Stöðugleikinn sem gerir PTFE að ákjósanlega hitahúð fyrir ætandi iðnaðarumhverfi þýðir líka að fleygðir flúorfjölliðuhlutar geta haldist á urðunarstöðum í margar aldir eða lengur. Sömu kolefnis-flúortengi sem standast sýrur, leysiefni og hita meðan á notkun stendur eru alræmd ónæm fyrir náttúrulegum niðurbrotsleiðum eftir förgun. Víða í fjölliðavísindasamfélaginu beinist vaxandi athygli því að nýrri efnisáskorun: að þróa hitaslíðurfjölliður sem haldast efnafræðilega endingargóðar á endingartíma en verða niðurbrjótanlegar eða endurvinnanlegar við lok líftímans.
Leitin að alífbrjótanlegt flúorfjölliða önnur hitaslíðurhefur komið fram sem einn af metnaðarfyllstu rannsóknarmörkum í sjálfbærri varmavinnslutækni.
Hvers vegna er erfitt að skipta út hefðbundnum flúorfjölliðum
Flúorfjölliður eins og PTFE, PFA og FEP eru mikið notaðar í dýfahitara vegna þess að þær sameina nokkra sjaldgæfa eiginleika:
Óvenjuleg efnaþol
Mjög lág yfirborðsorka
Ó-hegðun
Rafmagns einangrun
Hitastöðugleiki
Viðnám gegn útfjólubláu niðurbroti
Þessi efni eru sérstaklega verðmæt í hálfleiðaravinnslu, rafhúðun, efnaframleiðslu og hitakerfum á rannsóknarstofu þar sem mengun og tæringarvarnir eru mikilvægar.
Hins vegar skapa þessir sömu eiginleikar alvarlega umhverfisþrautseigju.
Flestar hefðbundnar flúorfjölliður brotna ekki niður við venjulegar umhverfisaðstæður. Sameindastöðugleiki þeirra flækir bæði förgun og endurvinnslu, sérstaklega fyrir mengaða iðnaðaríhluti sem geta ekki auðveldlega farið í staðlaða endurheimtarstrauma úr plasti.
Eftir því sem þrýstingur á sjálfbærni eykst á milli iðnaðarframboðskeðja, rannsaka vísindamenn aðrar efnafræði fjölliða sem geta dregið úr-langtíma umhverfisáhrifum án þess að fórna hagnýtri frammistöðu.
Vísindastefnan á bak við lífbrjótanlegar flúoraðar fjölliður
Ein efnileg aðferð felur í sér að breyta lífbrjótanlegum fjölliða burðarásum með flúoruðum sameindahlutum.
Lífplastefni eins og pólý(mjólkursýra), almennt þekkt sem PLA, brotna náttúrulega niður við stýrðar jarðgerðaraðstæður vegna þess að estertengingar þeirra eru viðkvæmar fyrir vatnsrof og örveruárás. Því miður skortir hreint PLA efnaþol og hitastöðugleika sem þarf fyrir krefjandi hitaranotkun.
Til að sigrast á þessum takmörkunum eru vísindamenn að þróa flúoruð pólýesterkerfi þar sem flúor-sem innihalda hliðarhópa eða samfjölliðahluta eru samþættir í lífbrjótanlegar fjölliðakeðjur.
Flúoraðir pólýesterar
Með því að flúorera að hluta til PLA-efni er hægt að ná fram nokkrum framförum:
Minni yfirborðsorka
Aukið vökvafráhrindingu
Bætt sýruþol
Minnkuð grisjun
Betri non{0}}eiginleikar
Efnin sem myndast hegða sér meira eins og hefðbundnar flúorfjölliður en halda samt að einhverju leyti stjórnað niðurbrjótanleika.
Ímyndaðu þér hitaslíður sem hægt er að grafa og mun að lokum breytast í moltu við vandlega stjórnaðar jarðgerðaraðstæður í iðnaði frekar en að vera efnafræðilega óbreytt í kynslóðir.
Þrátt fyrir að þessi sýn sé tilraunaverkefni halda framfarir á -rannsóknarstofum áfram í rannsóknum á flúoruðum lífbrjótanlegum fjölliðum.
Lífræn-PFA og lág-kolefnisflúorfjölliður
Ekki er allt sjálfbærniviðleitni beint að lífbrjótanleika.
Önnur stór rannsóknarstefna felst í því að framleiða hefðbundnar flúorfjölliður með því að nota endurnýjanlegt kolefnisefni í stað steingervings-hráefna.
Í þessari nálgun eru líf-unnin milliefni sem myndast úr plöntusykri, landbúnaðarúrgangi eða gerjun lífmassa notuð til að búa til forefni flúorfjölliða.
Efnafræðilega eins, umhverfislega ólík
Fjölliðan sem myndast getur verið efnafræðilega eins og hefðbundin PFA eða skyldar flúorfjölliður, sem þýðir:
Efnið sjálft er ekki lífbrjótanlegt
Sama mikla efnaþol er haldið
Núverandi vinnsluaðferðir eru áfram samhæfðar
Hins vegar getur heildar kolefnisfótspor sem tengist fjölliðaframleiðslu minnkað verulega.
Sumir vísindamenn eru einnig að rannsaka efnaendurvinnsluferla sem geta endurheimt flúoraðar einliða úr notuðum efnum, sem gæti hugsanlega búið til lokað-lykkjuframleiðslukerfi fyrir framtíðarframleiðslu flúorfjölliða.
