نانوکامپوزیت های پلیمری

مواد و توسعه مواد از پایه‌های تمدن و فرهنگ انسان می‌باشد. بشر حتی دوره‌های تاریخی را با مواد نامگذاری كرده است. مثل عصر سنگی، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد (انقلاب صنعتی)،‌ عصر سیلیكون و عصر سیلیكا (انقلاب ارتباطات از راه دور) . این نشان می‌دهد كه مواد چقدر برای ما اهمیت دارد. ما همواره در كوششیم كه از دنیای اطراف خود آگاهی داشته باشیم و آن را بهبود دهیم و ببینیم دنیای ما از چه چیزی ساخته شده است. عصر جدید با شناخت یك ماده مشخص بوجود نخواهد آمد بلكه با بهینه‌كردن و مشاركت‌دادن تركیبی از چند ماده بوجود خواهد آمد. دنیای نانومواد و هیجانات همراه آن،‌ فرصت‌های استثنایی برای تولید انقلاب در مواد كامپوزیتی بوجود آورده است. كامپوزیت‌های پلیمری به علت خواصی مانند استحكام، سفتی و پایداری حرارتی و ابعادی، چندین سال است كه در ساخت هواپیماها به كار می‌رود. با ظهور و به‌كارگرفتن نانوتكنولوژی، كامپوزیت‌های پلیمری بسیار جذاب‌تر خواهند شد.
فرصت‌های نانوكامپوزیت‌های پلیمری
تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی و یا معدنی بسیار مرسوم می‌باشد. برخلاف تقویت‌كننده‌های مرسوم كه در مقیاس میكرون می‌باشند، در كامپوزیت‌های نانوساختاری فاز تقویت‌كننده در مقیاس نانومتر می‌باشد. توزیع یكنواخت این نانوذرات در فاز زمینه پلیمری باعث می‌شود فصل مشترك فاز زمینه و فاز تقویت‌كننده در واحد حجم، مساحت بسیار بالایی داشته باشد. برای مثال مساحت فصل مشترك ایجاد شده با توزیع سیلیكات لایه‌ای در پلیمر بیشتر از ۷۰۰ خواهد بود. علاوه بر این فاصله بین ذرات فاز نانومتری تقویت‌كننده با اندازه ذرات قابل مقایسه خواهد بود. برای مثال برای یك صفحه با ضخامت nm ۱ فاصله بین صفحات در حدود ۱۰ نانومتر در فقط ۷ درصد حجمی از فاز تقویت‌كننده می‌باشد. این مورفولوژی از ویژگی‌های ابعاد نانومتری می‌باشد. هم از جنبه تجاری و هم از جنبه نظامی، ارزش نانوكامپوزیت‌های پلیمری فقط به خاطر بهبود خواص مكانیكی نمی‌باشد. در كامپوزیت‌ها كارایی مورد نیاز، خواص مكانیكی، هزینه و قابلیت فرآوری از موضوعات بسیار مهم می‌باشد. نانوكامپوزیت‌های پلیمری بر این محدودیت‌ها غلبه كرده است. برای مثال پیشرفت سریع نانوكامپوزیت‌های پلیمر- سیلیكات لایه‌ای را درنظر بگیرید. تلاش‌های ده سال اخیر باعث شده است كه مدول كششی و استحكام این كامپوزیت‌ها دوبرابر شود، بدون اینكه مقاومت به ضربه آنها كاهش یابد. مثلاً برای تعداد زیادی رزین‌های ترموپلاستیك مثل نایلون و اولفین و همچنین رزین‌های ترموست مثل اورتان، اپوكسی و سیلوگزان با افزایش مقدار كمی مثلاً ۲% حجمی از سیلیكات لایه‌ای می‌توان به این خواص رسید. اخیراً جنرال موتورز و شركایش مثل Basel و Southarn Clay Products و Black hawk Automotive در قسمت‌های خارجی اتومبیل از نانوكامپوزیت‌های با زمینه اولفین ترموپلاستیك و تقویت‌كننده سیلیكات لایه‌ای استفاده كرده‌اند. یك نانوكامپوزیت اولفینی با ۵/۲% سیلیكات لایه‌ای بسیار مستحكم‌تر و سبكتر نسبت به ذرات مرسوم تالك كه در ساخت كامپوزیت‌‌های مرسوم به كار می‌رود، می‌باشد. باتوجه به نوع قطعه و ماده تقویت‌كننده در یك نانوكامپوزیت اولفینی می‌توان كاهش وزنی درحدود ۲۰% را بدست آورد. علاوه بر این مقدار مواد مصرفی نیز نسبت به كامپوزیت‌های مرسوم كاهش خواهد یافت. این مزایا باعث خواهد شد كه تأثیرات مثبتی بر مسائل زیست ‌محیطی و بازیافت آنها داشته باشد. به عنوان مثال گزارش شده است كه استفاده از نانوكامپوزیت‌های پلیمری با لایه های سیلیكاتی در صنایع خودرو آمریكا باعث صرفه‌جویی در مصرف ۵/۱ میلیارد لیتر گازوئیل در طول عمر خودرو تولیدشده در یك سال خواهد شد و درنتیجه چیزی در حدود ۱۰ میلیارد پوند دی‌اكسید كربن كمتر نشر خواهد یافت.
