کاربردهای کلر در صنایع پتروشیمی و تولید پلاستیک

مقدمه ‌ای بر کلر و ویژگی ‌های آن

کلر عنصری شیمیایی با عدد اتمی ۱۷ و نماد Cl، گازی زرد مایل به سبز با بوی تند و خفه کننده است. این هالوژن فعال فراوان ‌ترین عنصر هالوژن در پوسته زمین بوده و به صورت ترکیب با سایر عناصر در طبیعت یافت می ‌شود. کلر به دلیل واکنش‌ پذیری بالای خود در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی صنعتی کاربرد وسیعی دارد. خواص شیمیایی کلر به شدت تحت تأثیر الکترونگاتیوی بالای آن است که تمایل شدیدی به جذب الکترون از سایر اتم‌ ها نشان می ‌دهد. این خاصیت کلر را به یک عامل اکسید کننده قوی تبدیل می ‌کند که با بسیاری از عناصر و ترکیبات واکنش داده و ترکیبات جدیدی را تشکیل می دهد.

این واکنش ‌پذیری بالا هم فرصت ‌ها و هم چالش‌ هایی را هم برای کاربردهای صنعتی آن و هم برای کاربردهای کلر در تصفیه آب ایجاد می‌ کند. باید توجه داشت که کلر در حالت گازی بسیار سمی و خطرناک است و باید با احتیاط و رعایت کامل نکات ایمنی از آن استفاده شود. کاربردهای صنعتی کلر بسیار متنوع است. از تولید مواد شوینده و خرید پودر کلر استخر برای ضدعفونی ‌کنندگی گرفته تا تولید پلاستیک ‌ها ، حلال‌ ها ، داروها و بسیاری از مواد شیمیایی دیگر همه وابسته به این عنصر حیاتی هستند. در صنعت پتروشیمی کلر در تولید طیف گسترده ‌ای از مواد شیمیایی مانند کلرومتان ‌ها ، دی ‌کلرومتان‌ ها و کلروفورم نقش کلیدی دارد. این ترکیبات به عنوان پیش‌ ماده در تولید بسیاری از پلیمرها از جمله پلی ‌وینیل کلرید (PVC) که یکی از پرکاربردترین پلاستیک ‌ها در جهان است استفاده می ‌شوند. در ادامه این مقاله به بررسی دقیق ‌تر کاربردهای کلر در صنایع پتروشیمی و تولید پلاستیک خواهیم پرداخت.

نقش کلر در تولید مواد شیمیایی پایه

یکی از مهمترین کاربردهای کلر در تولید پلی وینیل کلرید (PVC) است. در این فرآیند کلر با اتیلن واکنش داده و وینیل کلرید تولید می‌ کند که پس از پلیمریزاسیون به PVC تبدیل می ‌شود. PVC به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد خود در تولید لوله‌ ها ، کابل ‌ها ، پوشش ‌ها و بسیاری از محصولات دیگر مورد استفاده قرار می‌ گیرد. علاوه بر PVC کلر در تولید حلال ‌های کلردار مانند دی ‌کلرومتان و کلروفورم نیز نقش دارد. این حلال ‌ها به عنوان مواد واسطه در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی از جمله تولید داروها ، رنگ ‌ها و آفت‌کش ‌ها مورد استفاده قرار می ‌گیرند. کلر در تولید دیگر محصولات پتروشیمیایی مانند اپیکلروهیدرین (ماده اولیه تولید رزین ‌های اپوکسی) و کلروبنزن (ماده اولیه تولید آفت‌کش ‌ها و رنگ‌ ها) نقش مهمی دارد.

تولید PVC (پلی ‌وینیل کلراید) با استفاده از کلر

پلی‌ وینیل کلراید (PVC) یکی از پرکاربردترین پلاستیک‌ های جهان است که از کلر به دست می ‌آید. این ماده به دلیل خواص مطلوبش مانند مقاومت در برابر خوردگی ، انعطاف ‌پذیری و دوام در طیف وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار می‌ گیرد. تولید PVC با واکنش کلر با اتیلن آغاز می‌ شود. در این مرحله اتیلن و کلر در حضور کاتالیزور با هم واکنش می ‌دهند و وینیل کلراید (VCM) تولید می ‌شود. این فرآیند به دقت کنترل می ‌شود تا از تولید محصولات جانبی ناخواسته جلوگیری شود. سپس VCM خالص‌ سازی شده و تحت پلیمریزاسیون قرار می ‌گیرد. در این مرحله مولکول ‌های وینیل کلراید به صورت زنجیره ‌های بلند به هم متصل می‌ شوند و پلیمر PVC را تشکیل می ‌دهند. نوع پلیمریزاسیون خواص فیزیکی و شیمیایی PVC تولید شده را تعیین می‌ کند.

