پیش‌نویس:نانو کامپوزیت های پلیمری و کاربرد های آن

نانوکامپوزیت های پلیمری

نانوکامپوزیت های پلیمری اخیرا مورد توجه بسیاری از محققان و پژوهشگران قرار گرفته و هر روز اطلاعات جدید و به روز تری در این زمینه به دست می آید. نانو کامپوزیت های پلیمری نوعی از مواد هستند که ترکیبی از خواص شیمیایی و فیزیکی نانو و کامپوزیت ها را در کنار هم دارد. نانوكامپوزيت ها تركيبي از دو يا تعداد بيشتري از فازها با ساختارها و درصدهاي مختلفي هستند كه حداقل يك جزء آن داراي ابعادي كمتر از ۱۰۰۰ نانو متر باشد ذرات پركننده می توانند به شكل نانوذره، نانولوله و يا ورقه هاي نانوابعاد باشند. نانوكامپوزيت هاي پليمري نوعی از مواد هستند كه شامل يك ماتريس پليمري و كمتر از ۱۰ درصد وزني از يك تقويت كننده نانومتري مي باشند و برخلاف میکرو کامپوزیت ها،نانوکامپوزیت ها اغلب سامانه هاي چندفازی هستند که درون ساختار خود حاوی نانوذرات می باشند. نسبت سطح به حجم این مواد بالاست و همین مورد باعث می شود که تماس سطحی زیاد بین پلیمر و پرکننده برقرار شود. اگر نانو پرکننده به میزان حجمی کافی وجود داشته باشد میان فاز (interphase )در کامپوزیت غالب می شود. نانوکامپوزیت های پلیمری مخلوطی از دو یا چند ماده هستند که در آن ماتریس یک پلیمر است و فاز پراکنده حداقل یک بعد کوچکتر از ۱۰۰ نانومتر دارد . افزودن کم نانوپرکننده ها می تواند به خواص مکانیکی و حرارتی آن بهبود ببخشد بدون اینکه بر فرآیند پذیری آن تاثیر بگذارد.

نقاط قوت نانو کامپوزیت های پلیمری

وزن کمتری به نسبت کامپوزیت های عادی دارند. زیباتر از کامپوزیت های عادی هستند. در برابر نفوذ سیالات مقاومتر هستند. در برابر حرارت استحکام بالاتری دارند.

نقاط ضعف نانو کامپوزیت های پلیمری

ساخت نانوکامپوزيت هايي با خواص مكانيكي بالا و ريزساختاري همگن و استفاده از مواد شيميايي گران قيمت براي توزيع يكنواخت فاز دوم در داخل فاز زمينه و جلوگيري از چسبيدن ذرات پودر نانوکامپوزيتي به یک دیگر باعث افزایش بی رویه هزینه و نداشتن صرفه اقتصادی می شود. خواص مکانیکی نانو کامپوزیت ها به دلیل عدم توزيع يكنواخت فاز دوم در فاز زمينه در نانوکامپوزيت ها کاهش می یابد. تجمع ذرات پودر باعث افزایش انرژی سطحی و کاهش خواص مکانیکی می شود.

روش های تولید

• مخلوط سازی مستقیم

ابتدا نانوذرات تهیه شده به صورت سوسپانسیون در یک حلال حل شده و سپس به محلول پلیمری اضافه می شود و مخلوط مورد نظر توسط یک پرس هیدرولیک در یک قالب اکسترود می شود و در نهایت صفحات نازک به دست می آیند. در این روش باید در انتخاب بستر پلیمری، انتخاب نوع ذرات و سازگاری این دو گونه با یکدیگر و نحوه توزیع ذرات توجه کنیم.در این روش برای میزان ماده پر کننده ما با محدودیت هایی مواجه هستیم.

• فرآوری محلول

در این روش تعدادی از ایرادات مخلوط سازی مستقیم وجود ندارد.در این روش امکان کاهش میزان آگلومراسیون و کلوخه ای شدن نانوذرات در ماده پلیمری وجود دارد.تولید نانوکامپوزیت های پلیمری با این روش به دو صورت ممکن است.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.

• پلیمرزاسیون درجا

در این روش پلیمریزاسیون بستر پلیمری با نانوذرات انجام می شود و منومر در حین رشد، ذرات پر کننده را در بر می گیرد.موضوع مهم در این روش نحوه توزیع ذرات نانو در منومر است. با کنترل پیوند بین ذرات نانو 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.

به طور مثال نانوکامپوزیت های حاوی نانولایه های گرافیت که دارای هدایت الکتریکی بالا و نفوذ پذیری کمی هستند، از این روش تولید می شوند. برای تولید این نانوکامپوزیت ها ابتدا با امواج مافوق صوت لایه های گرافیت در منومر به صورت یکنواخت توزیع می شوند و در نهایت با پلیمریزاسیون درجا نانوکامپوزیت به دست می آید. توزیع مناسب ماده پر کننده یکی از نکات مهم در روش های تولید نانوکاپپوزیت های پلیمری است و آن را با دیگر روش ها متمایز می کند.توزیع به صورت یکنواخت در این روش

با اصلاح سطحی انجام می شود که از آگلومراسیون اجزای نانومتری ماده پرکننده جلوگیری شود و توزیع مناسب فاز تقویت کننده فراهم گردد.اصلاح فصل مشترک بین پلیمر و نانوذره مهم ترین نکته برای هر روش نوع روش تولید است.توزیع یکنواخت فاز تقویت کننده در بستر پلیمری شده، افزایش مدول و استحکام نانوکامپوزیت نتایج استفاده از فرایندهای سطحی است.

