طرح تولید نانو کاغذ
- 27 مرداد 1399
- ۰
- بازدیدها: 972
- دسته بندی:
طرح تولید نانو کاغذ
علوم و فناوری نانو موجب تحول در علم مواد شده و توسعه گسترهای از مواد جدید و بهبود یافته بهوسیله نانوساختارها را به دنبال دارد. این پیشرفتها برای صنعت کاغذ میتواند از اهمیت حیاتی برخوردار باشد.
استفاده از خواص مواد در مقیاس نانو، امکان ساخت مواد و ابزار با کارآیی و خواصی که دسترسی به آنها قبلاً ممکن نبوده است را فراهم میسازد.
نانوساختارها در اشکال مختلفی از جمله پوشش، پودر، کامپوزیت و دیگر شکلها باعث ایجاد تحول در شماری از بخشهای صنعتی از جمله موارد زیر می شوند:
پوششها و رنگ
حفاظت در برابر خوردگی
حفاظت زیستمحیطی
چسب و پلیمرهای رسانا
دارورسانی
مواد زیستسازگار
حفاظهای کارکردی
سطوح هوشمند خود تمیزکننده
چاپ کارکردی
مخابرات نوری
جوهر و کاغذهای الکترونیکی
منابع انرژی قابل حمل
تصفیه آب
ترکیب نانو مواد میتواند شامل هر عنصر طبیعی باشد که مهمترین آن عبارتند از
سیلیکاتها، کاربیدها، نیتریدها، اکسیدها، بوریدها، سلنیدها، تلوریدها، سولفیدها، هالیدها، آلیاژها، فلزها و پلیمرهای آلی
هماکنون فناوری نانوذرات در حال تأثیرگذاری بر تعدادی از محصولات و خدمات، از جمله صنعت کاغذ است. پیشرفتهای اخیر موجب کاهش نیاز به مواد برای ساخت محصولات و افزایش کارآیی سوخت در خودروها و هواپیماها شده است. همچنین کنترل ساختار مواد در مقیاس نانو در بهبود کارآیی مواد مغناطیسی مورد استفاده قرار میگیرد و این روند موجب افزایش کارآیی موتورها و ژنراتورهای الکتریکی خواهد شد. دیگر انواع مواد، به خصوص آنهایی که در باتریها و پیلهای سوختی به کار میروند نیز به روشهای مشابهی در حال بهبود و ترقی هستند و نتیجه اینتلاشها به صورت منابع تولید نیروی سبک و قابل حمل در تلفنهای همراه، رایانههای کیفی و موارد دیگر دیده میشود. در زمینه کنترل خواص سطحی مواد در منسوجات، رنگها و پوششها نیز خواصی همچون قابلیت نفوذ هوا در مواد، ضدآب و ضد لک بودن لباسها و فرشها دیده میشود.
نانوذرات، به علت سطح ویژه بسیار بالا کاتالیستهای بسیار فعالی هستند و به منظور بهبود خواص و تنوع پلاستیکها، مورد استفاده قرار گرفتهاند. نیز در کلوئیدها و در صفحات خورشیدی، جوهر چاپگرها و رنگها مورد استفاده قرار گرفتهاند.
رنگدانه برای جوهر
پیشرفتهای اخیر در فناورینانو، در حال ایجاد فرصتهای جدیدی است که از سوی سازندگان و مصرفکنندگان جوهر مورد توجه قرار گرفته است تا خواص و کارآیی جوهرها را افزایش دهد.
به عنوان مثال BASF تخمین میزند که این دسته از محصولات فناورینانو ده درصد از فروش اخیرشان را شامل شود. یکی از محصولات فناورینانو در این عرصه، رنگدانههای نانومتری است که شامل دیاکسید تیتانیوم است و ظرفیت بالایی در جذب نور دارد.
هماکنون محققان در تلاشند تا با استفاده از نانومواد و بدون استفاده از رنگدانههای متعارف، به رنگهای متفاوت دست یابند.
این رنگها که با توزیع نانوذرات هم اندازه ایجاد میشوند، درست به همان شکلی که رنگ بخشهای مختلف بال پروانهها با هم تفاوت میکند، میباشند.