پلیمریزاسیون تعلیقی PVC با ویسکوزیته بالاتر و مقاومت بیشتر تولید می ‌کند که برای کاربردهای ساختمانی مانند لوله ‌ها مناسب است. پلیمریزاسیون امولسیونی PVC نرم‌ تر و انعطاف ‌پذیرتری تولید می ‌کند که برای تولید فیلم‌ ها و کف‌پوش ‌ها استفاده می ‌شود. PVC تولید شده پس از پردازش و افزودن افزودنی ‌های مختلف مانند نرم‌کننده ‌ها ، پایدارکننده ‌ها و پرکننده‌ ها آماده استفاده در صنایع مختلف می ‌شود. کاربردهای PVC بسیار متنوع است و شامل ساخت لوله‌ های فاضلاب و آب ، کابل ‌های برق ، پوشش‌ های کف ، پنجره ‌ها ، بطری ‌ها و بسیاری از محصولات دیگر می ‌شود. به دلیل دوام و مقاومت بالای آن PVC به عنوان جایگزینی اقتصادی و مناسب برای بسیاری از مواد دیگر مورد استفاده قرار می ‌گیرد.

کلر و تولید پلاستیک ‌های مهندسی

کلر فراتر از نقش حیاتی ‌اش در تولید PVC نقش مهمی در سنتز بسیاری از پلاستیک‌ های مهندسی (Engineering Plastics) ایفا می ‌کند. این پلیمرها به دلیل ویژگی ‌های منحصر به فرد مکانیکی ، حرارتی و شیمیایی خود در صنایع پیشرفته مانند خودروسازی ، الکترونیک و هوا فضا کاربرد وسیعی دارند. بسیاری از پلاستیک‌ های مهندسی از طریق واکنش‌ های کلرزنی یا استفاده از ترکیبات کلردار به عنوان مونومر یا کومونومر تولید می ‌شوند. به عنوان مثال برخی از پلی‌ کربنات‌ ها، پلی ‌استرها و پلی‌ آمید ها از ترکیبات کلردار در ساختار خود بهره می ‌برند که باعث بهبود خواصی مانند مقاومت حرارتی ، مقاومت در برابر شعله و پایداری شیمیایی آنها می‌ شود

در صنعت خودروسازی پلاستیک‌ های مهندسی کلردار برای تولید قطعاتی با نیاز به استحکام بالا ، مقاومت حرارتی و دوام مانند قطعات بدنه ، سپرها و قطعات داخلی خودرو استفاده می ‌شوند. در صنایع الکترونیک از این پلاستیک ‌ها در ساخت قطعات الکترونیکی ، بردهای مدار چاپی و پوشش‌ های محافظ استفاده می ‌شود زیرا خواص عایقی و مقاومت حرارتی خوبی دارند. استفاده از کلر در تولید پلاستیک ‌های مهندسی به بهبود کارایی و عملکرد این مواد کمک کرده و امکان تولید قطعاتی با خواص مطلوب در صنایع مختلف را فراهم کرده است.

