بررسی تفاوتهای ساختاری در کشورهای درحالتوسعه و کشورهای توسعه یافته نشان میدهد که به دلیل تفاوت در برخورداری از منابع انرژی و همچنین عملکرد متفاوت در استفاده از این منابع به لحاظ فنی، بهکارگیری دانش روز و کاربردهای فناورانه، این اختلافات مهم در ساختار کشورها ایجاد شده است. کشور ایران جایگاه ویژهای از حیث برخورداری از منابع انرژی دارد؛ بنابراین عملکرد صحیح در قبال استفاده از این منابع، زمینههای لازم برای رهیافت به توسعهیافتگی را در این سرزمین فراهم میکند. از طرفی ایران برای عبور موفق از چالشهای پیش روی خود، نیاز دارد برخی بنیانهای اقتصادیاش را اصلاح کند.
توسعه اقتصادی نیازمند اصلاح نظام صادرات و واردات است. افزایش درآمدهای صادراتی و کاهش هزینههای واردات، منجر به توسعه اقتصادی و رشد قدرت ارزی در کشور میشود. صنعت نفت بهعنوان درآمدزاترین صنعت کشور، نقش بهسزایی در این زمینه دارد. به عبارتی اصلاح نظام صادرات و واردات در صنعت نفت، قطعاً منجر به توسعه اقتصادی در کشور میشود؛ بنابراین از الزامات این اصلاحات ساختاری، نگاه جامع، سیستماتیک و هدفمند به زنجیره ارزش در صنعت نفت و پتروشیمی است.
امروزه با رشد سریع علم و فناوری، تنها اقتصادهای مبتنی بر فناوری میتوانند پایدار و رو به رشد باقی بمانند. فناوری نانو یک پتانسیل بالقوه برای ایجاد ارزشافزوده در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی است. صنایع تکمیلی و پاییندست پتروشیمی از جمله صنایعی است که نقش عمده در توسعه صادرات و کاهش واردات غیرضروری دارد. تنوع محصول در این صنایع بسیار زیاد است و بخش عمدهای از محصولات این صنایع، مستقیماً مورداستفاده مصرفکننده قرار میگیرد.
نانوکامپوزیتهای پلیمری بر پایه پلیالفینهای سبک (پلیاتیلن و پلیپروپیلن) از فرآوردههای مهم صنایع تکمیلی پتروشیمی هستند و موضوع این گزارش نیز واقع شدهاند. این نانوکامپوزیتها در صنایع مختلفی نظیر صنعت خودرو، لوازمخانگی، صنایع بهداشتی، بستهبندی و نساجی مورداستفاده قرار میگیرند. پیشبینیها برای بازارهای نانوکامپوزیتهای پلیمری حاکی از آن است که تا سال ۲۰۲۲ درآمد حاصل از این بازارها، بیش از ۵/۱۱ میلیارد دلار رشد خواهند داشت [۱].
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو بهعنوان یک نهاد تنظیمگر، سیاستگذار و حامی با هدف برطرف کردن نیازها و حل مشکلات صنایع و با تکیه بر توان داخل، سعی دارد تا از طریق حمایتهای مادی و معنوی خود، مسیر رسوخ و انتقال فناوری نانو را در صنایع مختلف ازجمله صنعت نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی هرچه بیشتر تسهیل کند.
جایگاه فناوری نانو در صنعت پتروشیمی
علم و فناوری اثبات کرده که با انتقال از میکروذرات به ذرات بهمراتب کوچکتر، یک انقلاب بزرگ در بسیاری از صنایع ایجاد خواهد شد. این دنیای بسیار کوچک در محدوده ۹-۱۰ متر قرار دارد و براساس استانداردهای تعریفشده، دامنه ۱ تا ۱۰۰ نانومتری را شامل میشود. استفاده از فناوری نانو در کاربردهای مختلف، موجب شده تا زمینههای جدیدی از علم و فناوری به وجود بیاید و این زمینهها همان علم نانو و فناوری نانو است. علم نانو مطالعه پدیده و اصول حاکم بر رفتار مواد در سطح نانو است [۲].
بهکارگیری فناوری نانو در صنعت نفت موضوع جدیدی نیست. بهطور مثال از حدود ۵۰ سال گذشته، نانوذرات در گِلهای حفاری استفاده میشدند. اخیراً تمام زمینههای کلیدی دیگر در صنعت نفت مانند اکتشاف، تولید، نظارت، پالایش و توزیع، از فناوری نانو بهعنوان یک پتانسیل برای شرایط سخت و غیرمتعارف استفاده میکنند [۳].
امروزه استفاده از فناوری نانو یک راهبرد مهم در حوزه انرژی است؛ باید شکاف میان صنعت نفت و نهادهای متولی امر توسعه فناوری نانو را از طریق ایجاد کنسرسیومها بین بنگاههای نفتی و مراکز برتر فناوری نانو، شبکهسازی، کارگاهها و کنفرانسها و حتی ایجاد واحدهای تحقیقاتی اختصاصی در مراکز نفتی از بین برد [۳]. به نظر میرسد با وجود تحقیقاتی که در این زمینه در کشور صورت گرفته و بحثهای زیادی که تاکنون انجام شده است؛ اما هنوز در ابتدای این راه هستیم و باید بهطور جدیتری به این مقوله پرداخت.
