عصر جديد با شناخت يك ماده مشخص بوجود نخواهد آمد بلكه با بهينهكردن و مشاركتدادن تركيبي از چند ماده بوجود خواهد آمد. دنياي نانومواد و هيجانات همراه آن، فرصتهاي استثنايي براي توليد انقلاب در مواد كامپوزيتي بوجود آورده است.
كامپوزيتهاي پليمري به علت خواصي مانند استحكام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است كه در ساخت هواپيماها به كار ميرود. با ظهور و بهكارگرفتن نانوتكنولوژي، كامپوزيتهاي پليمري بسيار جذابتر خواهند شد.
فرصتهاي نانوكامپوزيتهاي پليمري
تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي و يا معدني بسيار مرسوم ميباشد. برخلاف تقويتكنندههاي مرسوم كه در مقياس ميكرون ميباشند، در كامپوزيتهاي نانوساختاري فاز تقويتكننده در مقياس نانومتر ميباشد. توزيع يكنواخت اين نانوذرات در فاز زمينه پليمري باعث ميشود فصل مشترك فاز زمينه و فاز تقويتكننده در واحد حجم، مساحت بسيار بالايي داشته باشد. براي مثال مساحت فصل مشترك ايجاد شده با توزيع سيليكات لايهاي در پليمر بيشتر از 700 خواهد بود. علاوه بر اين فاصله بين ذرات فاز نانومتري تقويتكننده با اندازه ذرات قابل مقايسه خواهد بود. براي مثال براي يك صفحه با ضخامت nm 1 فاصله بين صفحات در حدود 10 نانومتر در فقط 7 درصد حجمي از فاز تقويتكننده ميباشد. اين مورفولوژي از ويژگيهاي ابعاد نانومتري ميباشد.
هم از جنبه تجاري و هم از جنبه نظامي، ارزش نانوكامپوزيتهاي پليمري فقط به خاطر بهبود خواص مكانيكي نميباشد. در كامپوزيتها كارايي مورد نياز، خواص مكانيكي، هزينه و قابليت فرآوري از موضوعات بسيار مهم ميباشد. نانوكامپوزيتهاي پليمري بر اين محدوديتها غلبه كرده است. براي مثال پيشرفت سريع نانوكامپوزيتهاي پليمر- سيليكات لايهاي را درنظر بگيريد. تلاشهاي ده سال اخير باعث شده است كه مدول كششي و استحكام اين كامپوزيتها دوبرابر شود، بدون اينكه مقاومت به ضربه آنها كاهش يابد. مثلاً براي تعداد زيادي رزينهاي ترموپلاستيك مثل نايلون و اولفين و همچنين رزينهاي ترموست مثل اورتان، اپوكسي و سيلوگزان با افزايش مقدار كمي مثلاً 2% حجمي از سيليكات لايهاي ميتوان به اين خواص رسيد.
اخيراً جنرال موتورز و شركايش مثل Basel و Southarn Clay Products و Black hawk Automotive در قسمتهاي خارجي اتومبيل از نانوكامپوزيتهاي با زمينه اولفين ترموپلاستيك و تقويتكننده سيليكات لايهاي استفاده كردهاند.
يك نانوكامپوزيت اولفيني با 5/2% سيليكات لايهاي بسيار مستحكمتر و سبكتر نسبت به ذرات مرسوم تالك كه در ساخت كامپوزيتهاي مرسوم به كار ميرود، ميباشد. باتوجه به نوع قطعه و ماده تقويتكننده در يك نانوكامپوزيت اولفيني ميتوان كاهش وزني درحدود 20% را بدست آورد.
علاوه بر اين مقدار مواد مصرفي نيز نسبت به كامپوزيتهاي مرسوم كاهش خواهد يافت. اين مزايا باعث خواهد شد كه تأثيرات مثبتي بر مسائل زيست محيطي و بازيافت آنها داشته باشد. به عنوان مثال گزارش شده است كه استفاده از نانوكامپوزيتهاي پليمري با لايه هاي سيليكاتي در صنايع خودرو آمريكا باعث صرفهجويي در مصرف 5/1 ميليارد ليتر گازوئيل در طول عمر خودرو توليدشده در يك سال خواهد شد و درنتيجه چيزي در حدود 10 ميليارد پوند دياكسيد كربن كمتر نشر خواهد يافت.
