نانوکامپوزيت هاي پلیمری و رسی

نانو کامپوزیت های پلیمری

اين گزارش به معرفي اجمالي نانوکامپوزيت هاي پليمري مي پردازد. سيليکات هاي لايه اي تا به امروز بيشترين کاربرد را در ساخت نانوکامپوزيت ها داشته اند اخيرا به شدت از نانولوله هاي کربني نيز در ساخت اين نانوکامپوزيت ها استفاده مي شود. از انواع رزين هاي مورد استفاده به عنوان زمينه ناوکامپوزيت ها رزين هاي ترموپلاستيک و ترموست مي باشد. در حال حاضر از موضوعات بسيار با درجه اهميت بالا در تحقيقات مطالعه فصل مشترک فاز تقويت کننده مانند نانولوله ها و فاز زمينه مانند پليمرها مي باشد.مواد و توسعه مواد از پايه‌هاي تمدن و فرهنگ انسان مي‌باشد. بشر حتي دوره‌هاي تاريخي را با مواد نامگذاري كرده است. مثل عصر سنگي، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد (انقلاب صنعتي)،‌ عصر سيليكون و عصر سيليكا (انقلاب ارتباطات از راه دور) . اين نشان مي‌دهد كه مواد چقدر براي ما اهميت دارد. ما همواره در كوششيم كه از دنياي اطراف خود آگاهي داشته باشيم و آن را بهبود دهيم و ببينيم دنياي ما از چه چيزي ساخته شده است. 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. با وجود متغيربودن نتايج آزمايش‌هاي تعيين مشخصات نانولوله‌هاي كربني، تئوري‌ها نشان از عالي‌ بودن خواص نانولوله‌هاي كربني دارند. به همين دليل در چند سال اخير نانولوله‌هاي كربني در توليد و ساخت نانوكامپوزيت‌ها به عنوان فاز تقويت‌كننده به كار رفته‌اند. اگرچه اكثر مطالعات در زمينة نانوكامپوزيت‌هاي زمينة پليمري بوده است، تلاش‌هايي نيز در ساخت نانوكامپوزيت‌هاي فلزي و سراميکي شده است.در اين مقاله سعي بر آن داريم که مروري بر تلاش‌هاي صورت گرفته در ساخت نانوکامپوزيت‌هاي توليد شده با استفاده از نانولوله‌هاي کربني داشته باشيم و چالش‌هاي توسعه اين نانوكامپوزيت‌ها را معرفي كنيم. 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.

نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه فلزي و سراميكي

در مورد نانوكامپوزيت‌هاي بر پايه نانولوله‌هاي كربني بيشترين تمركز بر روي نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه پليمري بوده است. با اين حال خواص منحصربه فرد نانولوله‌ها در سراميك‌ها نيز مي‌تواند به كار گرفته شود. سراميك‌ها داراي سفتي و پايداري حرارتي بسيار بالا و چگالي پايين مي‌باشند. يكي از مشكلات سراميك‌ها در به‌كارگيري به عنوان اجزاي سازه‌اي، ترد بودن آنها مي‌باشد. بنابراين به نظر مي‌رسد كه نانولوله‌هاي كربني بتوانند در افزايش چقرمگي سراميك‌ها مؤثر باشند. تركيب نانولوله‌هاي كربني با سراميك‌ها پتانسيل توليد موادي با مقاومت گرمايي، چقرمگي و مقاومت به خزش بالا را دارد. با استفاده از ذرات SiC و %10 وزني نانولولة كربني و استفاده از پرس در دماي بالا، نانوكامپوزيت‌هايي را توليد كرده‌اند كه گزارش شده است اين كامپوزيت‌ها‌ بهبودي10 درصدي در استحكام و چقرمگي شكست آن داشته‌اند. محققان ديگري نيز تكنيك‌هايي را براي ساخت نانولوله‌هاي كربني به صورت درجا به هدف توليد پودرهاي كامپوزيتي (نانولوله‌هاي كربني/ اكسيد فلزات) توسعه داده‌اند. سپس اين پودرها به منظور توليد يك قطعه كامپوزيتي در دماي بالا فشرده شده‌اند. گروهي ديگر از محققان نيز از روش‌هاي الكتروليز براي توليد نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه فلزي توسط نانولوله‌هاي كربني استفاده كرده‌اند. اين بررسي‌ها بهبود اندكي را در هدايت الكتريكي آلومينيوم با افزايش درصد حجمي نانولوله نشان مي‌دهد. خواص مكانيكي و فيزيكي عالي نانولوله‌هاي كربني، به همراه چگالي پايين آنها، كربن را به عنوان يك كانديداي عالي براي استحكام‌دهي به كامپوزيت‌ها معرفي كرده است. درك كامل از رفتار حرارتي- مكانيكي نانوكامپوزيت‌هاي ساخته‌شده با نانولوله‌هاي كربني، نياز به آشنايي با رفتار الاستيك و خصوصيات شكست نانولوله‌هاي كربني و همچنين فصل مشترك ماده در زمينه با نانولوله دارد. با اين حال اين نيازها در كامپوزيت‌هاي رايج نيز احساس مي‌شود؛ فقط در حال حاضر ابعاد فاز تقويت‌كننده از ميكرومتر به سمت نانومتر كاهش يافته است. همچنين با كاهش‌يافتن ابعاد، چالش‌هايي در فرآوري اين كامپوزيت‌ها، تعيين مشخصات، اندازه‌گيري رفتار الاستيك و شكست آنها نيز وجود دارد. تحقيقات اوليه، پتانسيل بالاي نانولوله‌ها را در تقويت‌كردن مواد نشان مي‌دهد ولي مطالعات بنيادي براي رفع چالش‌هاي ذكرشده بسيار مهم مي‌باشد.

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.

نانوکامپوزيت‌هاي برپايه رس

مطالعه مواد مخلوط برپايه ترکيبات غيرآلي و لايه‌اي، مانند رس، از مدت‌ها پيش شروع شده است. اما با شناخته‌شدن خواص استثنايي اين نانوکامپوزيت‌ها مطالعه آنها مجدداً جان تازه‌اي گرفته است. متغيرهاي مهم و تأثيرگذار بر خواص اين نانوکامپوزيت‌ها عبارتند از: نوع رس، انتخاب نوع عمليات اوليه بر روي رس، انتخاب پلي‌مر و روش به کاربردن پليمر در ساخت نانوکامپوزيت‌. فاکتور آخري متأثر از فرآيند ساخت و با توجه به نوع کاربري استفاده‌کننده مي‌باشد.

