نویسنده:فاطمه حاجی محمدی
نانو کامپوزیت های پلیمری چیست:
تاکنون، پژوهش های صنعتی و دانشگاهی گسترده ای در راستای ساخت و کاربرد نانوکامپوزیت های پلیمری با هدف بهبود خواص پلیمر و افزایش قابلیت کاربرد آن ها در زمینه های مختلف انجام شده است.
چندين دهه است كه پليمرها با خواصي نظير مقاومت شيميايي،انعطاف پذيري و سدكنندگي نسبتا مناسب خود، براي كاربردهاي گوناگون در صنايع مختلف به كار گرفته شده اند . در سال ۱۹۸۰ ميلادي گروه تحقيقاتي تويوتا موتور كشف كردند كه با افزودن فازثانويه اي در ابعادنانو به زمینه پلیمری مي توان خواص آن را به طور چشم گيري بهبود بخشيد. بنا بر تعريف، نانوكامپوزيت ها تركيبي از دو يا تعداد بيشتري از فازها با ساختارها و درصدهاي مختلفي هستند كه حداقل يك جزء آن داراي ابعادي كمتر از ۱۰۰۰ نانو متر باشد ذرات پركننده می توانند به شكل نانوذره، نانولوله و يا ورقه هاي نانوابعاد باشند.
نانوكامپوزيت هاي پليمري نسل جديدي از مواد هستند كه شامل يك ماتريس پليمري و كمتر از ۱۰ درصد وزني از يك تقويت كننده نانومتري مي باشند وبرخلاف میکروکامپوزیت ها، نانوکامپوزیت ها اغلب سامانه هاي چندفازی هستند که درون ساختار خود حاوی نانوذرات می باشند.
نانوذرات معمولا به دلیل اندازه کوچک نسبت سطح به حجم زيادی دارند. بنابراین، تماس سطحی زيادی بین پلیمر و پرکننده برقرار می شود. زمانی که مقدار حجمی کافی از نانوپرکننده در سامانه موجود باشد، میان فاز (interphase )در کامپوزیت غالب می شود. بنابراین، خواص میان فاز می توانند آثار شایان توجهی بر خواص سامانه بگذارند و خواصی را به وجود آورند که در سایر اجزا به تنهایی وجود ندارند.
نانوکامپوزیت های پلیمری (PNCs) ممکن است به عنوان مخلوطی از دو یا چند ماده تعریف شوند که در آن ماتریس یک پلیمر است و فاز پراکنده حداقل یک بعد کوچکتر از ۱۰۰ نانومتر دارد . در دهه‌های اخیر، مشاهده شده است که افزودن محتوای کم این نانوپرکننده‌ها به پلیمر می‌تواند منجر به بهبود خواص مکانیکی، حرارتی، مانع و اشتعال‌پذیری آنها شود، بدون اینکه بر فرآیند پذیری آن ها تأثیر بگذارد.
اثر تقویت کننده پرکننده به عوامل متعددی از جمله خواص ماتریس پلیمری، ماهیت و نوع نانوپرکننده، غلظت پلیمر و پرکننده، نسبت ابعاد ذرات، اندازه ذرات، جهت گیری ذرات و توزیع ذرات نسبت داده می شود . انواع مختلفی از نانوذرات، مانند خاک رس ، نانولوله های کربنی ، گرافن، نانوسلولز و هالویزیت برای به دست آوردن نانوکامپوزیت ها با پلیمرهای مختلف استفاده شده اند.
مزایا نانوکامپوزیت های پلیمری:
- وزن قطعه نهايي در مقايسه با كامپوزيت هاي معمولي کمتر می باشد.
- استحكام مكانيكي بالاتر در ميزان بارگذاري كمتر دارد.
- مقاومت بالا در برابر نفوذ گازها و بخار ها دارد.
- سطح ظاهري بهتری خواهد داشت.
- فرآيندپذيري راحت تر در آنها مشاهده می شود.
- و تحمل حرارتي بالاتری را دارند.
معایب نانوکامپوزیت های پلیمری:
- عدم توزيع يكنواخت فاز دوم در فاز زمينه در نانوکامپوزيت ها، خواص مكانيكي نانوکامپوزيت ها را كاهش مي دهد. تجمع ذرات پودر بسيار ريز در نانوکامپوزيت ها موجب افزايش انرژي سطحي آن ها شده، كاهش خواص مكانيكي نانوکامپوزيت ها را به دنبال دارد.
- همچنين استفاده از مواد شيميايي گران قيمت براي توزيع يكنواخت فاز دوم در داخل فاز زمينه و جلوگيري از بهم چسبيدن ذرات پودر نانوکامپوزيتي و ساخت نانوکامپوزيت هايي با ريزساختاري همگن و خواص مكانيكي بالا، باعث غيراقتصادي شدن و همچنين پيچيده تر شدن فرآيند مي گردد.
