نانو کامپوزیت ، تولید نانوکامپوزیت‌های زمینه پلیمری

نانو کامپوزیت ، تولید نانوکامپوزیت‌های زمینه پلیمری

نانوکامپوزیت

 در صورتی که فاز پراکنده مورد استفاده در کامپوزیت نانو ذره باشد، مادهٔ ترکیبی، نانو کامپوزیت خواهد بود. انواع نانو کامپوزیت‌ها شامل: نانو کامپوزیت‌های پایه پلیمری، نانو کامپوزیت‌های پایه سرامیکی و نانو کامپوزیت‌های پایه فلزی می‌باشند.

پژوهشگران دانشگاه میشیگان ایالات متحده قصد دارند نوع جدیدی از بتن تقویت شده با الیاف را با قابلیت خمش برای بازسازی پلی در میشیگان به کار گیرند. این بتن جدید از نظر ظاهری مشابه بتن معمولی است ولی پژوهشگران ادعا می‌کنند که در برابر ترک ۵۰۰ برابر مقاوم تر و از نظر وزنی ۴۰ درصد سبک‌تر است.

کارایی این بتن تاحدی به دلیل وجود الیاف (حدود ۲ درصد حجمی مخلوط) است. ضمن این که مواد به کار رفته در خود بتن نیز به گونه‌ای طراحی شده است که بتن بیشترین انعطاف‌پذیری را داشته باشد. به گفته پروفسور ویکتور لی Victor Li که گروهش روی این کامپوزیت سیمانی مهندسی ECC کار می‌کنند «فن آوری کامپوزیت سیمانی پیش از این در پروژه‌هایی در ژاپن، کره، سوییس و استرالیا به کار گرفته شده ولی با وجود این که بتن‌های معمولی دارای مشکلات زیادی از جمله نداشتن دوام و تحمل، شکست تحت بارهای شدید و گرانی تعمیر و ترمیم هستند، این فن آوری با شرایط ایالات متحده تطابق نسبتاً کمی داشته است.» پروفسور لی عقیده دارد که این کامپوزیت بسیاری از این مشکلات را حل خواهد کرد. به گفته وی این بتن نرم با قابلیت خمش عمدتاً از همان اجزای بتن معمولی منهای ذرات درشت ساخته می‌شود. از نظر ظاهری نیز این ماده همانند بتن معمولی است ولی در کرنش‌های زیاد، به علت وجود شبکه‌ای از الیاف با پوشش ویژه، انعطاف‌پذیری حاصله، از تردی و شکست آن جلوگیری می‌کند. بتن تقویت شده با الیاف ماده جدیدی نیست ولی به عقیده پروفسور لی این کامپوزیت سیمانی که سالها روی آن کار شده است. نسبت به سایر بتن‌های تقویت شده با الیاف امروزی متفاوت است و برتری‌های فراوانی دارد. به گفته وی، نکته کلیدی این است که ECC یک کامپوزیت مهندسی است یعنی علاوه بر تقویت بتن با الیافی که به عنوان لیگامان عمل کرده و استحکام بتن را فراهم می‌کنند، دانشمندان اجزای خود بتن را هم طوری طراحی کرده‌اند که انعطاف پذیرتر باشند. به گفته ویکتور لی الیاف مورد استفاده، پلیمری از جنس» پلی وینیل کلراید «هستند. این الیاف دارای پوشش سطحی با ضخامت نانومتری برای تنظیم اتصال فصل مشترک بین الیاف و زمینه سیمانی است که به طور ویژه برای ECC طراحی شده است. تابستان امسال گروه حمل و نقل دانشگاه میشیگان، از ECC برای تعمیر بخشی از یک پل استفاده خواهد کرد. تختال ECC جایگزین اتصال انبساطی شده و به تختال‌های بتنی مجاور متصل می‌شود تا یک سطح پیوسته به دست آید. اتصال انبساطی بخشی از پل با دندانه‌های فولادی درهم قفل شونده است که اجازه می‌دهد سطح بتنی پل در اثر تغییرات حرارتی حرکت کند. مشکل اصلی هنگامی رخ می‌دهد که این اتصالات گیر کنند. دانشمندان انتظار دارند با استفاده از ECC صرفه جویی‌های قابل توجهی به دست آید. لی می‌گوید در حال حاضر تأمین کنندگان ایالتی آموزش می‌بینند تا بتوانند بتن ECC را تولید کنند . انتظار می‌رود ECC بعضی از مشکلات دوام سطح پل‌ها همانند ترک‌های زودرس را حل کند .

کامپوزیت‌های سبک وزن و تجهیزات الکترونیکی کوچک‌تر و سبک‌تر در ماهواره‌های فضایی، هدف پژوهشگران در تولید نانو کامپوزیت‌ها در آینده است.