رس و بهينه ‌سازي آن

رس‌هاي معمولي مواد معدني طبيعي مي‌باشند که به خاطر طبيعي‌بودنشان ترکيب آنها متغير مي‌باشد. خلوص رس مي‌تواند بر روي خصوصيات نهايي نانوکامپوزيت‌ تأثيرگذار باشد. اغلب رس‌ها آلومينوسيليکات مي‌باشند که ساختاري ورقه‌اي دارند و ساختار آنها حاصل از اتصال SiO 4 و AlO 6 به صورت‌هاي مختلف مي‌باشد. چنانچه نسبت SiO 4 به AlO 6 2 به 1 باشد، رس‌هاي اسمکتيت حاصل مي‌شود که رايج‌ترين نوع رس بوده و مونت‌موريلونيت ناميده مي‌شود. فلزات ديگري مانند منيزيم نيز مي‌تواند جايگزين آلومينيوم شود. با توجه به ترکيب شيميايي رس، سطح و لبه‌ها باردار مي‌شود. اين بار با يون‌هاي داخلي رس بالانس مي‌شود. ضخامت اين لايه‌ها (صفحات) در حدود يک نانومتر مي‌باشد و نسبت وجهي (Aspect ratio) بسيار بالايي دارند که عمدتاً در محدودة 100 تا 1500 مي‌باشد. اين صفحات رسي عمدتاً به صورت توده ‌اي مي‌باشند. بايد توجه داشته باشيم که وزن مولکولي اين صفحات نسبت به پليمرها بسيار بيشتر مي‌باشد. علاوه بر اين، اين صفحات صلب نمي‌باشند بلکه مقداري انعطاف‌ دارند. اين رس‌ها عمدتاً مساحت سطحي بالايي دارند(بيشتر از صدها مترمربع بر گرم). يکي ديگر از مشخصات اين رس‌ها ظرفيت تبادل يوني آنها (مثلا کاتيون) مي‌باشد که در محدودة وسيعي تغيير مي‌کند. يکي از منتجات بارداربودن رس‌ها ماهيت "هيدروفيليک‌بودن" آنها مي‌باشد که باعث مي‌شود با بسياري از پليمرها ناسازگار باشد. يک پيش‌نياز مهم براي ساخت موفق نانوکامپوزيت‌هاي پليمر- رس تغيير قطبيت رس مي‌باشد. بصورتي که "ارگانوفيليک" شوند. يک رس ارگانوفيليک از رس هيدروفيليک به اين صورت تهيه مي‌شود که تبادل يوني با يک کاتيون آلي مثل يون آلکيل آمونيوم انجام مي‌شود. براي مثال در مونت‌موريلونيت يون‌هاي سديم در رس مي‌توانند با يک آمينواسيد مثل 12-آمينودودکانوئيک (ADA) جايگزين شوند.
Na + - Clay+HO 2 C-R-NH 3 + Cl - HO 2 C-R-NH 3 + -Clay +NaCl
روشي که اين عمل انجام مي‌شود، تأثير بسيار مهمي بر تشکيل نانوکامپوزيت‌هاي ذره‌اي دارد. در مورد اين موضوع بحث خواهد شد. همچنين عمليات اوليه بر روي رس توسط مواد آلي بر قيمت رس مي‌افزايد. اين رس‌ها عمدتاً ارزان بوده و محدوديتي براي تهيه آنها وجود ندارد. مونت‌موريلونيت رايج‌ترين نوع رس براي ساخت نانوکامپوزيت‌ها مي‌باشد. با اين‌حال از انواع ديگر رس مي‌توان براي ساخت نانوکامپوزيت‌ استفاده کرد. اين موضوع بستگي به خصوصيات نهايي مورد نظر از محصول دارد. اين رس‌ها عبارتند از هکتوريت‌ها (سيليکات‌هاي منيزيمي) که از صفحات بسيار کوچکي تشکيل مي‌شود. و رس‌هاي مصنوعي مثل هيدروتالسيت‌ها که مي‌تواند بصورت بسيار خالص تهيه شود و از صفحات بسيار کوچکي تشکيل مي‌شود. صفحات اين نوع رس مي‌تواند بار مثبت داشته باشند. در حالي که مونت‌موريلونيت‌ها حامل بار منفي مي‌باشند.

فرآوري نانوکامپوزيت‌هاي رسي

انتخاب روش‌ ساخت نانوکامپوزيت‌ بستگي به نوع مخلوط مورد نياز دارد. رس مي‌تواند بصورت "مجتمع" توزيع شود و يا بصورت "ورقه‌اي" توزيع شود (شکل(1)). در حالت اول مادة آلي بين لايه‌هاي رس نفوذ مي‌کند ولي فاصله آنها فقط مقدار کمي افزايش مي‌يابد و همچنان به موازات هم باقي خواهند ماند. در حالت ورقه‌اي لايه‌هاي رسي کاملاً از هم جدا شده و تک‌لايه‌ها در ماتريس ماده آلي توزيع مي‌شوند. در حالت ديگر ذرات رس (tactoids) مي‌توانند در ماتريس پليمري توزيع شوند ولي در اين حالت فقط نقش پرکننده را بازي مي‌کنند.