کلر در فرآیند تولید آفت ‌کش ‌ها

کلر به دلیل خواص شیمیایی منحصر به فردش از جمله قدرت اکسیدکنندگی و واکنش ‌پذیری بالا در سنتز طیف وسیعی از ترکیبات حشره‌کش، علف ‌کش و قارچ ‌کش به کار می ‌رود. استفاده از کلر در تولید آفت‌ کش ‌ها به افزایش بازده محصولات کشاورزی و کاهش خسارات ناشی از آفات و بیماری‌ ها کمک شایانی می ‌کند. بسیاری از آفت‌کش ‌های کلردار از جمله DDT (دی‌ کلرو دی‌ فنیل ‌تری‌ کلرواتان) و Lindane (گاما-هگزاکلروسیلان) در گذشته به‌ طور گسترده مورد استفاده قرار می‌ گرفتند. اما با توجه به سمیت بالای این ترکیبات استفاده از آنها به ‌طور فزاینده‌ ای محدود شده است. امروزه محققان در تلاشند تا آفت‌کش ‌های کلردار جدیدی را با سمیت کمتر تولید کنند. این آفت‌کش‌ ها اغلب شامل ترکیبات آلی کلردار با ساختار شیمیایی پیچیده ‌تر هستند که خاصیت انتخابی بیشتری نسبت به آفات نشان می ‌دهند و آسیب کمتری به موجودات غیرهدف وارد می ‌کنند.

کلر و تولید پلی ‌کربنات ‌ها : پلیمرهای شفاف و مقاوم

پلی‌ کربنات‌ ها (Polycarbonates) پلیمرهای ترموپلاستیک شفاف و بسیار مقاوم هستند که کاربردهای گسترده ‌ای در صنایع مختلف از جمله خودروسازی ، الکترونیک و پزشکی دارند. این پلیمرها به دلیل خواص مکانیکی ، حرارتی و نوری فوق ‌العاده خود جایگزین مناسبی برای شیشه و برخی فلزات در بسیاری از کاربردها هستند. اگرچه کلر به طور مستقیم در زنجیره اصلی پلیمر پلی‌ کربنات شرکت نمی‌ کند اما نقش حیاتی در تولید برخی از مواد اولیه و کاتالیزورهای مورد نیاز در سنتز این پلیمرها دارد. یکی از این مواد دی ‌فنیل ‌کربنات (DPC) است که از طریق واکنش فسفژن با فنل تولید می ‌شود. فسفژن یک ترکیب کلردار است که در سنتز DPC نقش کلیدی دارد. علاوه بر این برخی از کاتالیزورهای مورد استفاده در فرآیند تولید پلی ‌کربنات ‌ها نیز حاوی ترکیبات کلردار هستند. این کاتالیزورها سرعت واکنش و راندمان تولید را افزایش می‌ دهند و در کیفیت پلیمر تولیدی تاثیر بسزایی دارند.

نقش کلر در صنعت تولید فوم ‌های پلاستیکی

ویژگی ‌های منحصر به فرد کلر مانند واکنش‌ پذیری بالا و توانایی ایجاد پیوندهای قوی با سایر اتم‌ ها آن را به ماده ‌ای ایده ‌آل برای سنتز ترکیبات مورد استفاده در تولید فوم ‌ها تبدیل کرده است. یکی از مهم‌ ترین کاربردهای کلر در تولید فوم‌ های پلی ‌وینیل کلراید (PVC) است. در این فرآیند کلر در تولید مونومر وینیل کلراید (VCM) نقش اساسی دارد که سپس پلیمریزه شده و به PVC تبدیل می ‌شود. با افزودن عوامل پف‌ کننده به PVC فوم ‌های نرم و انعطاف ‌پذیر تولید می‌ شوند.

که در بسته ‌بندی محصولات مختلف از جمله مواد غذایی و لوازم الکترونیکی کاربرد دارند. همچنین کلر در تولید برخی از فوم ‌های پلی‌ یورتان (PU) نیز مورد استفاده قرار می‌ گیرد. در تولید PU از ترکیبات کلردار به عنوان کاتالیزور یا افزودنی برای کنترل خواص فیزیکی فوم مانند چگالی و سختی استفاده می ‌شود. فوم‌های PU به دلیل عایق حرارتی و صوتی مناسب در صنایع خودروسازی و ساختمان سازی برای عایق ‌کاری دیوارها و سقف ‌ها مورد استفاده قرار می‌ گیرند. کلر در تولید طیف وسیعی از فوم ‌های پلاستیکی نقش حیاتی دارد و خواص مورد نظر مانند انعطاف ‌پذیری ، استحکام ، مقاومت حرارتی و عایق ‌بندی را به آنها می‌ بخشد. اهمیت کلر در این صنعت به سبب افزایش تقاضا برای فوم ‌های پلاستیکی در صنایع مختلف روز به روز بیشتر می ‌شود.