 نانوکامپوزیت تحول بزرگ در مقیاس کوچک

مواد و توسعه آنها از پایه‌های تمدن به شمار می‌روند. به طوری که دوره‌های تاریخی را با مواد نام‌گذاری کرده‌اند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سیلیکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر می‌بریم. عصر جدید با شناخت یک مادة جدید به وجود نمی‌آید، بلکه با بهینه کردن و ترکیب چند ماده می‌توان پا در عصر نوین گذاشت. دنیای نانومواد، فرصتی استثنایی برای انقلاب در مواد کامپوزیتی است.

کامپوزیت ها به ماده ای اطلاق می شود که از دو یا چند جزء تشکیل شده است به طوری که این اجزا در مقیاس ماکروسکوپی با هم خصوصیتی را ایجاد کنند که به تنهایی در هیچ یک از ان اجزا موجود نباشد .درصورتی که حداقل ابعاد یکی اجزا تشکیل دهنه نمود ده در مقیاس نانو متری قرار گیرد به چنین ماده ای نانو کامپوزیت گفته میشود .مشابه مواد کامپوزیتی نانو کامپوزیت ها نیز بر حسب جنس زمینه به سه گروه نانو کامپوزیت های زمینه فلزی زمینه سرامیکی زمینه پلیمری دسته بندی میشوند .

از خصوصیات متنوع نانو کامپوزیت ها میتوان به بالابودن نسبت سطح به حجم انعطاف پذیری بالا بدون کاهش استحکام و مقاومت در برابر خراشیدگی و همچنین خواص نوری مطلوب مانند شفافیت که به اندازه ذرات بستگی دارد اشاره نمود .تز منظر ساختاری ذرات و الیاف معمولا باعث ایجاد استحکام در بستر میشود و بستر پلیمری می تواند با چسبیدن به مواد معدنی نیرو های اعمال شده به کامپوزیت را به نحو یکنواختی به ماده تقویت کننده منتقل میکند .در این حالت خصوصیاتی چون سختی –شفافیت و تخلخل بستر کامپوزیت تغییر میکند .بستر پلیمری همچنین میتواند سطح تقویت کننده را از اسیب ها حفظ کند . طبیعت ودرجه این تعاملات نقشی محوری بر خصوصیات مختلف نانو کامپوزیت همچون حلالیت  خواص نوری جنبه های الکتریکی مکانیکی و ..... دارد .

نانوکامپوزیت‌‌های نانوذره‌ای

در این کامپوزیت‌ها از نانوذراتی همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌شود. برای مثال، در نانوکامپوزیت‌های پلیمری، از مقادیر کمّیِ (کمتر از 10درصدِ وزنی) ذرات نانومتری استفاده می‌شود. این ذرات علاوه بر افزایش استحکام پلیمرها، وزن آنها را نیز کاهش می‌دهند. مهمترین کامپوزیت‌های نانوذره‌ای، سبک‌ترین آنها هستند.

نانوکامپوزیت‌های نانو‌لوله‌ای کربنی

اتصال پلیمر ها به نانولوله باعث افزایش حلالیت نانو لوله ها و در نتیجه گسترش کاربرد ان ها میشود علاوه بر ان خواص فیزیکی پلیمر ازقبیل استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی ان با اتصال به نانو لوله  بهبود می یابد ودر نتیجه می توان  با این روش نانو کامپوزیت هایی با ویژگی های قابل کنترل و مناسب کاربرد خاص ان تولید نمود .

 کامپوزیت های دارای ذرات ریز

این نوع کامپوزیت ها ذراتی از عنصر یا ترکیبی غیر از عنصر یا ترکیب فاز زمینه اند . ذرات فاز تقویت کننده می تواند به صورت نا منظم و غیر یکنواخت در مرزدانه ها یا تقریبا یکنواخت در تمامی زمینه و یا جهت دار پراکنده و توزیع میشود . بدین صورت توزیع ذرات ماده تقویت کننده در ماده زمینه می تواند به گونه ای باشد که خواص ایجاد شده به صورت همسانگرد ویا ناهمسانگرد باشد توزیع غیر یکنواخت و جهت دار ماده تقویت کننده در کامپوزیت ها اهمیت صنعتی ویژه ای دارد .

کامپوزیت های تقویت شد با الیاف (فایبر ها )

اغلب کامپوزیت های تقویت شده با الیاف استحکام  مقاومت به خستگی  سفتی و استحکام ویژه با در امیختن تایتف قوی تر سفت اما ترد به زمینه نرم و انعطاف پذیر .

کامپوزیت های لایه ای

کامپوزیت های لایه ای از لایه های با مواد مختلف ساخته می شوند . کامپوزیت های لایه ای برای بهبود استحکام مقاومت سایشی مقاومت در مقابل خوردگی و کاهش وزن طراحی می شوند .کامپوزیت های لایه ای از احاظ خواص مکانیکی و فیزیکی بسیار نا خمسانگردند.

اما بسیاری از خواص مهم مانند خوردگی و مقاومت سایشی عمدتا فقط به خواص یکی از احزای کامپوزیت بستگی دارد به طوری که نمی توان از روابط فوق برای انها استقاده کرد.