باتوجه به گسترده‌بودن پلیمرها و رزین‌ها و همچنین نانومواد تقویت‌كننده و كاربردهای فراوان آنها موضوع نانوكامپوزیت های پلیمری بسیار گسترده می‌باشد.در توسعه مواد چند جزئی چه در مقیاس نانو و یا میكرو سه موضوع مستقل باید مورد توجه قرار گیرد: انتخاب اجزاء، تولید، فرآوری و كارایی
در مورد نانوكامپوزیت‌های پلیمری هنوز در اول راه می‌باشیم و باتوجه به كاربرد نهایی آنها زمینه‌های بسیاری برای توسعه آنها وجود دارد.
دو روش اساسی تولید این نانوكامپوزیت‌های پلیمری "روش‌های درجا" و روش " ورقه‌ای کردن " Exfoliation) ) می‌باشد. در روش درجا فاز تقویت‌كننده در زمینه پلیمری توسط روش‌های شیمیایی و یا جداسازی فازها تولید می‌شود. زمینه پلیمری به عنوان محلی برای تشكیل این اجزاء می‌باشد. به عنوان مثالی از این روش ها می‌توان تجزیه و یا واكنش شیمیایی مواد پیش‌سازه در زمینه پلیمری را نام برد.
در حال حاضر ورقه‌ای‌كردن لایه‌های سیلیكاتی و نانوفایبرها/ نانولوله‌های كربنی توسط صنایع بسیاری مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. همچنین مؤسسات دولتی و دانشگاهی بسیاری بر روی این موضوع كار می‌كنند. درباره این موضوع در ادامه صحبت خواهیم كرد.
سیلیكات‌های لایه‌ای
سیلیكات‌های لایه‌ای (آلومینوسیلیكات‌های ۲ به ۱، فیلوسیلیكات‌ها، رس‌های معدنی و اسمكتیت‌ها) تا به امروز بیشترین كاربرد را در تحقیقات نانوكامپوزیت‌های پلیمری داشته است. سیلیكات‌های لایه‌‌ای ویژگی های ساختاری مانند میكا و تالك دارد و از آلومینوسیلیكات‌های هیدراته تشكیل شده است. در شكل (۱ ) ساختار كریستالی آنها را مشاهده می‌كنید.نیزوهای واندروالس در بین لایه‌ها كه حامل كاتیون‌ها می‌باشند ( M + ) لایه‌ها را كه توسط پیوند كووالانسی 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 سیلیكات‌های لایه‌ای در پلیمرها، تحقیقات در زمینه توزیع نانولوله‌های كربنی در پلیمرها بسیار جدید می‌باشد. نانولوله‌های كربنی در حین افزایش و بهبود خصوصیات فیزیكی و مكانیكی پلیمرها باعث می‌شوند كه خواص الكتریكی 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 سیلیكات‌های لایه‌ای ماهیت غیرهمسانگردی این لوله‌ها باعث می‌شود كه در کسر حجمی کمی از نانولوله ها رفتار جالبی در این نانوكامپوزیت‌ها پیدا شود.
نانولوله‌های كربنی در دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند. نانولوله‌های تك‌دیواره و نانولوله‌های چنددیواره. علت علاقه به نانولوله‌های كربنی تك‌دیواره و تلاش برای جایگزین‌كردن آنها در صنعت براساس محاسبات تئوری و تأییدات آزمایشگاهی بر خصوصیات عالی مكانیكی و رسانایی الكتریكی آنها مانند فلزات می‌باشد.