نانوذرات به دلیل سایز بسیار کوچک و نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، خواص منحصربهفردی دارند [۲]. استفاده از نانومواد در کامپوزیتهای پلیمری، بازارهای جذابی ایجاد کرده و موجب تحولی شگرف در صنایع پاییندستی و تکمیلی پتروشیمی شده است. مزیت نسبی نانوکامپوزیتهای پلیمری در مقایسه با فلزات و طیف وسیع کاربرد این مواد پیشرفته، علت رشد حیرتانگیز بازارهای پلیمری است [۴] که در این گزارش به آن پرداخته میشود.
معرفی زنجیره ارزش صنعت نفت؛ از پالایش تا پتروشیمی
صنعت نفت بهعنوان درآمدزاترین صنعت کشور، طیف وسیعی از فعالیتها را شامل میشود. صنایع تکمیلی و تبدیلی پتروشیمی که در آن محصولات نهایی تولید میشود، از آخرین حلقههای زنجیره ارزش در صنعت نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی است. بیشک استفاده از فناوری نانو در این صنایع، موجب ایجاد ارزشافزوده در صنعت پتروشیمی و پلیمر میشود.
در صنایع تکمیلی زنجیره ارزش پتروشیمی، مواد خام هیدروکربنی طی فرآیندهایی به پلیمرها و محصولات نهایی شیمیایی تبدیل میشوند. تعداد و تنوع این محصولات بیشمار است و در حوزههای مختلف از صنعت مورداستفاده مصرفکننده قرار میگیرند. صنعت لاستیک و پلاستیک، رنگ و رزین، چسب، نساجی، آرایشی، بهداشتی و دارویی، چاپ و بستهبندی، کودها و مواد شیمیایی و تجهیزات و ماشینآلات صنعتی، همگی وابسته به فرآوردههای پتروشیمیایی هستند [۵].
شکل (۱): خلاصهای از زنجیره ارزش صنعت نفت از پالایش تا پتروشیمی
کامپوزیتهای پلیمری براساس نوع زمینه به سه دسته ترموپلاستیک (پلاستیکهای گرمانرم)، ترموست (پلاستیکهای گرماسخت) و الاستومر (لاستیکها) تقسیم میشوند [۶]. پلیپروپیلن (PP: polypropylene)، پلیاتیلن (PE: polyethylene)، پلیاتیلن ترفتالات (PET: polyethylene terephthalate)، پلیاستایرن (PS: polystyrene)، اکریلو نیتریل بوتادین استایرن (ABS: acrylonitrile butadiene styrene) و پلیوینیل کلراید (PVC: polyvinyl chloride) عمده پلیمرهای مصرفی در ماتریس کامپوزیتهای پلیمری هستند [۷].
در بین مواد میانی و کلیدی صنعت پتروشیمی، الفینهای سبک (اتیلن و پروپیلن) از اهمیت بسیار زیادی در توسعه زنجیره ارزش صنعت پتروشیمی برخوردارند. الفینهای سبک بیش از ۶۰ درصد سهم تولید مواد پایه پتروشیمی را در کل دنیا به خود اختصاص دادهاند. اتیلن و پروپیلن در بین مواد اصلی و پایه صنعت پتروشیمی، در رتبه اول و دوم میزان تولید قرار دارند. میزان رشد مصرف این دو الفین ارزشمند در سالهای پیشرو (تا سال ۲۰۱۹) چیزی در حدود ۷ درصد پیشبینی شده است که نشان از افزایش تقاضای قابلتوجه برای این دو ماده و همچنین مواد موجود در زنجیره ارزش آنها دارد. حدود ۶۰ تا ۷۰ درصد مصرف اتیلن و پروپیلن در دنیا جهت تولید گریدهای مختلف پلیاتیلن و پلیپروپیلن استفاده میشود [۵].
بنابر دلایل مذکور، کامپوزیتهای زمینه پلیمری که با پلیاتیلن و پلیپروپیلن ساخته میشوند نیز اهمیت ویژهای در صنایع تکمیلی پتروشیمی دارند. به همین دلیل صنایع تکمیلی پلیمرهای پلیاتیلن و پلیپروپیلن موضوع بحث این گزارش واقع شده است.
پلیاتیلن و پلیپروپیلن
پلیاتیلن (polyethylene) یک پلیمر ترموپلاستیک است؛ یعنی با رسیدن به نقطه ذوب خود به حالت مایع و با رسیدن به نقطه انجماد به حالت جامد تبدیل میشود. پلیاتیلن از سنتز شیمیایی و پلیمریزاسیون گاز اتیلن (C2H4) بهدست میآید. پلیاتن (polythene) یک نام غیررسمی برای پلیاتیلن است. بهعلاوه، این ماده به اختصار PE نیز نامیده میشود. تبدیل پلیمرهای پلیاتیلنی به محصولات نهایی در صنعت پلاستیک و کسب سهم بازارهای جهانی در این زمینه، دو نکته قابلتأمل در زنجیره ارزش پلیاتیلن است که در توسعه صنایع تکمیلی پتروشیمی نقش حائز اهمیتی دارد [۸]. در شکل (۲) ساختار پلیاتیلن نمایش داده شده است.
