X
تبلیغات
رایتل

نانوکامپوزیت های پلیمری و رسی

جمعه 23 اردیبهشت‌ماه سال 1390

نانوکامپوزیت های پلیمری و رسی
نانوکامپوزیت های پلیمری

این گزارش به معرفی اجمالی نانوکامپوزیت های پلیمری می پردازد. سیلیکات های لایه ای تا به امروز بیشترین کاربرد را در ساخت نانوکامپوزیت ها داشته اند اخیرا به شدت از نانولوله های کربنی نیز در ساخت این نانوکامپوزیت ها استفاده می شود. از انواع رزین های مورد استفاده به عنوان زمینه ناوکامپوزیت ها رزین های ترموپلاستیک و ترموست می باشد. در حال حاضر از موضوعات بسیار با درجه اهمیت بالا در تحقیقات مطالعه فصل مشترک فاز تقویت کننده مانند نانولوله ها و فاز زمینه مانند پلیمرها می باشد.مواد و توسعه مواد از پایه‌های تمدن و فرهنگ انسان می‌باشد. بشر حتی دوره‌های تاریخی را با مواد نامگذاری کرده است. مثل عصر سنگی، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد (انقلاب صنعتی)،‌ عصر سیلیکون و عصر سیلیکا (انقلاب ارتباطات از راه دور) . این نشان می‌دهد که مواد چقدر برای ما اهمیت دارد. ما همواره در کوششیم که 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 یک ماده مشخص بوجود نخواهد آمد بلکه با بهینه‌کردن و مشارکت‌دادن ترکیبی از چند ماده بوجود خواهد آمد. دنیای نانومواد و هیجانات همراه آن،‌ فرصت‌های استثنایی برای تولید انقلاب در مواد کامپوزیتی بوجود آورده است. کامپوزیت‌های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سفتی و پایداری حرارتی و ابعادی، چندین سال است که در ساخت هواپیماها به کار می‌رود. با ظهور و به‌کارگرفتن نانوتکنولوژی، کامپوزیت‌های پلیمری بسیار جذاب‌تر خواهند شد.

