Pats stabilumas, dėl kurio PTFE yra idealus šildytuvo apvalkalas korozinėje pramoninėje aplinkoje, taip pat reiškia, kad išmesti fluoropolimero komponentai gali išlikti sąvartynuose šimtmečius ar ilgiau. Tos pačios anglies -fluoro jungtys, kurios eksploatacijos metu atsparios rūgštims, tirpikliams ir šilumai, yra žinomai atsparios natūraliems skilimo keliams po pašalinimo. Visoje polimerų mokslo bendruomenėje vis didesnis dėmesys skiriamas naujam medžiagų iššūkiui: sukurti šildytuvo apvalkalų polimerus, kurie išlieka chemiškai patvarūs per visą tarnavimo laiką, o pasibaigus eksploatavimo laikui tampa skaidomi arba perdirbami.
Ieškoma abiologiškai skaidus fluoropolimerinis alternatyvus šildytuvo apvalkalastapo viena ambicingiausių tvaraus terminio apdorojimo technologijų tyrimų sričių.
Kodėl tradicinius fluoropolimerus sunku pakeisti
Fluoropolimerai, tokie kaip PTFE, PFA ir FEP, yra plačiai naudojami panardinamuosiuose šildytuvuose, nes juose derinamos kelios retos savybės:
Išskirtinis cheminis atsparumas
Itin maža paviršiaus energija
Neprilimpa{0}}elgesys
Elektros izoliacija
Terminis stabilumas
Atsparumas ultravioletiniams spinduliams
Šios medžiagos yra ypač vertingos puslaidininkių apdirbimo, galvanizavimo, cheminės gamybos ir laboratorinių šildymo sistemų srityse, kur užterštumo ir korozijos kontrolė yra labai svarbi.
Tačiau tos pačios savybės sukuria didelį aplinkos patvarumą.
Dauguma įprastų fluorpolimerų įprastomis aplinkos sąlygomis biologiškai nesuyra. Jų molekulinis stabilumas apsunkina šalinimą ir perdirbimą, ypač užterštų pramoninių komponentų, kurie negali lengvai patekti į standartinius plastiko regeneravimo srautus, atveju.
Didėjant tvarumo spaudimui visose pramonės tiekimo grandinėse, mokslininkai tiria alternatyvias polimerų chemijos priemones, galinčias sumažinti ilgalaikį{0}} poveikį aplinkai neprarandant funkcinių savybių.
Biologiškai skaidžių fluorintų polimerų mokslinė strategija
Vienas iš perspektyvių būdų yra modifikuoti biologiškai skaidžių polimerų pagrindą su fluorintais molekuliniais segmentais.
Bioplastikai, tokie kaip poli(pieno rūgštis), paprastai žinomi kaip PLA, natūraliai skaidosi kontroliuojamomis kompostavimo sąlygomis, nes jų esterių jungtys yra pažeidžiamos hidrolizės ir mikrobų atakos. Deja, grynam PLA trūksta cheminio atsparumo ir terminio stabilumo, reikalingo sudėtingiems šildytuvams.
Siekdami įveikti šiuos apribojimus, mokslininkai kuria fluorintų poliesterių sistemas, kuriose fluoro{0}}turinčios šoninės grupės arba kopolimero segmentai yra integruoti į biologiškai skaidžių polimerų grandines.
Fluorinti poliesteriai
Dalinai fluorinus iš PLA{0}}gaunamas medžiagas galima pasiekti kelis našumo patobulinimus:
Mažesnė paviršiaus energija
Padidintas skysčių atstumimas
Pagerintas atsparumas rūgštims
Sumažėjęs užsiteršimas
Geresnės-nelipnios savybės
Gautos medžiagos elgiasi labiau kaip tradiciniai fluoropolimerai, tačiau vis tiek išlaiko tam tikrą kontroliuojamo skilimo laipsnį.
