تاریخ شروع : 1402/11/23
مهلت ارسال : 1402/12/20
گرنت صندوق نوآوری و شکوفایی:
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 500 میلیون تومان
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 500 میلیون تومان
مهلت ارسال پروپوزال به اتمام رسیده است
تولید نانوساختارهای هیدروتالیست به‌عنوان پایدارکننده در صنعت پلیمر
خلاصه فناوری
ساختار و خواص ترکیبات هیدروتالسیت برای اولین بار توسط آلمن (1968) و تیلور (1969) از طریق پراش پرتو ایکس نشان داده شد. فرمول کلی [MII 1-xMIIIx (OH)2]x +[An-x/n·yH2O]x است، که در آن M(II) و M(III) به ترتیب کاتیون‌های فلزی دو ظرفیتی و سه ظرفیتی هستند وAn- یک آنیون n ظرفیتی است. یکی از مزایای هیدروتالسیت (LDH) در بین مواد لایهای، تعداد زیاد ترکیبات گوناگون قابل سنتز فلز-آنیون است. جدای از آن این ترکیبات دارای ویژگی‌های عجیبی مانند زیست‌سازگاری مناسب، پایداری شیمیایی بالا، حلالیت وابسته به pH و ... هستند. این ترکیبات در طبیعت نیز تشکیل شده و همچنین میتوان آن‌ها را سنتز کرد، که در صورت لزوم با سایر یون‌های فلزی که به‌صورت ایزومورف جایگزین شده‌اند، تولید می‌شوند.
پیشرفت قابل توجهی در سنتز LDH با ترکیبات و مورفولوژی‌های جدید در دهه گذشته انجام شده است که امکان کاربردهای بهبود یافته در بسیاری از زمینه‌ها را فراهم می‌کند. هیدروکسیدهای دولایه، به دلیل خواص جالب آن‌ها در تبادل آنیون، انعطاف‌پذیری ترکیبی و زیست‌سازگاری، توجه زیادی را در زمینه‌های مختلف تکنولوژیکی مهم مانند کاتالیز، جداسازی، زیست پزشکی، عوامل ذخیره- تحویل دارو، کاربردهای زیست محیطی و... به خود جلب کرده‌اند.
ضرورت مسئله
به طور کلی، PVC دارای گروه‌های کلر حجیم است که به‌راحتی توسط انرژی خارجی مانند گرما یا نور جدا می‌شود. با جدا شدن کلر، رادیکال‌ها در محل‌های شکاف تولید می‌شوند و بلافاصله پیوندهای دوگانه ایجاد می‌کنند. چنین افزایشی در پیوندهای دوگانه باعث تغییر رنگ PVC می‌شود. با افزایش دما، تشکیل پیوند دوگانه به سرعت افزایش می‌یابد، به‌طوری که PVC دچار تغییر رنگ به قرمز و سپس به سیاه می‌شود. در گذشته، تثبیت کنندههای مبتنی بر پایه سرب، کادمیوم یا بر پایه باریم، اغلب برای این اهداف استفاده می‌شد. با این حال، امروزه استفاده از تثبیت کنندههای غیر سمی به دلیل ماهیت مضر فلزات سنگین و مشکلات آلودگی محیطی رواج یافته است. به طور کلی، استئارات کلسیم و استئارات روی به طور گسترده‌ای به عنوان تثبیت‌کننده‌های غیر سمی استفاده می‌شوند و به دلیل اینکه نمی‌توانند مقاومت حرارتی کافی را در صورت استفاده به تنهایی ایجاد کنند، همراه با یک ترکیب هیدروتالسیت استفاده می‌شوند.
بر این اساس اتحادیه اروپا در سال 2000 میلادی به مرور صنایع مصرف‌کننده را ملزم به استفاده از ترکیبات دوست‌دار محیط‌زیست مانند نمک‌های روی و کلسیم استئارات و هیدروتالسیت کرد. این ترکیبات دارای عملکرد بهتر نسبت به قلع و سرب بوده و به نسبت قیمت تمام شده کمتری را عاید مصرف کننده می‌کنند.
