در این بلاگ سعی می شود به طور خلاصه و علمی به معرفی محلول نفیون ، غشای نفیون و ژل نفیون به عنوان محصولات دانش بنیان تولید شده در شرکت الکتروکیمیا بسپار بپردازیم.
نفیون
پلیمر نفیون که از گروه پلیمرهای پرفلوروسولفونیک اسیدی (PFSA) است درواقع یک کوپلیمر متشکل از تترافلوئور اتیلن به عنوان اسکلت اصلی و یک پرفلوئورو وینیل اتر به عنوان شاخه جانبی است که در انتهای شاخهی جانبی آن گروه سولفوناتی قرارگرفته است (شکل 1).
ساختار مولکولی پلیمر نفیون
مقاومت شیمیایی بالای پلیمر و قابلیت انتقال یون بالای آن از ویژگیهای مهم این پلیمراست. ازنظر استحکام و مقاومت شیمیایی نفیون با تفلون (PTFE)قابلمقایسه اما علیرغم تفلون بهواسطه گروههای سولفونیکی آن، آبدوست است. این امر توانایی انتقال یون از طریق کلاسترهای تشکیل شده در ساختار این پلیمر را به وجود آورده است (شکل 2). این ویژگی منحصربهفرد همراه با قابلیتهای شکلپذیری نفیون بهصورت فیلم نازک، باعث به وجود آمدن غشاهای تبادل یونی (کاتیونی) شده است
محلول نفیون
محلول یا سوسپانسیون تجاری پلیمری نفیون معمولاً در حلالهای پایه الکلی و یا آبی با درصد پلیمر مختلف به صورت تجاری قابلدسترس میباشد. محلول پلیمری نفیون در حلالهای مشخص را میتوان بهصورت فیلم یا پوشش برای کاربرد در موارد متعدد و دلخواه که نیازمند به انتقال یون در محیطهای مختلف (حتی در محیطهای بسیار خورنده) هستند مورداستفاده قرارداد. پژوهشگران شرکت دانش بنیان الکتروکیمیا بسپار با انجام تحقیق و توسعه طی 15 سال گذشته موفق به ساخت این پلیمربصورت محلول پلیمری با ترکیب درصدهای مختلف در کشور شده اند(شکل 3). بخش متمایزکننده محصولات تولیدی این شرکت در مقایسه با رقبای خارجی، تولید محصول باکیفیتی رقابتی اما با قیمتی ارزانتر در مقایسه با نمونه تجاری نفیون است.
شکل 3: محلول یا سوسپانسیون نفیون 5% ورنی تولیدی شرکت الکتروکیمیا بسپار
غشای نفیون
غشا بر اساس تعریف، بهعنوان یکلایه نازک جداکننده بین دو سیال مختلف تعریف میگردد که دارای نفوذپذیری انتخابی مناسبی نسبت به برخی مواد موجود بین سیالها باشد. غشاهای تبادل یونی گروه خاصی از غشاهای پلیمری هستند که بهواسطه وجود بارهای ثابتی در ماتریس پلیمری خود، فقط به یونهای بار مخالف اجازه عبور داده و از عبور یونهای بار یکسان ممانعت به عمل میآورند. این غشاها شامل بخشهای آبدوست در ساختار خود بوده بطوریکه برای این منظور، گروههای یونی مختلفی در ساختار آنها تعبیهشده است .
برحسب نوع گروه یونی تعبیهشده، غشاهای تبادل یونی را میتوان به دو گروه غشاهای تبادل کاتیونی یا تبادل آنیونی تقسیمبندی نمود. مواد مختلفی بهعنوان غشای تبادل کاتیون در صنایع الکتروشیمیایی بهویژه پیلهای سوختی استفادهشدهاند اما یکی از مهمترین غشاهایی که در این صنعت مورداستفاده قرارگرفته غشای تبادل کاتیونی نفیون میباشد. درواقع، یکی از رایجترین و ازنظر تجاری در دسترس ترین غشاهای تبادل کاتیون، غشاهای الکترولیت پلیمری (PEM) یا همان غشای نفیون است. این غشا یک فیلم پلیمری رسانای کاتیون (پروتون) بوده که الکترولیت (که به آیونومر یا یونومر نیز مشهور است) فقط به کاتیونها یا پروتونها اجازه عبور میدهد. این ویژگی عملکردی، یک امر کلیدی منحصربهفرد در پیلهای سوختی پلیمری و الکترولایزرهای آب برای تولید هیدروژن میباشد.
نفیون بهعنوان متداولترین عضو خانواده غشاهای تبادل کاتیونی از گروه پلیمرهای پرفلوئوروسولفونیک اسیدی است که در دهه 60 میلادی توسط شرکت دوپونت ابداع و به بازار معرفی گردید. ساختار منحصربهفرد این پلیمر، از خوشههای یونی آبدوست تشکیلشده که توسط کانالهای باریک و کوتاه در داخل ماتریس پلیمری تفلونی و آبگریز به هم متصل شدهاند. ساختار اصلی فلوئوروکربنی (تفلونی) این پلیمرها خواص مکانیکی و شیمیایی آن را بهبود میبخشد. متخصصین شرکت الکتروکیمیا بسپار با انجام تحقیق و توسعه گسترده همچنین موفق به ساخت انواع غشای نفیون با ضخامت مختلف در کشور شده اند(شکل 4). غشاهای نفیون تولیدی این شرکت با کیفیتی رقابتی اما ارزانتر ار رقبای خارجی در کشور تولید و عرضه می گردند.