Įsivaizduokite šildytuvo apvalkalą, kuris gali būti palaidotas ir galiausiai pavirs kompostu kruopščiai valdomomis pramoninio kompostavimo sąlygomis, o ne išliks chemiškai nepakitęs ištisas kartas.
Nors ši vizija tebėra eksperimentinė, fluorintų biologiškai skaidžių polimerų tyrimai tęsiasi laboratoriniu{0}}mastu.
Bio-PFA ir mažai{1}}anglies fluoropolimerai
Ne visos tvarumo pastangos yra tiesiogiai nukreiptos į biologinį skaidumą.
Kita svarbi mokslinių tyrimų kryptis – tradicinių fluoropolimerų gamyba, naudojant atsinaujinančias anglies žaliavas, o ne iškastines{0}} žaliavas.
Taikant šį metodą, fluoropolimerų pirmtakams sintetinti naudojami biologiniai{0}}tarpiniai produktai, gaunami iš augalų cukraus, žemės ūkio atliekų arba biomasės fermentacijos.
Chemiškai identiški, aplinkos požiūriu skirtingi
Gautas polimeras gali likti chemiškai identiškas įprastiniam PFA arba susijusiems fluorpolimerams, o tai reiškia:
Pati medžiaga nėra biologiškai skaidoma
Išlaikomas toks pat didelis cheminis atsparumas
Esami apdorojimo metodai išlieka suderinami
Tačiau bendras su polimerų gamyba susijęs anglies pėdsakas gali būti žymiai sumažintas.
Kai kurie tyrėjai taip pat tiria cheminio perdirbimo būdus, kuriais būtų galima iš panaudotų medžiagų atgauti fluorintus monomerus, ir taip galima sukurti uždaro{0}ciklo gamybos sistemas būsimai fluoropolimerų gamybai.
Šiame kontekste terminasbiologiškai skaidus fluoropolimerinis alternatyvus šildytuvo apvalkalasvis dažniau apima ir tikrai skaidomas medžiagas, ir mažesnio{0}}poveikio fluoropolimerų gamybos technologijas.
Dabartiniai techniniai apribojimai
Nepaisant didėjančio susidomėjimo, išlieka didelių inžinerinių kliūčių.
Biologinį skaidomumą derinti su dideliais pramoninių šildytuvų apvalkalų šiluminiais ir cheminiais reikalavimais yra ypač sunku, nes medžiagos savybės iš esmės prieštarauja.
Stabilumo paradoksas
Polimeras, galintis atlaikyti:
Stiprios rūgštys
Padidėjusios temperatūros
Tirpikliai
Hidrolizė
Oksidacija
pagal apibrėžimą taip pat yra atsparus aplinkos degradacijai.
Tai sukuria pagrindinį tvarių fluoropolimerų tyrimų paradoksą.
Tikrai biologiškai skaidūs polimerai, kurie vienu metu išlaiko cheminį atsparumą ir terminį stabilumą virš 150 laipsnių, išlieka dideliu techniniu iššūkiu.
Daugumos dabartinių tyrimų-klasės fluorintų biologiškai skaidžių medžiagų stiklėjimo temperatūra yra žemesnė nei 100 laipsnių, o tai riboja jų naudingumą aukštesnės temperatūros pramonėje.
Ribotos trumpalaikės{0}}paraiškos
Dėl šių apribojimų ankstyvos programos gali pasirodyti tik santykinai švelnioje darbo aplinkoje, pavyzdžiui:
Vienkartinės-medicininės šildymo sistemos
Vienkartiniai laboratoriniai šildytuvai
Žemos{0}}temperatūros vandens vonios
Laikini cheminio šildymo padėklai
Nešiojami analitiniai instrumentai
Šios programos apima:
Mažesnis terminis įtempis
Sumažintas cheminis poveikis
Trumpesnio eksploatavimo trukmės reikalavimai
Didesnis dėmesys skiriamas vienkartiniam tvarumui
Aukštos-temperatūros koroziniai panardinamieji šildytuvai, skirti pramoniniams rūgščių bakams, tebėra daug didesni nei dabartinės biologiškai skaidžių medžiagų technologijos galimybės.