شکل (۲): ساختار شیمیایی پلیاتیلن
پلیپروپیلن (polyethylene) دومین پلیمر ترموپلاستیک پرکاربرد و پرمصرف در دنیا است. پلیپروپیلن از پلیمریزاسیون مونومر پروپیلن به روش زیگلر- ناتا بهدست میآید. این ماده به اختصار PP نیز نامیده میشود. صنایع بستهبندی یکی از مهمترین صنایع کاربردی در استفاده از پلیپروپیلن است. پلیپروپیلن، به سه شکل گرانول، ورق و فیلم استفاده میشود [۹]. در شکل (۳) ساختار پلیپروپیلن نمایش داده شده است.
شکل (۳): ساختار شیمیایی پلیپروپیلن
کامپوزیتهای پلیمری با ماتریس پلیاتیلن و پلیپروپیلن از طریق افزودن یک یا چند جز دیگر بهعنوان تقویتکننده در ماتریس پلیمری ساخته میشوند. در بخش بعدی این گزارش، به این افزودنیها پرداخته خواهد شد.
معرفی افزودنیهای نانویی در کامپوزیتهای PE و PP
از اواسط قرن بیستم، انواع مختلفی از نانوکامپوزیتهای پلیمری به دلیل خواص منحصربهفرد و جذابشان، بهطور گستردهای مورداستفاده قرار گرفتند [۷]. نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری را میتوان به دو روش فیزیکی یا شیمیایی تهیه کرد. چالش مهمی که در تهیه نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری وجود دارد، توزیع یکنواخت و همگن نانوذرات در زمینه پلیمری است. عموماً پرکنندههای نانویی تمایل به کلوخهای شدن، آگلومریزاسیون[1] و تشکیل خوشههای میکرومتری دارند. در این صورت توزیع مناسبی از نانوذرات در زمینه وجود نخواهد داشت و در نتیجه خواص نانوکامپوزیتها دستخوش تغییرات منفی میشود. بر این اساس، محققان بسیار تلاش کردهاند تا بتوانند با واکنشهای شیمیایی، واکنشهای پلیمریزاسیون پیچیده و یا اصلاح سطح مواد پرکننده، توزیع مناسبی از نانوذرات را در زمینه اعمال کنند. اکثر نانوکامپوزیتهای پلیمری با چهار روش زیر تهیه میشوند:
۱. روش بین لایهای[2]
۲. پلیمریزاسیون درجا[3]
۳. روش سل ژل[4]
۴. مخلوطسازی مستقیم پلیمر و نانوپرکنندهها[5] [۱۰].
عموماً جزء پلیمری در انواع محصولات پلاستیکی، شامل پلیپروپیلن (PP)، پلیاتیلن (PE)، پلیاستایرن (PS)، اکریلو نیتریل بوتادین استایرن (ABS) و پلیوینیل کلراید (PVC) است. در این میان پلیپروپیلن بهترین و متوازنترین خواص فیزیکی و مکانیکی را دارد. پلیپروپیلنها جزء مواد آبگریز هستند [۷]. در سالهای اخیر پیشرفتهای زیادی در زمینه اصلاح خواص فیزیکی و شیمیایی سطوح پلیمری بهعنوان زمینه در کامپوزیت انجام شده است. روشهای مختلفی مانند پیوندزنی سطحی[6]، اصلاح با پلاسما[7]، تخلیه کرونا[8] و عملیات حرارتی با شعله[9] برای اصلاح سطوح پلیمری به کار میروند و منجر به افزایش یا کاهش آبدوستی، جذب مولکولها، زبری، بار یونی و زیستسازگاری، بدون تغییر در خواص توده میشوند [۱۱].
با توجه به مزایای پلیپروپیلن از جمله: عرضه فراوان این ماده، قابلیت پردازش (فرآوری) خوب، نیاز کم به انرژی برای پردازش، کمهزینه بودن و پایداری شیمیایی بالا، تقاضای زیادی برای پلیپروپیلن با خواص ضدمیکروبی جهت استفاده در صنایع مختلف وجود دارد که در این بین میتوان به استفاده از آن در دستگاههای مختلف، صافیها، مواد بستهبندی و صنایع نساجی اشاره کرد [۷].
افزودنیها در نانوکامپوزیتهای پلیمری با زمینه پلیاتیلن و پلیپروپیلن، طیف وسیعی از مواد را شامل میشود. در ادامه چند افزودنی پرکاربرد در نانوکامپوزیتهای پلیمری تجاری و صنایع مورداستفاده این کامپوزیتها بیان میشود:
- نانوذرات نقره
نانوذرات نقره در ضدمیکروبی کردن کامپوزیتها مورداستفاده قرار میگیرد. برای کاربرد این نانوکامپوزیتها میتوان بهعنوان مثال به استفاده در دندانپزشکی، میلهای جراحی و زخمهای ناشی از سوختگی اشاره کرد. این نانوذرات خواص بیوشیمیایی قوی بر روی ۱۲ گونه باکتری از جمله اشرشیا کلای[10] نشان دادهاند. اثرات ضدباکتری نانوذرات نقره، به اندازه کوچک و نسبت سطح به حجم بالای آن مربوط میشود و به آنها اجازه میدهد با غشای سلولهای میکروبی برهمکنش نزدیکی داشته باشند [۷].