از طرف دیگر رشد تولید و استفاده از این ترکیبات در سراسر دنیا و واردات هیدروتالسیت به داخل کشور به دلیل عدم تولید آن در داخل، ضرورت تحقیق و پژوهش در این زمینه را افزایش داده است. میزان مصرف PVC در کشور حدود 450 هزار تن در سال است که در صورت جایگزین کردن ترکیبات قلع و سرب با ترکیبات هیدروتالسیت میتوان بازار تقریبا 10 هزار تنی را برای این محصول قائل بود.
مسئله اصلی تحقیق
هیدروتالسیت برای اولین بار در سال 1842 میلادی در یک کانسار سرپانتین - منیزیت در نروژ کشف شد. هیدروتالسیت به دلیل محتوای آب آن (هیدرو) و همچنین شباهت آن به تالک (تالسیت) اینگونه نام‌گذاری شده‌است. در میان انواع گوناگون ساختارهای لایهای، هیدروکسیدهای لایهای دوگانه (LDH)، که اغلب به‌عنوان سیستم‌های هیدروتالسیت یا رس آنیونی نیز شناخته می‌شوند، موردتوجه بسیاری قرار گرفته‌اند. ترکیبات هیدروتالسیت دارای ساختارهای لایهای می‌باشند و ساختاری شبیه به تالک دارند که می‌توانند با ترکیب انواع کاتیون‌ها و آنیون‌ها تولید شوند. شعاع یونی عامل مهمی در تمایل یون‌ها در جذب بین لایه‌ها می‌باشد که با افزایش آن ثابت تعادل کاهش می‌یابد. با توجه به نوع آنیون، نسبت اندازه به بار آن‌ها مهم است، یعنی یک آنیون با اندازه بزرگ با بار کم قادر به تعادل همگن در بین لایه‌های دارای بار مثبت نیست. بین لایه معدنی میزبان و ابعاد گونه‌های مهمان در لایه میانی باید یک رابطه میزبان-مهمان وجود داشته باشد. برای آنیون‌های غیر کروی، و به‌ویژه زمانی که آنیون‌ها دارای زنجیره‌های بلند هستند (مانند کربوکسیلات‌ها یا سولفونات‌ها با زنجیره‌های بلند آلکیل)، آرایش‌های متعددی در بین لایه‌ها امکان‌پذیر است، یعنی یک تک لایه موازی با لایه‌ها، یک دولایه موازی یا تک‌لایه‌های کج‌شده یا دولایه تعدد ترکیبی در لایه‌ها و آنیون‌های بین لایهای منجر به تنوع عملکردی می‌شود که اجازه می‌دهد از LDH برای کاربردهای مختلف استفاده شود. در میان تثبیت کنندههای نوع صابون فلزی که در حال حاضر استفاده می‌شود، استئارات روی برای مقاومت حرارتی اولیه و استئارات کلسیم برای مقاومت حرارتی طولانی مدت موثر است. تثبیت‌کننده استئارات روی از تغییر رنگ اولیه پلیمر جلوگیری می‌کند زیرا روی به سرعت، کلر تولیدشده در زمان اولیه را جذب می‌کند.
تولید محصول هیدروتالسیت در ابعاد نانو مقیاس باعث افزایش کیفیت و راندمان آن در کاربردهای مختلف مانند: کاتالیزورها، پایدارکننده‌های پلیمر و... شده و می‌تواند با توجه به افزایش سطح موثر این مواد باعث کاهش در میزان مصرف آن‌ها در مقایسه با محصول غیر نانومتری شود.
تاکنون روش‌های مختلفی نیز برای تولید این ساختارها پیشنهاد شده است که روش‌های مرسومی مانند سل- ژل، همرسوبی و هیدروترمال از مهم‌ترین روش‌های تولید در مقیاس صنعتی هستند که می‌توانند با روش‌هایی مانند مایکروویو و سونوشیمیایی بهبود یابند.