کاربرد ها

• خودروسازی

صنعت خودروسازی صنعت پیشگام در استفاده از نانوکامپوزیت های پلیمری بود و در حال حاضر بیشترین مصرف نانوکامپوزیت های پلیمری متعلق به صنایع خودروسازی و بسته بندی است.نکته جالب اینجاست مصرف این ماده در صنعت خودروسازی رو به افزایش است. استفاده از این ماده منجر به کاهش وزن قطعات افزایش استحکام در برابر خوردگی و حرارت و کاهش مصرف انرژی می شود.همچنین این ماده قابلیت رنگ پذیری در کنار سایر قطعات آهنی را دارد. تسمه تایم حدود 4 درصد نانو کامپوزیت های پلیمری دارد و از نمونه های استفاده نانوکامپوزیت در این صنعت است.

• انرژی

تولید و ذخیره انرژی یکی از کاربرد های نانوکامپوزیت های پلیمری است. انواع نانوپرکننده‌های بیشتر مورد استفاده برای نانوکامپوزیت‌ها در کاربرد انرژی ، اکسیدهای فلزی ، نانورس‌ها، نانولوله‌های کربنی و گرافن‌ها هستند. خواص منحصر به فرد آنها به ویژه هدایت الکتریکی بسیار بالا و همچنین پایداری محیطی، هدایت حرارتی و استحکام مکانیکی خوب منجر به بالا بردن راندمان و بهبود عملکرد دستگاه های مختلف می شود.به کمک نانوکامپوزیت های پلیمری قابلیت تولید انرژی های پاک فراهم شد.پیشرفت در این زمینه منجر به تولید غشاهایی برای سلول‌های سوختی و هم‌چنین روش‌هایی برای کوچک‌ کردن و قابل تولید کردن آن‌ها شده‌است.

• صنعت

امروزه در بسیاری از صنایع و حیطه ها از جمله صنايع شيميايي، خودروسازي، ساختمان، نظامي، پزشكي، لوازم خانگي، ورزشي، كشاورزي و الكترونيكي از نانوکامپوزیت های پلیمری اسفاده می شود و هدف از این کار كاهش مصرف سوخت و انرژي، افزايش مقاومت در برابر زلزله و آتش سوزي، افزايش عمر سازه ها، كاهش خسارات ناشي از زمان نگهداري مواد غذائي و محصولات كشاورزي، كاهش خسارات ناشي از خوردگي و ... است.

• بسته بندی

بطری‌های PET چندلایه و فیلم‌های بسته‌بندی غذاها و نوشیدنی‌ها از نمونه های استفاده از نانوکامپوزیت های پلیمری در صنایع بسته بندی است.استفاده از این مواد در صنعت بسته‌بندی، باعث ایجاد خواص حفاظتی و عبورناپذیری بالای نانوخاک‌رس‌ها در برابر اکسیژن و ‌دی‌اکسید کربن برای نمونه های ذکر شده می شود. از تکنولوژی نانوکامپوزیت‌ ها برای افزایش انعطاف‌ پذیری در بسته‌بندی و مقاومت پارگی و سوراخ‌شدن و کنترل رطوبت استفاده می کنند.

• پزشکی

مهندسی بافت ، جایگزینی یا ترمیم استخوان، کاربردهای دندانی و رهایش کنترل شده‌ی داروها، نانوکامپوزیت‌های با پایه‌ی پلیمرهای زیستی نمونه هایی از کاربرد نانو کامپوزیت های پلیمری در پزشکی است. مواد مورد استفاده در زمینه‌ی زیست‌پزشکی (biomedical) باید از پارامتر های خاصی مانند زیست‌سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری، خواص مکانیکی و گاهی اوقات زیبایی‌شناسی تبعیت کند.

منابع

۱. Freedonia Group, “US polymer nanocomposites demand to exceed 7 billion pounds in 2020,” All Business, May 5, 2006.

۲. “Polymer nanocomposite market to grow well globally, particularly in USA,” Plastemart, 2003.

۳. A.L. Brody, “Nanocomposite Technology in Food Packaging,” Food Technology, October 2007, pp. 80–۸۳.

۴. R.A. Hule and D.J. Pochan, “Polymer Nanocomposites for Biomedical Applications,” MRS Bulletin, 32, 354–۵۸ (April 2007).

۵. A. Okada and A. Usuki, “Twenty Years of Polymer-Clay Nanocomposites,” Macromolecular Materials and Engineering, 291, 1449–۷۶ (۲۰۰۶).

۶. M. Moniruzzaman and K.I. Winey, “Polymer Nanocomposites Containing Carbon Nanotubes,” Macromolecules, 39, 5194–۵۲۰۵ (۲۰۰۶).

۷. L. Nicolais and G. Carotenuto, eds., Metal-Polymer Nanocomposites, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, N.J. (2005).