شکل (۴): تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از نانوذرات نقره
- نانولولههای کربنی
از دیگر جزءهایی که به زمینههای پلیمری اضافه میشود، نانولولههای کربنی است. نانولولههای کربنی در واقع ورقهای گرافیتی هستند که به شکل لولههای بدون درز پیچیده شده و دارای قطری بین ۵ تا ۱۰ نانومتر و طولی حتی نزدیک به سانتیمتر هستند. از زمان کشف نانولولهها توسط ایجیما[11] در سال ۱۹۹۱، این مواد با داشتن خواص شگفتانگیزشان (مدول الاستیسیته بالا، هدایت الکتریکی و گرمایی خوب) توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. از همان زمان، تلاشهای زیادی برای اضافه کردن نانولولهها در ساختار موادی مانند پلیمرها شده است تا مقاومت مکانیکی و یا هدایت الکتریکی و گرمایی این کامپوزیتها را افزایش دهند. علاوهبراین، کاربردهای بسیار مهمی برای نانولولههای کربنی پیشنهاد میشود که میتوان به نانوکامپوزیتهای رسانا و دارای استحکام بالا، دستگاههای ذخیره و تبدیل انرژی، سنسورها، نمایشگرهای انتشار میدان و منابع تابش، ذخیرهسازی هیدروژن و دستگاههای نیمههادی در اندازه نانو، پروبها و اتصالات اشاره کرد [۷], [۱۲].
شکل (۵): تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و تصویر شماتیک از نانولولههای کربنی
- پرکنندههای معدنی
پرکنندههای معدنی مهمترین افزودنی تولیدات تجاری نانوکامپوزیتهای پلیمری هستند و عمدتاً به دلیل هزینه کم و بهبود سختی و افزایش استحکام به کامپوزیتهای پلیمری اضافه میشوند. نانوذراتی که بهطور عمده در غشاهای پلیمری- معدنی مورداستفاده قرار میگیرند، عبارتاند از: ZrO2، TiO2، Al2O3، SiO2 و ZnO.
ZnO یک نیمههادی چندمنظوره است که به علت ویژگیهای مطلوب آن مانند آبدوست بودن، فعالیتهای کاتالیستی، پایداری و در دسترس بودن، بهعنوان یک جزء معدنی مهم در غشاهای پلیمری استفاده میشود [۱۳].
- نانورسها
از میان انواع نانوکامپوزیتها، نانوکامپوزیتهای پلیمر-رس بهعلت خواص قابلتوجه مانند مقاومت در برابر نفوذپذیری، کاهش تراوایی گاز، افزایش استحکام و مدول الاستیک، افزایش مقاومت به سایش، افزایش مقاومت در برابر حرارت، نظر پژوهشگران را به خود جلب کرده است. نانورسها نیز از پرکنندههای معدنی هستند که به دلیل اهمیتشان در دستهبندی جدا مورداشاره قرار گرفتهاند. در نانو کامپوزیتهای پلیمر-رس، از انواع پلیمرهای گرماسخت مانند اپوکسی و گرمانرم مانند پلیاتیلن، پلیپروپیلن بهعنوان زمینه و از انواع رسها از قبیل هکتوریت، مونت موریلونیت و میکای مصنوعی بهعنوان پرکننده استفاده شده است [۱۴].
شکل (۶): نانوذرات رس
مقایسه محصولات نانویی و غیرنانویی
زمانی که از ذرات با اندازه میکرو بهعنوان افزودنی یا پرکننده استفاده میشود، لازم است حجم بالایی از این افزودنیها (معمولاً بیشتر از ۲۰ درصد حجمی) مورداستفاده قرار گیرد تا خواص لازم را برای کامپوزیت به ارمغان آورد. استفاده از این حجم بالای افزودنیها در کامپوزیت، باعث آسیب رساندن به خواص مهمی از زمینه پلیمری مانند پردازشپذیری[12]، ظاهر، چگالی و عملکرد پیرسازی[13] میشود؛ بنابراین، برای داشتن کامپوزیتی با عملکرد بهبودیافته، استفاده از حداقل یک جز نانویی (معمولاً کمتر از ۱۰ درصد حجمی)، کاملاً معقول و منطقی به نظر میرسد. ارزشافزودهای که از طریق ساخت کامپوزیتها با نانومواد برای پلیمرها ایجاد میشود بهگونهای قابلتوجه بوده که در حال حاضر اکثراً این نانوکامپوزیتها هستند که با یکدیگر رقابت میکنند [۱۲], [۱۵].
افزودن نانوذرات به پلیمر، باعث تغییر در برهمکنش بینمولکولی ماتریس کامپوزیت میشود. مساحت سطح بسیار بالا، یکی از جذابترین ویژگیهای نانوذرات است و میتواند مقدار زیادی فاز میانی در کامپوزیت ایجاد کند [۱۵]. بهطور مثال در کامپوزیتهای پلیمر-رس، بر اثر واکنش بین مولکولهای پلیمر و لایههای رس و در مرز فیزیکی میان آنها، فازی از یک ماده جدید تشکیل میشود کـه دارای خواصی متفاوت با خواص پلیمر و لایههای رس است و به آن فاز میانی گفته میشود. در این کامپوزیتها یک فاز میانی به ضخامت ۱ نانومتر، تقریباً ۳/۰ درصد از کل حجم پلیمر پر شده با ذرات میکرو را در برمیگیرد؛ این درحالی است که این مقدار در نانوکامپوزیتها، ۳۰% از کل حجم است [۱۴]. بهاینترتیب سهم قابلتوجهی که توسط فازهای میانی ایجاد شده، امکانات مناسب مختلفی را در عملکرد نانوکامپوزیت فراهم میکند و با بارگذاری مقدار کمی از پرکنندههای نانو، میتوان خواص زمینه را تا حد زیادی بهبود بخشید. مسئله مهم در استفاده از نانوذرات، چگونگی توزیع مناسبی از نانوذرات در زمینه پلیمری و بهبود برهمکنش بین نانوذرات و زمینه است [۷], [۱۲], [۱۵].