بطور کلی فرآیند شامل مراحل زیر است:
ساختار و خواص ترکیبات هیدروتالسیت برای اولین بار توسط آلمن (1968) و تیلور (1969) از طریق پراش پرتو ایکس نشان داده شد. فرمول کلی [MII 1-xMIIIx (OH)2]x +[An-x/n·yH2O]x است، که در آن M(II) و M(III) به ترتیب کاتیون‌های فلزی دو ظرفیتی و سه ظرفیتی هستند وAn- یک آنیون n ظرفیتی است. یکی از مزایای هیدروتالسیت (LDH) در بین مواد لایهای، تعداد زیاد ترکیبات گوناگون قابل سنتز فلز-آنیون است. جدای از آن این ترکیبات دارای ویژگی‌های عجیبی مانند زیست‌سازگاری مناسب، پایداری شیمیایی بالا، حلالیت وابسته به pH و ... هستند. این ترکیبات در طبیعت نیز تشکیل شده و همچنین میتوان آن‌ها را سنتز کرد، که در صورت لزوم با سایر یون‌های فلزی که به‌صورت ایزومورف جایگزین شده‌اند، تولید می‌شوند.
پیشرفت قابل توجهی در سنتز LDH با ترکیبات و مورفولوژی‌های جدید در دهه گذشته انجام شده است که امکان کاربردهای بهبود یافته در بسیاری از زمینه‌ها را فراهم می‌کند. هیدروکسیدهای دولایه، به دلیل خواص جالب آن‌ها در تبادل آنیون، انعطاف‌پذیری ترکیبی و زیست‌سازگاری، توجه زیادی را در زمینه‌های مختلف تکنولوژیکی مهم مانند کاتالیز، جداسازی، زیست پزشکی، عوامل ذخیره- تحویل دارو، کاربردهای زیست محیطی و... به خود جلب کرده‌اند.
ضرورت مسئله
به طور کلی، PVC دارای گروه‌های کلر حجیم است که به‌راحتی توسط انرژی خارجی مانند گرما یا نور جدا می‌شود. با جدا شدن کلر، رادیکال‌ها در محل‌های شکاف تولید می‌شوند و بلافاصله پیوندهای دوگانه ایجاد می‌کنند. چنین افزایشی در پیوندهای دوگانه باعث تغییر رنگ PVC می‌شود. با افزایش دما، تشکیل پیوند دوگانه به سرعت افزایش می‌یابد، به‌طوری که PVC دچار تغییر رنگ به قرمز و سپس به سیاه می‌شود. در گذشته، تثبیت کنندههای مبتنی بر پایه سرب، کادمیوم یا بر پایه باریم، اغلب برای این اهداف استفاده می‌شد. با این حال، امروزه استفاده از تثبیت کنندههای غیر سمی به دلیل ماهیت مضر فلزات سنگین و مشکلات آلودگی محیطی رواج یافته است. به طور کلی، استئارات کلسیم و استئارات روی به طور گسترده‌ای به عنوان تثبیت‌کننده‌های غیر سمی استفاده می‌شوند و به دلیل اینکه نمی‌توانند مقاومت حرارتی کافی را در صورت استفاده به تنهایی ایجاد کنند، همراه با یک ترکیب هیدروتالسیت استفاده می‌شوند.
بر این اساس اتحادیه اروپا در سال 2000 میلادی به مرور صنایع مصرف‌کننده را ملزم به استفاده از ترکیبات دوست‌دار محیط‌زیست مانند نمک‌های روی و کلسیم استئارات و هیدروتالسیت کرد. این ترکیبات دارای عملکرد بهتر نسبت به قلع و سرب بوده و به نسبت قیمت تمام شده کمتری را عاید مصرف کننده می‌کنند.
از طرف دیگر رشد تولید و استفاده از این ترکیبات در سراسر دنیا و واردات هیدروتالسیت به داخل کشور به دلیل عدم تولید آن در داخل، ضرورت تحقیق و پژوهش در این زمینه را افزایش داده است. میزان مصرف PVC در کشور حدود 450 هزار تن در سال است که در صورت جایگزین کردن ترکیبات قلع و سرب با ترکیبات هیدروتالسیت میتوان بازار تقریبا 10 هزار تنی را برای این محصول قائل بود.
