ارمغان بیوتکنولوژی برای محیط زیست

اطرافمان انباشته از پلاستیک شده است. هر کاری که انجام می دهیم و هر محصولی را که مصرف می کنیم، از غذایی که می خوریم تا لوازم برقی به نحوی با پلاستیک سروکار داشته و حداقل در بسته بندی آن از این مواد استفاده شده است. در کشوری مثل استرالیا سالانه حدود یک میلیون تن پلاستیک تولید می شود که 40 درصد آن صرف مصارف داخلی می شود. در همین کشور هرساله حدود 6 میلیون بسته یا کیسه پلاستیکی مصرف می شود. گرچه بسته بندی پلاستیکی با قیمتی نازل امکان حفاظت عالی از محصولات مختلف خصوصاً مواد غذایی را فراهم می کند ولی متاسفانه معضل بزرگ زیست محیطی حاصل از آن گریبان گیر بشریت شده است. اکثر پلاستیک های معمول در بازار از فرآورده های نفتی و ذغال سنگ تولید شده و غیرقابل بازگشت به محیط هستند و تجزیه آنها و برگشت به محیط چند هزار سال طول می کشد. به منظور رفع این مشکل، محققان علوم زیستی در پی تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر از منابع تجدیدشونده مثل ریزسازواره ها و گیاهان هستند.

واژه زیست تخریب پذیر یا Biodegradable به معنی موادی است که به سادگی توسط فعالیت موجودات زنده به زیرواحدهای سازنده خود تجزیه شده و بنابراین در محیط باقی نمی مانند. استانداردهای متعددی برای تعیین زیست تخریب پذیری یک محصول وجود دارد که عمدتاً به تجزیه 60 تا 90 درصد از محصول در مدت دو تا شش ماه محدود می شود. این استاندارد در کشورهای مختلف متفاوت است. اما دلیل اصلی زیست تخریب پذیر نبودن پلاستیک های معمولی، طویل بودن طول مولکول پلیمر و پیوند قوی بین مونومرهای آن بوده که تجزیه آن را توسط موجودات تجزیه کننده با مشکل مواجه می کند.

با این حال تولید پلاستیک ها با استفاده از منابع طبیعی مختلف، باعث سهولت تجزیه آنها توسط تجزیه کنندگان طبیعی می شود.
برای این منظور و با هدف داشتن صنعتی در خدمت توسعه پایدار و حفظ زیست بوم های طبیعی، تولید نسل جدیدی از مواد اولیه مورد نیاز صنعت بر اساس فرآیندهای طبیعی در دستور کار بسیاری از کشورهای پیشرفته قرار گرفته است. به طور مثال دولت آمریکا طی برنامه ای بنا دارد تا سال ،2010 تولید مواد زیستی را با استفاده از کشاورزی و با بهره برداری از انرژی خورشید با درآمد تقریبی 15 تا 20 میلیارد دلار انجام دهد. در این بین تولید پلیمرهای زیستی جایگاه خاصی دارند. تولید اینگونه پلیمرها توسط طیف وسیعی از موجودات زنده مثل گیاهان، جانوران و باکتری ها صورت می گیرد. چون این مواد اساس طبیعی دارند، بنابراین توسط سایر موجودات نیز مورد مصرف قرار می گیرند و تجزیه کنندگان از جمله مهم ترین این موجودات زنده در موضوع مورد بحث ما هستند. برای بهره برداری از این پلیمرها در صنعت دو موضوع باید مورد توجه قرار گیرد:

? دید محیط زیستی: این مواد باید سریعاً در محیط مورد تجزیه قرار گیرند، بافت خاک را بر هم نزنند و به راحتی با برنامه های مدیریت زباله و بازیافت مواد از محیط خارج شوند.
? دید صنعتی: این مواد باید خصوصیات مورد انتظار صنعت را از جمله دوام و کارایی داشته باشند و از همه مهم تر، پس از برابری یا بهبود کیفیت نسبت به مواد معمول، قیمت تمام شده مناسبی داشته باشند.

در هر دو بخش، مخصوصاً بخش دوم، استفاده از مهندسی تولید مواد برای دستیابی به اهداف مورد انتظار ضروری است.
همانطور که ذکر شد، تولید پلیمرهای تجدیدشونده با بهره برداری از کشاورزی، یکی از روش های تولید صنعتی پایدار است. برای این منظور دو روش اصلی وجود دارد: نخست استخراج مستقیم پلیمرها از توده زیستی گیاه است. پلیمرهایی که از این روش تولید می شوند عمدتاً شامل سلولز، نشاسته، انواع پروتئین ها، فیبرها و چربی های گیاهی هستند که به عنوان شالوده مواد پلیمری و محصولات طبیعی کاربرد دارند. دسته دیگر موادی هستند که پس از انجام فرآیندهایی مانند تخمیر و هیدرولیز می توانند به عنوان مونومر پلیمرهای مورد نیاز صنعت استفاده شوند.

مونومرهای زیستی همچنین می توانند توسط موجودات زنده نیز به پلیمر تبدیل شوند که مثال بارز آن پلی هیدروکسی آلکانوات ها هستند.
باکتری ها از جمله موجوداتی هستند که این دسته از مواد را به صورت گرانول هایی در پیکره سلولی خود تولید می کنند. این باکتری به سهولت در محیط کشت رشد داده شده و محصول آن برداشت می شود.

رهیافت دیگر جداسازی ژن های درگیر در این فرآیند و انتقال آن به گیاهان است که پروژه هایی در این زمینه از جمله انتقال ژن های باکتریایی تولید PHA به ذرت انجام شده است. نکته ای که نباید از نظر دور داشت این است که به رغم قیمت بالاتر تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر، چه بسا قیمت واقعی آنها بسیار کمتر از پلاستیک های سنتی باشد؛ چرا که بهای تخریب محیط زیست و هزینه بازیافت پس از تولید هیچ گاه مورد محاسبه قرار نمی گیرد. در ادامه مبحث، تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر PHA به طور اختصاصی مورد بررسی قرار می گیرد. تقریباً تمامی پلاستیک های معمول در بازار از محصولات پتروشیمی که غیرقابل برگشت به محیط هستند، به دست می آیند. راه حل جایگزین برای این منظور، بهره برداری از باکتری های خاکزی مانند Ralstonia eutrophus است که تا 80 درصد از توده زیستی خود قادر به انباشتن پلیمرهای غیرسمی و تجزیه پذیر پلی هیدروکسی آلکانوات (PHA) هستند. PHAها عموماً از زیرواحد بتاهیدروکسی آلکانوات و به واسطه مسیری ساده با سه آنزیم از استیل-کوآنزیم A ساخته شده و معروف ترین آنها پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) است. در خلال دهه 80 میلادی شرکت انگلیسی ICI فرآیند تخمیری را طراحی و اجرا کرد که از آن طریق PHB و سایر PHAها را با استفاده از کشت E.coli اصلاح ژنتیکی شده که ژن های تولید PHA را از باکتری های تولیدکننده این پلیمرها دریافت کرده بود، تولید می کرد.

متاسفانه هزینه تولید این پلاستیک های زیست تخریب پذیر، تقریباً 10 برابر هزینه تولید پلاستیک های معمولی بود. با وجود مزایای بی شمار زیست محیطی این پلاستیک ها مثل تجزیه کامل آنها در خاک طی چند ماه، هزینه بالای تولید آنها باعث اقتصادی نبودن تولید تجارتی در مقیاس صنعتی بود. با این وجود بازار کوچک و پرسودی برای این محصولات ایجاد شد و از پلاستیک های زیست تخریب پذیر برای ساخت بافت های مصنوعی بهره برداری شد. با وارد کردن این پلاستیک ها در بدن، آنها به تدریج تجزیه شده و بدن بافت طبیعی را در قالب پلاستیک وارد شده دوباره سازی می کند. در این کاربرد تخصصی پزشکی، قیمت اینگونه محصولات زیستی قابل مقایسه با کاربردهای کم ارزش اقتصادی پلاستیک در صنایع اسباب بازی، تولید خودکار و کیف نیست.

هزینه تولید PHAها با تولید آنها در گیاهان اصلاح ژنتیکی شده و کشت وسیع در زمین های کشاورزی، به نحو قابل ملاحظه ای کاهش خواهد یافت. این موضوع باعث شد که شرکت مونسانتو در اواسط دهه 90 میلادی امتیاز تولید PHA را از شرکت ICI کسب کند و به انتقال ژن های باکتری به گیاه منداب بپردازد. مهیا کردن شرایط برای تجمع PHAها در پلاستید به جای سیتوسل، امکان برداشت محصول پلیمری را از برگ و دانه ایجاد کرد. مهم ترین مشکل لاینحل باقی مانده در بخش فنی این پروژه، نحوه استخراج این پلیمر از بافت های گیاهی با روشی کم هزینه و کارآمد است.

مشکل دیگر در زمینه PHB است که در حقیقت مهم ترین گروه از PHAها بوده ولی متاسفانه شکننده بوده و در نتیجه برای بسیاری از کاربردها مناسب نیست. بهترین پلاستیک های زیست تخریب پذیر، کوپلیمرهای پلی هیدروکسی بوتیرات با سایر PHAها مثل پلی هیدروکسی والرات هستند. تولید اینگونه کوپلیمرها در گیاهان اصلاح ژنتیکی شده بسیار سخت تر از تولید پلیمرهای تک مونومر است. در سال 2001 این مشکلات به همراه مسائل مالی شرکت مونسانتو باعث شد تا این شرکت امتیاز تولید PHA اصلاح ژنتیکی شده را به شرکت Metabolix واگذار کند. شرکت Metabolix در قالب یک پروژه مشارکتی با وزارت انرژی آمریکا به ارزش تقریبی 8/14 میلیون دلار، برای تولید PHA در گیاهان اصلاح ژنتیکی شده تا پایان دهه 2010 میلادی تلاش می کند. گروه های دیگری نیز برای تولید PHA در گیاهانی مثل نخل روغنی تلاش می کنند. باید منتظر بود تا سرانجام شاهد تولید اقتصادی این محصولات دوستدار محیط زیست در آینده ای نزدیک بود.

پلیمرها، بخش عمده ای از مشتقات نفتی هستند که در انواع مختلف در صنعت پتروشیمی، تولید و در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند.

امروزه استفاده از پلیمرها به اندازه ای رایج شده که می توان گفت بدونِ استفاده از آنها بسیاری از حوایج روزمره ما مختل خواهد شد. مقاله حاضر، پلیمرهای مقاوم حرارتی را مورد مطالعه قرار می دهد که علاوه بر مصارف متعدد، در صنایع هوا- فضا نیز نقش عمده ای ایفا می کنند.

پلیمرها، بخش عمده ای از مشتقات نفتی هستند که در انواع مختلف در صنعت پتروشیمی، تولید و در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند. امروزه استفاده از پلیمرها به اندازه ای رایج شده که می توان گفت بدونِ استفاده از آنها بسیاری از حوایج روزمره ما مختل خواهد شد. مقاله حاضر، پلیمرهای مقاوم حرارتی را مورد مطالعه قرار می دهد که علاوه بر مصارف متعدد، در صنایع هوا- فضا نیز نقش عمده ای ایفا می کنند. هنگامی که ترکیبات آلی در دمای بالا حرارت داده می شوند، به تشکیل ترکیبات آروماتیک تمایل پیدا می کنند. بنابراین می توان نتیجه گرفت که پلیمرهای آروماتیک باید در مقابل دماهای بالا مقاوم باشند. انواع وسیعی از پلیمرها که واحد های تکراری آروماتیک دارند، در سالهای اخیر توسعه و تکامل داده شده اند.

این پلیمرها در صنایع هوا- فضا مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا در برابر دمای زیاد پایداری مطلوبی از خود نشان می دهند. برای این که یک پلیمر در برابر حرارت و در برابر گرما مقاوم تلقی شود، نباید در زیر دمای 400 درجه سانتی گراد تجزیه شود. هم چنین باید خواص مورد نیاز و سودمند خود را تا دماهای نزدیک به دمای تجزیه حفظ کند. این گونه پلیمرها دارای Tg بالا و دمای ذوب بالا هستند. پس می توان گفت پلیمرهای مقاوم حرارتی به پلیمرهایی گفته می شود که در دمای بالا بکار برده می شوند، به طوری که خواص مکانیکی، شیمیایی و ساختاری آنها، با خواص سایر پلیمرها در دماهای پایین متفاوت باشد. پلیمرهای مقاوم حرارتی به طور عمده در صنایع اتومبیل سازی، صنایع هوا- فضا، قطعات الکترونیکی، عایق ها، لوله ها، انواع صافی ها، صنایع آشپزی و خانگی، چسب ها و پوشش سیم های مخصوص مورد استفاده قرار می گیرد. پلیمرهای یاد شده هم به روش آلی و هم به روش معدنی تهیه می شوند. ذکر این نکته مهم است که روش آلی متداول تر و اغلب پژوهش ها توسط دانشمندان پلیمر در این زمینه ها به ثمر رسیده است.

پایداری حرارتی
پایداری حرارتی پلیمرها، تابع فاکتورهای گوناگونی است. از آنجا که مقاومت حرارتی تابعی از انرژی پیوندی است، وقتی دما به حدی برسد که باعث شود پیوندها گسیخته شوند، پلیمر از طریق انرژی ارتعاشی شکسته می شود. پس پلیمرهایی که دارای پیوند ضعیفی هستند در دمای بالا قابل استفاده نیستند و از بکار بردن منومرها و هم چنین گروه های عاملی که باعث می شود این پدیده تشدید شود، باید خودداری کرد.

البته گروه هایی مانند اتر یا سولفون، نسبت به گروه هایی مانند آلکیل و NH و OH پایدارتر هستند، ولی وارد کردن گروه هایی مانند اتروسولفون و یا گروههای پایدار دیگر صرفاً بخاطر بالا بردن مقاومت حرارتی نیست، بلکه باعث بالا رفتن حلالیت نیز می شوند. تاثیرات متقابلی که بین دو گونه پلیمری وجود دارد، ناشی از تاثیرات متقابل قطبی- قطبی، و پیوند هیدروژنی (6-10 Kcal/mol) است که باعث بالا رفتن مقاومت حرارتی در پلیمرها می شوند. این قبیل پلیمرها باید قطبی و دارای عامل هایی باشند که پیوند هیدروژنی را بوجود آورند، مانند: پلی ایمیدها و پلی یورتانها. انرژی رزونانسی که به وضوح در آروماتیک ها به چشم می خورد، مخصوصاً در حلقه های هتروسیکل و فنیلها و کلاً پلیمرهایی که استخوان بندی آروماتیکی دارند باعث افزایش مقاومت حرارتی می شوند.

در مورد واحدهای تکراری حلقوی، شکستگی یک پیوند در یک حلقه باعث پایین آمدن وزن مولکولی نمی شود و احتمال شکستگی دو پیوند در یک حلقه کم است. پلیمرهای نردبانی یا نیمه نردبانی پایداری حرارتی بالاتری نسبت به پلیمرهای زنجیره باز دارند. بنابراین اتصالات عرضی موجب صلب پلیمرهای خطی می شوند که شامل حلقه های آروماتیک با چند پیوند یگانه مجزا هستند. با توجه به نکاتی که ذکر شد برای تهیه پلیمرهای مقاوم حرارتی باید نکات زیر رعایت شوند.
- استفاده از ساختارهایی که شامل قوی ترین پیوند های شیمیایی هستند. مانند ترکیبات هتروآروماتیک، آروماتیک اترها و عدم استفاده از ساختارهایی که دارای پیوند ضعیف مثل آلکیلن- آلیسیکلیک و هیدروکربن های غیر اشباع می باشند.

- ساختمان ترکیب باید به گونه ای باشد که به سمت پایدار بودن میل کند، پایداری رزونانسی آن زیاد باشد و بالاخره ساختارهای حلقوی باید طول پیوند عادی داشته باشند، به نحوی که اگر یک پیوند شکسته شد، ساختار اصلی، اتم ها را کنار هم نگه دارد.

لباس فضا نوردان
امروزه در زمینه پلیمرهای مقاوم حرارتی پیشرفت های زیادی حاصل شده است. پژوهشگری به نام کارل اسی مارول که یک محقق برجسته در زمینه مقاومت حرارتی پلیمرها است، باعث توسعه تجارتی پلی بنزایمیدازول، با نام تجارتی PBI ، شده است که به شکل الیاف برای تهیه لباس فضانوردان مورد استفاده قرار می گیرد. البته این تنها یکی از موارد کاربردهای متنوع پلیمرهای مقاوم حرارتی در برنامه های فضایی است. بی تردید اگر سالها پژوهش علمی و آزمایش های گوناگون موجب کشف الیاف پلیمری مقاوم برای تهیه لباس فضا نوردان نمی شد، هیچ فضا نوردی نمی توانست به فضا سفر کند.

طی سال های اخیر گونه های وسیعی از پلیمرهای آروماتیک و آلی فلزی مقاوم در برابر گرما، توسعه و تکامل داده شده اند، که تعداد کمی از آنها به علت قیمت بالای آنها در تجارت قابل قبول نبوده اند. پلیمرهای آروماتیک، به خاطر اسکلت ساختاری صلب، دمای گذار شیشه ای Tg و ویسکوزیته بالا، قابلیت حلالیت کم دارند، بنابراین سخت تر از سایر پلیمرها هستند. در حال حاضر بالاترین حد مقاومت گرمایی از پلیمرهای آلی بدست آمده است، بنابراین در سال های اخیر تاکید روی معرفی تفاوت های ساختاری پلیمرها بوده است.

پیوستن گروه های انعطاف پذیر مانند اتر یا سولفون در اسکلت، یک راهکار است. هر چند این اقدامات باعث حلالیت بیشتر، ویسکوزیته کمتر و معمولاً پایداری حرارتی کم می شود. نگرش دیگر برای وارد کردن گروههای آروماتیک حلقه ای این است که به صورت عمودی در اسکلت صفحه ای آروماتیک قرار می گیرد. همان طور که در پلی بنزایمیدازول اشاره شد این ساختارها که »کاردو پلیمر« نامیده می شوند معمولاً پایداری بالایی دارند، بدون این که خواص دمایی آنها از بین برود. وارد کردن اسکلت با گروههای فعال که در اثر گرما موجب افزایش واکنش حلقه ای بین مولکولی می شوند، راهی دیگر برای پیشرفت روندکار است.

مهم ترین و پرمحصول ترین راه از نقطه نظر توسعه تجارتی، سنتز الیگومرهای آروماتیک یا پلیمرهایی است که با گروههای پایانی فعالی، خاتمه داده شده اند. الیگومرهایی که انتهای آنها فعال شده اند، در دمای نسبتاً پایین ذوب می شوند و در انواع حلال ها نیز حل می شوند. هم چنین در موقع حرارت دادن به پلیمرهای شبکه ای پایدار تبدیل می شوند.

مقاومت در برابر حرارت
هنگامی که از پلیمرهای مقاومت حرارتی صحبت می شود باید مقاومت حرارتی آنها را برحسب زمان و دما تعریف کنیم. افزایش هر کدام از فاکتورهای ذکر شده موجب کاهش طول عمر پلیمر می شود و اگر هر دو فاکتور افزایش یابند طول عمر به صورت لگاریتمی کاهش می یابد. به طور کلی اگر یک پلیمر به عنوان پلیمر مقاوم حرارتی در نظر گرفته می شود، باید به مدت طولانی در 250 درجه سانتی گراد، در زمان های متوسط در پانصد درجه سانتی گراد و در کوتاه مدت در دمای یکهزار درجه سانتی گراد خواص فیزیکی خود را حفظ کند. به طور دقیق تر یک پلیمر مقاوم حرارتی باید طی سه هزار ساعت و در حرارت 177 درجه سانتی گراد، یا طی یکهزار ساعت در 260 درجه سانتی گراد، یا طی یک ساعت در 538 درجه سانتی گراد و یا طی 5 دقیقه در 816 درجه سانتی گراد، خواص فیزیکی خود را از دست ندهد.

برخی از شرایط ضروری برای پلیمرهای مقاوم حرارتی، بالا بودن نقطه ذوب، پایداری در برابر تخریب اکسیداسیونی در دمای بالا، مقاومت در برابر فرآیندهای حرارتی و واکنش گرمای شیمیایی است. سه روش اصلی برای بالا بردن مقاومت حرارتی پلیمرها وجود دارد. افزایش بلورینگی، افزایش اتصال عرضی و حذف اتصال های ضعیفی که در اثر حرارت اکسید می شوند. افزایش بلورینگی، کاربرد پلیمرها را در دمای بالا محدود می کند. زیرا موجب کاهش حلالیت و اختلال در فرآورش می شود. برقرار کردن اتصال های عرضی در الیگومرها روش مناسبی است و خواص پلیمر را به طور واقعی اما غیر قابل برگشت تغییر می دهد.

اتصالاتی که باید حذف شود شامل اتصال های آلکیلی، آلیسیکلی، غیر اشباع و هیدروکربن های غیر آروماتیک و پیوند NH است . اما اتصالاتی که مفید است شامل سیستم های آروماتیکی، اتر، سولفون و ایمید و آمیدها هستند. این عوامل پایدار کننده به صورت پل در ساختار پلیمر واقع و موجب پایداری آنها می شوند. از طرفی ضروری است که پلیمر از قابلیت به کار گیری و امکان فرآورش مناسب برخوردار باشد.

پس باید تغییرات ساختاری طوری باشد که حلالیت و فرآورش مناسب تر داشته باشند. برای این منظور باید از واحد های انعطاف پذیرِ اتر، سولفون، آلکیل و همچنین از کوپلیمره کردن، و تهیه ساختارهایی با زنجیر نامنظم استفاده کرد.به طور کلی پلیمرهای مقاوم حرارتی به چهار دسته تقسیم می شوند. پلیمرهای تراکم ساده، مانند پلیمرهایی که از حلقه آروماتیک تشکیل شده اند و با اتصالات تراکمی به یکدیگر متصل هستند. پلیمرهای هتروسیکل، یعنی پلیمرهایی که از حلقه های آروماتیک تشکیل شده اند اما از طریق حلقه های هتروسیکل به هم وصل شده اند. کوپلیمرهای ترکیبی تراکمی هتروسیکل، یعنی پلیمرهایی که شامل ترکیبی از اتصال های تراکمی ساده و حلقه های هتروسیکل می باشند و پلیمرهای نردبانی که شامل دو رشته زنجیر هستند.

استفاده از پلی اتیلن برای عایق کردن سیمهای برق بعد از دهه 1940 میلادی رونق یافت. ولی به علت خاصیت ترموپلاستیکی آن، کاربرد پلی اتیلن محدود به شرایطی نظیر حداکثر درجه حرارت هادی تا 70 درجه سانتیگراد بود و به علت همین محدودیت ها پلی اتیلن بیشتر برای عایق کردن سیمهای ولتاژ پایین مورد استفاده قرار می گرفت. از دهه 1960 به بعد روشهای ترموست کردن پلی اتیلن که در آن مولکولهای پلی اتیلن به هم گره خورده (Cross-Linked) و یک شبکه مولکولی سه بعدی زا تشکیل می دهند، توسعه یافت و در نتیجه درجه حرارت قابل استفاده پلی اتیلن از 70 به 90 درجه سانتیگراد رسید. بطور خلاصه اثر گرده خوردن مولکولها بر خواص پلی اتیلن عبارت است از:

- خواص الکتریکی نسبت به پلی اتیلن ترموپلاستیک تغییر محسوسی نمی کند.
- بعضی از خواص شیمیائی مثل مقاومت در مقابل روغنها و سایر مواد آلوده کننده، زیاد می شود.
- بعضی از خواص مکانیکی به نحو قابل توجهی بهبود می یابند.
- درجه حرارت استفاده از محصول، بالا می رود.
بطور کلی دو روش برای گره زدن مولکولهای پلی اتیلن و ترموست کردن آن متداول است، روش شیمیائی و روش تشعشعی. در هر دو روش مولکولهای پلی اتیلن به هم متصل شده و مولکولهای بزرگتری را تشکیل می دهند.
1- گره زدن به روش شیمیائی
تولید پلی اتیلن ترموست در اواسط 1960 با اضافه کردن پراکسیدهای ارگانیکی مثل دای کیومیل پراکسید و حرارت دادن آن در درجه حرارتهای بالاتر از 150 درجه سانتیگراد عملی شد، که طی آن پراکسید در اثر حرارت تجزیه شده و رادیکالهای آزاد تولد می کند. این رادیکالهای آزاد، هیدروژن مولکولهای پلی اتیلن را جذب نموده و موجب تولید رادیکالهای آزاد پلی اتیلن می شوند. سپس رادیکالهای پلی اتیلن به هم متصل شده و شبکه سه بعدی مولکولی را تشکیل می دهند. معمولاً "گره خوردن مولکولهای پلیمر را ولکانیزاسیون می نامند. و این عمل در صنایع لاستیک سازی رواج کامل دارد. اصولاً پراکسید هائی که برای ترموست کردن پلی اتیلن مصرف می شوند در درجه حرارتهای بالاتر از 140 درجه سانتیگراد تجزیه شده و رادیکالهای آزاد تولید می کنند. اکر عمل گره خوردن در داخل اکسترودر شروع روع شود، موادی با مولکولهای گره خورده به صورت دملی (Lump ) از حدیده خارج شده و باعث تولید کابلهائی با کیفیت پائین می شوند. بنابراین برای استفاده از پراکسیدها نوع پلی اتیلن باید طوری انتخاب شود که در درجه حرارتهای پائین تر از 140 درجه سانتیگراد قابل فرآیند باشد. و به علاوه محل کافی برای گره خوردن داشته باشد تا ولکانیزاسیون در خارج از اکسترودر سریعاً عملی شود. بخاطر وجود این محدودیتها اکثر انواع پلی اتیلن و مشتقات آنها را نمی توان به وسیله پراکسید ولکانیزه کرد. پلی اتیلن با چگالی پائین و اتیلن واینال اسیتیت EVA تولید شده در راکتورهای فشار بالا از جمله پلیمرهائی هستند که هر دو شرایط بالا را دارند و به مقدار زیاد با پراکسیدها ولکانیزه می شوند. EVA در درجه حرارتهای پائین به آسانی فرآیند می شود و با اضافه کردن مواد پراکنده بخصوص دوده سیاه خاصیت ولکانیزاسیون خود را از دست نمی دهد، به همین لحاظ مواد مزبور را جهت عایق کردن سیمهای عادی ولتاژهای پائین که در اتومبیل سازی، ساختمانها و وسایل خانگی دارای مصرف هستند، مورد استفاده قرار می دهند.
پلی اتیلن های چگالی بالا و چگالی پائین خطی که در راکتورهای فشار پائین تولید می شوند به خاطر آنکه فاقد محل گره خوردن در حد EVA هستند و نیاز به درجه حرارت بالاتر از 140 درجه سانتیگراد برای فرآیند دارند، لذا برای ولکانیزاسیون شیمیائی با پراکسیدها مناسب نیستند.
همانطور که اشاره شد لازم است ولکانیزاسیون مواد عایق کننده روکش کابل در خارج از اکسترودر صورت گیرد. این عمل به وسیله بخار، نیتروژن و یا مایع تحت فشار دردرجه حرارتهای بین 150 تا 310 درجه سانتیگراد تکمیل میشود. ولکانیزاسیون به وسیله بخار با عبور دادن کابل عایق شده از داخل لوله ای که دارای فشار بخاری در حدود 18 اتمسفر (در 205 درجه سانتیگراد) می باشد، عملی می شود. طول لوله و سرعت کابل باید طوری انتخاب شده باشند که مواد عایق کننده روکش کابل قبل از ورود به آب خنک کننده در انتهای لوله کاملاً ولکانیزه گردد. سه نوع سیستم بخار برای ولکانیزاسیون پلی اتیلن متداول است، که عبارتند از: سیستم بخار با لوله ولکانیزاسون افقی، عمودی و یا کله قندی.
برای تولید کابلهای با قطر کم از سیستن بخار با لوله افقی استفاده می کنند. در این نوع سیستم ها معمولاًاز 2 تا 3 اکسترودر که ممکن است حدیده مشترکی داشته و یا به دنبال هم قرار گیرند، استفاده می شود. یکی از اکسترودرها برای ایجاد لایه نازکی از پلی اتیلن نیمه هادی بر روی سیم هادی، بکار می رود. عمل اصلی پلی اتیلن نمه هاد که معمولاً شامل 30 تا 35 درصد دوده سیاه است برای یکنواخت کردن میدان الکتریکی در اطراف سیم هادی می باشد. اکسترودر دومی برای ایجاد لایه عایق و اکسترودر سوم (در صورت وجود) برای ایجاد روکش عایق نهائی بکار می روند.
در تولید کابلهای هادی ولتاژ خیلی بالا که لازم است قطر کابل زیاد باشد، به خاطر ازدیاد وزن کابل امکان تماس آن با لوله موجود در سیستم بخار کله قندی وجود دارد. این تماس باعث صدمه دیدن عایق اصلی یا روکس هادی می شود. ازاین رو در تولید این نوع کابلها از سیستم بخار با لوله عمودی استفاده می کنند.
در اثر تجزیه پر اکسیدها در حین ولکانیزاسیون مقداری گاز تولید می شود. اگر فشار داخل لوله بخار به حد کافی زیاد نباشد . گاز تولید شده به صورت حباب درآمده و در داخل عاق و روکش باقی می ماند که نه تنها خاصیت الکتریکی کابل را کاهش می دهد بلکه از عمر مفید آن نیز می کاهد. بنابراین فشار داخل لوله باید طوری تنظیم شود که از انبساط گاز جلوگیری نماید.
در اواسط دهه 1970 روش ولکانیزاسیون به وسیله گاز نیتروژن به مرحله عمل درآمد که ضمن کاستن از امکان پیدایش حباب در عایق، باعث کاهش اندازه آنها نیز شد. روش مزبور به ولکانیزاسیون خشک مشهور می باشد و در میان طرحهای ارائه شده به طور کلی دو نوع ولکانیزاسیون خشک (Dry Cure ) رایج شده است. ولکانیزاسیون به وسیله گاز داغ و سریع و ولکانیزاسیون به وسیله تشعشع. روش ولکانیزاسیون گازی سریع شبیه روش بخاری است ولی در این روش به جای بخار، گاز نیتروژن را گرم کرده و آنرا به داخل لوله ولکانیزاسیون و در بالای سرد کنده (Cooling Zone ) پمپ می کنند.
نیتروژن داغ به طرف بالای لوله جریان یافته و ضمن ولکانیزه کردن کابل در انتهای لوله به طرف پیش گرمکن ها Pre Heaters هدایت می شود. در این سیستم نظیر سیستم بخار، کابل به وسیله آب خنک می شود.
در ولکانیزاسون خشک تشعشعی حرارت لازم برای ولکانیزاسیون از سطح داخلی لوله تامین می شود. در اطراف لوله ولکانیزاسیون در این نوع سیستمها گرم کن های الکتریکی وجود دارند که تا 400 درجه سانتیگراد گرم می شوند و حرارت تشعشعی لازم را برای ولکانیزاسیون تولید می کنند. عمل اصلی نیتروژن حفظ فشار داخل لوله است تا از انبساط گاز در مواد عایق کننده و تولید حباب در آن جلوگیری کند. در بعضی از سیستمها کابل بوسیله گاز سرد می شود و در نتیجه سیستم ولکانیزاسیون کانلاً خشک بوجود می آید.
ولکانیزاسیون نیتروژنی نسبت به ولکانیزاسیون بخاری مزایای چندی دارد. اولاً تولید گاز نیتروژن داغ کمتر از تولید بخار داغ انرژی لازم دارد. ثانیاً کابل در تماس مستقیم با آب و بخار قرار نگرفته و حباب کمتری در عایق تولید می شود و در نتیجه عمر مفید کابل زیادتر می شود .
ثالثاً درجه حرارت و فشار نیتروژن بطور مستقل قابل کنترل می باشد. در صورتی که برای تولید بخار با درجه حرارت بالا احتیاج به فشار بالا نیز هست.
روش سوم برای ولکانیزه کردن شیمیائی پلی اتیلن استفاده از مایع داغ در لوله ولکانیزاسیون است. در این سیستم که از سال 1976 به بعد در اروپا متداول شده است، به جای نیتروژن یا بخار از روغن سیلیکون (Silicon Oil ) و یا نمک مذاب که تا 300 درجه سانتیگراد گرم شده است، استفاده می شود و کابل ضمن عبور از داخل مایع ولکانیزه می شود. معمولاً به علت انتقال سریعتر گرما نسبت به سیستم بخار یا نیتروژن ولکانیزاسیون در سیستم مایع سریعتر صورت می گیرد.

ترموپلاستیک (به انگلیسی: Thermoplastic) یا گرمانرم به پلیمرهایی گفته می‌شود که با افزایش دما بدون تغییر شیمیایی ذوب می‌شوند. این پلیمرها را می‌توان به دفعات ذوب و دوباره جامد نمود.چنین پلیمرهایی در حالت مذاب مانند مایعات جاری می‌شوند و از این لحاظ با پلیمرهای دارای اتصالات عرضی متمایزند.
گرمانرم‌ها در دمای بیش از دمای انتقال شیشه‌ای (Tg)خود، منعطف هستند. اغلب گرمانرم‌ها در دمای کمتر از نقطه ذوب خود حاوی مناطق بلورینی هستند که بین نواحی آمورف قرار دارند. نواحی آمورف، ویژگی کشسانی و نواحی بلورین، استحکام و صلبیت را به ماده می‌بخشند. در دمای بیش از نقطه ذوب، نواحی بلورین از بین رفته و گرانروی به شدت کاهش می‌یابد.
گرمانرم‌ها را می‌توان به طور پیوسته در چرخه ذوب/انجماد قرار داد. این ویژگی، گرمانرم‌ها را قابل بازیافت می‌سازد.
بلورینگی، مهم‌ترین معیار طبقه‌بندی گرمانرم‌ها است. برخی گرمانرم‌ها در نواحی بلورین قرار نمی‌گیرند. این پلاستیک‌ها، آمورف نامیده می‌شوند و اغلب شفافند. مهم‌ترین گرمانرم‌های آمورف، پلی استایرن، پلی کربنات و پلی(متیل متاکریلات) هستند.
گروه دیگر گرمانرم‌ها، توانایی بلورینگی را دارند. از آنجا که این پلاستیک‌ها همزمان حاوی نواحی بلورین و آمورف هستند، نیمه بلورین خوانده می‌شوند. از این خانواده می‌توان به پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی آمیدها و پلی(اتیلن ترفتالات) اشاره کرد. سرعت و میزان بلورینگی به انعطاف پذیری زنجیر بسپار بستگی دارد. گرمانرم‌های نیمه بلورین مقاومت بیشتری در برابر حلال‌ها و مواد شیمیایی دارند. اگر اندازه بلورها بیشتر از طول موج نور باشد، ماده کدر خواهد بود. گرمانرم‌های نیمه بلورین در دمای کمتر از دمای انتقال شیشه‌ای، شکننده می‌شوند. این دما را می‌توان با افزودن نرم کننده کاهش داد. همبسپارش و ایجاد شاخه‌های جانبی در بسپار نیز راه دیگری برای کاهش دمای انتقال شیشه‌ای است.
ترمو پلاستها
?) فلورو کربنها :
تفلون و کل اف و فلورو کربنها فلزات نجیب پلاستیکها هستند به این معنی که تقریبا در تمام محیطهای خورنده تا دمای ??? درجه فارنهایت مقاوم هستند . اینها از کربن و فلور ساخته شده اند اولین تترا فلوراتیلن توسط دوپنت تولید شد و تفلون نام گرفت .تفلون علاوه بر مقاومت خوردگی ، دارای ضریب اصطکاک کمی است که می تواند مانند یک روغن کار سطح فلزاتی که بر روی هم سایش دارند از خورده شدن در اثر اصطکاک (خوردگی فیزیکی) محافظت کند .
?) پلی ونیل کلراید(پی .وی .سی ) :
این ماده اساسا سخت است ولی با اضافه کردن مواد نرم کننده و وینیل استات میتوان آنرا نرم نمود . کاربرد این ماده در لوله ها و اتصالات ، دودکشها ، هواکشها، مخازن و روکشها می باشد .
?) پلی پروپیلن :
پلی پروپیلن ، پرو فاکس و اسکان برای اولین بار در ایتالیا بوجود آمدند و دارای مقاومت حرارتی و خوردگی بهتری نسبت به پلی اتیل بوده و همچنین از آن سخت تر هستند . برای ساخت والو ها ، بطریهایی که توسط حرارت استریل می شوند و لوله و اتصالات به کار می رود .

Electroactive Polymers (EAP) as Artificial Muscles (EPAM) for Robot Applications

Having previously written about various artificial muscle technologies, I"d like to examine the electroactive polymer (EAP) variant in more detail.  I"ll briefly discuss how EAPs function, then move on to myriad examples of EAPs used in robotics applications, including: biomimetic robot eyes, childrens" toys, and flapping-wing ornithopters.   I"ll also look at electroactive polymer artificial muscles (EPAM) that were invented at SRI International and subsequently spun off to startup Artificial Muscle, Inc.  In my favorite example, a hexapod walker was constructed at SRI whose muscles are used for both structural support in addition to actuation.  Now if they could also function as energy storage devices, they"d be the ultimate biological analog.

Electroactive Polymers (EAP) are a relatively new class of "smart material" that deform in the presence of an applied electric field, much like piezoelectric actuators.  However, unlike piezoelectric actuators, EAPs operate on fundamentally different principals and produce force / strain / deflections more similar to that of biological muscles.  In fact, there is yearly competition sponsored by NASA that seeks an EAP-powered arm that can defeat a human at arm-wrestling!

Wikipedia has a fair article on EAPs.  Of note, there are two types: ionic and and dielectric.  The ionic EAPs operate through the movement of ions within a polymer, as shown in the diagram below.  A webpage by Dr. Bar-Cohen provides numerous links and pointers about ionic EAPs, as does a NASA webpage  that includes recipes to make your own.  There are also several papers about ionic EAP fabrication here and here, though the NASA recipes may be simpler.  For the casual hobbyist, the easiest solution is probably to purchase a kit from Environmental Robots, Inc (ERI). 

Given my EE background, I understand the dielectric EAPs much better. They are essentially an elastomeric capacitor -- electrostatic forces cause charged electrodes to squish an intermediate polymer layer causing it to expand, as shown in the diagram below. The entire process is also reversible, which can be used to generate electricity or be used as a sensor (much like piezoelectrics).  Dielectric EAPs form the basis of the electroactive polymer artificialmuscle (EPAM) "spring roll" actuators (pictured below-right) developed by SRI International that were ultimately spun off into a startup called Artificial Muscle, Inc.

A video of the spring roll actuator is shown below.

Six of these spring roll EPAMs were used to build a hexapod called MERbot.  The cool thing about MERbot is that the EPAMs provide both structure and actuation.  From a bio-mimicry standpoint, this is particularly compelling; if the EPAMs could store energy as well, it would be very nearly an "ideal" component.  Check out the MERbot video below.

The EPAMs were also used in a number of other robots at SRI -- check out the videos.

Despite EAPs being in their infancy and rather primitive at this time, I believe that their low-power, compliant actuation makes them well-suited for applications in animatronics.  For example, these biomimetic animatronic eyes from Eamex have extremely realistic motion that is achieved without complex and bulky motor/pulley systems. Be sure to check out the video, embedded below.

In another example, this robotic head shows expressive facial movements using relatively simple actuators.  It was a platform for EAP demonstrations, photographed at the NASA Jet Propulsion Lab (via David Hanson at UT Dallas). Again, be sure to check out the video.

Also from Eamex, toys such as stuffed animals and dinosaurs have been created.  The natural compliance of the EAP actuators adds to their intrinsic safety. Check out the videos (here and here), embedded below.

Despite the infancy of EAP robot designs, researchers are already looking at future applications, such as the EAP-actuated unmanned aerial vehicle in the shape of an ornithopter, or flapping-wing aircraft -- artist"s conception below.

To be designed by the NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), this idea was featured in an IEEE Spectrum article entitled "Fly Like a Bird: Flapping Wings Could Revolutionize Aircraft Design."  In this case, the EAPs are a crucial component of the thin-film laminate stack-up that would contain power harvesting (photovoltaic), power storage (lithium batteries), and actuation / sensing (the EAPs).  

Presumably, such systems could stay aloft for prolonged durations, autonomouslygather scientific data, relay communications,  survey terrain, outmaneuver fixed-wing craft, and/or performing planetary exploration.  This concept isfurther explored in Colozza"s slides on Solid State Aircraft.   While this concept is relegated to the future, small EAP flapping-wing craft are certainly being examined.

It"s my hope that electroactive polymers and associated artificial muscles become more commonplace.  Personally, I"d enthusiastically applaud sheets of dielectric EAPs being made available to hobbyists and researchers for experimentation -- perhaps the folks at Artificial Muscle Inc are listening...?   

Reference of this text is: http://www.hizook.com/