نویسنده : فاطمه حاجی محمدی
خاصیت خودترمیم شوندگی چیست؟
واژه ی خودترمیم شوندگی در علم مواد به معنی بازیابی خودبه خود خواص اولیه ماده پس از آسیب توسط عامل خارجی است. این اصطلاح به صورت نظری، سیستم هوشمندی است که بتواند در معرض حمله عامل تخریبی، عوامل ترمیم کننده آزاد کند، به صورتی که انسجام فیزیکی و استحکام مکانیکی خود را پس از آسیب بازیابد. به این مواد هوشمند، در اصطلاح، خودتعمیری, خودترمیمی, ترمیم خود به خودی, و یا تعمیر خود به خودی اطلاق میشود.
-برای مطالعه در باره ی پلیمر های هوشمند اینجا کلیک کنید
پلیمرهای خود ترمیم شونده:
پلیمرهای خود ترمیم دونوع هستند:
نوع اول : خودترمیمی غیرذاتی که به کمک عامل ترمیم کننده ترمیم اتفاق می افتد.
نوع دوم : خودترمیمی ذاتی که بدون کمک عامل ترمیم کننده ترمیم انجام می شود.
پلیمرهای خودترمیمی غیرذاتی
در این دسته بصورت خود به خودی و تنهایی ترمیم انجام نمی شود بلکه به وسیله یک عامل ترمیم کننده پدیده خود ترمیمی اتفاق می افتد.
به طور کلی پدیده خود ترمیم شوندگی دراین دسته از پلیمر ها به سه طریق انجام می شود:
۱) كپسول داركردن
۲) استفاده از الياف توخالی
۳) استفاده از شبكه هاي توخالي
۱) کپسول دار کردن:
کپسول در مواد کامپوزیتی و پلیمرها به شکل ذراتی کروی در ابعاد میکرو هستند که با عامل خودترمیمی پر شده است که با ایجاد شکاف کپسول ها شکسته شده و عامل ترمیم، که در دمای ترمیم به شکل مایع است، توسط نیروی مویینگی به داخل شکاف جاری می شود . سپس، این ماده در مجاورت کاتالیزوری که از قبل در محیط پراکنده شده است، پلیمر شده و شکاف را ترمیم می کند.
ما سه نوع سامانه خود ترمیمی به روش کپسول دار کردن داریم:
الف- سامانه های کپسول- کاتالیزور:
در این سامانه ها در اثر ایجاد شکاف در ماتریس،کپسول های حاوی عامل ترمیم و کاتالیزور شکسته شده و عوامل ترمیم وارد محیط شکاف می شوند. عامل ترمیم در مجاورت کاتالیزور پلیمر می شود. پلیمر نهایی شکاف را پرکرده و آن را ترمیم می کند.
ب- سامانه هایی که در آن عامل ترمیم کپسول دار شده و در ماتریس پخش می شود:
به هنگام ایجاد شکاف و آزاد شدن عامل ترمیم، واکنش ترمیم انجام می شود، به نحوی که گروه های عاملی فعال موجود در ماتریس به پلیمرشدن عامل ترمیم کمک کرده و پلیمر نهایی شکاف را پر می کند.
ج- سامانه های چندکپسولی:
در این سامانه ها هر جزء از عوامل ترمیم به طور مجزا کپسول دار میشود. برای مثال، این سامانه ها می توانند شامل کپسول هایی از جنس اوره-فرمالدهید حاوی رزین های پلی دیمتیل سیلوکسان و کپسول هایی از جنس پلی یورتان حاوی کاتالیزور بر پایه قلع باشند.
نقص روش کپسول دار کردن:
مهم ترین عیب در روش خودترمیمی بر پایه میکروکپسول ها، عدم اطمینان از ترمیم کامل است. این مسئله به دلیل مقدار كم عامل ترمیم آزاد شده در محیط در مقايسه با حجم مناطق آسيب ديده است. از آنجا که وجود کپسول ها سبب ایجاد نقص در ماتریس پلیمری میشود، بنابراین با افزایش غلظت کپسول ها، مقدار مناطق آسیب دیده ناشی از عوامل مخرب افزایش می یابد.
۲)استفاده از الیاف تو خالی:
الیاف شیشه توخالی که با عامل ترمیم مناسب از راه فرایند مویینگی پر می شوند، در اثر ایجاد شکاف در ماتریس، شکسته شده و عامل ترمیم را وارد محیط شکاف می کنند. درنتیجه، فرایند پلیمرشدن و عمل ترمیم شکاف ها انجام می گیرد.
۳) استفاده از شبكه هاي توخالي:
این شبکه ها شامل الیاف یا کانال های توخالی هستند که در سه بعد به هم متصل شده اند و عامل ترمیم را در خود ذخیره کرده اند. پس از ایجاد شکاف در ماتریس پلیمری، عامل ترمیم از شبکه های مجرادار آزاد شده و فرایند ترمیم انجام مي شود.