Galimas poveikis pramoniniam šildymui
Net ir dalinė sėkmė šioje srityje gali pakeisti terminio apdorojimo įrangos poveikį aplinkai.
Pramoninės šildytuvų sistemos užtikrina ilgą eksploatavimo laiką, tačiau galutinis utilizavimas išlieka neišvengiamas. Pasaulyje griežtėjant aplinkosaugos reikalavimams, gamintojai vis dažniau vertina viso gyvavimo ciklo poveikį kartu su veiklos našumu.
Ateities tvarios šildytuvo apvalkalo technologijos gali pasiūlyti:
Sumažintas patvarumas sąvartynuose
Mažesnė įterptoji anglies emisija
Patobulintas perdirbamumas
Saugesnis{0}}naudojimo pabaigos-atmetimas
Sumažėjusi priklausomybė nuo naftos chemijos žaliavų
Tokiuose sektoriuose kaip sveikatos priežiūra, analitinės laboratorijos ir elektronikos gamyba, tvarumo reikalavimai ilgainiui gali tapti pagrindiniu medžiagų pasirinkimo sprendimų veiksniu.
Polimerų inžinerijos tyrimų sritys
Keletas aktyvių tyrimų sričių ir toliau formuoja šią besiformuojančią sritį.
Dinaminiai polimerų tinklai
Tyrėjai tiria grįžtamas chemines jungtis, kurios eksploatacijos metu palaiko stabilumą, tačiau gali būti selektyviai suardomos tam tikromis perdirbimo ar kompostavimo sąlygomis.
Hibridinės kompozicinės konstrukcijos
Taip pat vertinamos daugiasluoksnės sistemos, sujungiančios biologiškai skaidomus išorinius sluoksnius su chemiškai atspariais vidiniais barjerais.
Fermentų{0}}Suaktyvintas skaidymas
Kai kurios eksperimentinės medžiagos yra sukurtos taip, kad normaliai eksploatuojant išliktų stabilios ir suyra tik specializuotoje biologinėje aplinkoje.
Fluoro-nemokamos-nelipnios alternatyvos
Lygiagrečiai atliekami moksliniai tyrimai, kuriuose tiriamos visiškai fluoro -be-paviršiaus- medžiagos, galinčios tam tikrose srityse visiškai pakeisti fluoropolimerus.
Nors šios koncepcijos iš esmės išlieka eksperimentinės, jos parodo, kaip sparčiai vystosi tvarūs polimerų tyrimai.
Išvada
Tvaraus, bet chemiškai atsparaus šildytuvo apvalkalo paieška tapo viena aktyviausių ir techniškai reikliausių šiuolaikinio polimerų mokslo sričių. Tyrėjai tiria fluorintus biologiškai skaidomus poliesterius, biologiškai išgautus fluoropolimerus, pažangias perdirbimo chemines medžiagas ir hibridines medžiagų sistemas, siekdami sumažinti ilgalaikį pramoninio šildymo technologijų poveikį aplinkai.
Praktikos kūrimasbiologiškai skaidus fluoropolimerinis alternatyvus šildytuvo apvalkalasiki visiško įprastų PTFE arba PFA sistemų cheminio atsparumo ir šiluminio stabilumo principo prireikia metų. Dabartinė tyrimų medžiaga vis dar veikia esant santykinai kuklioms temperatūros riboms ir pirmiausia tinka mažo{1}}streso reikmėms.
Nepaisant to, laipsniška pažanga gali gerokai pakeisti šildytuvo gamybos ir šalinimo eksploatavimo{0}}ciklo pėdsaką. Galiausiai kiekviena-ilgalaikė medžiaga galiausiai susiduria su tuo pačiu inžineriniu klausimu: kas turėtų nutikti pasibaigus jos naudojimo laikui?