فاکتورهاي مؤثر بر مخلوط رس- ماده آلي

در سال‌هاي اخير مطالعات فراواني بر روي پارامترهاي کنترل‌کننده ساختار ورقه‌اي و يا مجتمع‌ لايه‌هاي رسي از مخلوط رس - ماده آلي انجام شده است. باتوجه به اينکه نانوکامپوزيت‌هاي رسي مي‌توانند بر روي خواص متعددي بهبود داشته باشند، مطالعه فاکتورهاي ورقه‌‌اي‌شدن رس بسيار مهم مي‌باشد. اين فاکتورها عبارتند از ظرفيت تبادل يوني رس، قطبيت محيط واکنش و ماهيت شيميايي کاتيون‌هاي بين لايه‌اي (مثل يون‌هاي اونيم). با بهسازي قطبيت سطحي رس‌ها،‌يون‌هاي اونيم اجازه نفوذ پليمرها را به منطقه بين لايه‌هاي رس‌ها مي‌دهد. توانايي يون‌هاي اونيم براي کمک‌کردن به ورقه‌اي‌شدن رس بسيار مهم مي‌باشد. براي رس‌هايي که حامل بار مثبت مي‌باشند،‌ مثل هيدروتالسيت، به جاي بهسازي با نمک اونيم از يک سورفکتانت آنيوني ارزان‌تر استفاده مي‌شود. از روش‌هاي ديگر بهسازي رس نيز مي‌توان استفاده کرد که بستگي به نوع پليمر دارد. مثل عکس‌العمل يون- دوقطبي، عامل‌هاي کوپل‌کننده سيلان و به‌کاربردن بلاک کوپليمرها. به عنوان مثالي از عکس‌العمل‌ يون – دوقطبي مي‌توان تجمع مولکول‌هاي کوچک مثل دودسيل پيروليدون را در رس نام برد. جابجايي اين مولکول‌هاي پليمري براساس تفاوت آنتروپي مي‌باشد. از واکنش‌هاي غيرمطلوب لبه‌هاي رس با پليمرها توسط عامل‌هاي کوپل‌کننده سيلاني جلوگيري مي‌شود. علاوه براين مي‌توان از رس‌هاي بهسازي‌شده با يون‌هاي اونيوم استتفاده کرد. يک روش ديگر براي سازگارکردن رس‌ها با پليمرها توسط TNO ارائه شده است. در اين روش از کوپليمرهاي graft و يا block استفاده مي‌شود. يک جزء اين کوپليمرها با رس سازگار مي‌باشد و جزء ديگر با ماتريس پليمري. مثالي از اين موضوع در شکل زير آورده شده است (شکل (2)). با استفاده از اين روش مي‌توان به درجه ورقه‌اي‌شدن بالايي رسيد.

پليمر

انتخاب صحيح رس بهسازي‌شده براي نفوذ موثر پليمر، بين لايه‌هاي رس بسيار ضروري مي‌باشد. درحقيقت توسعه مواد شيميايي سازگارکننده رس‌ها، بدون شک کليد توسعه اين نانوکامپوزيت‌ها مي‌باشد. براي ماتريس اين نانوکامپوزيت‌ها مي‌توان از پليمرها و يا منومرها استفاده کرد. در مورد دومي بصورت درجا عمل پليمريزاسيون انجام مي‌شود و نانوکامپوزيت‌ رس- پليمر تشکيل مي‌شود. تا به امروز موفق‌ترين روش براي ساخت نانوکامپوزيت‌ها روش اولي مي‌باشد. اگرچه ممکن است کارايي آنها را محدود کند. پليمرها را مي‌توان بصورت مخلوط‌کردن در مذاب: براي مثال اکسترودکردن و يا بصورت حل‌کردن، به رس‌ها اضافه کرد. مخلوط‌کردن در مذاب نياز به نيروي برشي براي ورقه‌اي‌شدن رس دارد و تأثير آن در توليد نانوکامپوزيت ورقه‌اي نسبت به پليمريزاسيون درجا بسيار کمتر مي‌باشد. از هردو نوع پليمرهاي ترموپلاستيک و ترموست مي‌توان براي ساخت نانوکامپوزيت‌ها استفاده کرد. مثل • نايلون‌ها
• پلي‌اولفين‌ها مثل پلي‌پروپيلن‌
• پلي‌استيرن
• کوپليمرهاي اتيلن- وينيل استات (EVA)
• رزين‌هاي اپوکسي
• پلي‌اورتان
• پلي‌ايميدها
• پلي‌ (اتيلن‌ ترفئالات) (PET)