رقابت بر روی توسعه روش‌های ساخت با هزینه كم، فرآوری نانولوله‌های كربنی تك‌دیواره و همچنین پایداری خصوصیات این نانولوله‌ها در حین فرآوری پلیمر- نانولوله، از موانعی هستند كه سرعت پیشرفت در تولید نانوكامپوزیت‌های پلیمری پرشده با نانولوله‌های كربنی را محدود كرده‌اند.
برعكس در دسترس‌بودن و تجاری‌بودن نانولوله‌های كربنی چنددیواره باعث شده است كه پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه داشته باشیم. تاحدی كه محصولاتی در آستانه تجاری‌شدن تولید شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌های كرینی چنددیواره (جایگزین Carbon-black ) در پودرهای رنگ استفاده شده است.
استفاده از این نانولوله‌ها باعث می‌شود كه رسانایی الكتریكی در مقدار كمی از فاز تقویت‌كننده حاصل شود و كاربرد آنها در پوشش‌دادن قطعات اتومبیل می‌باشد.
یكی ازمعایب نانولوله‌های چنددیواره نسبت به تك‌دیواره‌ این است كه استحكام‌دهی آنها كمتر می‌باشد زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف می‌باشند. در هر حال، درحال حاضر كاربردهایی كه باعث استفاده از نانولوله‌ها در تقویت‌دادن پلیمرها می‌شود، بهبود خواص گرمایی و الكتریكی می‌باشد تا بهبود خواص مكانیكی. بنابراین كاربرد نانولوله‌های كربنی چنددیواره بسیار زیاد می‌باشد.
از نظر نظامی نیز فراهم‌كردن هدایت الكتریكی، و یا الكتریكی در فیلم‌ها و فایبرهای پلیمری فرصت‌های انقلابی بوجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوسته‌های الكتریكی-مغناطیسی گرفته تا كامپوزیت‌های رسانای گرما و لباس‌های سربازهای آینده.
چالش‌ها
در نانوكامپوزیت‌های پلیمری هدف نهایی، توزیع یكنواخت فاز تقویت‌كننده نانومتری می‌باشد. اساساً ۴ روش برای تولید نانوكامپوزیت‌های یكنواخت وجود دارد: فرآوری محلولی، پلیمریزاسیون درجا، فرآوری مزوفازها و فرآوری مذاب. تحقیقات بسیاری در مورد این فرآیندها برای بررسی پارامترهای كنترل‌كننده مورفولوژی نانوكامپوزیت‌ حاصله با این روش‌ها وجود دارد.
عملگری سطحی و عناصر نانویی به‌كاررفته در پلیمرها باید به گونه‌ای باشد كه نرخ پلیمریزاسیون و محل شروع پلیمریزاسیون قابل كنترل باشد. زیرا درحین پلیمریزاسیون ممكن است عناصر نانویی تقویت‌كننده آگلومره شوند.
نقطه كلیدی در تمام این فرآیندها مهندسی فصل مشترك بین پلیمر و نانوذره می‌باشد. برای این فرآیندها عموماً از سورفكتانت‌ها استفاده می‌شود. برای مثال از مولكول‌هایی كه بصورت یونی با سطح نانوذرات پیوند داشته باشند (در سیلیكات‌های لایه‌ای) استفاده می‌شود و درمورد نانولوله‌های كربنی از پلیمرهایی كه بصورت فیزیكی به آنها متصل می‌شوند استفاده می‌شود. این بهسازی‌های سطحی باعث می‌شوند كه عكس‌العمل بین فصل مشترك‌ها بهبود یابد. بیشترین تلاش‌ها در حال حاضر بر روی بهسازهایی شده است كه باعث می‌‌شود توزیع نانوذرات تسهیل یافته و بصورت یكنواخت توزیع شوند.
در حال حاضر موضوعات با درجه بالای اهمیت در تحقیقات عبارتند از: درك دقیق و عمیق از منطقه فصل مشترك‌ فاز تقویت‌كننده و پلیمر، وابستگی خصوصیات فصل مشترك به شیمی سطح نانوذره، آرایش اجزاء و ارتباط بین منطقه فصل مشترك و خصوصیات نانوكامپوزیت‌ها. همچنین درك كلی از ارتباط مورفولوژی و خصوصیات حاصله در رفتار مكانیكی، گرمایی و مقاومتی بسیار كم می‌باشد.


نویسنده :
Dr. Richard A. Vaia

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو