خلاصه فناوری
خوردگی همیشه دلیل عمدهای در کاهش و از دست دادن انرژی و مواد میباشد. به طور متوسط 20% از انرژی جهان و 2/4% از درآمد ناخالص ملی در هر سال به دلیل وقوع خوردگی و خسارات ناشی از آن هدر میرود. استفاده از پوششها یکی از سادهترین و کاربردیترین راهحلها به منظور افزایش زمان پایداری و محافظت محصولات در برابر عوامل مخرب است. پوششها نسبت به نفوذ محلولهای آبی خورنده مقاوم نیستند و واکنشهای خوردگی در زیر سطح پوشش منجر به کاهش چسبندگی و لایهلایه شدن سیستم پوشش شده و یک خودترمیم شوندگی برای عیوب ایجاد شده در پوشش به منظور بهبود عملکرد حفاظتی طولانی مدت مورد نیاز است. با توجه به این مسئله، به کارگیری نانو الیاف هسته-پوسته با مرز کاملا جدا از هم، بدون گره و نقص و حاوی مواد خودترمیم بهعنوان نانومخازن موردنیاز است. این نانوالیاف بهصورت یک شبکه سهبعدی به هم پیوسته در ساختار چندلایه سیستم پوشش، قابلیت ترمیم سیستم پوشش در معرض محیط خورنده را فراهم میکند. در این سیستم در حالت بدون خراش در زمانهای 46 و 78 روز روند کاهش مقاومت متوقف و امپدانس سیستم پوشش نسبت به زمانهای قبل غوطهوری افزایش مییابد و در حالت خراش مصنوعی پس از 36ساعت مقاومت سیستم پوشش به میزان 104برابر بیشتر شده (از امپدانس Ω.cm2 105 به Ω.cm2 109 افزایش یافته) و دورهکاری سیستم پوشش را افزایش میدهد که نشاندهنده مقاومت خوردگی بالای سیستم پوشش (امپدانس در فرکانس mHz 10، Ω.cm2 11 10×17/1 ) است.
ضرورت مسئله
پوششهای اپوکسی علیرغم اینکه به طور گسترده به منظور حفاظت از زیرلایههای فولادی در برابر محیط خورنده استفاده میشوند؛ اما نسبت به نفوذ محلولهای آبی خورنده مقاوم نیستند و در نتیجه دسترسی یونهای خورنده، واکنشهای خوردگی در زیر سطح پوشش انجام و منجر به کاهش چسبندگی و لایه لایه شدن سیستم پوششهای اپوکسی میشود. لذا پوششهای آلی اپوکسی توانایی حفاظت در برابر واکنشهای خوردگی در طولانی مدت را ندارند. بنابراین یک خودترمیم شوندگی برای عیوب ایجاد شده در پوشش به منظور بهبود عملکرد حفاظتی طولانی مدت مورد نیاز است.
از آنجایی که همه خواص پوششهای اپوکسی آلی بهبود نمییابد، به تاخیر انداختن فرآیندهای خوردگی در نواحی عیب منجر به حفاظت از خوردگی به روش خودترمیمی بعد از ایجاد عیب در پوشش میباشد. بنابراین استفاده از سیستمهای خودترمیم در داخل سیستمهای پوشش باعث به تاخیر انداختن فرایندهای خوردگی و افزایش عمر کاری سازههای فولادی میشود.
با مروری بر ۱۰ شرکت بزرگ فعال در صنعت رنگ مثل شرکتهای Sherwin-Williams و PGG که بزرگترین شرکتهای رنگ و پوشش در دنیا هستند، در سال 2019 درآمدی معادل ۳۴ میلیارد دلار دارند که معادل ۶۷۵ هزار میلیارد تومان و بیش از بودجه عمومی ایران است. این موضوع نشان میدهد که توجه به صنعت رنگ و پوشش یا صنایع مشابه که مواد اولیه آن در کشور تولید میشود، تا چه اندازه میتواند به انبساط بودجه عمومی کشور کمک کند. پیشبینی میشود که ارزش بازار رنگ و پوشش تا سال ۲۰۲۷ رشد مثبتی معادل ۴۴% داشته باشد و از مقدار 154 میلیارد (2019) به ۲۳۲ میلیارد دلار برسد. در افزایش ارزش بازار رنگ و پوشش در میانمدت، نقش همه مناطق برابر نیست. بلکه بعضی با سرعت بیشتر، سهم خود را افزایش خواهند داد. منطقه آسیاپاسیفیک با رشد شدید تقاضای رنگ و پوشش در میانمدت، سهم اروپا را در بازار خواهد گرفت. حجم بازار منطقه آسیاپاسیفیک در 2018 معادل ۷۷.۵ میلیارد دلار است که تا 2022 به ۱۰۸ میلیارد دلار خواهد رسید که قطعا بخش قابل توجهی از آن از مسیر واردات تأمین خواهد شد. ارزش بازار رنگ و پوشش خاورمیانه بیش از ۹ میلیارد دلار و از لحاظ حجمی، بیش از ۳ میلیارد لیتر میباشد. از آنجایی که پوششها و رنگهای خودترمیم به دلیل فناوری بالا و قیمت بالایی که دارند در داخل کشور تولید و بهرهبرداری قرار نگرفته است و با توجه به میزان تقاضای بالای بازارهای داخلی و خارجی مسیر مناسبی برای تجاریسازی و ارتقاء سطح آمادگی فناوری را نیازمند است.
