همه چیزرا درباره نانو کامپوزیت های پلیمری بدانید

به گزارش صنایع پلاستیک، مواد و توسعه مواد از پایه‌های تمدن و فرهنگ انسان می‌باشد. بشر حتی دوره‌های تاریخی را با مواد نامگذاری کرده است. مثل عصر سنگی، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد (انقلاب صنعتی)،‌ عصر سیلیکون و عصر سیلیکا (انقلاب ارتباطات از راه دور) . این نشان می‌دهد که مواد چقدر برای ما اهمیت دارد. ما همواره در کوششیم که از دنیای اطراف خود آگاهی داشته باشیم و آن را بهبود دهیم و ببینیم دنیای ما از چه چیزی ساخته شده است.همه چیزرا درباره نانو کامپوزیت های پلیمری بدانید

عصر جدید با شناخت یک ماده مشخص به وجود نخواهد آمد بلکه با بهینه‌کردن و مشارکت‌دادن ترکیبی از چند ماده بوجود خواهد آمد. دنیای نانومواد و هیجانات همراه آن،‌ فرصت‌های استثنایی برای تولید انقلاب در مواد کامپوزیتی بوجود آورده است.

کامپوزیت‌های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سفتی و پایداری حرارتی و ابعادی، چندین سال است که در ساخت هواپیماها به کار می‌رود. با ظهور و به‌کارگرفتن نانوتکنولوژی، کامپوزیت‌های پلیمری بسیار جذاب‌تر خواهند شد.

فرصت‌های نانوکامپوزیت‌های پلیمری

تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی و یا معدنی بسیار مرسوم می‌باشد. برخلاف تقویت‌کننده‌های مرسوم که در مقیاس میکرون می‌باشند، در کامپوزیت‌های نانوساختاری فاز تقویت‌کننده در مقیاس نانومتر می‌باشد. توزیع یکنواخت این نانوذرات در فاز زمینه پلیمری باعث می‌شود فصل مشترک فاز زمینه و فاز تقویت‌کننده در واحد حجم، مساحت بسیار بالایی داشته باشد. برای مثال مساحت فصل مشترک ایجاد شده با توزیع سیلیکات لایه‌ای در پلیمر بیشتر از ۷۰۰ خواهد بود. علاوه بر این فاصله بین ذرات فاز نانومتری تقویت‌کننده با اندازه ذرات قابل مقایسه خواهد بود. برای مثال برای یک صفحه با ضخامت nm 1 فاصله بین صفحات در حدود ۱۰ نانومتر در فقط ۷ درصد حجمی از فاز تقویت‌کننده می‌باشد. این مورفولوژی از ویژگی‌های ابعاد نانومتری می‌باشد.

هم از جنبه تجاری و هم از جنبه نظامی، ارزش نانوکامپوزیت‌های پلیمری فقط به خاطر بهبود خواص مکانیکی نمی‌باشد. در کامپوزیت‌ها کارایی مورد نیاز، خواص مکانیکی، هزینه و قابلیت فرآوری از موضوعات بسیار مهم می‌باشد. نانوکامپوزیت‌های پلیمری بر این محدودیت‌ها غلبه کرده است. برای مثال پیشرفت سریع نانوکامپوزیت‌های پلیمر- سیلیکات لایه‌ای را درنظر بگیرید. تلاش‌های ده سال اخیر باعث شده است که مدول کششی و استحکام این کامپوزیت‌ها دوبرابر شود، بدون اینکه مقاومت به ضربه آنها کاهش یابد. مثلاً برای تعداد زیادی رزین‌های ترموپلاستیک مثل نایلون و اولفین و همچنین رزین‌های ترموست مثل اورتان، اپوکسی و سیلوگزان با افزایش مقدار کمی مثلاً ۲% حجمی از سیلیکات لایه‌ای می‌توان به این خواص رسید.

اخیرا جنرال موتورز و شرکایش مثل Basel و Southarn Clay Products و Black hawk Automotive در قسمت‌های خارجی اتومبیل از نانوکامپوزیت‌های با زمینه اولفین ترموپلاستیک و تقویت‌کننده سیلیکات لایه‌ای استفاده کرده‌اند.

یک نانوکامپوزیت اولفینی با ۵/۲% سیلیکات لایه‌ای بسیار مستحکم‌تر و سبکتر نسبت به ذرات مرسوم تالک که در ساخت کامپوزیت‌‌های مرسوم به کار می‌رود، می‌باشد. باتوجه به نوع قطعه و ماده تقویت‌کننده در یک نانوکامپوزیت اولفینی می‌توان کاهش وزنی درحدود ۲۰% را بدست آورد.