معرفی صنایع مورداستفاده از نانوکامپوزیتهای PE و PP
پلیاتیلن در سه فرم اصلی تولید میشود: چگالی پایین (LDPE: < 0.930 g.cm-3)، چگالی پایین خطی (LLDPE: 0.915-0.940 g.cm-3) و چگالی بالا (HDPE: 0.940-0.965 g.cm-3). پلیاتیلن با چگالی پایین و پلیاتیلن با چگالی پایین خطی برای بستهبندی و استفاده بهعنوان عایق الکتریکی مناسب است. از پلیاتیلن با چگالی بالا جهت تهیه مواد شیمیایی خانگی مانند مایع شستشو، بستهبندی صنعتی و همچنین برای تهیه لوله استفاده میشود. در دو نمودار شکل (۴) موارد مصرف پلیاتیلن به همراه میزان مصرف در صنایع مختلف ارائه شده و در جدول (۱) تولید سالانه PE در مناطق مختلف بیان شده است [۱۶].
شکل (۴) موارد مصرف پلیاتیلن با چگالی بالا (HDPE) و پلیاتیلن با چگالی پایین/ پایین خطی (LDPE/LLDPE) [16]
جدول (۱): تولید سالانه پلیاتیلن (برحسب میلیون تن) [۱۶]
| HDPE | LLDPE | LDPE | |
| ۵/۳۷ | ۱/۲۴ | ۷/۱۸ | بازارهای جهانی |
| ۹/۷ | ۳/۶ | ۲/۳ | آمریکا |
| ۸/۵ | ۲/۸ | اروپا | |
پلیپروپیلن بهصورت فیلم، جهت بستهبندی و بهصورت الیاف برای تهیه فرش و لباس فرآوری میشود. همچنین برای تهیه مواد با روش قالبگیری تزریقی اعم از ضربهگیر اتومبیل تا کاسه ماشین ظرفشویی نیز از پلیپروپیلن استفاده میکنند. حتی میتوان برای تهیه لوله نیز از PP استفاده کرد. در نمودار شکل (۵) این موارد به تفکیک و بهصورت آماری نشان داده شده و در جدول (۲) تولید سالانه PP در دو منطقه جغرافیایی بیان شده است [۱۷].
شکل (۵): موارد مصرف پلیپروپیلن [۱۷]
جدول (۲): تولید سالانه پلیپروپیلن (برحسب میلیون تن) [۱۷]
| بازارهای جهانی | ۲/۵۲ |
| اروپا | ۱/۱۳ |
| روسیه | ۶۴/۰ |
بنابر کاربردهایی که در صنایع مختلف برای پلیاتیلن و پلیپروپیلن ذکر شد، نانوکامپوزیتهای این نوع پلیمرها نیز همگی در صنایع مذکور قابلاستفاده هستند؛ با این تفاوت که نانوکامپوزیتها خواصی بسیار برجستهتر نسبت به ماتریس خود دارند. ازاینرو در نوعی از تقسیمبندی، بازار نانوکامپوزیتهای پلیمری با توجه به کاربرد آنها در صنایع مختلف مطرح میشود. صنایع بستهبندی، خودرو، نساجی، لوازم ساختمانی، لوازمخانگی و بهداشتی، هوافضا، دفاعی، انرژی و پوششها از جمله کاربرد نانوکامپوزیتهای پلیمری بر پایه پلیاتیلن و پلیپروپیلن است. نوع دیگری از تقسیمبندی برای بازار نانوکامپوزیتهای پلیمری مطرح میشود که براساس نوع محصول و یا نوع افزودنی در ماتریس پلیمری است؛ مانند کامپوزیتهای تقویت شده با نانولولههای کربنی، نانوالیاف، نانورس و یا نانوذرات معدنی [۱۸].
چشمانداز اقتصادی
- بازار جهانی پلیاتیلن (PE)
پلیاتیلن (PE) پرمصرفترین رزین پلاستیکی در دنیا بوده و خواهد بود. این حجم مصرف بالا به دلیل مزایای فراوان آن اعم از تطبیقپذیری[14]، قابلیت پردازش و پرداخت آسان، هزینه کم و قابلیت بازیافت است. تقاضای جهانی برای رزینهای پلیاتیلن، ۴ درصد در سال رشد دارد. بهعبارتدیگر تا پایان سال ۲۰۱۸ تقاضای جهانی برای پلیاتیلن ۶/۹۹ میلیون تن خواهد بود که معادل ۱۶۴ میلیارد دلار برآورد میشود. تولید مواد اتیلنی از منابع جدید مانند گاز شیل، زغالسنگ و مواد زیستی باعث میشود تا پلیاتیلن نسبت به سایر رزینهای پلاستیکی از نظر هزینه برتری داشته باشد. علاوه بر این، پیشرفت تکنولوژی در پلیمریزاسیون کاتالیستی، عملکرد، سفارشیسازی و بازده تولید پلیاتیلن را بهبود میبخشد [۱۹].