کلر و تولید محصولات شیمیایی مرتبط با پلاستیک ‌ها

یکی از مهم ‌ترین کاربردهای کلر در تولید کلرید وینیل (VCM) است. VCM مونومری کلیدی در تولید پلی ‌وینیل کلراید (PVC) می ‌باشد که یکی از پرمصرف ‌ترین پلاستیک ‌های جهان است. PVC در کاربردهای فراوانی از لوله ‌ها و اتصالات گرفته تا پنجره ‌ها و پوشش ‌های کف مورد استفاده قرار می ‌گیرد. علاوه بر VCM، کلر در سنتز ترکیبات دیگری مانند تری‌ کلرواتان و اپیکلرو هیدرین نیز نقش مهمی ایفا می ‌کند. تری ‌کلرواتان به عنوان حلال در برخی از فرآیندهای تولید پلاستیک و اپیکلرو هیدرین پیش ‌ماده ‌ای مهم در تولید رزین‌ های اپوکسی می ‌باشد که در ساخت کامپوزیت ‌ها ، چسب ‌ها و پوشش ‌ها کاربرد دارند. در کل کلر نقشی حیاتی در تولید مواد شیمیایی مختلفی دارد که در صنعت پلاستیک‌ سازی ضروری هستند. خواص منحصر به فرد کلر از جمله واکنش ‌پذیری بالا و توانایی ایجاد پیوندهای قوی آن را به عنصری اساسی در این صنعت تبدیل کرده است.

فرآیندهای تولید پلاستیک ‌های مقاوم در برابر حرارت

کلر نقش حیاتی در تولید پلیمرهای مقاوم در برابر حرارت ایفا می‌ کند. این نقش به طور مستقیم از طریق حضور کلر در زنجیره پلیمری و یا به طور غیرمستقیم از طریق استفاده از ترکیبات کلردار به عنوان کاتالیزور یا اصلاح‌ کننده‌ ی خواص پلیمرها قابل مشاهده است. یکی از مثال‌ های بارز استفاده از کلر در تولید پلی‌ وینیلیدن کلراید (PVDC) است. PVDC به دلیل مقاومت حرارتی بالا و نفوذناپذیری‌ اش در برابر گازها و بخار آب به عنوان پوشش محافظ در بسیاری از محصولات از جمله مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین کلر در تولید برخی از پلیمرهای فلوئوردار مانند PTFE (تفلون) نیز نقش دارد.

این پلیمرها به خاطر مقاومت استثنایی خود در برابر حرارت و مواد شیمیایی شناخته می‌ شوند و در کاربردهای صنعتی ویژه به کار می ‌روند. برخی ترکیبات کلردار به عنوان افزودنی ‌ها و اصلاح‌ کننده‌ های حرارتی در تولید سایر پلیمرها عمل می‌ کنند. این افزودنی ‌ها دمای ذوب پلیمر را افزایش می دهند ، مقاومت حرارتی آن را بالا برده و یا از تجزیه پلیمر در دماهای بالا جلوگیری می کنند. بنابراین کلر نه تنها به طور مستقیم در ساختار برخی از پلیمرهای مقاوم به حرارت حضور دارد بلکه به طور غیرمستقیم نیز در بهبود خواص حرارتی طیف وسیعی از پلیمرها نقش دارد.

تولید پلی پروپیلن و دیگر پلیمرها با استفاده از کلر

کلر علی رغم تصور عمومی مبنی بر استفاده مستقیم در ساختار پلیمرها نقش حیاتی و غیرمستقیمی در تولید بسیاری از پلاستیک‌ ها از جمله پلی ‌پروپیلن ایفا می ‌کند. حضور کلر در فرآیند تولید عمدتا از طریق ترکیبات واسطه ‌ای و کاتالیزورهاست. در تولید پلی ‌پروپیلن که از پلیمریزاسیون پروپیلن به دست می ‌آید کلر به طور مستقیم در زنجیره پلیمری حضور ندارد. ولی در سنتز کاتالیزورهای زیگلر-ناتا که برای پلیمریزاسیون پروپیلن به کار می ‌روند ترکیبات کلردار نقش مهمی دارند. این کاتالیزورها که اغلب شامل ترکیبات آلی فلزی حاوی کلر هستند فعالیت و گزینش ‌پذیری پلیمریزاسیون را تنظیم می ‌کنند و در نتیجه پلیمر با خواص مطلوب تولید می ‌شود.