باتوجه به گستردهبودن پليمرها و رزينها و همچنين نانومواد تقويتكننده و كاربردهاي فراوان آنها موضوع نانوكامپوزيت هاي پليمري بسيار گسترده ميباشد.
در توسعه مواد چند جزئي چه در مقياس نانو و يا ميكرو سه موضوع مستقل بايد مورد توجه قرار گيرد: انتخاب اجزاء، توليد، فرآوري و كارايي
در مورد نانوكامپوزيتهاي پليمري هنوز در اول راه ميباشيم و باتوجه به كاربرد نهايي آنها زمينههاي بسياري براي توسعه آنها وجود دارد.
دو روش اساسي توليد اين نانوكامپوزيتهاي پليمري "روشهاي درجا" و روش " ورقهاي کردن " Exfoliation) ) ميباشد. در روش درجا فاز تقويتكننده در زمينه پليمري توسط روشهاي شيميايي و يا جداسازي فازها توليد ميشود. زمينه پليمري به عنوان محلي براي تشكيل اين اجزاء ميباشد. به عنوان مثالي از اين روش ها ميتوان تجزيه و يا واكنش شيميايي مواد پيشسازه در زمينه پليمري را نام برد.
در حال حاضر ورقهايكردن لايههاي سيليكاتي و نانوفايبرها/ نانولولههاي كربني توسط صنايع بسياري مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است. همچنين مؤسسات دولتي و دانشگاهي بسياري بر روي اين موضوع كار ميكنند. درباره اين موضوع در ادامه صحبت خواهيم كرد.
سيليكاتهاي لايهاي
سيليكاتهاي لايهاي (آلومينوسيليكاتهاي 2 به 1، فيلوسيليكاتها، رسهاي معدني و اسمكتيتها) تا به امروز بيشترين كاربرد را در تحقيقات نانوكامپوزيتهاي پليمري داشته است. سيليكاتهاي لايهاي ويژگي هاي ساختاري مانند ميكا و تالك دارد و از آلومينوسيليكاتهاي هيدراته تشكيل شده است. در شكل (1 ) ساختار كريستالي آنها را مشاهده ميكنيد.
نيزوهاي واندروالس در بين لايهها كه حامل كاتيونها ميباشند ( M + ) لايهها را كه توسط پيوند كووالانسي به هم متصلاند را از هم جدا ميسازد. اين لايهها ضخامتي در حدود 96/0 نانومتر دارند.
نانولوله هاي کربني
برخلاف تحقيقات 25 ساله بر روي توزيع سيليكاتهاي لايهاي در پليمرها، تحقيقات در زمينه توزيع نانولولههاي كربني در پليمرها بسيار جديد ميباشد. نانولولههاي كربني در حين افزايش و بهبود خصوصيات فيزيكي و مكانيكي پليمرها باعث ميشوند كه خواص الكتريكي و گرمايي رزينها نيز بهبود يابد. قطر اين نانولولهها ميتواند از 1 تا 100 نانومتر باشد و نسبت وجهي (طول به قطر) بيشتر از 100 يا حتي 1000 باشد. مانند سيليكاتهاي لايهاي ماهيت غيرهمسانگردي اين لولهها باعث ميشود كه در کسر حجمي کمي از نانولوله ها رفتار جالبي در اين نانوكامپوزيتها پيدا شود.
نانولولههاي كربني در دو گروه طبقهبندي ميشوند. نانولولههاي تكديواره و نانولولههاي چندديواره. علت علاقه به نانولولههاي كربني تكديواره و تلاش براي جايگزينكردن آنها در صنعت براساس محاسبات تئوري و تأييدات آزمايشگاهي بر خصوصيات عالي مكانيكي و رسانايي الكتريكي آنها مانند فلزات ميباشد.
