پلی آمید 100% زیست پایه، شفاف و پایدار حرارتی

ماده طبیعی 3-carene جزئی از روغن تربانتین، جر ضایعاتی از فرایند تولید سلولز از چوب است. تا به حال، این محصول جانبی در بیش‌تر موارد سوزانده شده است. محققان Fraunhofer  در حال استفاده از فرآیندهای کاتالیزوری جدید برای تبدیل 3-carene به اجزای سازنده برای پلاستیک‌های زیستی هستند. پلی‌آمیدهای جدید نه تنها شفاف هستند، بلکه پایداری حرارتی بالایی نیز دارند.
پلاستیک‌ها جای‌گزین باارزشی برای شیشه یا فلز برای طیف وسیعی از کاربردها هستند. پلی‌آمیدها نقش مهمی در ساخت اجزای ساختاری با کیفیت بالا دارند، زیرا نه تنها در برابر ضربه و سایش مقاوم هستند، بلکه در برابر بسیاری از مواد شیمیایی و حلال‌ها نیز مقاوم هستند. امروزه پلی‌آمیدها به طور عمده از نفت خام تولید می‌شوند.

یک جایگزین پایدار و تجدیدپذیر

مؤسسه IGB Fraunhofer مربوط به مهندسی و بیوتکنولوژی IGB در حال بررسی جایگزینی پایدار و تجدیدپذیر برای تولید پلاستیک‌های جدید با کارایی بالا از ترپن‌های (terpene) [دسته‌ای از مواد آلی هستند که در طبیعت گستردگی فراوانی دارند. اکثراً در گیاهان به عنوان جز اصلی اسانس‌ها می‌باشند. بسیاری از ترپن‌ها هیدروکربن هستند اما ترکیباتی نیز وجود دارند که جز هیدروکربن نیستند و در ساختمان مولکولی آنها اکسیژن وجود دارد ولی جزء ترپن‌ها به شمار می‌آیند مانند الکل‌ها، آلدهید یا کتون‌ها. هیدروکربن‌های ترپنی فرمول مولکولی C5H8)n) دارند.] موجود در چوب غنی از رزین است. مواد طبیعی از درختان مخروطی مانند کاج، کاج اروپایی یا صنوبر در دسترس هستند. در تولید خمیر کاغذ، که در آن چوب برای جداسازی الیاف سلولزی خرد می‌شود، ترپن‌ها در مقادیر زیادی به عنوان یک محصول جانبی یعنی روغن تربانتین، جدا می‌شوند.

مونومرهای حاصل از ضایعات چوب

در پروژه مشترک "TerPa، ترپن‌ها به عنوان اجزای ساختاری برای پلی‌آمیدهای زیست‌‌پایه"، محققان در واحد BioCat Straubing  متعلق به Fraunhofer IGB اکنون موفق به بهینه‌سازی سنتز لاکتام‌ها از ترپن 3-carene و تبدیل آنها به فرآیندی رقابتی، مقیاس‌پذیر در مقیاس بالقوه صنعتی شده ­اند. لاکتام‌ها اجزای سازنده برای تولید پلی‌آمیدها هستند. کارشناسان Straubing پیش‌تر نشان دادند که ترپن‌هایی مانند آلفا-پینن، لیمونن و 3-carene مواد خام مناسبی برای سنتز لاکتام‌های پایه زیستی هستند.

توالی واکنش تک مرحله‌ای مقرون به صرفه

تبدیل 3-carene به لاکتام مربوطه به چهار مرحله شیمیایی متوالی نیاز دارد. ویژگی خاص روش در انتظار ثبت اختراع Straubing این است که تبدیل‌ها می‌توانند به عنوان یک "توالی واکنش تک مرحله‌ای" در یک راکتور مجزا انجام شوند – یعنی نیازی به خالص‌سازی محصولات واسطه مورد نیاز نیست. Paul Stockmann که این فرآیند امیدوارکننده را ایجاد و بهینه کرده است، توضیح می‌دهد: "ما با انتخاب دقیق کاتالیزورها و شرایط واکنش به این مهم دست یافتیم و این روش در زمان و هزینه صرفه‌جویی می‌کند."
Stockmann گفت: "حتی در مقیاس آزمایشگاهی، فرآیند ما بیش از 100 گرم مونومر لاکتام خالص به طور دیاستریومر [دیاسترومرها (Diastereomer) نوعی ایزومر فضایی هستند ‌که فاقد تصویر آینه‌ای  (Mirror Image)  و برهم ‌انطباق‌ناپذیر (Non-superimposable) باشند. دیاسترومرها دارای بیش از یک مرکز فضایی یا مرکز کایرال هستند] در هر دوره تولید تحویل می‌دهد. این مقدار برای تحقیقات اولیه تولید و ارزیابی پلاستیک‌های جدید کاملاً کافی است." مزیت دیگر: برای سنتز لاکتام به هیچ ماده شیمیایی سمی یا خطرناک برای محیط زیست نیاز نیست.