روش های تولید نانوکامپوزیت ها پلیمری:
روش های متعددی برای ساخت و آماده سازی نانوکامپوزیت ها وجود دارد. انتخاب روش مناسب، می تواند بر خواص آن اثرگذار باشد. انتخاب ماتریس پلیمری و تقویت کننده و توزیع و پراکنش نانوذرات در ماتریس پلیمری مسئله مهمی در ساخت و آماده سازی نانوکامپوزیت هااست. اختلاط مذاب، روش حلالی و پلیمرشدن درجا از روش های شناخته شده برای ساخت نانوکامپوزیت های پلیمری است.
نکته ای که در روش های تولید نانوکامپوزیت های پلیمری اهمیت دارد و آن را از یکدیگر متمایز می کند، توزیع مناسب ماده پر کننده است. با اصلاح سطحی می توان این توزیع را به شکل یکنواخت به گونه ای انجام داد که از آگلومراسیون اجزای نانومتری ماده پرکننده جلوگیری شود و توزیع مناسب فاز تقویت کننده فراهم گردد. در واقع نکته مهم در تمام این فرآیندها، اصلاح فصل مشترک بین پلیمر و نانوذره می باشد. استفاده از فرایندهای سطحی سبب توزیع یکنواخت فاز تقویت کننده در بستر پلیمری شده، افزایش مدول و استحکام نانوکامپوزیت را به دنبال خواهد داشت.
مخلوط سازی مستقیم
در این روش ابتدا نانوذرات تهیه شده به صورت سوسپانسیون در یک حلال حل شده و سپس به محلول پلیمری اضافه می شود و مخلوط حاصله توسط یک پرس هیدرولیک در یک قالب اکسترود می شود و در نهایت صفحات نازک به دست می آیند. در این روش انتخاب بستر پلیمری، انتخاب نوع ذارت و سازگاری این دو گونه با یکدیگر و نحوه ی توزیع ذرات از نکات حائز اهمیت است .
معمولا برای تولید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری حاوی نانوالیاف کربنی از این روش استفاده می شود. محدودیت این روش میزان فاز تقویت کننده یا همان مواد پرکننده است. به عنوان مثال برای تولید نانوکامپوزیت سیلیکا/پلی پروپیلن حداکثر میزان نانوذرات سیلیکا ۲۰ درصد وزنی می تواند باشد. البته آگلومره شدن (به هم چسبیدن) ذرات نیز از دیگر محدودیت های این روش باشد.
فرآوری محلول
با استفاده از این روش می توان بر بعضی از محدودیت های روش مخلوط سازی مستقیم غلبه کرد، ضمن آنکه می توان میزان آگلومراسیون و کلوخه ای شدن نانوذرات در ماده پلیمری را کاهش داد. در این روش به دو صورت می توان نانوکامپوزیت های پلیمری را تولید کرد. اگر ماده زمینه پلیمری و نانوذرات تقویت کننده آن در یکدیگر قابل حل شدن باشند، محلول حاصل را می توان در یک قالب؛ ریخته گری کرده و نانوکامپوزیت تولید نمود. در غیر این صورت مخلوط مواد نانوکامپوزیت در یک حلال حل شده و در نهایت با تبخیر حلال، نانوکامپوزیت مورد نظر به دست می آید.
پلیمریزاسیون درجا
در این روش پلیمریزاسیون بستر پلیمری در حضور نانوذرات انجام می شود و منومر در حین رشد، ذرات پر کننده را در بر می گیرد. نکته کلیدی در این روش نحوه توزیع ذرات نانو در منومر است. با کنترل پیوند بین ذرات نانو و ماده زمینه، می توان توزیع مورد نظر را به دست آورد. بسیاری از نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری را می توان با این روش تولید کرد.
به طور مثال نانوکامپوزیت های حاوی نانولایه های گرافیت که دارای هدایت الکتریکی بالا و نفوذ پذیری کمی هستند، از این روش تولید می شوند. برای تولید این نانوکامپوزیت ها ابتدا با امواج مافوق صوت لایه های گرافیت در منومر به صورت یکنواخت توزیع می شوند و در نهایت با پلیمریزاسیون درجا نانوکامپوزیت به دست می آید.
کاربرد کامپوزیت های پلیمری:
۱-کاربرد نانو کامپوزیت ها در خودرو سازی:
اخیراً کاربردهای مختلف این نانوکامپوزیت‌ها در بخش‌های پلاستیکی به خصوص در صنعت خودروسازی و بسته‌بندی افزایش یافته است.
می‌توان گفت صنعت خودروسازی، پیشرو در استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری می‌باشد. تقریباً ۸۰ درصد از نانوکامپوزیت‌های پلیمری در صنعت‌های خودروسازی، هوافضا و بسته‌بندی مورد استفاده قرار می‌گیرند که این به دلیل کاهش وزن قطعات و به نوبه‌ی خود، کاهش مصرف انرژی می‌باشد. همچنین قطعات نانوکامپوزیتی از سختی و استحکام لازم برخوردار بوده و پایداری حرارتی بالاتری نسبت به نمونه‌های مشابه فلزی دارند. بخش‌های کامپوزیت پلیمری، قابلیت رنگ‌پذیری در کنار سایر بخش‌های بدنه‌ی اتومبیل را دارند و فرایندهای مورد استفاده برای مواد فلزی را برای آنها نیز می‌توان به کار برد.