رقابت بر روي توسعه روشهاي ساخت با هزينه كم، فرآوري نانولولههاي كربني تكديواره و همچنين پايداري خصوصيات اين نانولولهها در حين فرآوري پليمر- نانولوله، از موانعي هستند كه سرعت پيشرفت در توليد نانوكامپوزيتهاي پليمري پرشده با نانولولههاي كربني را محدود كردهاند.
برعكس در دسترسبودن و تجاريبودن نانولولههاي كربني چندديواره باعث شده است كه پيشرفتهاي بيشتري در اين زمينه داشته باشيم. تاحدي كه محصولاتي در آستانه تجاريشدن توليد شده است. به عنوان مثال از نانولولههاي كريني چندديواره (جايگزين Carbon-black ) در پودرهاي رنگ استفاده شده است.
استفاده از اين نانولولهها باعث ميشود كه رسانايي الكتريكي در مقدار كمي از فاز تقويتكننده حاصل شود و كاربرد آنها در پوششدادن قطعات اتومبيل ميباشد.
يكي ازمعايب نانولولههاي چندديواره نسبت به تكديواره اين است كه استحكامدهي آنها كمتر ميباشد زيرا پيوندهاي صفحات داخلي ضعيف ميباشند. در هر حال، درحال حاضر كاربردهايي كه باعث استفاده از نانولولهها در تقويتدادن پليمرها ميشود، بهبود خواص گرمايي و الكتريكي ميباشد تا بهبود خواص مكانيكي. بنابراين كاربرد نانولولههاي كربني چندديواره بسيار زياد ميباشد.
از نظر نظامي نيز فراهمكردن هدايت الكتريكي، و يا الكتريكي در فيلمها و فايبرهاي پليمري فرصتهاي انقلابي بوجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوستههاي الكتريكي-مغناطيسي گرفته تا كامپوزيتهاي رساناي گرما و لباسهاي سربازهاي آينده.
چالشها
در نانوكامپوزيتهاي پليمري هدف نهايي، توزيع يكنواخت فاز تقويتكننده نانومتري ميباشد. اساساً 4 روش براي توليد نانوكامپوزيتهاي يكنواخت وجود دارد: فرآوري محلولي، پليمريزاسيون درجا، فرآوري مزوفازها و فرآوري مذاب. تحقيقات بسياري در مورد اين فرآيندها براي بررسي پارامترهاي كنترلكننده مورفولوژي نانوكامپوزيت حاصله با اين روشها وجود دارد.
عملگري سطحي و عناصر نانويي بهكاررفته در پليمرها بايد به گونهاي باشد كه نرخ پليمريزاسيون و محل شروع پليمريزاسيون قابل كنترل باشد. زيرا درحين پليمريزاسيون ممكن است عناصر نانويي تقويتكننده آگلومره شوند.
نقطه كليدي در تمام اين فرآيندها مهندسي فصل مشترك بين پليمر و نانوذره ميباشد. براي اين فرآيندها عموماً از سورفكتانتها استفاده ميشود. براي مثال از مولكولهايي كه بصورت يوني با سطح نانوذرات پيوند داشته باشند (در سيليكاتهاي لايهاي) استفاده ميشود و درمورد نانولولههاي كربني از پليمرهايي كه بصورت فيزيكي به آنها متصل ميشوند استفاده ميشود. اين بهسازيهاي سطحي باعث ميشوند كه عكسالعمل بين فصل مشتركها بهبود يابد. بيشترين تلاشها در حال حاضر بر روي بهسازهايي شده است كه باعث ميشود توزيع نانوذرات تسهيل يافته و بصورت يكنواخت توزيع شوند.
در حال حاضر موضوعات با درجه بالاي اهميت در تحقيقات عبارتند از: درك دقيق و عميق از منطقه فصل مشترك فاز تقويتكننده و پليمر، وابستگي خصوصيات فصل مشترك به شيمي سطح نانوذره، آرايش اجزاء و ارتباط بين منطقه فصل مشترك و خصوصيات نانوكامپوزيتها. همچنين درك كلي از ارتباط مورفولوژي و خصوصيات حاصله در رفتار مكانيكي، گرمايي و مقاومتي بسيار كم ميباشد.
منبع : نانو