مطالعات انجام شده نشان می دهد، از آنجا كه سامانه هاي شبكه اي و آوندي از سامانه هاي كپسولي حجيم تر هستند، ميتوانند در مواردي استفاده شوند كه تخريب آن ها وسيع است. اما، در انتخاب آن ها باید به ضخامت ماتريس ميزبان توجه شود، زيرا در مواردي مانند روكش ها، اين مواد مي توانند روي شكل ظاهري و خواص روكش اثر منفي داشته باشند. بنابراین، در روکش های قابل ترمیم استفاده از سامانه های شبکه ای و آوندی رایج نیست.
پلیمرهای خودترمیمی ذاتی:
به طوركلی، سامانه های خودترمیمی ذاتي يا برگشت پذير پلیمرهایی هستند که در برابر محرک، به حالت غیرشبکه ای، اولیگومری و مونومری خود تبدیل شده و قابلیت بازگشت مجدد به ساختار پلیمري خود را دارند.
ترمیم می تواند از راه واکنش های برگشت پذیرگرمایی، پیوندهای هیدروژنی، زوج شدن یون ها، توزیع یک فاز گرمانرم یا نفوذ مولکولی انجام پذیرد. در یک تقسیم بندی کلی این مواد در ۵ گروه عمده قرار داده شده اند:
۱)مواد ترمیم پذیر براساس واکنش های برگشت پذیر
۲) ترميم به واسطه توزیع یک گرمانرم در ماتریس اصلی
۳) ترمیم از راه نفوذ مولکولی
۴) مواد ابرمولکولی
۵) زوج شدن یونومرها
مواد خودترمیمی براساس واکنش های برگشت پذیر- پیوند کووالانسی:
براي ترميم پيوندهاي كووالانسي گسسته شده نياز به اعمال نوعي انرژي براي وقوع ترميم تشكيل مجدد پيوندها است. گرچه چنين سامانه هاي ترميم پذيري قابلیت ترميم خودبه خود ندارند، اما به واسطه خواص مكانيكي مناسبي كه پس از ترميم ارائه مي دهند، در بسياري از كاربردها استفاده میئشوند. اين پليمرها بسته به نوع محرك به دو دسته ترميم پذيرگرمايی و نوري تقسيم بندي شده اند.
مواد خودترميمی گرمايی:
خودترميمي های گرمایي عمدتا شامل واکنش های ديلز-آلدر و برگشت آن هستند.
واکنش افزایشی حلقوی یکی از مهم ترین واکنش ها در شیمی آلی است، زیرا قابلیت ایجاد محصولی حلقوی از دو پیوند کربن-کربن در شکلی خاص دارد.
از مهم ترین ویژگی های واکنش افزایشی حلقوی در پلیمرهایی با قابلیت خودترمیم، برگشت پذیری گرمایی آن ها است که به نام برگشت دیلز-آلدهید شناخته می شود. عمده واكنش هاي دیلز-آلدهید به كارگرفته شده شامل پليمرشدن مونومرهاي دو يا چندعاملي عمدتا پليمرهاي فوران- ماليميد و پليمرهايي برپايه واکنش های ديسيكلوپنتادي ان تقسيم مي شوند كه در ادامه به آنها پرداخته می شود.
واکنش های دیلز-آلدهید پليمرهاي حاوي فوران- ماليميد : پليمرهاي برپايه فوران- ماليميد جزء اصلي ترين پليمرهاي استفاده شده در سامانه هاي برگشت پذير كووالانسي هستند. اولین گزارشی که در آن از فوران- مالیمید به عنوان اجزای سازنده پلیمری با خاصیت برگشت پذیری گرمایی استفاده شد توسط کارون در سال ۱۹۹۶ منتشر شد.کارون امکان ساخت شبکه های پلیمری با قابلیت برگشت پذیری گرمایی را با استفاده از فوران و مالیمید بررسی کرد.
واکنش های دیلز-آلدهید برپايه ديسيكلوپنتادي ان:
سيكلوپنتادي ان با يك واكنش دیلز-آلدهید به ديسيكلوپنتادي ان تبديل میشود. پلیمرشدن اين ترکیب نيز به نوبه خود تا حصول يك پليمر ادامه مي یابد. ديسيكلوپنتادي ان به عنوان عامل شبكه اي شدن در بسياري از پليمرها مانند پليمرهاي وينيلي و اپوكسيدي استفاده میشود. ویژگی این ماده ايجاد شبكه اي است كه به شکل گرمايی از راه واكنش هاي دیلز-آلدهید قابليت برگشت پذيري داشته باشد.
مواد خودترميمی نوري:
ايجاد پيوندكووالانسي برگشت پذير از راه واكنش هاي افزايشي حلقوي، ميتواند به کمک گرما يا نور انجام شود.