آسیا و اقیانوسیه تا پایان سال ۲۰۱۸، همچنان بزرگترین و سریعترین رشد بازار جهانی را در تولید پلیاتیلن خواهند داشت. دلیل اصلی رشد در این منطقه، تقاضای بسیار زیاد کشور چین است که بهتنهایی یک چهارم تقاضای جهانی PE در سال ۲۰۱۳ را به خود اختصاص داده است. هند و ویتنام نیز از جمله بازارهای در حال رشد PE در جهان هستند. عمده تقاضا برای PE در سالهای ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۳ اتفاق افتاد و پس از آن در اکثر کشورهای آسیایی تقاضا با آهنگ کندتری ادامه دارد. از سوی دیگر پیشبینی میشود در آینده آمریکای شمالی رشد قابلتوجهی در تقاضای پلیاتیلن خواهد داشت و بازارهای افول کرده اروپای غربی و ژاپن نیز مجدداً رشد خواهند یافت [۱۹].
- بازار جهانی پلیپروپیلن (PP)
بازار جهانی پلیپروپیلن (PP) دومین تجارت بزرگ پلیمر در دنیاست و بیش از ۲۵ درصد تقاضای جهانی پلیمر را شامل میشود. رشد تقاضای جهانی همچنان بهواسطه اقتصادهای نوظهور، بهویژه چین، هدایت میشود. انتظار میرود تقاضای جهانی برای پروپیلن از ۶ میلیون تن در سال ۲۰۱۵ به ۱۲۰ میلیون تن تا سال ۲۰۳۰ افزایش یابد. با این وجود عرضه جهانی پروپیلن در سالهای آتی بهطور قابلتوجهی افزایش خواهد یافت و باعث تشدید رقابت بین تولیدکنندگان خواهد شد. وجود منابع جدید و کمهزینه برای تولید پروپیلن، ظرفیت سرمایهگذاریهای جدیدی را در آمریکا شمالی (گاز شیل) و چین (زغالسنگ) به وجود آورده و تأثیر شگرفی بر تجارت جهانی آینده و رقابت منطقهای خواهد داشت [۲۰].
منطقه آسیا و اقیانوسیه بیش از نیمی از ظرفیت تولید پروپیلن را تشکیل میدهد. تولید پروپیلن با سرعت در حال افزایش است، بهویژه در چین، جاییکه با سرمایهگذاریهای عمده در ظرفیتهای جدید تلاش میشود تا خودکفایی بیشتر شود. طبق پیشبینیها، تولید پروپیلن در چین تا سال ۲۰۲۰ به حدود ۴۰ میلیون تن میرسد تا بتواند تقاضای داخلیاش را تأمین کند. قابل ذکر است در سال ۲۰۱۵، چین ۱۸ میلیون تن پلیپروپیلن تولید کرده که ۱۸ درصد بیشتر از سال ۲۰۱۴ است. بزرگترین صادرکنندگان پلیپروپیلن، عربستان صعودی (۹/۱۲ درصد از صادرات جهانی)، بلژیک (۷/۹ درصد از صادرات جهانی)، کره (۳/۹ درصد از صادرات جهانی) و ایالت متحده (۸ درصد از صادرات جهانی) هستند [۲۰].
- نانوکامپوزیتهای پلیمری
نانوکامپوزیتهای پلیمری برای اولینبار در سال ۱۹۹۱، با محصول نایلون-6 و رس در بازار برای تولید پوشش تسمه تایم و موتور معرفی شدند [۲۱]. براساس تحقیقات جدید منتشر شده در مرکز تحقیقات بازار AMR (Allied Market Research)، بازار جهانی نانوکامپوزیتهای پلیمری برحسب درآمد به بیش از ۱۱ میلیارد دلار و برحسب حجم به ۶ میلیون تن در سال ۲۰۲۲ خواهد رسید و رشد سود سهام در سالهای ۲۰۱۶ تا ۲۰۲۲ به ۹/۱۰ درصد میرسد. آمریکای شمالی یک سوم بازار جهانی نانوکامپوزیتهای پلیمری را در سال ۲۰۱۵ در دست داشته و انتظار میرود در زمان پیشبینی شده نیز این مقدار را حفظ کند [۱].
صنایع در حال رشد مانند صنعت اتومبیل و بستهبندی، درخواستها برای خواص مکانیکی و فیزیکی بالا و رشد زیربنایی در اقتصادهای نوظهور، عوامل اصلی رشد در بازار نانوکامپوزیتهای پلیمری است. هرچند چالشهای زیستمحیطی، فنی و هزینه تولید بالا موانعی برای رشد این بازارها بوده است [۲۱].
در بازارهای آسیایی، بهدلیل استفاده فراوان صنایع مختلف از نانوکامپوزیتهای پلیمری، این نانوکامپوزیتها بیشترین سهم بازار را دارند. حضور اقتصادهای نوظهوری مانند چین و هند کمک زیادی به گسترش بازار نانوکامپوزیتهای پلیمری در منطقه میکند. انتظار میرود که بازار برق و الکترونیک در آسیای جنوب شرقی بهخصوص در کره جنوبی، چین و ژاپن به رشد بازار پیشبینیشده برای نانوکامپوزیتها کمک کنند [۱۸].
