بسم الله الرحمن الرحیم
تولید نانو کامپوزیت های پلیمری
کامپوزیت های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سختی و پایداری حرارتی و ابعادی، چندین سال است که در ساخت هواپیماها به کار می رود. با ظهور و به کارگرفتن نانوتکنولوژی، کامپوزیت های پلیمری در صنایع دیگر نیز بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
نیاز اقتصادی و افزایش سوخت در عرصه های مختلف، تقاضا برای استفاده از مواد جدید سبک وزن مانند پلیمرها را افزایش داده است. اما از طرفی با توجه به پایین تر بودن میزان استحکام پلیمرها در مقایسه با فلزات، تقویت آن ها ضروری به نظر می رسد. تقویت پلیمرها با مواد رایج سبب لطمه خوردن به دو ویژگی اصلی پلیمرها یعنی سبکی و سهولت فرآوری می شود. از این رو اخیراَ از مقادیر کمی (کمتر از 10% وزنی) نانوذرات به عنوان تقویت کننده در پلیمرها استفاده می شود.
نمونه ای از نانو کامپوزیت پلیمری
تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی و یا معدنی بسیار مرسوم می باشد. برخلاف تقویت کننده های مرسوم که در مقیاس میکرون می باشند، در کامپوزیت های نانوساختاری فاز تقویت کننده در مقیاس نانومتر می باشد. توزیع یکنواخت این نانوذرات در فاز زمینه پلیمری باعث می شود فصل مشترک فاز زمینه و فاز تقویت کننده مساحت بسیار بالایی داشته باشد. برای مثال مساحت فصل مشترک ایجاد شده با توزیع سیلیکات لایه ای در پلیمر بیشتر از nm700 خواهد بود.
انواع شکل های تقویت کننده : رشته ای لایه ای
نقطه ای
.
در شکل دو کامپوزیت را می بینید که یکی از آنها با ذرات نانو و دیگری با ذرات میکرونی است. همان طور که می بینید لایه با ذرات میکرونی (تصویر سمت چپ) در مقابل تنش ترک خورده است در حالی که لا یه با ذرات نانویی در مقابل این تنش مقاومت کرده است
مزایا:
در کامپوزیت ها کارایی مورد نیاز، خواص مکانیکی، هزینه و قابلیت فرآوری از موضوعات بسیار مهم می باشد. نانوکامپوزیت های پلیمری بر این محدودیت ها غلبه کرده است. برای مثال پیشرفت سریع نانوکامپوزیت های پلیمر- سیلیکات لایه ای را میتوان نام برد. تلاش های ده سال اخیر باعث شده است که مدول کششی و استحکام این کامپوزیت ها دوبرابر شود، بدون اینکه مقاومت به ضربه آنها کاهش یابد. برای تعداد زیادی رزین های ترموپلاستیک مثل نایلون و اولفین و همچنین رزین های ترموست مثل اورتان، اپوکسی و سیلوگزان با افزایش مقدار کمی مثلاً 2% حجمی از سیلیکات لایه ای می توان به این خواص رسید. اخیراً جنرال موتورز در قسمت های خارجی اتومبیل از نانوکامپوزیت های با زمینه اولفین ترموپلاستیک و تقویت کننده سیلیکات لایه ای استفاده کرده .
سبکی : یک نانوکامپوزیت اولفینی با 5/2% سیلیکات لایه ای بسیار مستحکم تر و سبکتر نسبت به ذرات تالک که در ساخت کامپوزیت های مرسوم به کار می رود، است. باتوجه به نوع قطعه و ماده تقویت کننده در یک نانوکامپوزیت اولفینی می توان کاهش وزنی درحدود 20% را بدست آورد.
علاوه بر این مقدار مواد مصرفی نیز درکامپوزیت ها کاهش خواهد یافت. این مزایا باعث خواهد شد که تاثیرات مثبتی بر مسائل زیست محیطی و بازیافت آنها داشته باشد. گزارش شده است که استفاده از نانوکامپوزیت های پلیمری با لایه های سیلیکاتی در صنایع خودرو آمریکا باعث صرفه جویی در مصرف 5/1 میلیارد لیتر گازوئیل در طول عمر خودرو تولید شده در یک سال خواهد شد و درنتیجه چیزی در حدود 10 میلیارد پوند دی اکسید کربن کمتر نشر خواهد یافت.
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
روشهای تولید:
دو روش اساسی تولید این نانوکامپوزیت های پلیمری
1- روش های درجا
2-روش ورقه ای کردن (Exfoliation) می باشد.
در روش درجا فاز تقویت کننده در زمینه پلیمری توسط روش های شیمیایی و یا جداسازی فازها تولید می شود. زمینه پلیمری به عنوان محلی برای تشکیل این اجزاء می باشد.
در حال حاضر ورقه ای کردن لایه های سیلیکاتی و نانوفایبرها/ نانولوله های کربنی توسط صنایع بسیاری مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است و ادامه دارد.
مواد مصرفی تقویت کننده: 1- سیلیکات لایه ای 2- نانو لوله های کربنی
سیلیکات های لایه ای تا به امروز بیشترین کاربرد را در تحقیقات نانوکامپوزیت های پلیمری داشته است. سیلیکات های لایه ای ویژگی های ساختاری مانند میکا و تالک دارد و از آلومینوسیلیکات های هیدراته تشکیل شده است.
نیروهای واندروالس در بین لایه ها که حامل کاتیون ها می باشند ( M + ) لایه ها را از هم جدا می سازد.
ساختار کریستالی سیلیکات های لایه ای
نانولوله های کربنی:
برخلاف تحقیقات 25 ساله بر روی توزیع سیلیکات های لایه ای در پلیمرها، تحقیقات در زمینه توزیع نانولوله های کربنی در پلیمرها بسیار جدید می باشد. نانولوله های کربنی در حین افزایش و بهبود خصوصیات فیزیکی و مکانیکی پلیمرها باعث می شوند که خواص الکتریکی و گرمایی رزین ها نیز بهبود یابد. قطر این نانولوله ها می تواند از 1 تا 100 نانومتر باشد و نسبت وجهی (طول به قطر) بیشتر از 100 یا حتی 1000 باشد
نانولوله های کربنی در دو گروه طبقه بندی می شوند:
1- نانولوله های کربنی تک دیواره
2- نانولوله های کربنی چند دیواره
نانولوله های کربنی تک دیواره رسانایی الکتریکی خوبی مانند فلزات دارد اما از معایب آن پایداری کم آن است
اما در دسترس بودن و تجاری بودن نانولوله های کربنی چنددیواره باعث شده است که پیشرفت های بیشتری در این زمینه داشته باشیم. تاحدی که محصولاتی در آستانه تجاری شدن تولید شده است. به عنوان مثال از نانولوله های کرینی چنددیواره (جایگزین Carbon-black ) در پودرهای رنگ استفاده شده است.
درب سمت راست رنگ معمولی بوده ودرب سمت
چپ نانو رنگ است که هر دودرب 60 بار شسته شده اند
یکی ازمعایب نانولوله های چنددیواره نسبت به تک دیواره این است که استحکام دهی آنها کمتر می باشد زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف می باشند. درحال حاضر کاربردهایی که باعث استفاده از نانولوله ها در تقویت دادن پلیمرها می شود، بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می باشد تا بهبود خواص مکانیکی.