مسئله اصلی تحقیق
هیدروتالسیت برای اولین بار در سال 1842 میلادی در یک کانسار سرپانتین - منیزیت در نروژ کشف شد. هیدروتالسیت به دلیل محتوای آب آن (هیدرو) و همچنین شباهت آن به تالک (تالسیت) اینگونه نام‌گذاری شده‌است. در میان انواع گوناگون ساختارهای لایهای، هیدروکسیدهای لایهای دوگانه (LDH)، که اغلب به‌عنوان سیستم‌های هیدروتالسیت یا رس آنیونی نیز شناخته می‌شوند، موردتوجه بسیاری قرار گرفته‌اند. ترکیبات هیدروتالسیت دارای ساختارهای لایهای می‌باشند و ساختاری شبیه به تالک دارند که می‌توانند با ترکیب انواع کاتیون‌ها و آنیون‌ها تولید شوند. شعاع یونی عامل مهمی در تمایل یون‌ها در جذب بین لایه‌ها می‌باشد که با افزایش آن ثابت تعادل کاهش می‌یابد. با توجه به نوع آنیون، نسبت اندازه به بار آن‌ها مهم است، یعنی یک آنیون با اندازه بزرگ با بار کم قادر به تعادل همگن در بین لایه‌های دارای بار مثبت نیست. بین لایه معدنی میزبان و ابعاد گونه‌های مهمان در لایه میانی باید یک رابطه میزبان-مهمان وجود داشته باشد. برای آنیون‌های غیر کروی، و به‌ویژه زمانی که آنیون‌ها دارای زنجیره‌های بلند هستند (مانند کربوکسیلات‌ها یا سولفونات‌ها با زنجیره‌های بلند آلکیل)، آرایش‌های متعددی در بین لایه‌ها امکان‌پذیر است، یعنی یک تک لایه موازی با لایه‌ها، یک دولایه موازی یا تک‌لایه‌های کج‌شده یا دولایه تعدد ترکیبی در لایه‌ها و آنیون‌های بین لایهای منجر به تنوع عملکردی می‌شود که اجازه می‌دهد از LDH برای کاربردهای مختلف استفاده شود. در میان تثبیت کنندههای نوع صابون فلزی که در حال حاضر استفاده می‌شود، استئارات روی برای مقاومت حرارتی اولیه و استئارات کلسیم برای مقاومت حرارتی طولانی مدت موثر است. تثبیت‌کننده استئارات روی از تغییر رنگ اولیه پلیمر جلوگیری می‌کند زیرا روی به سرعت، کلر تولیدشده در زمان اولیه را جذب می‌کند.
تولید محصول هیدروتالسیت در ابعاد نانو مقیاس باعث افزایش کیفیت و راندمان آن در کاربردهای مختلف مانند: کاتالیزورها، پایدارکننده‌های پلیمر و... شده و می‌تواند با توجه به افزایش سطح موثر این مواد باعث کاهش در میزان مصرف آن‌ها در مقایسه با محصول غیر نانومتری شود.
تاکنون روش‌های مختلفی نیز برای تولید این ساختارها پیشنهاد شده است که روش‌های مرسومی مانند سل- ژل، همرسوبی و هیدروترمال از مهم‌ترین روش‌های تولید در مقیاس صنعتی هستند که می‌توانند با روش‌هایی مانند مایکروویو و سونوشیمیایی بهبود یابند.
بطور کلی فرآیند شامل مراحل زیر است:
- تهیه محلول آبی مواد اولیه با غلظتها و نسبت‌های مورد نظر و اضافه کردن مواد اولیه در شرایط ویژه به راکتور.
- انجام واکنش در شرایط همرسوبی و یا شرایط هیدروترمال.
- افزودن هیدروکسید سدیم به‌عنوان کاتالیزور در شرایط pH قلیایی و اوره و اتانول برای کنترل ساختارها به راکتور.
- فیلتر شدن محتویات راکتور و چندین بار شستشو با آب.
- خشک کردن محصول فیلتر شده و در صورت نیاز کلسینه و گرانول کردن آن.
- جداکردن لایه‌های تشکیل شده با انواع مختلف پلیمرها و سورفکتانت‌ها.