شکل 4: غشای نفیون117تولیدی شرکت الکتروکیمیا بسپار
فلمیون
علاوه بر نفیون پلیمرهای پرفلوئورینه همخانواده دیگری نیز ابتداعاً توسط شرکتهای ژاپنی آساهی گلس با نام تجاری فلمیون (Flemion) و آساهی بانام تجاری اسیپلک (Asiplex) تولید میگردند که پژوهشگران ما در شرکت الکتروکیمیا بسپار موفق به ساخت آنها در کشور نیز شدهاند. ساختار مولکولی پلیمر فلمیون درشکل 5 نمایش داده شده است
شکل 5: ساختار مولکولی پلیمر فلمیون
همچنین شرکت آمریکایی داو-کمیکال نیز یک ایونومر پرفلوئورینه به نام آکوویون (aquovion) تولید نموده که زنجیرهای جانبی وینیل اتری آن کوتاهتر و نیز وجود یک اکسیژن اتری کمتر در ساختار آن گزارششده است. این پلیمر فعلاً ازنظر تجاری در دسترس نیست. لازم به ذکر است در حال حاضر شرکت الکتروکیمیا بسپار تنها تولیدکنندهی داخلی محصولات ذکرشده در کشور بوده و رقبای داخلی تنها واردکنندگان این محصول از خارج از کشور میباشند که بهواسطه تحریمها با قیمت بسیار بالا و مشکلات عدیده این محصولات را وارد و عرضه مینمایند(شکل 6).
شکل 6: محلول و غشای فلمیون تولیدی شرکت الکتروکیمیا بسپار
ژل نفیون
ژل پلیمری از یک شبکه سه بعدی به هم پیوسته و الاستیک تشکیل شده و یک مایع فضاهای بینابینی شبکه را پر می کند. زنجیره های بلند پلیمری مایع را در خود نگه داشته و موجب استحکام ژل می شود. ژل ها نرم و مرطوب هستند و تحت تأثیر نیرو مانند یک جامد رفتار می کنند اما قادر به تغییر شکل زیادی می باشند. این مواد متراکم شبکه سه بعدی معمولاً از طریق اتصال شیمیایی و یا فیزیکی تشکیل می شوند.
در واقع ژل پلیمری یک شبکه از زنجیره های پلیمری است که توسط تعدادی از سایت های اتصال به هم پیوسته است. این اتصالات می توانند به صورت پیوندهای شیمیایی برگشت ناپذیر یا پیوندهای فیزیکی برگشت پذیر باشند که به آنها ژل شیمیایی (غیر قابل برگشت) یا ژل فیزیکی (برگشت پذیر) گفته می شود. در ژل های فیزیکی، تشکیل شبکه به دلیل تعاملات ضعیف ، مانند درهم آمیختگی زنجیره های پلیمری ، پیوندهای هیدروژن یا برهم کنش های وان در والس رخ می دهد.
چنین ساختارهایی معمولاً دائمی نیستند و با گذشت زمان هنگام غوطه ور شدن در حلالهای مناسب خود، حل می شوند(شکل6-الف). با این حال ، زنجیره های پلیمری نیز می تواند از طریق واکنش های شیمیایی(شکل6 ب) بهم متصل شوند و منجر به پیوندهای کووالانسی قوی شود. شبکه باند شیمیایی بسیار پایدار است و بدون تخریب پلیمر قابل حل نیست.
شکل 6: الف) ژل های فیزیکی ، پیوندهای غیر کووالانسی از زنجیره های پلیمری
ب) ژل های شیمیایی،نشان دهنده اتصالات عرضی بین زنجیره های پلیمری
در بیشتر موارد اتصالات در یک شبکه ژل ناشی از ارتباط زنجیره های کوتاه است. اما اتصالات کوتاه برای ایجاد یک شبکه ماکروسکوپی باید با زنجیرهای طولانی در ارتباط باشد. این ویژگی ، یعنی اتصالات عرضی ، اکثر سیستم های تشکیل دهنده ژل را توصیف می کنند. با افزایش غلظت پلیمرها ، زنجیره های بیشتری با اندازه های بزرگتر تشکیل می شوند و سرانجام این زنجیره ها با هم همپوشانی کرده و به هم متصل می شوند. در این حالت اتصالات دائمی نیستند و روند ژل برگشت پذیر است ، یعنی اتصالات ژل می تواند در شرایط ایده آل از هم جدا شوند.
این خاصیت ، ژل فیزیکی را به عنوان کاندیدای ایده آل برای دارو رسانی یا موارد هوشمند مانند باتری، معرفی می کند. ژل تبادل یونی گروه خاصی از ژل پلیمری است که بهواسطه وجود بارهای ثابتی در ماتریس پلیمری خود، فقط به یونهای بار مخالف اجازه عبور داده و از عبور یونهای بار یکسان ممانعت به عمل میآورند.
شرکت الکتروکیمیا بسپار برای اولین بار در دنیا موفق به ساخت انواع ژل های فیزیکی نفیون و فلمیون با گروه های کاتیونی H+، لیتیمی (Li+) و … شده است (شکل های 7 و 8 ). ژل های نفیون و فلمیون تولیدی این شرکت در ایران تولید و برای کاربردهای مختلف بویژه در باطری های قابل شارژ لیتیمی و دارو رسانی امکان استفاده دارند.
شکل 7: ژل نفیون لیتیمی تولیدی شرکت الکتروکیمیا بسپار
شکل 8: ژل نفیون+Hتولیدی شرکت الکتروکیمیا بسپار
