X بستن تبلیغات
X بستن تبلیغات
header
متن مورد نظر

استانداردسازی نانولوله های کربنی

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

مقدمه
به طور کلی واژه استاندارد در دو مفهوم عمده به‌کار برده می شود در مفهوم اول منظور از استاندارد یکاها و مقیاس های اندازه گیری است. این مفهوم می‌تواند به معنای یکاهای اندازه‌گیری مانند متر کیلوگرم ثانیه و نظایر آن باشد و یا مقیاس‌های فیزیکی از قبیل میله یک‌متری وزنه یک کیلوگرمی و امثال آن را در برگیرد. در مفهوم دوم استاندارد کتابچه یا مجموعه مکتوبی است شامل مقررات و اصولی برای تنظیم امور فنی صنعتی علمی و تجاری. با توجه به برنامه ۱۳ سند راهبرد آینده مبنی بر استانداردسازی فناوری‌نانو برای رسیدن به سهم مناسبی از تجارت جهانی اهداف شناخته شده در استانداردسازی فناوری‌نانو عبارت است

مقدمه
به طور کلی واژه استاندارد در دو مفهوم عمده به‌کار برده می شود در مفهوم اول منظور از استاندارد یکاها و مقیاس های اندازه گیری است. این مفهوم می‌تواند به معنای یکاهای اندازه‌گیری مانند متر کیلوگرم ثانیه و نظایر آن باشد و یا مقیاس‌های فیزیکی از قبیل میله یک‌متری وزنه یک کیلوگرمی و امثال آن را در برگیرد. در مفهوم دوم استاندارد کتابچه یا مجموعه مکتوبی است شامل مقررات و اصولی برای تنظیم امور فنی صنعتی علمی و تجاری. با توجه به برنامه ۱۳ سند راهبرد آینده مبنی بر استانداردسازی فناوری‌نانو برای رسیدن به سهم مناسبی از تجارت جهانی اهداف شناخته شده در استانداردسازی فناوری‌نانو عبارت است از: بررسی اثرات نبود استاندارد بر رشد بازار نانو و شناسایی نیازهای استانداردسازی برای توسعه بازار این تولیدات. بخشی از سهم استانداردسازی فناوری‌نانو به استانداردسازی نانومواد که نانولوله‌های کربنی بخشی از این گستره وسیع هستند مربوط می‌شود. در حال حاضر در دنیا فعالیت بسیار گسترده‌ای روی استانداردسازی فناوری‌نانو در حال انجام است.

گوشه‌ای از فعالیت های کمیته‌های استانداردسازی و راهبردهای پیشنهادی و برنامه‌های مختلف بین‌المللی برای استانداردسازی فناوری‌نانو عبارتند از:

  • فرهنگ اصطلاحات و عبارات نانوذرات ( که در ماه می‌ سال ۲۰۰۵ در انگلستان به وسیله BSI تهیه شده است (UK PAS Vocabulary))
  • تأسیس کمیته فناوری‌نانو ایزو (ISO/TC229)
  • تهیه مستندات استاندارد P1650 توسط مؤسسه IEEE

به نقل از رئیس این گروه کاری دکتر دان گاموتا (Dan Gamota) از شرکت موتورل نسخه پیش‌نویس این استاندارد به منظور ارائه در رأی‌گیری ماه ژوئن سال ۲۰۰۵ آماده شد. این استاندارد شامل رویه‌ای برای تعیین ویژگی‌های الکتریکی یک نانولوله کربنی دوجهته است.

  • کشور چین هفت استاندارد ملی در زمینه فناوری‌نانو تهیه کرده است.
  • در کشورهای انگلستان ژاپن و آمریکا نیز کمیته‌های ملی استانداردسازی فناوری‌نانو تأسیس شده است.
  • در کشور کره یک گروه کاری در زمینه نانولوله‌های کربن تشکیل شده است که در زمینه استانداردسازی اندازه‌گیری خلوص و پایداری نانولوله‌ها در محلول‌ها مطالعه می‌کند.

 این گروه همچنین در حال برنامه‌ریزی به منظور استانداردسازی اندازه‌گیری میزان انتشار نانولوله‌های کربنی است.

  • کمیسیون اروپ راهبرد استانداردسازی فناوری‌های نانو را تا سال ۲۰۰۷ تهیه خواهد کرد
  • .کره نیز یک کمیته تخصصی در ارتباط با نانولوله‌های کربنی تشکیل داده است این کمیته در حال حاضر در حال بررسی خواص است.
  • کمیته E56 سازمان ASTM به وسیله ۱۲ کشور تأسیس شده و دارای گروه‌های کاری زیر است:

o اصطلاحات
o تعیین ویژگی‌ها
o ایمنی و بهداشت محیط زیست و محیط کار
o قوانین حقوق معنوی
o همکاری‌های بین‌المللی
o استانداردهای تولید.   چالش‌های استانداردسازی نانولوله‌های کربنی
با توجه به تاریخچه نانوالیاف و نانولوله‌های کربنی و عوامل تأثیرگذار بر کاربرد آن مباحث مربوط به نانولوله‌ها و نانوالیاف به چهار گروه زیر تقسیم‌بندی می‌شود:    

  1. مباحث اقتصادی و قانونی
  2. مباحث ایمنی و بهداشت
  3.  مباحث نقل و انتقال و بسته‌بندی
  4. اطلاعات فنّی. 

از لحاظ تاریخچه بررسی نانوالیاف و نانولوله‌های کربنی می‌توان به این جمع بندی رسید که استانداردسازی نانولوله‌های کربنی باید در چارچوب حوزه‌های فوق بررسی شود و به صورت عملیاتی می‌توان فهمید که موانع زیر از جمله موارد تجاری‌سازی نانوالیاف و نانولوله‌های کربنی هستند:

  1. خطر سلامتی و ایمنی
  2.  قراردادهای نقل و انتقال و فرایند مواد جدید
  3. پایداری در کیفیت تولیدات (درجه خلوص ناخالصی کنترل پایداری و غیره)
  4. آشنا نبودن با طراحی و تولید
  5. عدم وجود ابزار و قوانین طراحی
  6. عدم دسترسی به مواد در حجم انبوه و قیمت مناسب
  7.  ابزار و قوانین تحلیلی برای شناسایی ترکیب نانومواد موجود در مواد کامپوزیت
  8. قوانین حقوق معنوی.

همچنین مشکلات شناسایی‌شده در مورد کیفیت نیز به شرح زیر طبقه‌بندی شده است:

  1.  نبود استاندارد مشخص برای نانولوله‌های کربنی
  2. وجود تفاوت‌های زیاد در انواع نانولوله‌های کربنی تولیدی
  3. نبودن امکان تجاری‌سازی به علت وجود همین تفاوت‌ها

تدوین یک برنامه کنترل کیفیت نیز ضروری است که مزایای زیر را در پی دارد:

  1. ایجاد ثبات و اطمینان در فرایندهای جدید
  2. ایجاد ثبات و اطمینان در تولیدات جدید
  3. بهبود قابلیت اطمینان تولیدات
  4.  افزایش کنترل بر روی فرایندها و محصولات.

در کل می‌توان نتیجه گرفت که مشکل عدم استفاده انبوه از نانولوله‌های کربنی در صنعت نداشتن توانایی در ارائه کیفیت یکسان است نه ظرفیت پایین تولید آنها و این اصلی‌ترین چالش صنعت است. از سوی دیگر تدوین قوانین جدید و حساسیت‌های ایجاد شده در مورد تأثیر این مواد بر سلامت انسان و محیط زیست محدودیت‌هایی جدّی برای تولید‌کنندگان و عرضه‌کنندگان این مواد به وجود می‌آورد (به ویژه در مورد نانوذرات آزاد یعنی ذراتی که به وسیله شبکه‌های مولکولی به دام نیفتاده باشند) . در تدوین چنین قوانینی جهت تسهیل ارتباط میان عرضه‌کنندگان و مشتریان محصولات فناوری‌نانو ضرورت وجود یک مجموعه اصطلاحات عرضه کنندگان و مشتریان محصولات فناوری‌نانو نیز مورد توجه قرار می‌گیرد. نظریه‌ای مبنی بر لزوم قرارگیری کلیه نانومواد کربنی در خانواده بزرگ نانوالیاف (CNF\’s) وجود دارد لذا در این مورد تعریف کلّی به صورت «الیاف گرافیت‌ها و مواد کربنی با ابعاد متوسط کمتر از۵۰۰ نانومتر» ارائه می‌شود. هرچند نکته فوق دارای اهمیت و پشتوانه علمی است ولی با توجه به مقبولیت عبارت نانولوله کربنی نمی‌توان از جوامع علمی و صنعتی انتظار داشت تنها از اصطلاح نانوالیاف استفاده نمایند. تعریف رایج ابعاد نانو بین یک تا صد نانومتر است این با ابعاد معرفی شده در تعریف فوق همخوانی ندارد. به همین دلایل تعریف فوق از حیظ انتفاع ساقط می‌گردد.

استانداردسازی کلید تجاری‌سازی فناوری‌نانو

فاکتورهای کلیدی و موانعی که تولیدکنندگان و عرضه‌کنندگان نانولوله‌های کربنی باید به منظور موفقیت در تجاری‌سازی و کاربرد محصولاتشان مدنظر قرار دهند به‌طور خلاصه عبارتند از:

  •  تنوع زیاد تولیدات و نبود تعاریف شفاف
  •  تولید فرایندهای تولیدی و دسترسی به مواد در حجم بال
  •  قیمت هزینه‌های تولید بالا و در نتیجه قیمت بال
  •  نیاز به سرمایه‌گذاری‌های مشترک یا همکارهای صنعتی
  •  حقوق مالکیت فکری
  •  کیفیت و قابلیت تولید یکسان نمونه‌ه
  •  روش‌های کالیبراسیون و تعیین ویژگی‌ه استانداردسازی
  •  قرار داشتن در مراحل اولیه رشد فناوری به نحوی که بسیاری از کاربردها هنوز در فاز R&D هستند
  •  نیازمندی مباحث ایمنی و بهداشتی به اطلاعات و قوانین بیشتر.
تست روش مشخصه‌یابی اثر
استخراج PAH استاندارد اصلاح شده ASTM- Dl618-99   چسبندگی/تخلخل
مقاومت الکتریکی ASTM D257-99 هدایت الکتریکی
دانسیته بالک استاندارد اصلاح شده ASTM D IS09-99 توزیع/ هدایت الکتریکی
درصد رطوبت ASTM E 394-00/DINS 3586 چسبندگی/ تخلخل
درصد کاتالیست   خلوص/ شیمی

روش‌ها و ابزار اندازه‌گیری برای مشخصه‌یابی نانولوله‌های کربنی
بسیاری از روش‌هایی که امروزه به‌کار می‌روند بین تولیدکنندگان مختلف مشترک بوده و استانداردهای آنها موجود است. صنایع مختلف برای استفاده از روش‌ها و استانداردهای مشترک باید به اجماع برسند. استاندارد سایر روش‌ها (از قبیل پارگی الیاف ابعاد و طول) هنوز تهیه نشده است. روش‌های فعلی تعیین ویژگی‌ه زمان‌بر گران و نیازمند ابزار اندازه‌گیری جدید است. نکات مهم در مقوله مشخصه‌یابی به شرح زیر است:

روش‌‌های اندازه‌گیری و مشخصه‌یابی که در حال حاضر برای ارزیابی نانولوله‌های کربنی استفاده می‌شوند:

تست روش مشخصه‌یابی خلوص
آنالیز SEM  (کربن B) DIN VS3242-1   مکان‌ها و ساختارهای مرجع سطحی
آنالیز TEM TEM ویسکوزیته
بررسی سطح ویژه DIN 66731/ISO 4652-1 (کربن B)   ترشوندگی
اندازه‌گیری انرژی سطحی کروماتوگرافی گازی معکوس چسبندگی/ ترشوندگی
شیمی سطح طیف‌سنجی نوری اشعه X  

از روش‌های مختلف موجود باید برای تست همه محصولات استفاده کرد. استانداردها و روش‌های موجود نظیر درصد نانولوله‌های کربنی طول و قطرها هنوز توسط نیافته‌اند. روش‌های شناسایی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی موجود بسیار کند و گران قیمت است و برای نمونه‌های بالک قابل استفاده نیست.

برگه اطلاعات فنی مواد
در تهیه استاندارد برای نانولوله‌های کربنی باید مدل واحدی برای برگه‌های اطلاعات فنی ارائه گردد تا مشتریان قادر باشند به راحتی خواص مواد تولیدکنندگان مختلف را بررسی و مقایسه نمایند. نکاتی که در مباحث اندازه‌گیری خواص باید مورد توجه قرار گیرد عبارتند از:

پارامترهای مورد نیاز برای کنترل کیفیت محصولات حاوی نانولوله‌های کربنی
بررسی‌های ساختاری بررسی سطحی بررسی سطحی
دانسیته بالک سطح ویژه سطح ویژه
دانسیته ظاهری انرژی سطحی انرژی سطحی
هدایت الکتریکی PH PH
هدایت گرمایی محتوی درصد اتمی C,N,S,O محتوی درصد اتمی C,N,S,O
قطر محتوی PAH محتوی PAH
طول محتوی آب محتوی آب
مدول یانگ نوع تخلخل (میکرو / مزو) نوع تخلخل (میکرو / مزو)

۱٫ بررسی امکان انطباق روش‌های آزمونی که در حال حاضر در صنعت کربن سیاه مورد استفاده قرار می‌گیرند کاربردهای جدید مورد نیاز روش‌های استاندارد به دست‌آمده و آزمون‌های غیر استاندارد موجود تست‌های استاندارد ASTM که برای ارزیابی صنعت کربن سیاه ارائه می‌شوند به قرار زیر است:

 هیدروکربن‌های پلی‌آروماتیک
 مقاومت الکتریکی بالک و توده محصول
 دانسیته بالک محصول
 درصد رطوبت محصول
 درصد کاتالیست در محصول

۲٫ نیاز به دستورالعمل‌های آزمون استاندارد شده

۳٫ بررسی آزمون‌های غیر استاندارد شامل تحلیل SEM  تحلیل TEM سطح ویژه نمونه انرژی سطح شیمی سطح. برای انجام تست‌های استاندارد و جستجوی روش‌های استاندارد باید امکان وجود چنین استانداردهایی مورد بررسی قرار گیرد:

  • محتوای کاتالیست فلزی (با استفاده از روش شیمی‌تر)
  • دانسیته بالک (ASTM)
  • مقاومت الکتریکی ویژه بالک (ASTM)
  • میزان کربن موجود (با استفاده از TGA)
  • پایداری حرارتی (با استفاده از TGA)
  • محتوای ترکیبات آلی
  • محتوای ترکیبات اکسید فلزی
  • محتوای رطوبت بالک (ASTM)
  • سطح ویژه محصولات
  • ضریب حساسیت مغناطیسی (روش آماده‌سازی نمونه)
  • پاسخ زیست‌شناسی

علاوه بر این مقوله‌هایی همچون طول قطر جهت‌گیری ویژه نانولوله‌های کربنی در راستای قطر (Chirality) دانسیته نقایص تابع کار و دیگر خواص نیز باید مورد بررسی قرار گیرد. نکات مهم در بررسی طول و قطر (برای نمونه‌های بالک)

  • استاندارد‌های CENTS
  • لزوم بهبود روش‌ها (SEM و TEM)
  • تعریف اندازه نمونه
  • نمونه‌گیری خوب و با سطوح اطمینان کافی
  • آیا تجهیزات حاضر عملکرد مشابهی دارند یا خیر 
  • اندازه‌گیری اتوماسیون.

موانع استانداردسازی در این حوزه:

  • جهت‌گیری و خمیدگی نانولوله‌‌های کربنی
  • جداسازی توده‌های نانولوله‌های کربنی از یکدیگر 

 روش.
نکات مهم در بررسی درصد خلوص (برای نمونه‌های بالک)

  • درصد وزنی و اتمی آن
  • بررسی کارهای انجام شده در آمریکا و ژاپن (روش‌‌های صحیح) و استانداردهای حاضر در این زمینه
  • تعریف اندازه نمونه
  • نمونه‌برداری صحیح با تست‌های استانداردی نظیر T
  • لزوم توسعه روش‌‌ها (SEM و TEM) یا روش‌‌های ترکیبی از آنه 
  • استفاده از تجهیزات یکسان برای انجام تست‌ها.

موانع استانداردسازی در این حوزه:
 روش‌

  • قدرت تفکیک دستگاه‌ها.
  • امنیت و خطرات زیست‌محیطی در حوزه استانداردسازی نانولوله‌های کربنی