Í þessu samhengi er hugtakiðlífbrjótanlegt flúorfjölliða önnur hitaslíðurinniheldur í auknum mæli bæði raunverulega niðurbrjótanleg efni og flúorfjölliðaframleiðslutækni með minni-áhrifum.
Núverandi tæknilegar takmarkanir
Þrátt fyrir vaxandi áhuga eru miklar verkfræðilegar hindranir enn.
Það er einstaklega erfitt að sameina lífbrjótanleika og krefjandi hitauppstreymi og efnafræðilegar kröfur til iðnaðarhitarahúða vegna þess að efniseiginleikar hafa tilhneigingu til að stangast á í grundvallaratriðum.
Stöðugleikaþversögnin
Fjölliða sem getur staðist:
Sterkar sýrur
Hækkaður hiti
Leysiefni
Vatnsrof
Oxun
er, samkvæmt skilgreiningu, einnig ónæmur fyrir niðurbroti umhverfisins.
Þetta skapar miðlæga þversögn innan sjálfbærrar flúorfjölliðarannsókna.
Sannarlega niðurbrjótanlegar fjölliður sem viðhalda samtímis efnaþoli og hitastöðugleika yfir 150 gráður eru enn mikilvæg tæknileg áskorun.
Flestar núverandi -rannsóknargráður flúoruð lífbrjótanleg efni sýna glerbreytingarhitastig undir 100 gráðum, sem takmarkar notagildi þeirra í iðnaðarumhverfi með hærri-hita.
Takmörkuð nær-tímaumsókn
Vegna þessara takmarkana er líklegt að snemma forrit birtist aðeins í tiltölulega vægu rekstrarumhverfi eins og:
Einnota-lækningahitunarkerfi
Einnota rannsóknarstofuhitarar
Vatnsböð með lágum-hita
Tímabundnir efnahitunarbakkar
Færanleg greiningartæki
Þessar umsóknir fela í sér:
Lægra hitaálag
Minni útsetning fyrir efnum
Kröfur um styttri endingartíma
Meiri áhersla á einnota sjálfbærni
Ætandi dýfingarhitarar fyrir háan-hita fyrir iðnaðarsýrugeyma eru enn langt umfram getu núverandi tækni fyrir lífbrjótanlegt efni.
Hugsanleg áhrif á iðnaðarhitun
Jafnvel árangur að hluta á þessu sviði gæti endurmótað umhverfisfótspor varmavinnslubúnaðar.
Iðnaðarhitakerfi skapa langan endingartíma, en endanleg förgun er óhjákvæmileg. Eftir því sem umhverfisreglur herðast á heimsvísu eru framleiðendur í auknum mæli að meta áhrif á allan líftíma-samhliða rekstrarárangri.
Framtíðartækni fyrir sjálfbæra hitaslíður gæti hugsanlega boðið upp á:
Minni þrálátur urðun
Minni innbyggð kolefnislosun
Bætt endurvinnsluhæfni
Öruggari enda-á-lífsförgun
Minni ósjálfstæði á jarðolíu hráefni
Í geirum eins og heilbrigðisþjónustu, greiningarstofum og rafeindaframleiðslu geta sjálfbærnikröfur að lokum orðið stór drifkraftur í ákvörðunum um val á efni.
Research Frontiers in Polymer Engineering
Nokkur virk rannsóknarsvið halda áfram að móta þetta vaxandi sviði.
Dynamic Polymer Networks
Vísindamenn eru að kanna afturkræf efnatengi sem viðhalda stöðugleika meðan á vinnslu stendur en hægt er að brjóta þau sértækt við sérstakar endurvinnslu- eða jarðgerðaraðstæður.
Hybrid samsett uppbygging
Fjöllaga kerfi sem sameina lífbrjótanleg ytri lög með efnaþolnum innri hindrunum eru einnig í mati.
Ensím-Kveikti niðurbrot
Verið er að hanna sum tilraunaefni þannig að þau haldist stöðug við venjulega notkun á meðan þau brotna aðeins niður í sérhæfðu líffræðilegu umhverfi.
Flúor-Free Non-Stafvalkostir
Samhliða rannsóknir eru að rannsaka algjörlega flúor-laus-yfirborðs-efni sem geta komið algjörlega í stað flúorfjölliða í völdum notkunum.
Þrátt fyrir að þessi hugtök séu að mestu leyti tilraunastarfsemi, sýna þau hversu hratt sjálfbærar fjölliðarannsóknir þróast.
Niðurstaða
Leitin að sjálfbæru en samt efnaþolnu hitaslíðri er orðin eitt virkasta og tæknilega krefjandi svæði innan nútíma fjölliðavísinda. Vísindamenn eru að rannsaka flúorað lífbrjótanlegt pólýester, líf-afleiddar flúorfjölliður, háþróaða endurvinnsluefnafræði og blendingsefniskerfi í viðleitni til að draga úr-langtíma umhverfisáhrifum iðnaðarhitunartækni.
Þróun hagnýtrarlífbrjótanlegt flúorfjölliða önnur hitaslíðureru mörg ár frá því að passa við fulla efnaþol og hitastöðugleika hefðbundinna PTFE eða PFA kerfa. Núverandi rannsóknarefni starfar enn undir tiltölulega hóflegum hitamörkum og hentar fyrst og fremst fyrir notkun með litlum-álagi.
Þrátt fyrir það gætu stigvaxandi framfarir endurmótað-lífsferilsfótspor framleiðslu og förgun hitara verulega. Að lokum lendir hvert endingargott efni að lokum í sömu verkfræðilegu spurningunni: hvað ætti að gerast eftir að endingartíma þess er lokið?