فرصت‌های نانوکامپوزیت‌های پلیمری

تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی و یا معدنی بسیار مرسوم می‌باشد. برخلاف تقویت‌کننده‌های مرسوم که در مقیاس میکرون می‌باشند، در کامپوزیت‌های نانوساختاری فاز تقویت‌کننده در مقیاس نانومتر می‌باشد. توزیع یکنواخت این نانوذرات در فاز زمینه پلیمری باعث می‌شود فصل مشترک فاز زمینه و فاز تقویت‌کننده در واحد حجم، مساحت بسیار بالایی داشته باشد. برای مثال مساحت فصل مشترک ایجاد شده با توزیع سیلیکات لایه‌ای در پلیمر بیشتر از 700 خواهد بود. علاوه بر این فاصله بین ذرات فاز نانومتری تقویت‌کننده با اندازه ذرات قابل مقایسه خواهد بود. برای مثال برای یک صفحه با ضخامت nm 1 فاصله بین صفحات در حدود 10 نانومتر در فقط 7 درصد حجمی از فاز تقویت‌کننده می‌باشد. این مورفولوژی از ویژگی‌های ابعاد نانومتری می‌باشد. هم از جنبه تجاری و هم از جنبه نظامی، ارزش نانوکامپوزیت‌های پلیمری فقط به خاطر بهبود خواص مکانیکی نمی‌باشد. در کامپوزیت‌ها کارایی مورد نیاز، خواص مکانیکی، هزینه و قابلیت فرآوری از موضوعات بسیار مهم می‌باشد. نانوکامپوزیت‌های پلیمری بر این محدودیت‌ها غلبه کرده است. برای مثال پیشرفت سریع نانوکامپوزیت‌های پلیمر- سیلیکات لایه‌ای را درنظر بگیرید. تلاش‌های ده سال اخیر باعث شده است که مدول کششی و استحکام این کامپوزیت‌ها دوبرابر شود، بدون اینکه مقاومت به ضربه آنها کاهش یابد. مثلاً برای تعداد زیادی رزین‌های ترموپلاستیک مثل نایلون و اولفین و همچنین رزین‌های ترموست مثل اورتان، اپوکسی و سیلوگزان با افزایش مقدار کمی مثلاً 2% حجمی از سیلیکات لایه‌ای می‌توان به این خواص رسید. اخیراً جنرال موتورز و شرکایش مثل Basel و Southarn Clay Products و Black hawk Automotive در قسمت‌های خارجی اتومبیل از نانوکامپوزیت‌های با زمینه اولفین ترموپلاستیک و تقویت‌کننده سیلیکات لایه‌ای استفاده کرده‌اند. یک نانوکامپوزیت اولفینی با 5/2% سیلیکات لایه‌ای بسیار مستحکم‌تر و سبکتر نسبت به ذرات مرسوم تالک که در ساخت کامپوزیت‌‌های مرسوم به کار می‌رود، می‌باشد. باتوجه به نوع قطعه و ماده تقویت‌کننده در یک نانوکامپوزیت اولفینی می‌توان کاهش وزنی درحدود 20% را بدست آورد. علاوه بر این مقدار مواد مصرفی نیز نسبت به کامپوزیت‌های مرسوم کاهش خواهد یافت. این مزایا باعث خواهد شد که تأثیرات مثبتی بر مسائل زیست ‌محیطی و بازیافت آنها داشته باشد. به عنوان مثال گزارش شده است که استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری با لایه های سیلیکاتی در صنایع خودرو آمریکا باعث صرفه‌جویی در مصرف 5/1 میلیارد لیتر گازوئیل در طول عمر خودرو تولیدشده در یک سال خواهد شد و درنتیجه چیزی در حدود 10 میلیارد پوند دی‌اکسید کربن کمتر نشر خواهد یافت. باتوجه به گسترده‌بودن پلیمرها و رزین‌ها و همچنین نانومواد تقویت‌کننده و کاربردهای فراوان آنها موضوع نانوکامپوزیت های پلیمری بسیار گسترده می‌باشد. 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 در مورد نانوکامپوزیت‌های پلیمری هنوز در اول راه می‌باشیم و باتوجه به کاربرد نهایی آنها زمینه‌های بسیاری برای توسعه آنها وجود دارد. دو روش اساسی تولید این نانوکامپوزیت‌های پلیمری "روش‌های درجا" و روش " ورقه‌ای کردن " Exfoliation) ) می‌باشد. در روش درجا فاز تقویت‌کننده در زمینه پلیمری توسط روش‌های شیمیایی و یا جداسازی فازها تولید می‌شود. زمینه پلیمری به عنوان محلی برای تشکیل این اجزاء می‌باشد. به عنوان مثالی از این روش ها می‌توان تجزیه و یا واکنش شیمیایی مواد پیش‌سازه در زمینه پلیمری را نام برد. در حال حاضر ورقه‌ای‌کردن لایه‌های سیلیکاتی و نانوفایبرها/ نانولوله‌های کربنی توسط صنایع بسیاری مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. همچنین مؤسسات دولتی و دانشگاهی بسیاری بر روی این موضوع کار می‌کنند. درباره این موضوع در ادامه صحبت خواهیم کرد.

سیلیکات‌های لایه‌ای

سیلیکات‌های لایه‌ای (آلومینوسیلیکات‌های 2 به 1، فیلوسیلیکات‌ها، رس‌های معدنی و اسمکتیت‌ها) تا به امروز بیشترین کاربرد را در تحقیقات نانوکامپوزیت‌های پلیمری داشته است. سیلیکات‌های لایه‌‌ای ویژگی های ساختاری مانند میکا و تالک دارد و از آلومینوسیلیکات‌های هیدراته تشکیل شده است. در شکل (1 ) ساختار کریستالی آنها را مشاهده می‌کنید. نیزوهای واندروالس در بین لایه‌ها که حامل کاتیون‌ها می‌باشند ( M + ) لایه‌ها را که توسط پیوند کووالانسی به هم متصل‌اند را از هم جدا می‌سازد. این لایه‌ها ضخامتی در حدود 96/0 نانومتر دارند.