بدون استفاده از این کاتالیزورها فرآیند پلیمریزاسیون به طور موثر انجام نمی‌ شود. علاوه بر پلی‌ پروپیلن ، کلر در تولید سایر پلیمرهای مهم نیز نقش دارد. به عنوان مثال در سنتز پلی ‌وینیل کلراید (PVC)، کلر به طور مستقیم در مونومر وینیل کلراید (VCM) شرکت دارد. همچنین در تولید پلیمرهای دیگر مانند پلی‌ تترا فلوئورو اتیلن (PTFE) یا تفلون از ترکیبات کلردار در مراحل مختلف فرآیند سنتز استفاده می ‌شود اگرچه کلر در ساختار نهایی پلیمر حضور نداشته باشد. این ترکیبات می ‌توانند به عنوان حلال ، کاتالیزور یا اصلاح‌ کننده‌ ی خواص پلیمر مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین هر چند کلر جزئی از زنجیره اصلی بسیاری از پلیمرها نیست ولی نقش اساسی و ضروری در تولید انواع مختلف پلاستیک ‌ها از طریق کاتالیزورها ، مونومرها و یا مواد واسطه ایفا می‌ کند و در دستیابی به پلیمرهایی با خواص مطلوب حیاتی است.

کاربرد کلر در تولید رزین ‌های مصنوعی

رزین ‌های مصنوعی پلیمرهای با وزن مولکولی بالا هستند که به عنوان مواد اولیه در تولید طیف وسیعی از پلاستیک‌ ها ، پوشش ‌ها ، چسب ‌ها و کامپوزیت ‌ها کاربرد دارند. یکی از مهمترین کاربردهای کلر در تولید رزین ‌های پلی ‌وینیل کلراید (PVC) است. کلر جزئی جدایی ‌ناپذیر از مونومر وینیل کلراید (VCM) می‌ باشد که از طریق واکنش کلر با اتیلن تولید می‌ شود. پلیمریزاسیون VCM، PVC را تولید می ‌کند که در تولید لوله ‌ها ، پنجره ‌ها، کفپوش ‌ها و بسیاری از محصولات دیگر استفاده می ‌شود. علاوه بر PVC، کلر در تولید رزین ‌های اپوکسی نیز نقش دارد. اگرچه کلر به طور مستقیم در زنجیره اصلی پلیمر اپوکسی وجود ندارد اما در سنتز اپیکلرو هیدرین یکی از پیش ‌ماده ‌های اصلی رزین ‌های اپوکسی نقش کلیدی ایفا می ‌کند. رزین‌ های اپوکسی به دلیل مقاومت شیمیایی و حرارتی بالا در ساخت کامپوزیت ‌ها ، پوشش ‌ها و چسب ‌های با کارایی بالا استفاده می ‌شوند. ترکیبات کلردار به ‌عنوان کاتالیزور یا اصلاح ‌کننده در سنتز انواع دیگر رزین ‌های مصنوعی مانند رزین ‌های پلی ‌استر غیر اشباع و رزین‌ های فنولیک مورد استفاده قرار می ‌گیرند. این ترکیبات به بهبود خواص رزین ‌ها مانند ویسکوزیته ، مقاومت حرارتی و دوام کمک می‌ کنند.

کلر و تولید پلاستیک‌ های بیو‌پلاستیک

با توجه به روند جهانی رو به رشد به سمت تولید پلاستیک ‌های سازگار با محیط زیست جایگاه کلر در تولید بیوپلاستیک ‌ها موضوعی قابل بحث است. اگرچه کلر به طور مستقیم در ساختار بسیاری از بیوپلاستیک ‌ها حضور ندارد اما در فرآیند تولید برخی از آنها نقش قابل توجهی ایفا می ‌کند. به عنوان مثال برخی از کاتالیزورهای مورد استفاده در سنتز مونومرهای بیوپلاستیک مشتقات کلردار هستند که بازده و کیفیت محصول نهایی را بهبود می ‌بخشند. همچنین در برخی فرآیندهای اصلاح سطح بیوپلاستیک ‌ها برای افزایش خواص مورد نظر مانند مقاومت در برابر آب یا عوامل میکروبی از ترکیبات کلردار استفاده می ‌شود.