درباره تیم پژوهشی
| نام و نام‌خانوادگی | رشته/ مقطع تحصیلی | همکار/ مشاور طرح | وضعیت شغلی |
| پرویز اسدی | مهندسی مکانیک-دکتری | همکار | عضو هیئت‌علمی دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره) |
| امید کربلایی | شیمی کاربردی-کارشناسی ارشد | همکار | پژوهشگر حوزه نانو فناوری پارک علم و فناوری استان قزوین |
| طاهر رحیمی اقدم | شیمی کاربردی-دکتری | مشاور | محقق پسادکتری دانشگاه زنجان |
سوابق عرضه‌کننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی
پرویز اسدی: آقای پرویز اسدی دارای مدرک دکتری تخصصی مکانیک از دانشگاه تهران هستند. در حال حاضر ایشان عضو هیئت‌علمی گروه مکانیک دانشگاه بین المللی امام خمینی(ره) بوده و در زمینه‌های شکل‌دهی مواد و بررسی کامپوزیت‌ها و نانوکامپوزیت‌ها مشغول فعالیت‌های پژوهشی و صنعتی هستند. همچنین ایشان سه‌عنوان کتاب به چاپ رسانده‌اند و دارای بیش از 45 مقاله پژوهشی و ISI در مجلات معتبر خارجی هستند. ایشان دانشجویان زیادی را در مقطع کارشناسی ارشد و دکتری راهنمایی کرده و دارای چندین اختراع در داخل کشور می‌باشند.
امید کربلایی: آقای امید کربلایی دارای مدرک کارشناسی ارشد شیمی کاربردی از دانشگاه صنعتی شریف بوده و از سال 1392 تاکنون به‌عنوان پژوهشگر و مشاور فنی پروژه‌های صنعتی در حوزه نانو فناوری مشغول فعالیت می‌باشند. همچنین ایشان در چندین پروژه تحلیل پتنت و تحلیل فناوری در زمینه فناوری‌های نوظهور با سازمان‌ها و ارگان‌های مختلف همکاری داشته‌اند. ایشان دارای 3 اختراع داخل کشور در حوزه نانوفناوری و یک اختراع در سازمان جهانی مالکیت فکری (WIPO) هستند.
هیدروتالسیت رقیب افزودنی‌هایی چون فلزات سنگین قلع و سرب است. مهم‌ترین مزیت استفاده از هیدروتالسیت در برابر این افزودنی‌ها، عبارتند از:
- توانایی جذب، تا سه برابر نسبت به سایر افزودنی‌ها را دارند.
- به دلیل مصرف کمتر، تاثیر سوئی بر خواص مکانیکی و عملکردی پلیمر نخواهند گذاشت.
- خواص بصری محصولات تولیدی، مانند کدورت و درخشندگی تاثیر منفی نخواهد پذیرفت.
- هیدروتالسیت با داشتن ذرات نانومقیاس و سطح سازگار با پلیمر پخش و توزیع یکنواختی در پلیمر دارد.
- هیدروتالسیت توانایی حفاظت از افزودنی‌های آنتی اکسیدانت و آنتی UVرا دارد.
- موجب کاهش بخارات حاصل از ایجاد استئاریک اسید در پی استفاده از کلسیم استئارات و روی استئارات می‌گردد.
کاربردهای کمک پایدارکننده‌ها در محصولات بر پایه PVC مانند:
- چرم مصنوعی
- روکش کابل
- پروفیل درب و پنجره
- لوله و اتصالات
- فوم برد
- ژئوممبران
با توجه به اینکه ترکیبات برپایه هیدروتالسیت به‌وسیله کاتیون‌ها و آنیون‌های مختلفی می‌توانند تولید و سنتتز شوند، انتظار می‌رود که محصول نهایی این پروژه بتواند با ترکیبات استئارات روی و کلسیم هم‌افزایی مناسبی داشته باشد و عمکلرد پایداری حرارتی پلیمرهای PVC را افزایش دهد. با توجه به شرایط مطرح شده انتظار می‌رود:
- اندازه ذرات محصول نهایی حداقل در یک بعد نانومتری باشد.
- محصول نهایی حداقل به میزان 2 کیلوگرم تولید شود.
- محصول نهایی دارای ساختار بلوری باشد.
- محصول نهایی قابلیت کاربرد در لوله‌ها، پروفیل، روکش کابل و ژئوممبران را داشته باشد.
- با افزودن حداکثر 2% از هیدروتالسیت طی عملیات حرارتی در اکسترودر، پلیمر PVC تخریب نشود.
- توزیع یکنواختی در پلیمر داشته باشد و در بستر پلیمر تجمع نکند.
- 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).
ارتباط با ما
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@