علاوه بر این مقدار مواد مصرفی نیز نسبت به کامپوزیت‌های مرسوم کاهش خواهد یافت. این مزایا باعث خواهد شد که تأثیرات مثبتی بر مسائل زیست ‌محیطی و بازیافت آنها داشته باشد. به عنوان مثال گزارش شده است که استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری با لایه های سیلیکاتی در صنایع خودرو آمریکا باعث صرفه‌جویی در مصرف ۵/۱ میلیارد لیتر گازوئیل در طول عمر خودرو تولیدشده در یک سال خواهد شد و درنتیجه چیزی در حدود ۱۰ میلیارد پوند دی‌اکسید کربن کمتر نشر خواهد یافت.

باتوجه به گسترده‌بودن پلیمرها و رزین‌ها و همچنین نانومواد تقویت‌کننده و کاربردهای فراوان آنها موضوع نانوکامپوزیت های پلیمری بسیار گسترده می‌باشد.

در توسعه مواد چند جزئی چه در مقیاس نانو و یا میکرو سه موضوع مستقل باید مورد توجه قرار گیرد: انتخاب اجزاء، تولید، فرآوری و کارایی

در مورد نانوکامپوزیت‌های پلیمری هنوز در اول راه می‌باشیم و باتوجه به کاربرد نهایی آنها زمینه‌های بسیاری برای توسعه آنها وجود دارد.

دو روش اساسی تولید این نانوکامپوزیت‌های پلیمری “روش‌های درجا” و روش ” ورقه‌ای کردن ” (Exfoliation) می‌باشد. در روش درجا فاز تقویت‌کننده در زمینه پلیمری توسط روش‌های شیمیایی و یا جداسازی فازها تولید می‌شود. زمینه پلیمری به عنوان محلی برای تشکیل این اجزاء می‌باشد. به عنوان مثالی از این روش ها می‌توان تجزیه و یا واکنش شیمیایی مواد پیش‌سازه در زمینه پلیمری را نام برد.

در حال حاضر ورقه‌ای‌کردن لایه‌های سیلیکاتی و نانوفایبرها/ نانولوله‌های کربنی توسط صنایع بسیاری مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. همچنین مؤسسات دولتی و دانشگاهی بسیاری بر روی این موضوع کار می‌کنند. درباره این موضوع در ادامه صحبت خواهیم کرد.

سیلیکات‌های لایه‌ای

سیلیکات‌های لایه‌ای (آلومینوسیلیکات‌های ۲ به ۱، فیلوسیلیکات‌ها، رس‌های معدنی و اسمکتیت‌ها) تا به امروز بیشترین کاربرد را در تحقیقات نانوکامپوزیت‌های پلیمری داشته است. سیلیکات‌های لایه‌‌ای ویژگی های ساختاری مانند میکا و تالک دارد و از آلومینوسیلیکات‌های هیدراته تشکیل شده است. در شکل (۱ ) ساختار کریستالی آنها را مشاهده می‌کنید.

نیزوهای واندروالس در بین لایه‌ها که حامل کاتیون‌ها می‌باشند ( M + ) لایه‌ها را که توسط پیوند کووالانسی به هم متصل‌اند را از هم جدا می‌سازد. این لایه‌ها ضخامتی در حدود ۹۶/۰ نانومتر دارند.

نانولوله های کربنی

برخلاف تحقیقات ۲۵ ساله بر روی توزیع سیلیکات‌های لایه‌ای در پلیمرها، تحقیقات در زمینه توزیع نانولوله‌های کربنی در پلیمرها بسیار جدید می‌باشد. نانولوله‌های کربنی در حین افزایش و بهبود خصوصیات فیزیکی و مکانیکی پلیمرها باعث می‌شوند که خواص الکتریکی و گرمایی رزین‌ها نیز بهبود یابد. قطر این نانولوله‌ها می‌تواند از ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد و نسبت وجهی (طول به قطر) بیشتر از ۱۰۰ یا حتی ۱۰۰۰ باشد. مانند سیلیکات‌های لایه‌ای ماهیت غیرهمسانگردی این لوله‌ها باعث می‌شود که در کسر حجمی کمی از نانولوله ها رفتار جالبی در این نانوکامپوزیت‌ها پیدا شود.