نانولوله های کربنی

برخلاف تحقیقات 25 ساله بر روی توزیع سیلیکات‌های لایه‌ای در پلیمرها، تحقیقات در زمینه توزیع نانولوله‌های کربنی در پلیمرها بسیار جدید می‌باشد. نانولوله‌های کربنی در حین افزایش و بهبود خصوصیات فیزیکی و مکانیکی پلیمرها باعث می‌شوند که خواص الکتریکی و گرمایی رزین‌ها نیز بهبود یابد. قطر این نانولوله‌ها می‌تواند از 1 تا 100 نانومتر باشد و نسبت وجهی (طول به قطر) بیشتر از 100 یا حتی 1000 باشد. مانند سیلیکات‌های لایه‌ای ماهیت غیرهمسانگردی این لوله‌ها باعث می‌شود که در کسر حجمی کمی از نانولوله ها رفتار جالبی در این نانوکامپوزیت‌ها پیدا شود. نانولوله‌های کربنی در دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند. نانولوله‌های تک‌دیواره و نانولوله‌های چنددیواره. علت علاقه به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و تلاش برای جایگزین‌کردن آنها در صنعت براساس محاسبات تئوری و تأییدات آزمایشگاهی بر خصوصیات عالی مکانیکی و رسانایی الکتریکی آنها مانند فلزات می‌باشد. با وجود متغیربودن نتایج آزمایش‌های تعیین مشخصات نانولوله‌های کربنی، تئوری‌ها نشان از عالی‌ بودن خواص نانولوله‌های کربنی دارند. به همین دلیل در چند سال اخیر نانولوله‌های کربنی در تولید و ساخت نانوکامپوزیت‌ها به عنوان فاز تقویت‌کننده به کار رفته‌اند. اگرچه اکثر مطالعات در زمینة نانوکامپوزیت‌های زمینة پلیمری بوده است، تلاش‌هایی نیز در ساخت نانوکامپوزیت‌های فلزی و سرامیکی شده است.در این مقاله سعی بر آن داریم که مروری بر تلاش‌های صورت گرفته در ساخت نانوکامپوزیت‌های تولید شده با استفاده از نانولوله‌های کربنی داشته باشیم و چالش‌های توسعه این نانوکامپوزیت‌ها را معرفی کنیم. رقابت بر روی توسعه روش‌های ساخت با هزینه کم، فرآوری نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و همچنین پایداری خصوصیات این نانولوله‌ها در حین فرآوری پلیمر- نانولوله، از موانعی هستند که سرعت پیشرفت در تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری پرشده با نانولوله‌های کربنی را محدود کرده‌اند. برعکس در دسترس‌بودن و تجاری‌بودن نانولوله‌های کربنی چنددیواره باعث شده است که پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه داشته باشیم. تاحدی که محصولاتی در آستانه تجاری‌شدن تولید شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌های کرینی چنددیواره (جایگزین Carbon-black ) در پودرهای رنگ استفاده شده است. استفاده از این نانولوله‌ها باعث می‌شود که رسانایی الکتریکی در مقدار کمی از فاز تقویت‌کننده حاصل شود و کاربرد آنها در پوشش‌دادن قطعات اتومبیل می‌باشد. یکی ازمعایب نانولوله‌های چنددیواره نسبت به تک‌دیواره‌ این است که استحکام‌دهی آنها کمتر می‌باشد زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف می‌باشند. در هر حال، درحال حاضر کاربردهایی که باعث استفاده از نانولوله‌ها در تقویت‌دادن پلیمرها می‌شود، بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می‌باشد تا بهبود خواص مکانیکی. بنابراین کاربرد نانولوله‌های کربنی چنددیواره بسیار زیاد می‌باشد. از نظر نظامی نیز فراهم‌کردن هدایت الکتریکی، و یا الکتریکی در فیلم‌ها و فایبرهای پلیمری فرصت‌های انقلابی بوجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوسته‌های الکتریکی-مغناطیسی گرفته تا کامپوزیت‌های رسانای گرما و لباس‌های سربازهای آینده.