مسئله اصلی تحقیق
استفاده از سیستمهای خودترمیم در داخل سیستمهای پوشش باعث به تاخیر انداختن فرایندهای خوردگی و افزایش عمر کاری سازههای فولادی میشود. یکی از عوامل مهم در طراحی و تولید پوششهای خودترمیم، نوع عامل ترمیمکننده و همچنین نحوهی قرارگیری آن در زمینه پوشش پلیمری است. اگر عامل ترمیمکننده از نوع مایع باشد؛ نمیتوان آن را بهطور مستقیم در پوشش پلیمری بارگذاری کرد و باید از فرایندهای کپسوله کردن استفاده کرد یا آن را در داخل الیاف توخالی بارگذاری کرد تا به صورت کاملا موثر و در زمان ایجاد خراش یا عیب در سیستم پوشش، رها شود و واکنشهای خودترمیم شوندگی را انجام دهد. سیستمهای پوشش و رنگ خودترمیم در داخل کشور تولید نمیشود و هزینه پوششها و رنگهای خودترمیم خارجی بالا است. بهدلیل رشد سریع بازار آسیا خصوصاً چین و هند، بسیاری از شرکتهای بزرگ اروپایی و آمریکایی، تلاش میکنند تا ساخت پوششهای جدید و احداث کارخانجات تولید مواد اولیه، در این منطقه انجام گیرد. در سالهای 1993 تا 2003 تقاضا برای رنگ در سطح جهان بیشتر از سوی کشورهای رشدیافته صنعتی بود. بهطوری که این کشورها تقریباً یک سوم مصرف جهان را بهخود اختصاص داده بودند. در صورتیکه از سال 2003 تاکنون، بیشترین افزایش مصرف در کشورهای در حال توسعه (برزیل، روسیه، هند، چین و آفریقای جنوبی) که دارای رشد اقتصادی قابل توجه در مقایسه با کشورهای صنعتی پیشرفته میباشند، ثبت گردیده است. در صنعت رنگ و پوششهای صنعتی، تولیدکنندگان به طور مداوم در حال ارائه محصولات جدیدی در بازار میباشند که دارای ویژگیهای سازگار با محیطزیست هستند. تولیدکنندگان رزین، رنگدانهها، موادافزودنی و پوششهای صنعتی تمرکز خود را در ایجاد فرآیندهای سبز و پایدارتر که از انرژی کمتری استفاده میکنند و نیز ضایعات و آلایندگیهای کمتری تولید میکنند، افزایش دادهاند.
در این طرح از فرآیند الکتروریسی هممحور جهت تولید الیاف هسته-پوسته حاوی مواد خودترمیم استفاده میشود. پلیمرهای خودترمیم بهعنوان ماده هسته خودترمیم درون پوسته پلیمری الیاف هسته-پوسته الکتروریسی خواهند شد و در زمینه پوشش نانوکامپوزیتی اپوکسی بارگذاری میگردند. پس از ایجاد خراش و عیب در سیستم پوشش و نفوذ محلول آبی خورنده و برخورد آن با الیاف هسته-پوسته، پوسته حل شده و ماده خودترمیم رها شده و با تشکیل یک لایه پسیو ممانعتی از نفوذ بیشتر محلول خورنده و انجام واکنشهای الکتروشیمیایی خوردگی در زیر سطح پوشش جلوگیری میکند. در این طرح علاوه بر بررسیهای ساختاری و ترکیبی سیستم پوشش خودترمیم و بررسی مقاومت به خوردگی و ویژگی خودترمیمی آن به بررسی مشخصههای عملکردی مورد توجه صنعت رنگ و پوشش مطابق با استانداردها نیز پرداخته خواهد شد تا با در نظر گرفتن نیازهای فنی مصرفکنندههای نهایی محصول، در زمینه تجاریسازی و بومیسازی اقدامات موثری برداشته شود. با توجه به تنوع کاربرد سیستمهای رنگ و پوشش در حوزههای مختلف صنعتی و امکان ایجاد سیستم پوشش خودترمیم در اکثر سیستمهای رنگ و پوشش، فناوری حاضر از تکرارپذیری خوبی برخوردار است تا همین محصول به صورت انبوه و با همان ویژگیها برای تعداد زیادی از مشتریان فراهم گردد. استفاده از مواد اولیه موجود در داخل کشور و بهره برداری از ظرفیتهای صنعتی ایجاد شده در داخل کشور کمک شایانی در بهبود سطح آمادگی این فناوری و تجاریسازی آن خواهد کرد.