اولین محصول تجاری از نانوکامپوزیت‌های پلیمری، در صنعت خودروسازی به عنوان پوشش timing-belt (یک تسمه در موتور) با آمیختن تنها ۴ درصد وزنی نانوسیلیکات با یک ماتریس پلی‌آمید با سختی و پایداری حرارتی اصلاح‌شده در محصول، مورداستفاده قرار گرفت. پس از آن، کاربردهای دیگر نانوکامپوزیت‌ها برای صنعت خودروسازی و سایر صنایع، به خصوص نانوکامپوزیت‌های با پایه‌ی ترموپلاستیک گسترش یافته است.
۲- نانوکامپوزیت های پلیمری برای کاربردهای انرژی:
یکی دیگر از کاربردهای بالقوه نانوکامپوزیت های پلیمری برای انرژی است که شامل تولید انرژی و ذخیره انرژی می شود. از جمله انواع نانوپرکننده‌های بیشتر مورد استفاده برای نانوکامپوزیت‌ها در کاربرد انرژی ، اکسیدهای فلزی ، نانورس‌ها، نانولوله‌های کربنی و گرافن‌ها هستند. خواص منحصر به فرد آنها به ویژه هدایت الکتریکی بسیار بالا و همچنین پایداری محیطی، هدایت حرارتی و استحکام مکانیکی خوب برای بهبود دستگاه‌های مرتبط با انرژی موجود و همچنین هموار کردن راه‌هایی برای نسل جدید دستگاه‌های انرژی هوشمند بسیار مطلوب است.
در صنعت انرژی، نانوکامپوزیت‌های پلیمری، قادر به بهبود تولید انرژی های تجدیدپذیر می باشند. با کمک این مواد، روش‌های جدیدی برای استخراج انرژی از منابع ارزان و بی‌خطر برای محیط زیست، فراهم خواهد شد. پیشرفت‌های موجود در زمینه‌ی نانوکامپوزیت‌ها، باعث تولید غشاهایی برای سلول‌های سوختی و همچنین روش‌هایی برای کوچک‌کردن و قابل تولید کردن آنها شده‌است. همچنین نانوکامپوزیت‌های پلیمری به طور قابل توجهی، تکنولوژی باتری‌های خشک و تر را با استفاده از مواد نانوساختار برای ایجاد باتری‌های قابل شارژ مجدد، بهبود بخشیده‌اند.
۳- کاربرد نانوکامپوزیت های پلیمری در صنعت:
محصولات تهيه شده از نانوكامپوزيت هاي پليمري قابليت استفاده در صنايع شيميايي، خودروسازي، ساختمان، نظامي، پزشكي، لوازم خانگي، ورزشي، كشاورزي و الكترونيكي را داشته و استفاده از آن ها در اين صنايع كاهش مصرف سوخت و انرژي، افزايش مقاومت و ايمني در برابر زلزله و آتش سوزي، افزايش عمر سازه ها، كاهش خسارات ناشي از زمان نگهداري مواد غذائي و محصولات كشاورزي، كاهش خسارات ناشي از خوردگي و بطور خلاصه استفاده بهينه از منابع موجود را مي تواند به همراه داشته باشد.
۴- کاربرد در صنایع بسته بندی:
در صنعت بسته‌بندی، خواص حفاظتی و عبورناپذیری بالای نانوخاک‌رس‌ها در برابر اکسیژن و دی‌اکسید کربن، برای تولید بطری‌های PET چندلایه و فیلم‌های بسته‌بندی غذاها و نوشیدنی‌ها مورد استفاده قرار گرفته است.
از تکنولوژی نانوکامپوزیت‌ها برای افزایش انعطاف‌پذیری در بسته‌بندی و افزایش مقاومت پارگی و سوراخ‌شدن و همچنین کنترل رطوبت بهره گرفته‌اند. همچنین به‌کارگیری نانوکامپوزیت‌ها برای بسته‌بندی، عمر نگهداری مواد را نیز افزایش می‌‌دهد.
۵- کاربرد در صنایع زیست پزشکی:
صنعت زیست‌پزشکی (biomedical) نیز از مزایای حاصل از استفاده از مواد نانوکامپوزیتی بهره مند شده است. مواد مورد استفاده در زمینه‌ی زیست‌پزشکی بایستی از معیارهای مشخصی مربوط به زیست‌سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری، خواص مکانیکی و گاهی اوقات زیبایی‌شناسی پیروی کنند . در کاربردهایی مثل مهندسی بافت، جایگزینی یا ترمیم استخوان، کاربردهای دندانی و رهایش کنترل شده‌ی داروها، نانوکامپوزیت‌های با پایه‌ی پلیمرهای زیستی می‌توانند بر مبنای نیازهای مورد نظر برای محصول به خوبی تطبیق داده شوند.
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.