نانوکامپوزیت‌های با زمینه فلزی و سرامیکی

در مورد نانوکامپوزیت‌های بر پایه نانولوله‌های کربنی بیشترین تمرکز بر روی نانوکامپوزیت‌های با زمینه پلیمری بوده است. با این حال خواص منحصربه فرد نانولوله‌ها در سرامیک‌ها نیز می‌تواند به کار گرفته شود. سرامیک‌ها دارای سفتی و پایداری حرارتی بسیار بالا و چگالی پایین می‌باشند. یکی از مشکلات سرامیک‌ها در به‌کارگیری به عنوان اجزای سازه‌ای، ترد بودن آنها می‌باشد. بنابراین به نظر می‌رسد که نانولوله‌های کربنی بتوانند در افزایش چقرمگی سرامیک‌ها مؤثر باشند. ترکیب نانولوله‌های کربنی با سرامیک‌ها پتانسیل تولید موادی با مقاومت گرمایی، چقرمگی و مقاومت به خزش بالا را دارد. با استفاده از ذرات SiC و %10 وزنی نانولولة کربنی و استفاده از پرس در دمای بالا، نانوکامپوزیت‌هایی را تولید کرده‌اند که گزارش شده است این کامپوزیت‌ها‌ بهبودی10 درصدی در استحکام و چقرمگی شکست آن داشته‌اند. محققان دیگری نیز تکنیک‌هایی را برای ساخت نانولوله‌های کربنی به صورت درجا به هدف تولید پودرهای کامپوزیتی (نانولوله‌های کربنی/ اکسید فلزات) توسعه داده‌اند. سپس این پودرها به منظور تولید یک قطعه کامپوزیتی در دمای بالا فشرده شده‌اند. گروهی دیگر از محققان نیز از روش‌های الکترولیز برای تولید نانوکامپوزیت‌های با زمینه فلزی توسط نانولوله‌های کربنی استفاده کرده‌اند. این بررسی‌ها بهبود اندکی را در هدایت الکتریکی آلومینیوم با افزایش درصد حجمی نانولوله نشان می‌دهد. خواص مکانیکی و فیزیکی عالی نانولوله‌های کربنی، به همراه چگالی پایین آنها، کربن را به عنوان یک کاندیدای عالی برای استحکام‌دهی به کامپوزیت‌ها معرفی کرده است. درک کامل از رفتار حرارتی- مکانیکی نانوکامپوزیت‌های ساخته‌شده با نانولوله‌های کربنی، نیاز به آشنایی با رفتار الاستیک و خصوصیات شکست نانولوله‌های کربنی و همچنین فصل مشترک ماده در زمینه با نانولوله دارد. با این حال این نیازها در کامپوزیت‌های رایج نیز احساس می‌شود؛ فقط در حال حاضر ابعاد فاز تقویت‌کننده از میکرومتر به سمت نانومتر کاهش یافته است. همچنین با کاهش‌یافتن ابعاد، چالش‌هایی در فرآوری این کامپوزیت‌ها، تعیین مشخصات، اندازه‌گیری رفتار الاستیک و شکست آنها نیز وجود دارد. تحقیقات اولیه، پتانسیل بالای نانولوله‌ها را در تقویت‌کردن مواد نشان می‌دهد ولی مطالعات بنیادی برای رفع چالش‌های ذکرشده بسیار مهم می‌باشد.

