برگردان: مهندس حسن قرمزچشمه
مقدمه

شیمی پلیمر یکی از سرفصل‌های مهم در دویست‌ و چهل دومین جلسه‌ی ملی انجمن شیمی امریکا بود که از 28 آگوست تا 1 سپتامبر 2011 در Denver امریکا برگزار شد. در این مقاله برخی از موارد جالب ارائه شده در مورد پوشش‌های پلیمری مرور می‌شود. بخش ACS شیمی پلیمر (POLY) در 17 نشست و در زمینه‌های مختلفی از شیمی پلیمر سازمان‌دهی شده و بیش از 650 ارائه مورد بررسی قرار گرفته است. بخش ACS مواد پلیمری: علوم و مهندسی (PMSE) در 16 نشست و در زمینه‌های مختلف از علوم و مهندسی پلیمر سازمان دهی و 300 ارائه مورد بررسی قرار گرفته است.
نشست پوشش‌های پلیمری در مورد محیط زیست، انرژی و تحمل‌ شرایط سخت، شامل غشاهای پلیمری با تحمل دمای بالا برای سلول‌های سوختی و وسایلی که تحمل انرژی بالا را دارند مور بررسی قرار گرفتند، در این نشست پروفسور Brian C. Benicewicz کارهای خود در مورد فراورش غشاهای پلیمری برای کاربرد در سلول‌های سوختی و خالص سازی هیدروژن را ارائه داد.
سل‌ژل‌های پلی‌بنزیمیدازول– پلی‌فسفریک اسید، مواد بادوامی برای غشاهای الکترولیت پلیمری در سلول‌های سوختی قابل حمل، ثابت و سلول‌های مربوط به حمل و نقل که تا دماهای بالاتر از 2000 C عمل می‌کنند، تولید می‌کنند. همان غشاها می‌توانند برای پمپ هیدروژن و خالص‌سازی هیدروژن نیز مورد استفاده قرار گیرند.
پوشش‌های پلیمری مناسب برای محیط زیست، انرژی و تحمل شرایط سخت، همچنین رویکردهایی برای پوشش‌های بسیار مقاوم با سطوح دوگانه (آب‌دوست ـ چربی‌دوست) از طریق چینش‌ خود به خودی لایه‌ها مورد بررسی قرار گرفت و پروفسور Dean C. Webster کارهای خود درباره‌ی پوشش‌های ضد خزه نوین را ارائه کرد. این سیستم نوین شامل یک سیستم پوششی تک لایه با سطح دوگانه برای مقاومت در برابر چسبیدن ارگانیزم‌های دریایی و یک زیرلایه‌ی چقرمه و مقاوم برای اطمینان از چسبندگی به لایه‌ی آستر اپوکسی است. پلی(سولفوبتائین متاکریلات) پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان بهبودیافته نیز معرفی شد.

