرار داده و در نهایت، آژانس های نظارتی ایالات متحده و بین المللی همچون FDA و سازمان ایمنی غذای اروپا ایمنی محصولات فلوروپلیمر را در کاربردهای مختلف در چارچوب دستورالعمل های صنعتی تأیید کردند. به طور خلاصه می توان گفت که فلوروپلیمرها در 70 سال گذشته راه طولانی را پیموده اند و بدون شک، بسیاری از موارد جدید توسعه یافته و کاربردهای جدیدی را برای مواد قدیمی رقم خواهند زد.