زیست‌پایه، شفاف، پایدار حرارتی

با این وجود، این همه چیز نیست. به دلیل ساختار شیمیایی ویژه 3-carene، زنجیره‌های جانبی ترکیب طبیعی از تبلور پلیمر حاصل جلوگیری می‌کند. دکتر Harald Strittmatter که سرپرست این پروژه در واحد BioCat در Straubing است، می‌گوید: "از این رو پلیمرهای زیست‌پایه ما عمدتاً «آمورف» و بنابراین شفاف هستند که برای پلی‌آمیدهای زیست‌پایه بسیار غیرمعمول است." این باعث می‌شود پلی‌آمیدهای جدید به عنوان سپر محافظ، برای مثال در کلاه یا عینک‌های اسکی مناسب باشند. همچنین می‌توانند با انرژی ورودی بسیار کم‌تری نسبت به پلی‌آمیدهای شفاف پایه نفتی تولید شوند. بر خلاف سایر پلاستیک‌های زیستی که عمدتاً از نشاسته ذرت، گندم یا سیب‌زمینی تولید می‌شوند، پلی‌آمیدهای پایه زیستی با تولید مواد غذایی رقابت نمی‌کنند. در عوض، به جریان ضایعاتی که تاکنون برای تولید انرژی سوزانده شده است، ارزش می‌افزایند.
مزیت دیگر: پلی‌آمیدهای زیست‌پایه جدید دارای خواص حرارتی عالی نیز هستند. Strittmatter می‌گوید: "نقطه انتقال شیشه‌ای پلی‌آمیدهای ما 110 درجه سانتی‌گراد است. بنابراین می‌توانند دائماً در دماهای بالا نیز باشند، برای مثال به عنوان اجزایی در محفظه موتور وسایل نقلیه موتوری." درست است که پلی‌آمیدهای ساخته شده از منابع فسیلی دارای خواص دمایی مشابهی هستند. با این حال، به دلیل دامنه‌های آروماتیک آنها که در پلی‌آمیدهای بر پایه 3-carene وجود ندارند، به مرور زمان تحت تأثیر نور UV تغییر رنگ می‌دهند در حالی که قابلیت آنها را برای کاربردهای فضای باز محدود می‌کند.

Carenelactam  ها  به PA12 و PA6 خواص جدید می‌بخشند

دانشمندان همچنین لاکتام‌های زیست‌پایه را برای تشکیل کوپلیمر با سایر مولکول‌های مونومر تجاری موجود یعنی لورولاکتام (مونومر PA12) و کاپرولاکتام (مونومر PA6) پلیمریزه کرده ­اند. بلورینگی و در نتیجه شفافیت کوپلیمرهای جدید به طور قابل توجهی اصلاح شد. در اصل، پروفایل‌های کاربردی پلاستیک‌های پرکاربرد PA12 و PA6 به طور بالقوه گسترش یافته است.
به دنبال بهینه‌سازی بیش‌تر سنتز مونومر، همکاران در مؤسسه Fraunhofer برای فناوری محیط‌ زیست، ایمنی و انرژی UMSICHT درOberhausen ، این فرآیند را به مقیاس آزمایشی 20 لیتری منتقل می‌کنند و مقادیر نمونه بیش‌تری از لاکتام‌ها را تولید می‌کنند. سپس خواص پلیمرها و کوپلیمرهای جدید با جزئیات بیش‌تری برای شناسایی کاربردهای احتمالی مورد بررسی قرار خواهند گرفت. دانشمندان همچنین قصد دارند که زیست‌تخریب‌پذیری پلی‌آمید جدید را مطالعه کنند. محققان Fraunhofer امیدوارند که در نتیجه آن شرکت‌های علاقه‌مند بتوانند نتایج را به مقیاس صنعتی منتقل کنند.
در پلیمرهای بلوری، زنجیره­‌های پلیمری به صورت منظم در یک راستا قرار می‌­گیرند. نور فرودی بر روی ساختارهای بلور پراکنده می‌­شود به این ترتیب پلاستیک­‌ها مات یا کدر به نظر می‌رسند. از طرف دیگر، اگر زنجیره‌های پلیمری نامنظم باشند (برای مثال به دلیل تداخل زنجیره‌های جانبی با یکدیگر)، از پلیمرهای آمورف صحبت می‌کنیم. نور فرودی پراکنده نمی‌شود؛ پلیمرها شفاف به نظر می‌رسند.

   

منبع خبر

https://phys.org/news/2018-08-percent-biobased-transparent-thermally-stable.html