همچنین محققان در حال توسعه پلیمرهای چندشاخه (hyperbranched) از پلییورتانها هستند تا از این طریق مشکلات چاپگرهای استفادهکننده از سیستمهای جوهر متفاوت برای چاپ بر روی پلیمرهای قطبی مثل پلیاستر و پلیآمید، نیز پلاستیکهای غیرقطبی مثل پلیاتیلن و پلی پروپیلن را حل نمایند. تعداد بسیار فراوان گروههای عاملی بر روی پلیمرهای چند شاخه، گروههای پیوندی کافی برای اتصال جوهر به نقاط چسبنده بر سطح پلیمر را ایجاد میکند.
چاپگرهای جوهرافشان، زمینهدیگری برای کاربرد فناوری نانوذرات هستند. برای مثال، شرکت دیگوسا (Degussa) از فناوری نانوذرات خود به منظور توسعه محدودهای از رنگدانههای کوچک استفاده کرده است تا پایداری رنگ بر روی سطوح را افزایش دهد. چندی پیش شرکت بزرگ Nano Products در آمریکا نیز خبر از راهاندازی خطوط تولید جدید با استفاده از نانوذرات ™PureNano به عنوان جوهر را داده است. ترکیبات، رنگدانهها و پوششهای دیالکتریک، هادی و مغناطیسی، نمونههایی از جوهر و فازهای پراکنده نانومتری هستند.
سیستمهای نگهداری
صنعت کاغذ، سالهای زیادی است که از اصول علوم و فناورینانو بهویژه در زمینه شیمی تَر، برای توسعه سیستمهای نگهداری بهره گرفته است. یک سیستم نانوذره اولیه -که هنوز هم مورد استفاده قرار میگیرد- یک نانوذره آنیونی (سیلیکای کلوئیدی) و نشاسته کاتیونی را با هم ترکیب میکرد. نسل بعدی این سیستم که در سال ۱۹۹۲ بهوجود آمد شامل ذرات سیلیکای ساختاری با طراحی خاص است که به منظور ترکیب با پلیاکریلامید کاتیونی (C-PAM) سنتزی بهوجود آمدهاند و مشخص شده است که ساختار بسیار مرتب این نانوذرات موجب واکنش بسیار بهتر آنها با C-PAM میشود. کرههای سیلیکا در نانوذره ساختاری، پیوندهای کوالانسی بسیار قوی سیلوکسان را به وجود میآورند که تنشهای ماشین نمیتوانند بهراحتی آنها را بشکنند.
در سال ۲۰۰۰ شرکت Eka Chemicals سیستم Compozil Select را ارائه کرد، که یک سیستم نانوذرهای مبتنی بر مولکولهای کلوئیدی سیلیکای آنیونی و ترکیبات پلیمری کاتیونی مثل صمغ، گوار، پلیاکریلامیدها، نشاسته کاتیونی و آشغالگیرهای آنیونی است. مولکولهای بسیار کوچک، سطح ویژه و دانستیه بار بسیار بالایی ایجاد میکنند. این خواص کلیدی موجب بهبود لختهشدن و بهبود سیستم نگهدارنده میشوند.
پوششها
پوششها یکی از نانومواد بسیار مهم هستند، که در موارد بسیاری، از پوششهای مقاوم نسبت به خش در شیشهها گرفته تا وسایل خود تمیز کن کاربرد دارند. یک نمونه از این موارد، پوشش کامپوزیت نانوسرامیکی از جنس آلومینا و تیتانیا با نام تجاری Nanox2613 است که شرکت Inframat آنرا ساخته است.
دوام این نانوسرامیک آلومینا/تیتانیا در مقایسه با مشابه سرامیکی، بین چهار تا شش برابر است و در عین حال، فاکتور سختی آن نیز دو برابر بیشتر از نوع غیر نانومتری است. علیرغم قیمت بالای این محصول (۳۰ تا۵۰ دلار به ازای هر پوند) استفاده از آن از نظر اقتصادی به صرفه است.
به عنوان مثال، نیروی دریایی آمریکا اکنون با استفاده از پوشش نانوساختاری در موارد زیادی از جمله شیرهای ورود و خروج هوا در زیردریاییها حدود ۴۰۰ هزار دلار در هر کشتی و به طور تقریبی ۲۰ میلیون دلار در ده سال آینده صرفهجویی خواهد کرد.
Nanox به عنوان یکی از پوششهای مناسب برای تانکهای شنی، شفتهای پریسکوپ، شیرها و بسیاری از ادوات مورد استفاده در محیطهای دریایی ارزیابی میشود. یکی از شرکتهای معدنی که نیکل و کبالت را از سنگهای معدنی به دست میآورد، از پوشش Nanox در شیرهای موسوم به ball valve استفاده کرده است. چنین شیرهایی باید در مقابل عبور دوغابی از سنگریزه در محیط بسیار اسیدی و فشار بالا مقاومت کنند. شیرهای معمولی در چنین شرایطی فقط چند ساعت پس از جلادهی دوام میآورند، در حالی که دوره کار شیرهای پوششدار به دو روز میرسد.
Nanox در صنعت خودروسازی نیز در مواردی همچون سیستم اگزوز مورد آزمایش قرار گرفته است. شرکتهای نفت و گاز نیز در حال ارزیابی این پوشش برای پمپهای چرخشی هستند.
دیگر کاربردهای پیشنهاد شده برای Nanox ،صنایع چاپ و کاغذسازی میباشد.
کاغذ سازی و بستهبندی
صنعت کاغذ و مقواسازی، صنعتی سرمایهبر است و زمان لازم برای بهکارگیری فرایندهای جدید در آن عموماً بسیار زیاد است. با این شرایط، تعویض تجهیزات پرهزینه فقط هنگام بازسازیهای عمده و راهاندازی خطوط تولید جدید صورت میگیرد.
تاکنون تنها تعداد اندکی از کاربردهای فناورینانو در صنعت کاغذ به کارگرفته شده است که یکی از مشهورترین آنها استفاده از نانو/ میکرو ذرات (سیلیکای کلوئیدی، هیدروکسید آلومینیوم کلوئیدی) به صورت ترکیب با پلیالکترولیتهای کاتیونی است. کلیه این فناوریها از دهه۸۰ آغاز و محصولات جدید، در دهه ۹۰ توسعه یافتنهاند. دیگر فناوریهای در حال توسعه شامل استفاده از حفاظهای نانوکامپوزیتی برای استفاده در بستهبندی غذا و عایقهای روغن و چربی است.
فناورینانو را میتوان پل ارتباط ماشینآلات کاغذسازی و سایر تجهیزات فرایندی به شمار آورد. میتوان نانوفیلتراسیون را در تصفیه آبهای فرایندی (مورد استفاده در ماشینها و دستگاههای آسیابی تولید کاغذ و مقوا) به کاربرد و از نانوروکشهای ضدخش برای تولید پرسها و نیز ساخت اجزای مختلف ماشینآلات کاغذ سازی استفاده کرد.
۴۰ درصد از کاغذ و مقوای تولیدی اروپا در بستهبندی بهکار میرود. نقش مواد کاغذی اساساً استحکام بخشیدن به بستهبندی و در درجه دوم ایجاد ظاهری زیبا برای آن است. روکش بستهبندیهای استاندارد کاغذی را میتوان با استفاده از ترکیب فناوریهای مختلفی مانند لایهلایه سازی/ اکستروژن (lamination/extrusion)، متالیزاسیون(metallization) و روکشدهی انتشاری (dispersion)، به دست آورد. روکشدهی انتشاری مقوا، روشی است که میتوان بهطور توأم با روش لایهلایه سازی/ اکستروژن بهکار برد. اگرچه روکشدهی انتشاری به شیوه سنتی، با قابلیت تولید انبوه است، اما برای تولید مناسب نیست. هم اکنون پیشنهادهای جدید در مورد روش روکشدهی انتشاری مانند روکشدهیهای خشک و روشهای پلاستی سُل (Plastisol) در حال توسعهاند. روکشهای رنگدانهای به صورت سنتی و قالبزنی سطحی از جمله روشهایی است که به دلیل برخی ویژگیهای خاص حفاظتی برای بستهبندی مواد استفاده میشود.
قابل ذکر است که در صورت استفاده از نانوکامپوزیتهای پایه رسی در غشاءها و روکشها، خواص محافظتی بسیار مطلوب و پیشرفتهای به دست میآید که این مقوله هماکنون بخش مهمی از فعالیتهای تحقیق و توسعه را به خود اختصاص داده است.
بستهبندی هوشمند نیز از زمینههای بسیار مهم تحقیق و توسعه است. با ورود خصوصیات هوشمند به فرایند چاپ، مثلاً با استفاده از جوهرهایی که عملکردهای دلخواهی را به کاغذ میبخشد، تولید مواد بستهبندی مناسب، امکانپذیر خواهد بود. در حال حاضر، چندین فناوری برای ایجاد ویژگیهای جدید در محصولات کاغذی، مانند تعبیه انواع مختلف آشکارسازها بر روی محصولات کاغذی، با استفاده از فناوریهای چاپ مدرن با همراه جوهرهای ویژه و پلیمرهای رسانا، در حال بررسی است.
چالش ها
با شرایطی که بدان اشاره شد، صنعت کاغذ با چالشهایی روبهرو است که در زیر به برخی از آنها اشاره میشود:
کاهش مقدار مواد خام و افزودنیهای مورد نیاز برای دستیابی به ویژگیهای مورد نیاز در کاغذ؛
بسط حوزه کاربرد کاغذ از طریق جزء جزء کردن فیبرها؛ و فناوری لایهبندی صفحات؛
اصلاح شیوه تشکیل، نگهداری و کنترل مواد زائد آنیونی از طریق افزودنیهای جدید به کاغذ؛ و کنترل خواص و مشخصههای سطحی فیبرها؛
توسعه فناوریهای روکشدهی ساختاری به منظور چاپ بهبود یافته و افزایش کارکرد سطوح کاغذی؛
توسعه روکشهای محافظ برای افزایش مقاومت مقوا در برابر آب، چربی و گاز؛
ایجاد ابزارهای هوشمند شامل حسگرها و الکترونیک مولکولی برای خدمات بستهبندی و سیستمهای منطقی؛ حصول بازارهای جدید برای کاغذ؛ و برچسبگذاری به منظور تسهیل روند اصلاح و بازیافت فیبرها.
فرصتهای فناورینانو
اخیراَ راهبردهای پلیمریزاسیون به گونهای گسترش یافتهاند که ساخت پلیمرهای مجزا و یا ترکیبی با ساختارهای کنترل شده، دقیق و بدون نقص را امکانپذیر نمودهاند. سنتز پلی آمینو اسیدها و یا پروتئینها و پپتیدهای مصنوعی با استفاده از روشهای بازسازی شده، پلیمریزاسیون حلقه گشایی (ring-opening) لاکتونها و لاکتیدها، و پلیمریزاسیون رادیکالی کنترل شده مونومرهای وینیل مانند پلیمریزاسیون (ATRP) و پلیمریزاسیون RAFT از آن جملهاند. با این روشهای جدید، سنتز زنجیرههای پلیمری با ساختار مولکولی مشخص، امکانپذیر میشود. به عنوان مثال ATRP را میتوان برای پیوند زدن مونومرهای وینیل به سطوح سلولزی، که بهوسیله آغازگرهای محدود کننده سطح مانند برومواسترها فعال شدهاند، بهکار برد.
چنانچه بتوان پلیمرهایی با کارکرد مناسب و طراحی شده را به سطح فیبرها متصل نمود، فیبرها هم با سیالات آلی و هم با آب سازگار میشوند و این عمل برای فیبرهای مقوایی به خصوص برای کاربردهای ویژهای مانند کامپوزیتهای تقویت شده فیبری، بسیار ایدهآل است.
اصلاح فیبرها با استفاده از خود آرایی
در اواخر دهه ۹۰ کشف شد که با استفاده از اصلاح سطوح به وسیله پلیمرها یا نانوذرات با بار مخالف، امکان تشکیل لایههای نازک خودسامان کنترل شده، روی زیرلایههای جامد وجود دارد.
از آن زمان به بعد تحقیقات نظری قابل ملاحظهای روی این موضوع عملی، متمرکز شد و امروزه وسایل ساطع کننده نور و لایههای با برهمکنش الکترونیکی یا شیمیایی از دستاوردهای این تحقیقات است. همچنین ثابت شده است که این روش را میتوان برای تولید فیبرهای سلولزی و فیبرهای رسانا بهکار برد.
روش دیگری نیز برای هنگامی که سطوح با استفاده از کمپلکسهای پلیالکترولیتی (PEC) به عمل میآیند توسعه داده شده است. با این روش، عملکردی تقریباً مشابه روش پلیالکترولیت چند لایهای (PEM) امکانپذیر میشود که در این روش تعداد مراحل نصف مراحل روش قبلی است. همچنین میتوان پلیالکترولیتها و نانوذرات را با هم ترکیب نمود و در نهایت ذرات بسیار کوچکتری به دست آورد. با توجه به گسترش سریع نانوذرات میتوان محصولاتی چوبی تولید کرد که دارای دامنه خواص وسیعی هستند.
ترکیب انواع جدید پلیالکترولیتها، روشهای پلیمریزاسیون و انواع پلیمرهای خود ساخته، فرصتهای قابل توجهی را در هر دو زمینه PEC و PEM پیش روی ما قرارمیدهد. همچنین اخیراً ثابت شده است که رسوب دادن انواع مختلفی از ترکیبات اسیدی سیلیسدار درون دیواره فیبرها، روش بسیار مؤثری برای ایجاد یک ساختار از پیش تعیین شده و نیز افزودن خواص عملکردی اساسی و ویژه به فیبرهاست.
اصلاح فیبرها با استفاده از آنزیمها
در دهه اخیر، آنزیمهای تکعضوی زیادی بهصورت تجاری تولید و در دسترس قرار گرفتهاند. این آنزیمها قادر به اصلاح و یا کاهش میزان انتخابپذیری بالای سلولز بوده و کاربردهای فنی بسیار گستردهای در مواد شوینده و فرایندهای ویژهای مانند جوهرزدایی در صنعت کاغذ پیدا نمودهاند. با استفاده از آنزیمهای تک عضوی، انجام اصلاحات سطحی ویژه روی فیبرها، به منظور فعال نمودن و تغییر خواص آنها با روشهای متداول امکانپذیر میشود.
میتوان روشهای آنزیمی را در تلفیق با روشهای فیزیکی و شیمیایی برای ساخت موادی با عملکرد بسیار بالا و قابل استفاده در محصولات تعاملی بهکار برد. آنزیمها ابزارهای ایدهآلی برای تولید فیبرهای زیست تعاملی هستند.
آنزیم سلوبایوز دهیدروژناز، مورد مناسبی برای کاربرد در حسگرهای زیستی آمپرسنج است. این آنزیم در ترکیب با لایههای سطحی رسانای فیبرهای چوبی، یک حسگر زیستی آمپرسنج کاغذی را به وجود میآورد.
اطلاعات رو به گسترش در مورد ریزساختار چوب و سایر مشتقات آن، که در طی پنج سال اخیر جمعآوری شده است را میتوان همراه با فناوری زیست تقلید (biomimetic)، برای ساخت موادی با عملکرد بالا و بینظیر مانند فیبرهای تعاملی بهکار گرفت. همچنین از سلولزهای میکروفیبری که از طریق یک روش فعالسازی آنزیمی تولید میشوند برای ساخت نانومواد کامپوزیتی با شکل و کاربردهای جدید استفاده کرد.
کاربرد دیگر فناوری زیست تقلید، تولید چوب پنبه مصنوعی (پلیمر گیاهی موجود در ریشه و پوست درخت)، است که میتوان از آن به عنوان مقاومترین و آبگریزترین ماده چوبی نام برد. این ماده را میتوان با استفاده از محصولات جانبی صنعت کاغذسازی پلیمریزه کرده، و آن را برای ساخت مواد ضد رطوبت – مناسب برای استفاده در گوشیهای همراه- بهکار برد.
بسته بندی های تعاملی
محصولات الکترونیک چاپی طی ۱۵ سال اخیر پیشرفت چشمگیری نمودند و هماکنون نیز با سرعت فوقالعادهای در حال گسترش می باشند. از جمله بازارهای الکترونیک چاپی میتوان به بستهبندیهای هوشمند، نمایشگرهای کاغذی پیشرفته، حسگرها و اسباب بازیهای تعاملی با مبنای کاغذهای ساده برای بچهها اشاره کرد.