درباره تیم پژوهشی:
نام و نامخانوادگی |
رشته/ مقطع تحصیلی |
همکار/ مشاور طرح |
وضعیت شغلی |
پروانه سنگ پور |
نانوفیزیک و لایه نازک/دکتری |
سرپرست تیم پژوهشی |
عضو هیئتعلمی پژوهشگاه مواد و انرژی |
سیدمرتضی مدنی |
مهندسی مواد/دکتری |
مدیر فنی |
محقق در پؤوهشگاه مواد و انرژی/ رئیس هیئتمدیره شرکت طلایه داران دانش و صنعت پویا البرز |
محمدرضا واعظی |
مهندسی مواد/دکتری |
همکار تیم پژوهشی |
عضو هیئتعلمی پژوهشگاه مواد و انرژی |
بهناز همراهی |
مهندسی مواد/دکتری |
همکار تیم پژوهشی |
محقق در پژوهشگاه مواد و انرژی |
سوابق عرضهکننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی:
سرکار خانم دکتر پروانه سنگ پور، به عنوان سرپرست تیم پژوهشی، دانشآموخته دکتری فیزیک از دانشگاه صنعتی شریف در حوزه نانو فیزیک و لایه نازک و عضو هیئتعلمی پژوهشگاه مواد و انرژی در پژوهشکده نانو و مواد پیشرفته هستند و علاوه بر این مجری پروژههای تحقیقاتی، صنعتی و دانشگاهی متعدد بودهاند.ایشان همچنین، بهعنوان برگزیده جشنواره جوان خوارزمی، برگزیده جشنواره اندیشمندان جوان انتخاب شدهاند و دارای بیش از 50 مقاله بینالمللی، بیش از دهها ثبت اختراع داخلی و راهنمایی و مشاوره پایاننامههای کارشناسی ارشد و دکتری از سوابق پژوهشی و تحقیقاتی ایشان میباشد.
جناب آقای دکتر سیدمرتضی مدنی، به عنوان مدیر فنی و اجرائی طرح، دانش آموخته دکتری مهندسی مواد – متالورژی از پژوهشگاه مواد و انرژی میباشند. ایشان مخترع سطح 2 و سطح 3 بنیاد ملی نخبگان، دارای ثبت اختراع بین المللی در اداره ثبت اختراعات آمریکا (USPTO) است و علاوه بر تالیف مقالات در ژورنالهای بین المللی و کنفرانسی ،مدیر پروژه و همکار پروژه بیش از 20 پروژه تحقیقاتی و صنعتی بودهاند. در حال حاضر ایشان بهعنوان رئیس هیئتمدیره شرکت طلایه داران دانش و صنعت پویا البرز فعالیت دارند.
- از مزایای تولید پوششهای خودترمیم کامپوزیتی به موارد ذیل میتوان اشاره کرد:
- استفاده از فرایند ساده و آسان عامل دارکردن نانوذرات جهت پراکندگی بهینه در زمینه رزین پلیمری
- تولید الیاف هسته-پوسته هممحور حاوی مواد خودترمیم به صورت پیوسته و بدون نقص
- تولید پوشش نانو کامپوزیتی حاوی الیاف هسته-پوسته خودترمیم چند لایه
- تولید پوشش نانوکامپوزیتی حاوی الیاف هسته-پوسته خودترمیم با مقاومت به خوردگی زماندار بالا
- ایجاد خاصیت خودترمیم در سیستم پوشش نانوکامپوزیتی حاوی الیاف هسته-پوسته، پس از ایجاد خراش در پوشش
- تولید پوششنانوکامپوزیتی حاوی الیاف هسته-پوسته با مقاومت به خوردگی بالا بدون هیچگونه زنگزدگی، تاول و محصولات خوردگی در ناحیه خراش
- ترمیم کامل ناحیه خراش مصنوعی در سیستم پوشش نانوکامپوزیتی حاوی الیاف هسته-پوسته خودترمیم
- فرایند تولید ساده و آسان
- هزینه پائینتر محصولات نسبت به نمونههای مشابه خارجی
- قابلیت به کارگیری و انعطافپذیری در اکثر سیستمهای پوشش و رنگ
- افزایش دوره کاری سازههای فلزی در معرض محیطهای خورنده
- ایجاد خاصیت خودترمیم در سیستم پوشش نانوکامپوزیتی حاوی الیاف هسته-پوسته، پس از ایجاد خراش در پوشش
- تولید پوششنانوکامپوزیتی حاوی الیاف هسته-پوسته با مقاومت به خوردگی بالا بدون هیچگونه زنگزدگی، تاول و محصولات خوردگی در ناحیه خراش
- ترمیم کامل ناحیه خراش مصنوعی در سیستم پوشش نانوکامپوزیتی حاوی الیاف هسته-پوسته خودترمیم
- فرایند تولید ساده و آسان
- هزینه پائینتر محصولات نسبت به نمونههای مشابه خارجی
- قابلیت به کارگیری و انعطافپذیری در اکثر سیستمهای پوشش و رنگ
- افزایش دوره کاری سازههای فلزی در معرض محیطهای خورنده
زمینههای کاربرد این محصول عبارتند از:
- به عنوان لایه میانی سطوح خارجی مخازن و لولهها
- برای سطوح داخل مخازن Crude Oil و فاضلابها
- جهت سطوح بالای خط آبخور اسکلهها
- تولید پوششهای کف مخازن و مقاوم در برابر آب
- سیستم اپوکسی پایه حلال، با مقاومت شیمیائی بالا جهت حفاظت از بتن و فولاد در شرایط غوطهوری
- کفپوش مخصوص آشیانه هواپیماها که مقاومت بسیار خوبی در برابر مایعات هیدرولیک و روغنها دارد
- تولید، بررسی و تعیین حالت بهینه الیاف هسته- پوسته حاوی مواد خودترمیم به کمک آنالیزهای ساختاری
- سنتز نانو ذرات اکسید گرافن عامل دار شده به عنوان فیلرهای استحکامدهنده و ممانعتی در زمینه رزین پلیمری
- تولید پوشش نانوکامپوزیتی اپوکسی-اکسید گرافن سیلانهشده با مقاومت به خوردگی بالا (مقاومت سیستم پوشش حاوی 2/0 درصد وزنی اکسید گرافن سیلانه Ω.cm2 1010×12/1)
- تولید پوشش نانو کامپوزیتی اپوکسی- اکسید گرافن حاوی الیاف هسته- پوسته چند لایه با مقاومت به خوردگی بالا (امپدانس در فرکانس mHz 10، Ω.cm2 1110×1/1)
- تولید پوشش نانوکامپوزیتی اپوکسی- اکسید گرافن حاوی الیاف هسته- پوسته با مقاومت به خوردگی زمان دار بالا (تا 148 روز غوطهوری مقاومت سیستم پوشش بالایی را حفظ کند).
- تولید پوششنانوکامپوزیتی اپوکسی- اکسید گرافن حاوی الیاف هسته- پوسته با قابلیت خودترمیمی (افزایش مقاومت سیستم پوشش در زمانهای 46 و 78 روز در نمونههای بدون خراش و زمان 36 ساعت نسبت به زمان قبلی در نمونه خراشدار بیانگر خودترمیمی پوشش در نتیجه تشکیل لایه پسیو ممانعتی است.
- مقاومت سیستم پوشش با خراش پس از 16 روز در حالت بهینه Ω.cm2810×41/1 که مقاومت بالایی در مقایسه با نمونههای خارجی است.
- هزینه اجرای طرح حدود 500 میلیون تومان برآورد میشود.
- مدتزمان اجرای طرح حدود 12 ماه برآورد میشود.
- مالکیت معنوی: مشارکتکننده در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و مشارکتکننده در ژورنالهای داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانسها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دستاندرکاران مجاز خواهد بود.
- مالکیت منافع مادی: سهم مشارکت شرکت/شتابدهنده متقاضی حداقل 10 و حداکثر 35 درصد خواهد بود (منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری بر اساس توافق طرفین و مشترک خواهد بود و باتوجهبه سهم آورده نقدی و غیرنقدی توسعهدهنده، سهم مالکیت قابلمذاکره و توافق است).
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@