پرفسور Webster جایزه‌ی PMSE Roy W. Tess در پوشش را دریافت کرد و نطق اصلی او در مورد رویکردهایی برای به چالش کشیدن طراحی پوشش‌های نوین با تنوعی از ویژگی‌های کاربردی سطح بود. پوشش‌های حفاظتی باید به طور همزمان عملکردهای متنوعی مانند ویژگی سدگری، سختی، شکل‌پذیری داشته باشند، به طور مثال پوشش‌های دریایی و زیستی ملزم به داشتن ویژگی‌های سطحی منحصر به فردی هستند که عموماً متفاوت از ویژگی‌های توده‌ی پوشش می‌باشند. رسیدن همزمان به ویژگی‌های سطحی و توده یک چالش محسوب می‌شود و شامل فهم ارتباط بین ترکیب مولکولی پلیمر و ویژگی‌های آن است. ارتباط ویژگی‌های ساختاری و چینش خود به خود اجزای با انرژی سطحی کم در کوپلیمرهای بلاک شده اجازه طراحی پوشش‌های دریایی ضد خزه‌ی چقرمه و با پایداری بالا را می‌دهد.
در یک جلسه‌ی چند روزه در بخش پوشش‌های پلیمری در مورد محیط زیست، انرژی و تحمل شرایط سخت شامل 33 مقاله روی کاربردهای نوین پلیمر در پوشش‌های دریایی ضد خزه، پوشش‌های ضد یخ، سلول‌های خورشیدی و سلول‌های سوختی برگزار شد.
غشاها پوشش‌های تراوایی هستند که آند و کاتد در سلول‌های سوختی را از هم جدا می‌کنند. پلیمرهای بر پایه‌ی پلی‌بنزیمیدازول (PBI) موادی بسیار عالی برای غشاهای الکترولیت پلیمری (PEM) در سلول‌های سوختی قابل حمل، ساکن و سلول‌های مربوط به حمل و نقل که همگی در دماهای بالاتر از 2000 C کار می‌کنند، هستند. غشاهای بر پایه‌ی PBI که فسفریک اسید در آنها القا شده است (doped) می توانند بدون رطوبت‌زایی خارجی و بدون کنترل آب‌پوشی و مدیریت پمپ هیدروژن الکتروشیمیایی عمل کنند.
هیدروژن بیشتر در حالت ترکیب یافت می‌شود و باید جدا شده و برای تبدیل به گاز هیدورژن احیا شود. گاز هیدروژن کاربردهای صنعتی بسیاری در فرایندها دارد و یکی از گزینه‌ها برای سوخت وسایل حمل و نقل، در سوخت‌های احتراقی و سلول‌های سوختی که تولید الکتریسته می‌کنند، می‌باشد.
سلول‌های سوختی PEM معمولاً از غشاهای PBI و الکترولیت فسفریک اسید (PA) استفاده می‌کنند. هر چند که آماده‌سازی متداول نیاز به مراحل بسیاری دارد و در آن از حلال‌های آلی هم استفاده می‌شود که باید تبخیر شوند.
فرایند پلی‌فسفریک اسید (PPA)، که در آن فیلم‌های PBI مستقیماً از محلول PPA قالب‌گیری می‌شوند، شرح داده شد. هم PPA و هم PBI رطوبت‌گیر هستند؛ PPA و آب در مکان تشکیل PA می‌دهند. مونومرهای PBI در 115% PPA حل می‌شوند، گرما می‌بینند و به حالت فیلم پلیمریزه می‌شوند، این تغییر به حالت گذار سل ـ ژل هنگامی که دما کاهش می‌یابد و PPA به PA و فیلم poly-PBI (PPBI) با اسید بالا هیدرولیز می‌شود، روی می‌دهد.
در دمای Cº75، رسانایی یون فیلم غشاهای PPBI-PPA شبیه به نفیون (تترافلورواتیلن سولفونه شده) است، اما زمانی که دما به Cº175 افزایش می‌یابد، رسانایی فیلم PPBI-PP بیشتر از 20 برابر نفیون می‌شود. با فشار معمولی آند هیدروژن و کاتد اکسیژن، ولتاژ سلول تقریباً ثابت می‌ماند، افت با سرعت 5 V/h در 18000 ساعت (دو سال) و دانسیته‌ی جریان ثابت روی می‌دهد. هیچ رطوبت‌افزایی خارجی به کار گرفته نمی‌شود. نشت PA قابل چشم‌پوشی بود، به عبارت دیگر PA در سلول باقی می‌ماند.
با توجه به این موضوع که علاوه بر این 5-50 وات برق برای کامپیوتر‌های لپ‌تاپ، GPS و ابزارهای ارتباطی و 1-10 kW برق برای واحد‌های پشتیبانی سلول‌های سوختی، پمپ هیدروژن الکتروشیمیایی، شرح داده شد. پمپ هیدروژن مثل یک سلول سوختی کار می‌کند: هیدروژن مولکولی وارد بخش آندی می‌شود و به پروتون‌ها و الکترون‌ها اکسید می‌شود؛ پروتون‌ها از میان غشا رانده می‌شوند و الکترون‌ها از میان عناصر رسانای خارجی رانده می‌شوند؛ پروتون‌ها و الکترون‌ها برای تشکیل گاز مولکولی دوباره با هم ترکیب می‌شوند. (در یک سلول سوختی، الکترون‌ها در آند با پروتون اکسیژن را احیا می‌کنند و آب تشکیل می‌شود). تفاوت آن با یک سلول سوختی گالوانیک این است که پمپ در یک الکترولیت عمل می‌کند، که احتیاج به انرژی برای حرکت پروتون‌ها دارد. هیدروژن می‌تواند پمپ شود و در یک ابزار ساده و غیرمکانیکی خالص‌سازی ‌شود. پمپ هیدروژن غشای PBI می‌تواند جریان‌های هیدروژن رقیق را تصفیه کند و از گاز‌های دیگر مانند مونوکسید کربن و هیدروکربن‌ها تأثیر نپذیرد.
کاربردها و فواید محتمل شامل:
• بازده‌های بسیار بالا
• خالص‌سازی جریان‌های گاز
• از بین بردن CO و CO2 از جریان‌های سوختی
• جدایی هیدروژن از گاز‌های حامل
• قابل کاربرد برای گاز‌های طبیعی، ذغال سنگ و متانول
• تنظیم فشار جریان‌های گاز هیدروژن
• از بین بردن واکنش‌های پیچیده‌ی احیای اکسیژن
فراورش PPBI-PPA از PEM دارای کاربردهایی در سلول‌های سوختی ثابت و قابل حمل و پمپ‌های هیدروژن است و مقاومت بالا، پایداری ولتاژ و بیش‌تر از 10000 ساعت نگهداری PA نیز دارد.