چالش‌ها

در نانوکامپوزیت‌های پلیمری هدف نهایی، توزیع یکنواخت فاز تقویت‌کننده نانومتری می‌باشد. اساساً 4 روش برای تولید نانوکامپوزیت‌های یکنواخت وجود دارد: فرآوری محلولی، پلیمریزاسیون درجا، فرآوری مزوفازها و فرآوری مذاب. تحقیقات بسیاری در مورد این فرآیندها برای بررسی پارامترهای کنترل‌کننده مورفولوژی نانوکامپوزیت‌ حاصله با این روش‌ها وجود دارد. عملگری سطحی و عناصر نانویی به‌کاررفته در پلیمرها باید به گونه‌ای باشد که نرخ پلیمریزاسیون و محل شروع پلیمریزاسیون قابل کنترل باشد. زیرا درحین پلیمریزاسیون ممکن است عناصر نانویی تقویت‌کننده آگلومره شوند. نقطه کلیدی در تمام این فرآیندها مهندسی فصل مشترک بین پلیمر و نانوذره می‌باشد. برای این فرآیندها عموماً از سورفکتانت‌ها استفاده می‌شود. برای مثال از مولکول‌هایی که بصورت یونی با سطح نانوذرات پیوند داشته باشند (در سیلیکات‌های لایه‌ای) استفاده می‌شود و درمورد نانولوله‌های کربنی از پلیمرهایی که بصورت فیزیکی به آنها متصل می‌شوند استفاده می‌شود. این بهسازی‌های سطحی باعث می‌شوند که عکس‌العمل بین فصل مشترک‌ها بهبود یابد. بیشترین تلاش‌ها در حال حاضر بر روی بهسازهایی شده است که باعث می‌‌شود توزیع نانوذرات تسهیل یافته و بصورت یکنواخت توزیع شوند. در حال حاضر موضوعات با درجه بالای اهمیت در تحقیقات عبارتند از: درک دقیق و عمیق از منطقه فصل مشترک‌ فاز تقویت‌کننده و پلیمر، وابستگی خصوصیات فصل مشترک به شیمی سطح نانوذره، آرایش اجزاء و ارتباط بین منطقه فصل مشترک و خصوصیات نانوکامپوزیت‌ها. همچنین درک کلی از ارتباط مورفولوژی و خصوصیات حاصله در رفتار مکانیکی، گرمایی و مقاومتی بسیار کم می‌باشد.

نانوکامپوزیت‌های برپایه رس

مطالعه مواد مخلوط برپایه ترکیبات غیرآلی و لایه‌ای، مانند رس، از مدت‌ها پیش شروع شده است. اما با شناخته‌شدن خواص استثنایی این نانوکامپوزیت‌ها مطالعه آنها مجدداً جان تازه‌ای گرفته است. متغیرهای مهم و تأثیرگذار بر خواص این نانوکامپوزیت‌ها عبارتند از: نوع رس، انتخاب نوع عملیات اولیه بر روی رس، انتخاب پلی‌مر و روش به کاربردن پلیمر در ساخت نانوکامپوزیت‌. فاکتور آخری متأثر از فرآیند ساخت و با توجه به نوع کاربری استفاده‌کننده می‌باشد.