واكنش افزايش حلقوي با حلقوي شدن به وسیله تابش در طول موج خاصي از نور انجام مي شود.
گسستن پيوند ايجاد شده با تابشی با طول موجي كوتاه تر انجام مي پذيرد.
بسياري از تركيبات حاوي اولفين ميتوانند زیر تابش نور دست خوش واكنش افزايش حلقوي شده و تشكيل سيكلوبوتان دهند.
پيوندهاي تشكيل شده مي توانند به طور برگشت پذير حين تابش نور با طول موج كوتاه تر شكسته شوند و اولفين اوليه را ايجاد کنند.
هنگامي كه چنين مواد حساس به نور در يك سامانه پليمري وجود داشته باشند، شبكه برگشت پذير نوري حاصل مي شود.
استفاده از نور به جاي گرما ارزان تر، سهل تر و با آلودگي كمتري همراه است به ویژه در كاربرد پليمرهاي ترميم پذير، انجام ترميم هنگام مواجهه با عوامل طبيعي مانند نور ميتواند مزيت ويژه اي باشد.
ترمیم از راه انتشار پلیمرهای گرمانرم:
در پلیمرهای گرماسخت ، می توان از راه قراردادن یک افزودنی گرمانرم به خاصیت خودترمیمی دست یافت .عمل ترمیم با ذوب شدن و پس از آن توزیع ماده گرمانرم در داخل شکاف ها، پرکردن ترک ها و گره خوردگی ماده گرمانرم با پلیمر گرماسخت انجام می پذیرد. نمونه ای از این سامانه ها، افزودن پلیمر گرمانرم پلی کاپرولاکتون به یک کامپوزیت اپوکسی است که در اثر گرمادهی ذوب شده و درون ماتریس اپوکسی توزیع می شود.
یونومرهای خودترمیمی:
یونومرهای دسته ای از پلیمرها هستند که در آن ها تا ١۵ درصد گونه های یونی به ساختار پلیمر متصل شده است .این گونه های یونی برهم کنش های الکتریکی ایجاد کرده و تجمع می کنند .تجمعات یونی خوشه هایی محلی ایجاد میکنند که این زوج شدن الکتریکی تحرک مولکولی را در ماتریس پلیمری اطراف محدود می سازد به دلیل اینکه هر مولکول تعداد زیادی شاخه جانبی یونی دارد، یک شبکه عرضی فیزیکی حاصل می شود .بخش یونومری می تواند با اعمال محرک خارجی مانند دما یا تابش فرابنفش تضعیف شود.
در یونومرها دمای بحرانی وجود دارد که در دما هایی بیش از آن ساختار منظم خوشه ای برهم می خورد .با کاهش دما به تدریج شبکه عرضی مجددا ایجاد شده و باعث ترمیم پلیمر می شود .به دلیل برگشت پذیری تشکیل بخش یونی ، ترمیم محلی می تواند تکرارشود .نمونه ای از این مواد کوپلیمرهای اتیلن -متاکلریک اسید همراه با بخش های یونومری است .گرمای ایجاد شده به وسیله عامل تخریب ، به عنوان محرک ترمیم عمل می کند، بنابراین به اعمال گرمای خارجی در این مواد نیازی نیست.
مواد خود ترمیمی ابرمولکولی:
سامانه های غیرکووالانسـی یـا ابرمولکـول هـا پلیمرهـایی هسـتند کـه پلیمرشـدن یـا شـبکه ای شـدن آنهـا بـا برهمـکنش های غیرکووالانسـی مونومرهـا یـا شـاخه هـای جـانبی انجـام مـی پـذیرد .از ایـن دسـته مـواد، پلیمرهـایی حـاوی پیونـد هیدروژنی بیشتر مورد توجه قرارگرفته اند.
برگشت پذیری پیوند هیدروژنی ، می تواند خاصیت ترمیم پذیری را در مواد پلیمری ایجاد کند .در حالت آسیب دیدگی قطعه ، پس از تماس مجدد قطعات جداشده، پیوندهای هیدروژنی برقرار شده و ماده ترمیم می شود محدودیتی که در استفاده از این مواد وجود دارد، قدرت کمتر پیوندهای هیدروژنی نسبت به کووالانسی است که کاربرد مواد ابرمولکولی را در دنیای صنعت محدود می سازد.
ترمیم از راه نفوذ مولکولی:
روشی دیگر برای دستیابی به ترمیم پذیری ذاتی ، نفوذ مولکولی است . چنین سازوکاری در کوپلیمرهای قطعه ای استیرن- ایزوپرن- استیرن و استیرن بررسی شده است .پدیده ترمیم در این پلیمرها وابسته به زمان و دماست و با بستن حفره ایجادشده، بر هم کنش های سطحی و گره خوردگی های مولکولی بین سطوح آسیب دیده رخ می دهد.
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.