 

روش‌های تولید نانوکامپوزیت‌های زمینه پلیمری در زیر ارائه شده است

 1-روش های تولید نانوکامپوزیت زمینه پلیمری

 به طور کلی چهار روش برای تولید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری وجود دارد:

 1-1- 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 می‌تواند باشد. البته به نظر می رسد آگلومره شدن (به هم چسبیدن) ذرات نیز از دیگر محدودیت‌های این روش باشد.

 1-2- 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 کلوخه‌ای 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.

1-3- پلیمریزاسیون درجا

در این روش پلیمریزاسیون بستر پلیمری در حضور نانوذرات انجام می شود و مونومر در حین رشد، ذرات پر کننده را در بر می گیرد. نکته کلیدی در این روش نحوه توزیع نانوذرات در مونومر است. با کنترل پیوند بین نانوذرات 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 (شکل 1). 

شکل1- تهیه نانوکامپوزیت به روش پلیمریزاسیون

 به طور مثال نانوکامپوزیت های حاوی نانولایه های گرافیت که دارای هدایت الکتریکی بالا و نفوذپذیری کمی هستند، از این روش تولید می شوند. برای تولید این نانوکامپوزیت ها ابتدا با امواج مافوق صوت لایه های گرافیت در مونومر به صورت یکنواخت توزیع می شوند و در نهایت با پلیمریزاسیون درجا نانوکامپوزیت به دست می آید. نکته ای که در روش های تولید نانوکامپوزیت های پلیمری اهمیت دارد و آن را از یکدیگر متمایز می کند، توزیع مناسب مادهء 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. یک مثال دیگر تهیه نانوکامپوزیت های پلی آنیلین /کادمیم سولفید است که برای تهیه آن پلی آنیلین را در محلول فرمامید حل کرده و دی متیل کادمیم را به آن اضافه می کنند در مرحله آخر نیز H2S به محلول اضافه می شود (شکل2).

 

شکل2- سنتز نانوکامپوزیت های پلی آنیلین /کادمیم سولفید به روش پلیمریزاسیون درجا

 1-4- تهیه پلیمر از مونومرها در حضور قالب‌هایی در مقیاس نانو

در این روش مونومرها را درون قالب هایی با مقیاس نانو ریخته و سپس فرآیند پلیمری شدن درون این قالب ها رخ می دهد. در نتیجه به علت محدود بودن فضا (در حد نانومتر) پلیمرهای ساخته شده در ابعاد نانو تشکیل می‌شوند.
2-مزایا و معایب نانو کامپوزیت ها

ظهور مواد نانوکامپوزیت ها، تحولی اساسی در خواص مکانیکی و حرارتی ایجاد کرده است. مزایای مواد نانوکامپوزیتی را می-توان به صورت زیر بیان کرد:

پودرهای نانوکامپوزیتی نسبت سطح به حجم بالایی دارد. این نسبت در حالت بی‌شکل نسبت به حالت بلوری، بیشتر است و همچنین کسر زیادی از اتم‌ها در سطح ذرات پودرهای نانوکامپوزیتی و یا در مرز دانه‌های ریزساختار نانوکامپوزیت ها قرار دارند.

به دلیل دو خاصیت اخیر، پودرهای نانوکامپوزیت، قابلیت تفت جوشی (زینتر) بالایی دارند. در ساخت نانوکامپوزیت ها از پودرهای نانوکامپوزیت یا پودرهای نانومتری، به دلیل کنترل فرآیند در مقیاس نانومتری، ریزساختاری کاملا یکنواخت به دست می آید. نانوکامپوزیت ها خواص فیزیکی و مکانیکی از قبیل استحکام، سختی، چقرمگی و مقاومت حرارتی بالایی در محدوده وسیعی از دما دارند. افزودن ۵ تا ۱۰ درصد حجمی فاز دوم به فاز زمینه، باعث افزایش چشمگیری در خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت ها می شود. لذا جدیدترین فناوری ها، مربوط به طراحی ریزساختار نانوکامپوزیت ها برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی آنها است.

در مقابل خواص منحصر به فرد مواد نانوکامپوزیت، در ساخت نانوکامپوزیت ها مشکلات فرآیندی قابل توجهی وجود دارد که نقش تعیین کننده‌ای دارند. از اساسی ترین این مشکلات می توان به موارد زیر اشاره کرد:

 1- عدم توزیع یکنواخت فاز دوم در فاز زمینه در نانوکامپوزیت ها، خواص مکانیکی نانوکامپوزیت ها را کاهش می‌دهد. تجمع ذرات پودر بسیار ریز در نانوکامپوزیت ها موجب افزایش انرژی سطحی آنها شده، کاهش خواص مکانیکی کاهش خواص مکانیکی نانوکامپوزیت ها را به دنبال دارد.

2- همچنین استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت برای توزیع یکنواخت فاز دوم در داخل فاز زمینه و جلوگیری از به هم چسبیدن ذرات پودر نانوکامپوزیتی و ساخت نانوکامپوزیت هایی با ریزساختاری همگن و خواص مکانیکی بالا، باعث غیر اقتصادی شدن و همچنین پیچیده‌تر شدن فرآیند می گردد.