رس و بهینه ‌سازی آن

رس‌های معمولی مواد معدنی طبیعی می‌باشند که به خاطر طبیعی‌بودنشان ترکیب آنها متغیر می‌باشد. خلوص رس می‌تواند بر روی خصوصیات نهایی نانوکامپوزیت‌ تأثیرگذار باشد. اغلب رس‌ها آلومینوسیلیکات می‌باشند که ساختاری ورقه‌ای دارند و ساختار آنها حاصل از اتصال SiO 4 و AlO 6 به صورت‌های مختلف می‌باشد. چنانچه نسبت SiO 4 به AlO 6 2 به 1 باشد، رس‌های اسمکتیت حاصل می‌شود که رایج‌ترین نوع رس بوده و مونت‌موریلونیت نامیده می‌شود. فلزات دیگری مانند منیزیم نیز می‌تواند جایگزین آلومینیوم شود. با توجه به ترکیب شیمیایی رس، سطح و لبه‌ها باردار می‌شود. این بار با یون‌های داخلی رس بالانس می‌شود. ضخامت این لایه‌ها (صفحات) در حدود یک نانومتر می‌باشد و نسبت وجهی (Aspect ratio) بسیار بالایی دارند که عمدتاً در محدودة 100 تا 1500 می‌باشد. این صفحات رسی عمدتاً به صورت توده ‌ای می‌باشند. باید توجه داشته باشیم که وزن مولکولی این صفحات نسبت به پلیمرها بسیار بیشتر می‌باشد. علاوه بر این، این صفحات صلب نمی‌باشند بلکه مقداری انعطاف‌ دارند. این رس‌ها عمدتاً مساحت سطحی بالایی دارند(بیشتر از صدها مترمربع بر گرم). یکی دیگر از مشخصات این رس‌ها ظرفیت تبادل یونی آنها (مثلا کاتیون) می‌باشد که در محدودة وسیعی تغییر می‌کند. یکی از منتجات بارداربودن رس‌ها ماهیت "هیدروفیلیک‌بودن" آنها می‌باشد که باعث می‌شود با بسیاری از پلیمرها ناسازگار باشد. یک پیش‌نیاز مهم برای ساخت موفق نانوکامپوزیت‌های پلیمر- رس تغییر قطبیت رس می‌باشد. بصورتی که "ارگانوفیلیک" شوند. یک رس ارگانوفیلیک از رس هیدروفیلیک به این صورت تهیه می‌شود که تبادل یونی با یک کاتیون آلی مثل یون آلکیل آمونیوم انجام می‌شود. برای مثال در مونت‌موریلونیت یون‌های سدیم در رس می‌توانند با یک آمینواسید مثل 12-آمینودودکانوئیک (ADA) جایگزین شوند.
Na + - Clay+HO 2 C-R-NH 3 + Cl - HO 2 C-R-NH 3 + -Clay +NaCl
روشی که این عمل انجام می‌شود، تأثیر بسیار مهمی بر تشکیل نانوکامپوزیت‌های ذره‌ای دارد. در مورد این موضوع بحث خواهد شد. همچنین عملیات اولیه بر روی رس توسط مواد آلی بر قیمت رس می‌افزاید. این رس‌ها عمدتاً ارزان بوده و محدودیتی برای تهیه آنها وجود ندارد. مونت‌موریلونیت رایج‌ترین نوع رس برای ساخت نانوکامپوزیت‌ها می‌باشد. با این‌حال از انواع دیگر رس می‌توان برای ساخت نانوکامپوزیت‌ استفاده کرد. این موضوع بستگی به خصوصیات نهایی مورد نظر از محصول دارد. این رس‌ها عبارتند از هکتوریت‌ها (سیلیکات‌های منیزیمی) که از صفحات بسیار کوچکی تشکیل می‌شود. و رس‌های مصنوعی مثل هیدروتالسیت‌ها که می‌تواند بصورت بسیار خالص تهیه شود و از صفحات بسیار کوچکی تشکیل می‌شود. صفحات این نوع رس می‌تواند بار مثبت داشته باشند. در حالی که مونت‌موریلونیت‌ها حامل بار منفی می‌باشند.

فرآوری نانوکامپوزیت‌های رسی

انتخاب روش‌ ساخت نانوکامپوزیت‌ بستگی به نوع مخلوط مورد نیاز دارد. رس می‌تواند بصورت "مجتمع" توزیع شود و یا بصورت "ورقه‌ای" توزیع شود (شکل(1)). در حالت اول مادة آلی بین لایه‌های رس نفوذ می‌کند ولی فاصله آنها فقط مقدار کمی افزایش می‌یابد و همچنان به موازات هم باقی خواهند ماند. در حالت ورقه‌ای لایه‌های رسی کاملاً از هم جدا شده و تک‌لایه‌ها در ماتریس ماده آلی توزیع می‌شوند. در حالت دیگر ذرات رس (tactoids) می‌توانند در ماتریس پلیمری توزیع شوند ولی در این حالت فقط نقش پرکننده را بازی می‌کنند.

فاکتورهای مؤثر بر مخلوط رس- ماده آلی

در سال‌های اخیر مطالعات فراوانی بر روی پارامترهای کنترل‌کننده ساختار ورقه‌ای و یا مجتمع‌ لایه‌های رسی از مخلوط رس - ماده آلی انجام شده است. باتوجه به اینکه نانوکامپوزیت‌های رسی می‌توانند بر روی خواص متعددی بهبود داشته باشند، مطالعه فاکتورهای ورقه‌‌ای‌شدن رس بسیار مهم می‌باشد. این فاکتورها عبارتند از ظرفیت تبادل یونی رس، قطبیت محیط واکنش و ماهیت شیمیایی کاتیون‌های بین لایه‌ای (مثل یون‌های اونیم). با بهسازی قطبیت سطحی رس‌ها،‌یون‌های اونیم اجازه نفوذ پلیمرها را به منطقه بین لایه‌های رس‌ها می‌دهد. توانایی یون‌های اونیم برای کمک‌کردن به ورقه‌ای‌شدن رس بسیار مهم می‌باشد. برای رس‌هایی که حامل بار مثبت می‌باشند،‌ مثل هیدروتالسیت، به جای بهسازی با نمک اونیم از یک سورفکتانت آنیونی ارزان‌تر استفاده می‌شود. از روش‌های دیگر بهسازی رس نیز می‌توان استفاده کرد که بستگی به نوع پلیمر دارد. مثل عکس‌العمل یون- دوقطبی، عامل‌های کوپل‌کننده سیلان و به‌کاربردن بلاک کوپلیمرها. به عنوان مثالی از عکس‌العمل‌ یون – دوقطبی می‌توان تجمع مولکول‌های کوچک مثل دودسیل پیرولیدون را در رس نام برد. جابجایی این مولکول‌های پلیمری براساس تفاوت آنتروپی می‌باشد. از واکنش‌های غیرمطلوب لبه‌های رس با پلیمرها توسط عامل‌های کوپل‌کننده سیلانی جلوگیری می‌شود. علاوه براین می‌توان از رس‌های بهسازی‌شده با یون‌های اونیوم استتفاده کرد. یک روش دیگر برای سازگارکردن رس‌ها با پلیمرها توسط TNO ارائه شده است. در این روش از کوپلیمرهای graft و یا block استفاده می‌شود. یک جزء این کوپلیمرها با رس سازگار می‌باشد و جزء دیگر با ماتریس پلیمری. مثالی از این موضوع در شکل زیر آورده شده است (شکل (2)). با استفاده از این روش می‌توان به درجه ورقه‌ای‌شدن بالایی رسید.

پلیمر

انتخاب صحیح رس بهسازی‌شده برای نفوذ موثر پلیمر، بین لایه‌های رس بسیار ضروری می‌باشد. درحقیقت توسعه مواد شیمیایی سازگارکننده رس‌ها، بدون شک کلید توسعه این نانوکامپوزیت‌ها می‌باشد. برای ماتریس این نانوکامپوزیت‌ها می‌توان از پلیمرها و یا منومرها استفاده کرد. در مورد دومی بصورت درجا عمل پلیمریزاسیون انجام می‌شود و نانوکامپوزیت‌ رس- پلیمر تشکیل می‌شود. تا به امروز موفق‌ترین روش برای ساخت نانوکامپوزیت‌ها روش اولی می‌باشد. اگرچه ممکن است کارایی آنها را محدود کند. پلیمرها را می‌توان بصورت مخلوط‌کردن در مذاب: برای مثال اکسترودکردن و یا بصورت حل‌کردن، به رس‌ها اضافه کرد. مخلوط‌کردن در مذاب نیاز به نیروی برشی برای ورقه‌ای‌شدن رس دارد و تأثیر آن در تولید نانوکامپوزیت ورقه‌ای نسبت به پلیمریزاسیون درجا بسیار کمتر می‌باشد. از هردو نوع پلیمرهای ترموپلاستیک و ترموست می‌توان برای ساخت نانوکامپوزیت‌ها استفاده کرد. مثل • نایلون‌ها
• پلی‌اولفین‌ها مثل پلی‌پروپیلن‌
• پلی‌استیرن
• کوپلیمرهای اتیلن- وینیل استات (EVA)
• رزین‌های اپوکسی
• پلی‌اورتان
• پلی‌ایمیدها
• پلی‌ (اتیلن‌ ترفئالات) (PET)