دومین بازار این مواد در اروپا است که دلیل آن، افزایش تقاضا در صنایع خودرو و جایگزینی مناسب برای مواد مصرفی مرسوم است. استفاده از نانوکامپوزیتهای پلیمری، وزن خودرو را کاهش داده و بازده محصول را بالا میبرد. بهعلاوه انتظار میرود صنعت بستهبندی نیز میزان تقاضا را در این منطقه افزایش دهد [۱۸].
با توجه به اینکه پلیاتیلن و پلیپروپیلن از پرمصرفترین پلیمرها در صنایع بستهبندی و اتومبیل هستند، انتظار میرود نانوکامپوزیتهای این دو پلیمر نیز رشد قابلتوجهی در بازار جهانی داشته باشند [۲۱].
معرفی شرکتهای داخلی فعال
- شرکت پارسا پلیمر شریف
شرکت دانشبنیان پارسا پلیمر شریف در زمینه ترکیبات پیشرفته پلیمری فعالیت میکند. محصولات و خدمات این شرکت، طیف وسیعی از صنایع بستهبندی، حملونقل، لوازمخانگی و کالاهای ساختمانی (از قبیل لوله، پروفیل، ورق، سیم و کابل) را در برمیگیرد. ساخت انواع آلیاژها و کامپوزیتهای پلیمری و بهطور تخصصی ترکیبات پلیالفینی اصلاح شده با پرکنندههای معدنی، الیاف و ذرات نانومتری، بازه بزرگی را برای فعالیتهای تولیدی این شرکت پدید آورده است.
محصولات
- آمیزه پلیاتیلنی آنتیباکتریال (دارای گواهی نانومقیاس)
- آمیزه نانوکامپوزیتی پلیپروپیلن لوله و اتصالات بیصدا (دارای گواهی نانومقیاس)
کاربردها
- ساخت وسایل پلاستیکی آنتیباکتریال
- از بین بردن صدای ناشی از لولهها و اتصالات در سیستمهای انتقال فاضلاب
| http://www.parsapolymer.com | |
| تهران، خیابان آزادی، خیابان شهید حبیبالله، خیابان شهید قاسمی، پلاک ۳۷، طبقه اول، ۱۴۵۹۹-۹۵۸۴۱ | |
| ۲۱-۶۱۹۷۵۱۱۰-۱۱ |
- آریا پلیمر پیشگام
شرکت دانشبنیان آریا پلیمر پیشگام با هدف ترویج و نهادینهسازی فناوریهای نوین در صنایع پلیمری کشور فعالیت میکند. واحد تولید این شرکت توانایی طراحی و تولید انواع مستربچهای افزودنی و کامپاندهای مهندسی را دارد. محصولات این شرکت شامل انواع کامپاندهای سازگارکننده، مستربچهای افزودنی بر پایه PP، PE و افزودنیهای UPVC است که بهعنوان مواد اولیه در بسیاری از صنایع پلیمری کاربرد دارد.
محصول
- نانوآمیزههای ضدخش بر پایه پلیپروپیلن
- نانوآمیزههای مقاوم به ضربه
کاربرد
- صنعت خودرو (مانند داشبورد)
- بستهبندی مواد شیمیایی و شویندهها
| www.ariapolymer.ir | |
| اصفهان، بلوار دانشگاه صنعتی، شهرک علمی تحقیقاتی اصفهان، بلوار دانشگاه صنعتی اصفهان، ساختمان فنآفرینی ۲، واحد ۲۳۳ | |
| 031-۳۳۹۳۲۱51-2 |
- رنگدانه سیرجان
شرکت رنگدانه سیرجان تولیدکننده مستربچ و افزودنی، کامپاندهای نانو صنعتی و بهداشتی و نخ و الیاف با مقاومت و مدول بالا است. این شرکت فعالیت خود را از سال ۱۳۷۵ آغاز کرده و برای تمامی تولیدات خود پروانه ساختوتولید از وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشکی کشور دریافت کرده است.
محصول
- گرانول آنتیباکتریال (داری گواهی نانومقیاس)
کاربردها
- صنایع بستهبندی غذایی
- نساجی
- تجهیزات آزمایشگاهی و پزشکی
| www.rangdaneh.ir | |
| تهران، خیابان دکتر شریعتی، خیابان پاکستان، کوی هشتم، پلاک ۲۴، کد پستی: ۱۵۳۱۷-۱۳۹۱۳ | |
| 021-88750618 |
- شرکت رامو آلیبرت
شرکت رامو تولیدکننده قطعات تزریقی پلیمری، گرانولهای آنتیباکتریال و گروهی از نانومواد در واحد تحقیق و توسعه خود است. این شرکت هماکنون توانایی تولید ۱۰۰ تن گرانول آنتیباکتریال بر پایه فناوری نانو در سال را دارد. کاربردهای این قطعات پلاستیکی آنتیباکتریال در ساخت لوازمخانگی و خودرو، میز، صندلی و ظروف پلیمری آشپزخانه، اسباببازی کودکان، صندلی و دستگیرههای قطارهای شهری، قطعات پلیمری بیمارستانها و مراکز درمانی است.