رویکردها نسبت به پوشش‌های مقاوم با سطوح دوگانه از طریق چینش‌ خود به خودی لایه‌ها
پروفسور Dean C. Webster، از دانشگاه ایالت دکوتای شمالی، فارگو، کارهای خود را در مورد پوشش‌های ضد‌خزه‌ی نوین ارائه داد.
خزه‌های روی پوشش بدنه‌ی کشتی منجر به بسیاری پیامدهای نامطلوب می‌شوند، این پیامدهای نامطلوب شامل افزایش مصرف سوخت، آلودگی هوا و انتقال گونه‌های غیراصلی می‌شوند.
مشکلات فناوری‌های کنونی شامل:
• پوشش‌های سمی (با پیامدهای بوم‌شناختی)
• پوشش‌های غیرسمی (پوشش‌های آزاد کننده‌ی خزه‌ها)
• تمیز و پاک کردن بدنه (پوشش‌های سخت)
پوشش‌های دریایی معمولاً با سطوح دوگانه و ترکیب توده‌ی چقرمه طراحی می‌شوند. پوشش‌های ضد خزه بر پایه‌ی پلیمرهای آب‌دوست مثل پلی‌اتیلن‌گلایکول یا پلیمرهای جفت یونی (zwitterionic) هستند، که می‌توانند در برابر جذب پروتئین مقاومت کنند، اما نمی‌توانند در مقابل چسبیدن موجودات خزه‌ای بزرگ در محیط‌های دریایی مقاومت کنند. به عبارت دیگر، پلیمرهای آب‌گریز مثل پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS)، مانع از جذب ارگانیزم‌هایی مانند باکتری‌ها و موجودات آغازیان نمی‌شوند، اما در مقابل چسبیدن موجودات خزه‌ای بزرگ مقاومت می‌کنند. Webster یک سیستم پوششی تک لایه با هر دو ویژگی طراحی کرده است و می‌تواند در یک مرحله اعمال شود، که هم سطح دوگانه و هم توده‌ی زیرلایه‌ی مقاوم و چقرمه به دست ‌آید. روش Webster شامل اتصال گروه‌های آب‌دوست به PDMS و سپس شبکه‌ای کردن آن با یک پلی‌یورتان بود.
پوش‌های آزادکننده‌ی خزه‌ها پوشش‌هایی هستند که ارگانیزم‌های دریایی کم به آنها می‌چسبند. یک مثال از این مورد الاستومرهای سیلیکونی هستند، که انرژی سطحی کم و مدول کم دارند، اما مشکل چقرمگی و چسبیدن به آستر دارند.
موجودات اولیه دریایی و جلبک‌ها به هزار نوع مختلف به سطوح می‌چسبند و چالش پیش‌ رو طراحی یک پوشش است که برای همه‌ی آنها چسبندگی کمی داشته باشد. پلی‌اتیلن‌گلایکول (PEG) و پلی‌(سولفوبتائین) در برابر پروتئین‌ها مقاوم هستند و زمانی که با یک پلیمر آب‌گریز ترکیب می‌شوند، یک سطح دوگانه ایجاد می‌شود.
مفهوم پوشش‌های با چینش خود به خودی در این نشست شرح داده شد: پلی‌ال‌ها و پلی‌ایزوسیانات برای تشکیل پلی‌یورتان چقرمه با هم ترکیب می‌شوند، که چسبندگی خوبی به لایه‌ی زیری که آستر اپوکسی باشد، دارند. سپس، PDMS، که انرژی سطحی کمی دارد، با پلی‌یورتان شبکه‌ای می‌شود. یک PDMS با عاملیت اسیدی(A-PDMS)، در مقایسه با PDMS و سیلیکون‌های استاندارد درصد بیشتری از ارگانیزم‌های کوچک دریایی را از بین می‌برد. با این وجود، صدف‌های کوچک دریایی محکم به سطوح APDMS می‌چسبند.
کوپلیمرهای بلاک پلی (سولفوبتائین متاکریلات) – PDMS (poly-SBMA-PDMS)، این مواد از آن جایی که نسبت به ارگانیزم‌های دریایی غیرسمی هستند بیش‌تر مورد توجه قرار می‌گیرند و در مقایسه با PDMS و سیلیکون‌های استاندارد، درصد بیش‌تری از ارگانیزم‌های دریایی را از بین می‌برند.
زنجیر‌های طویل PEG (بخش آب‌دوست) به PDMS هایی که گفته شد، پیوند زده می‌شوند. کوپلیمرهای نوین سیلکوکسان – پلی‌‌اتیلن‌گلایکول با یک زنجیر اصلی از سیلوکسان، عاملیت‌های آمین انتهایی و تعداد متنوعی از زنجیرهای PEG آب‌دوست معلق سنتز شدند، این سنتز با دقت بر کنترل تعداد زنجیرهای PEG آب‌دوست، سیلوکسان و طول زنجیر PEG و عاملیت آمین انتهایی انجام شد، اما مشخصات آنها به طور کامل در جلسه‌ی Denver گزارش نشد.