نانوکامپوزیت‌های رس- نایلون

اولین مثالی که به روش پلیمریزاسیون درجا و توسط تویوتا استفاده شد،‌ ساخت نانوکامپوزیت‌های رس- نایلون می‌باشد و این سیستم احتمالاً بیشتر از بقیه مورد مطالعه قرار گرفته است. به عنوان مثال رس بهسازی‌‌شده با ADA در منومر کاپرولاکتام توزیع می‌شود. سپس پلیمریزاسیون انجام می‌شود و مخلوط نایلون -6- رس کامپوزیتی را بصورت ورقه‌ای تشکیل می‌دهد. ورقه‌ای‌شدن کامل هنگامی اتفاق می‌افتد که منومرها به داخل رس نفوذ کنند. در این نانوکامپوزیت‌ها غلظت رس بسیار کم می‌باشد. زیرا غلظت بالای رس باعث افزایش ویسکوزیته سیستم می‌شود و فرآوری آن مشکل خواهد بود. از نایلون‌ها و کوپلی‌آمیدهای دیگری نیز در ساخت نانوکامپوزیت‌های رسی استفاده شده است. مثلاً گروه‌های هیدروکسیل در رس‌های بهسازی‌شده با اونیم‌ها باعث بهبود سازگاری نایلون می‌شود. این موضوع به علت باندهای هیدروژنی می‌باشد. که باعث بهبود خواص نانوکامپوزیت‌ می‌شود. برای سیستم‌های پلیمری دیگر بهسازی با عوامل دیگری انجام می‌شود. مثلاً در مورد کوپلیمرهای اتیلن- وینیل الکل (EVOH) یون‌های آمونیوم 4 تایی هیدروکسیله‌شده سازگاری بین رس و EVOH را بهبود می‌دهد. در نانوکامپوزیت‌های پلی‌پروپیلن (PP) ،‌از پلی‌پروپیلن graft شده با مالئیک انهیدرید به عنوان سازگارکننده استفاده می‌شود. آغازگرهای پلیمریزاسیون می‌تواند از طریق تبادل یون به رس متصل شود.
ترموپلاستیک‌های دمابالا در نانوکامپوزیت‌ها
برای تهیه نانوکامپوزیت‌ها از ترموپلاستیک‌های دمابالا در استفاده از بهسازهای اونیومی محدودیت وجود دارد. زیرا آلکیل‌ آمونیوم‌ها در حین فرآوری پایداری لازم را ندارند. برای حل این مشکل می‌توان به جای نمک‌های آمونیومی از نمک های ایمیدازولیم همان‌طور که در شکل (3) نشان داده شده است، استفاده کرد. یک جایگزین دیگر به‌کاربردن نمک فسفونیوم به جای نمک‌های آمونیوم می‌باشد، که می‌تواند منجر به پایداری رس- الی از دماهای C ْ300- 200 به بالاتر از C ْ300 شود. با استفاده از این روش‌ها شرکت Triton Systems موفق به تولید نانوکامپوزیت‌ها با رزین‌هایی مثل پلی‌اترایمیدها (PEI) شده است.

آینده نانوکامپوزیت‌های رسی

از اهداف آینده مورد نظر می‌‌توان به توسعه سیستم‌های پلیمری موجود در این نانوکامپوزیت‌ها و همچنین توسعه مواد سازگارکننده، اشاره کرد. توسعه نانوکامپوزیت‌های بر پایه PVC و PET نیز از موضوعات مورد تحقیق می‌باشد. تقویت نانوکامپوزیت‌های رسی با فایبرگلاس اخیراً مورد بررسی قرارگرفته است. همچنین در رساناکردن نانوکامپوزیت‌های رسی علاقه فراوانی وجود دارد
نظرات (1)
باعرض سلام خدمت شما دوست عزیز!!!
وبلاگتون فوق العاده خوب و کامل و مرجع بود!!!
با تشکر
زهرااستکی
برای نمایش آواتار خود در این وبلاگ در سایت Gravatar.com ثبت نام کنید. (راهنما)

نام :
پست الکترونیکی :
وب/وبلاگ :
ایمیل شما بعد از ثبت نمایش داده نخواهد شد