محصولات
- گرانول پلیپروپیلن حاوی نانوذرات نقره با خاصیت آنتیباکتریال (دارای گواهی نانومقیاس)
- نانوکامپاندهای پلیمری افزایشدهنده استحکام مکانیکی
- گرانول سینی فن خودرو (دارای گواهی نانومقیاس)
کاربردها
- بستهبندی انعطافپذیر و مهرومومشده
- صنعت خودرو و تولید سینی فن خودرو
- الیاف و پارچه
- پزشکی
- ساخت فیلمهای پلیمری
| www.ramoplastic.ir | |
| تهران، میدان ولیعصر، بلوار کشاورز، خیابان کبکانیان، پلاک ۱۴، واحد ۴ | |
| 021-۸۸۹۹۷۰۱۰-12 |
- پویا پلیمر تهران
محصولات این شرکت شامل انواع مستربچ و کامپاند بر پایه پلاستیکهای گرمانرم و پلاستیکهای مهندسی است. شرکت پویا پلیمر تهران پس از انجام طرح توسعه در سال ۱۳۸۸ با مجموع ۱۱ خط تولید، امکان تولید ۳۰۰۰۰ تن در سال از انواع کامپاند و مستربچ را دارد.
محصول
- مستربچ پلیاتیلن با خواص مکانیکی بالا (دارای گواهی نانومقیاس)
کاربرد
- بهطور خاص در ساخت فیلمهای پلیمری
| www.pooyapolymertehran.com | |
| تهران، خیابان آرژانتین، خیابان الوند، کوچه ۳۱، پلاک ۱۲، واحد ۲ | |
| 021-۸۸786195-7 |
=============================
منابع
[1] Web page: “https://www.alliedmarketresearch.com/press-release/polymer-nanocomposites-market.html.”
[2] M. F. Fakoya and S. N. Shah, “Emergence of nanotechnology in the oil and gas industry: Emphasis on the application of silica nanoparticles,” Petroleum, 2017.
[3] C. Matteo, P. Candido, R. Vera, and V. Francesca, “Current and future nanotech applications in the oil industry,” Am. J. Appl. Sci., vol. 9, no. 6, 2012.
[4] K. I. Winey and R. A. Vaia, “Polymer nanocomposites,” MRS Bull., vol. 32, no. 4, pp. 314–322, 2007.
[5] Web site: “vcmstudy.ir.”
[6] J. H. Koo, Polymer nanocomposites. McGraw-Hill Professional Pub., 2006.
[7] J. J. Wu, G. J. Lee, Y. S. Chen, and T. L. Hu, “The synthesis of nano-silver/polypropylene plastics for antibacterial application,” Curr. Appl. Phys., vol. 12, pp. S89–S95, 2012.
[8] A. Peacock, Handbook of polyethylene: structures: properties, and applications. CRC Press, 2000.
[9] H. Karian, Handbook of polypropylene and polypropylene composites, revised and expanded. CRC press, 2003.
[10] W. S. Khan, N. Hamadneh, and W. A. Khan, “Polymer nanocomposites–synthesis techniques, classification and properties,” Sci. Appl. Tailored Nanostructures One Cent. Press, 2016.
[11] S. Knaus and A. Nennadal, “Surface modification of polypropylene: Hydrophilic finishing with carbohydrates,” in Macromolecular Symposia, vol. 127, no. 1, pp. 257–263, 1998.
[12] F. Hussain, M. Hojjati, M. Okamoto, and R. E. Gorga, “Polymer-matrix nanocomposites, processing, manufacturing, and application: an overview,” J. Compos. Mater., vol. 40, no. 17, pp. 1511–1575, 2006.
[13] Y. Jafarzadeh and R. Yegani, “Thermal, mechanical, and structural properties of ZnO/polyethylene membranes made by thermally induced phase separation method,” J. Appl. Polym. Sci., vol. 132, no. 30, 2015.
[14] محمدرضا دشت بیاض، مریم محمودی میمند “شبیهسازی خواص الاستیک نانوکامپوزیت پلیمر-رس”، نشریه مواد پیشرفته در مهندسی، سال ۳۴، شماره ۳، پاییز ۱۳۹۴.
[15] K. L. M. Anil N. Netravali, Interface/ Interphase in Polymer Nanocomposites. Wiley, 2016.
[16] Web page: “http://www.essentialchemicalindustry.org/polymers/polyethene.html.”
[17] Web page: “http://www.essentialchemicalindustry.org/polymers/polypropene.html.”
[18] Market research report: “Polymer Nanocomposite Market Analysis, Market Size, Application Analysis, Regional Outlook, Competitive Strategies And Forecasts, 2015 To 2022.”
[19] Web page: “https://www.freedoniagroup.com/industry-study/world-polyethylene-3210.htm.”
[20] Market research report: “Research & Knowledge Management Global Polypropylene Market Outlook.”
[21] Web page: “https://www.alliedmarketresearch.com/polymer-nanocomposites-market.”
==============================================
پانوشت:
[1] Agglomeration
[2] Intercalation method
[3] In situ Polymerization
[4] Sol Gel method
[5] Direct Mixing of polymer and Nanofillers
[6] Surface grafting
[7] Plasma modification
[8] Corona discharge
[9] Flame treatment
[10] Escherichia coli
[11] Lijima
[12] Processability
[13] Ageing performance
[14] Versatility
—————————————————
تهیه کنندگان
- زهرا افضلی
- عصمت عبادتی
- علی طالبیان
- کارگروه ترویج صنعتی در حوزه نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی
بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
(توجه: جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید)
همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.
====================================================================================