از پلیمرها تا پوشش‌ها: قوانین طراحی مواد موظف پیچیده

پرفسور Webster جایزه‌ی PMSE Roy W. Tess در پوشش را دریافت کرد و نطق اصلی او در مورد رویکردهایی برای چالش‌های پیش‌رو در طراحی پوشش‌های مقاوم و نوین بود.
ویژگی‌های پلیمرها در مقیاس ماکرو مستقیماً به ترکیب آنها مربوط می‌شود و چالش پیش‌ رو طراحی پلیمرهایی است که مجموعه‌ای از ویژگی‌ها را با هم دارند. علاوه بر این ویژگی‌های ساختاری پلیمر و کارکرد پلیمرها، بسیار مورد علاقه‌ی محققان است و تحقیقات گسترده‌ای شامل طراحی سیستم‌های پلیمری با وظیفه‌ی خاص انجام گرفته است. پوشش‌های محافظتی باید مجموعه متنوعی از اهداف عملکردی مختلف را همزمان داشته باشند، مانند ویژگی‌های سدگری، سختی و شکل پذیری. پوشش‌های دریایی و زیستی نیاز به ویژگی‌های سطحی منحصر به فردی دارند، ویژگی‌هایی که اغلب با ویژگی‌های توده‌ی پلیمر بسیار متفاوت است. رسیدن همزمان به ویژگی‌های سطحی و توده ا‌ی مطلوب یک چالش محسوب می‌شود و شامل فهم روابط بین ترکیب مولکولی پلیمر و ویژگی‌های آن است. تئوری حالت جامد و قوانین طراحی آزمایشگاهی می‌توانند برای جست‌وجوی متغیرهای که مربوط به سنتز پلیمر است برای کشف ویژگی‌های منحصر به فرد این مواد به کار گرفته شوند. انجام آزمایشات زیلد به روش های نوین، محققان را قادر می‌سازد تا با کارایی بالا تعداد زیادی از مواد را آماده سازی کنند و ویژگی‌های آنها را مورد بررسی قرار دهند. ارتباط بین ویژگی‌های ساختاری و تشکیل‌ خود به خود لایه‌ها از ترکیبات با انرژی سطحی کم در کوپلیمرهای توده‌ای، امکان طراحی برخی پوشش‌های دریایی چقرمه و مقاوم در برابر خزه‌ها را فراهم می کند.

خلاصه و نتایج
شرح قبلی شرحی بود از سه ارائه از 12 ارائه در مورد پوشش‌های پلیمری در دویست‌ و چهل دومین جلسه‌ی ملی انجمن شیمی امریکا، که از 28 آگوست تا 1 سپتامبر 2011 در Denver امریکا برگزار شد. پرفسور Brain C. Benicewicz غشاهای پلی‌بنزیمیدازول ـ فسفریک اسید را که به نظر آینده‌ی خوبی در سلول‌های سوختی و پمپ‌های خالص‌سازی هیدروژن دارند، شرح داد. پرفسور Dean C. Webster کار‌های خود در مورد بهبود پوشش‌های ضد‌ خزه‌ی پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان با پلی‌اتیلن‌گلایکول، پلی )سولفوبتائین) و گروه‌های عاملی اسیدی و آمینی شرح داد. و در نهایت روش سیستماتیک پرفسور Webster در مورد تئوری و طراحی آزمایش برای کاوش در مورد متغیر‌ها و ویژگی‌های منحصر به فرد تعداد زیادی از مواد پوشش‌های پلیمری به طور خلاصه بیان شد.

منبع
SpecialChem, Joseph E.Sabol, Oct 4,2011