پیشرفت در این زمینه به حدی است که امکان ساخت نمایشگرها/OLEDS، ترانزیستورها OTFTS برای کاربرد در مدارهای منطقی ساده، دکمههای فشاری برقی، حسگرها و آنتنهای کاغذی را فراهم آورده است.
روکشهای عملکردی
در حوزه فناوری روکشدهی، حداقل دو زمینه بسیار وسیع وجود دارد که عبارتند از: روکشهای میکرو و نانوساختاری و روکشهای نانوکامپوزیتی.
روش روکشدهی تیغهای (blade coating) یک شیوه متداول در صنعت کاغذسازی است. در این روش هیچ ساختار خاصی تشکیل نمیشود؛ زیرا فشار بالای تیغه موجب شکسته شدن تعاملات کلوئیدی در طی فرایند روکشدهی میشود.
فناوریهای جدید روکشدهی مانند روکشدهی پاششی و روکش دهی اکستروژنی/ غشائی، زمینه را برای روکشدهی میکرو و نانوساختاری فراهم آوردهاند. کاربردهای این فناوری چند منظوره است؛ روکشدهی ساختاری میتواند روکشهای حجیمی را با خواص بسیار ممتاز و ویژگی خشککنندگی سریع جوهر ایجاد نماید. ساختار سطح روکشها زمینههایی از ساخت سطوح مافوق آبگریز و مافوق جاذب برای کاربردهای بسیار گسترده ارائه میدهد.
در روکشهای نانوکامپوزیتی از ناهمسانگردی بسیار زیاد نانورسها برای افزایش مقاومت روکشها در برابر آب، چربی و گازها استفاده میشود. روکشهای نانوکامپوزیتی قادر به ایجاد لایههای بسیار نازک، فوقالعاده مستحکم و ضد خراش هستند.
با استفاده از نانوذراتی مانند دیاکسید تیتانیوم میتوان روکشهایی مقاوم در برابر اشعه فرابنفش یا دیگر پدیدههای نوری خاص تولید کرد.
وضعیت واحد های فعال تولید نانو کاغذ
در نمودار زیر تعداد و ظرفیت واحدهای فعال تولید نانو کاغذ در کشور به تفکیک استان آمده است .
وضعیت واردات و صادرات نانو کاغذ
نمودار واردات و صادرات نانو کاغذ در کشور به تفکیک سال در شکل زیر آمده است.
با جستجو در اطلاعات گمرک تا امروز تعرفه گمرکی اختصاصی به این محصول اختصاص نیافته لذا میزان واردات و صادرات آن نا مشخص میباشد.
موانع فناوری نانو در بسته بندی و ساخت کاغذ و مقوا
ابداع فناوریهای جدید، خود میتواند موانعی در بخشهای بعدی ایجاد کند. برای مثال توسعه نانوروکشها، خود مستلزم ایجاد برخی تغییرات در فناوری چاپ همچون تغییر فرمولاسیون جوهرهاست. این امر برای یک زنجیره چند بخشی، مانند کارگاههای چاپ به عنوان یک مانع به حساب میآید؛ زیرا روند انطباق بازار با فناوریهای جدید در این صنعت بسیار کند است.
بنیادیترین ابداعات فناورینانو نیازمند برقراری تعامل میان اکثریت اعضای بازار است و تلاش برای ایجاد چنین تعاملاتی، اغلب بهوسیله سیاستهای رقابتی محدود میشود.
خلاصه بررسی فنی، مالی و بازار طرح تولید نانو کاغذ
ظرفیت تولید سالیانه : ۵۰۰۰ متر مربع
نرخ برابری دلار : ۲۳۰۰۰ تومان
مساحت زمین موردنیاز : ۲۵۰۰ مترمربع
زیربنای کل : ۸۰۰ مترمربع
تعداد نیروی انسانی مورد نیاز : ۲۴ نفر
میزان سرمایه گذاری ثابت : ۴.۵ میلیارد تومان
ارزش ماشین آلات و تجهیزات : ۲.۵ میلیارد تومان
نرخ بازده داخلی : ۴۴ درصد
درصورت تمایل به این مطلب امتیاز دهید:
دیدگاه خود را ثبت کنید