نانولوله‌های کربنی در دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند. نانولوله‌های تک‌دیواره و نانولوله‌های چنددیواره. علت علاقه به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و تلاش برای جایگزین‌کردن آنها در صنعت براساس محاسبات تئوری و تأییدات آزمایشگاهی بر خصوصیات عالی مکانیکی و رسانایی الکتریکی آنها مانند فلزات می‌باشد.

رقابت بر روی توسعه روش‌های ساخت با هزینه کم، فرآوری نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و همچنین پایداری خصوصیات این نانولوله‌ها در حین فرآوری پلیمر- نانولوله، از موانعی هستند که سرعت پیشرفت در تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری پرشده با نانولوله‌های کربنی را محدود کرده‌اند.

برعکس در دسترس‌بودن و تجاری‌بودن نانولوله‌های کربنی چنددیواره باعث شده است که پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه داشته باشیم. تاحدی که محصولاتی در آستانه تجاری‌شدن تولید شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌های کرینی چنددیواره (جایگزین Carbon-black ) در پودرهای رنگ استفاده شده است.

استفاده از این نانولوله‌ها باعث می‌شود که رسانایی الکتریکی در مقدار کمی از فاز تقویت‌کننده حاصل شود و کاربرد آنها در پوشش‌دادن قطعات اتومبیل می‌باشد.

یکی ازمعایب نانولوله‌های چنددیواره نسبت به تک‌دیواره‌ این است که استحکام‌دهی آنها کمتر می‌باشد زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف می‌باشند. در هر حال، درحال حاضر کاربردهایی که باعث استفاده از نانولوله‌ها در تقویت‌دادن پلیمرها می‌شود، بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می‌باشد تا بهبود خواص مکانیکی. بنابراین کاربرد نانولوله‌های کربنی چنددیواره بسیار زیاد می‌باشد.

از نظر نظامی نیز فراهم‌کردن هدایت الکتریکی، و یا الکتریکی در فیلم‌ها و فایبرهای پلیمری فرصت‌های انقلابی بوجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوسته‌های الکتریکی-مغناطیسی گرفته تا کامپوزیت‌های رسانای گرما و لباس‌های سربازهای آینده.

چالش‌ها

در نانوکامپوزیت‌های پلیمری هدف نهایی، توزیع یکنواخت فاز تقویت‌کننده نانومتری می‌باشد. اساسا ۴ روش برای تولید نانوکامپوزیت‌های یکنواخت وجود دارد: فرآوری محلولی، پلیمریزاسیون درجا، فرآوری مزوفازها و فرآوری مذاب. تحقیقات بسیاری در مورد این فرآیندها برای بررسی پارامترهای کنترل‌کننده مورفولوژی نانوکامپوزیت‌ حاصله با این روش‌ها وجود دارد.

عملگری سطحی و عناصر نانویی به‌کاررفته در پلیمرها باید به گونه‌ای باشد که نرخ پلیمریزاسیون و محل شروع پلیمریزاسیون قابل کنترل باشد. زیرا درحین پلیمریزاسیون ممکن است عناصر نانویی تقویت‌کننده آگلومره شوند.

نقطه کلیدی در تمام این فرآیندها مهندسی فصل مشترک بین پلیمر و نانوذره می‌باشد. برای این فرآیندها عموما از سورفکتانت‌ها استفاده می‌شود. برای مثال از مولکول‌هایی که بصورت یونی با سطح نانوذرات پیوند داشته باشند (در سیلیکات‌های لایه‌ای) استفاده می‌شود و درمورد نانولوله‌های کربنی از پلیمرهایی که به صورت فیزیکی به آنها متصل می‌شوند استفاده می‌شود. این به سازی‌های سطحی باعث می‌شوند که عکس‌العمل بین فصل مشترک‌ها بهبود یابد. بیشترین تلاش‌ها در حال حاضر بر روی به سازهایی شده است که باعث می‌‌شود توزیع نانوذرات تسهیل یافته و بصورت یکنواخت توزیع شوند.

در حال حاضر موضوعات با درجه بالای اهمیت در تحقیقات عبارتند از: درک دقیق و عمیق از منطقه فصل مشترک‌ فاز تقویت‌کننده و پلیمر، وابستگی خصوصیات فصل مشترک به شیمی سطح نانوذره، آرایش اجزاء و ارتباط بین منطقه فصل مشترک و خصوصیات نانوکامپوزیت‌ها. همچنین درک کلی از ارتباط مورفولوژی و خصوصیات حاصله در رفتار مکانیکی، گرمایی و مقاومتی بسیار کم می‌باشد.