ملاحظات مربوط به تولید و استفاده ایمن از نانولوله‌های کربنی
مشتریان باید در مورد چگونگی کاربرد مواد آگاه شوند لذا تهیهبرگه‌های اطلاعات ایمنی مواد ضروری است.
تولیدکنندگان نانوکامپوزیت‌ها باید آزمون‌های آزاد شدن نانولوله‌ها (به عنوان مثال بر اثر سوختن) از ماده اصلی را انجام دهند زیرا نتایج این آزمون‌ها به نوع مواد و کاربرد آنها بسیار وابسته است.
مطالعات میزان سمی بودن راه‌های انتشار و حدود ایمنی انتشار در هوا باید از سوی مرجعی بی‌طرف انجام شود. در این زمینه فعالیت‌هایی در حال انجام است از قبیل پروژه Nanosafe در اروپا و دو پروژه دیگر که تحت حمایت مالی اتحادیه اروپا آغاز شده‌اند.
تا زمانی که اطلاعات میزان سمی بودن و ایمنی مواد تهیه نشده‌اند بخش صنعت مسئول تولید ایمن نانولوله‌های کربنی بوده باید اقدامات لازم برای به حداقل رساندن خطرات محیط‌های کاری را انجام دهد. همچنین نیاز به استانداردهای زیر وجود دارد. ۱) ممانعت از انتشار ذرات در محیط‌های کاری ۲) حفاظت از کارکنان ۳) اندازه گیری و کنترل ذرات در محیط کار. اما با این حال برای کنترل فرایندهای تولیدی هیچ استاندارد مشخص و متداولی وجود ندارد و به جای آن از استانداردهای کارخانه‌ای استفاده می‌شود. مباحث مشابهی نیز در مورد مصرف‌کنندگان مطرح است. وجود یک شاخص جهت تعیین تراکم مجاز مواد در هوا در محیط‌های صنعتی و اتاق‌های تمیز ضروری به نظر می‌رسد.

سیاست‌های جلوگیری از خطر و پیشنهادهایی برای کاربرد ایمن نانومواد

با توجه به اینکه نتایج مطالعات مربوط به خطرات نانوذرات هنوز تکمیل نشده‌اند باید رویه‌هایی برای به حداقل رساندن این مخاطرات ارائه شود.

مقابله با خطرهای تولید نانولوله کربنی باید مشابه هر ماده بالقوه خطرناک دیگر باشد. برای این کار باید فرایند را در سیستمی بسته محدود کرد تا انتشار مواد در محیط به حداقل برسد.

ابزار حفاظتی مورد استفاده در صنعت کربن سیاه را به عنوان مرجع در تولید نانولوله‌های کربن نیز به کاربرد.

میزان کارامدی این ابزار حفاظتی (مثل ماسک‌ها و فیلترها) باید در مورد نانولوله‌ها مورد بررسی قرار گیرد. شرکت انگلیسی Thomas Swan یکسری آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌ها در زمینه تجمع ذرات در محیط‌های کاری انجام داده است. نتایج این بررسی به زودی منتشر می شود و انتظار می‌رود به عنوان مرجعی برای سایر شرکت‌ها مورد استفاده قرار گیرد. 

علاوه بر این مانند سایر بخش‌های صنعت تولیدکنندگان باید آزمایش‌های پزشکی سالیانه‌ای را روی کارکنان خود به منظور اطمینان از حفظ سلامت آنها انجام دهند.
 پیشنهاد تولیدکنندگان است که در حین فرایندهای به‌کارگیری محصولات آنه باید توجهات خاصی از سوی مشتریان یا سایر تولیدکنندگان صورت گیرد زیرا فرایندها بسته نبوده و در نتیجه خطر انتشار آنها در محیط بالاست.
 با هدف تضمین کیفیت تولیدکنندگان باید قالب واحدی برای برگه‌های داده ایمنی مواد تهیه نمایند که در آنها اطلاعاتی کافی در مورد راه‌های بالقوه انتشار این مواد و روش صحیح حمل و نقل آنها به مشتریان داده شود.
 طول قطر و نقطه پارگی الیاف به عنوان سه نیاز اصلی در روش‌های اندازه‌گیری پروژه‌های استانداردی جدید معرفی شوند. بخش صنعت باید اطلاعات مرجعی در مورد تراکم رطوبت و مقاومت ویژه کلوخه‌های مواد ترکیبات شیمیایی و اندازه‌گیری سطح ویژه با استفاده از روش‌های آزمون استاندارد تهیه نماید. این کار شامل تعیین روش استاندارد تهیه نمونه نیز می‌گردد (تهیه اطلاعات مرجع و تعیین روش استاندارد آماده‌سازی نمونه می‌تواند در قالب یک استاندارد صنعتی ارائه گردد). هرچند توانایی اندازه‌گیری خواص الیاف و لوله‌ه از قبیل هدایت الکتریکی حرارتی و الکتریکی در هر دو جهت (طول و عرض) مدول یانگ مقاومت کششی و برشی مورد نیاز بوده و در مواردی خاص ضروری نیز هست بهتر است که توسعه چنین توانایی‌هایی به دانشگاه‌ها سپرده شود.

ارسال نظر