نانوکامپوزيت‌هاي رس- نايلون

اولين مثالي که به روش پليمريزاسيون درجا و توسط تويوتا استفاده شد،‌ ساخت نانوکامپوزيت‌هاي رس- نايلون مي‌باشد و اين سيستم احتمالاً بيشتر از بقيه مورد مطالعه قرار گرفته است. به عنوان مثال رس بهسازي‌‌شده با ADA در منومر کاپرولاکتام توزيع مي‌شود. سپس پليمريزاسيون انجام مي‌شود و مخلوط نايلون -6- رس کامپوزيتي را بصورت ورقه‌اي تشکيل مي‌دهد. ورقه‌اي‌شدن کامل هنگامي اتفاق مي‌افتد که منومرها به داخل رس نفوذ کنند. در اين نانوکامپوزيت‌ها غلظت رس بسيار کم مي‌باشد. زيرا غلظت بالاي رس باعث افزايش ويسکوزيته سيستم مي‌شود و فرآوري آن مشکل خواهد بود. از نايلون‌ها و کوپلي‌آميدهاي ديگري نيز در ساخت نانوکامپوزيت‌هاي رسي استفاده شده است. مثلاً گروه‌هاي هيدروکسيل در رس‌هاي بهسازي‌شده با اونيم‌ها باعث بهبود سازگاري نايلون مي‌شود. اين موضوع به علت باندهاي هيدروژني مي‌باشد. که باعث بهبود خواص نانوکامپوزيت‌ مي‌شود. براي سيستم‌هاي پليمري ديگر بهسازي با عوامل ديگري انجام مي‌شود. مثلاً در مورد کوپليمرهاي اتيلن- وينيل الکل (EVOH) يون‌هاي آمونيوم 4 تايي هيدروکسيله‌شده سازگاري بين رس و EVOH را بهبود مي‌دهد. در نانوکامپوزيت‌هاي پلي‌پروپيلن (PP) ،‌از پلي‌پروپيلن graft شده با مالئيک انهيدريد به عنوان سازگارکننده استفاده مي‌شود. آغازگرهاي پليمريزاسيون مي‌تواند از طريق تبادل يون به رس متصل شود.
ترموپلاستيک‌هاي دمابالا در نانوکامپوزيت‌ها
براي تهيه نانوکامپوزيت‌ها از ترموپلاستيک‌هاي دمابالا در استفاده از بهسازهاي اونيومي محدوديت وجود دارد. زيرا آلکيل‌ آمونيوم‌ها در حين فرآوري پايداري لازم را ندارند. براي حل اين مشکل مي‌توان به جاي نمک‌هاي آمونيومي از نمک هاي ايميدازوليم همان‌طور که در شکل (3) نشان داده شده است، استفاده کرد. يک جايگزين ديگر به‌کاربردن نمک فسفونيوم به جاي نمک‌هاي آمونيوم مي‌باشد، که مي‌تواند منجر به پايداري رس- الي از دماهاي C ْ300- 200 به بالاتر از C ْ300 شود. با استفاده از اين روش‌ها شرکت Triton Systems موفق به توليد نانوکامپوزيت‌ها با رزين‌هايي مثل پلي‌اترايميدها (PEI) شده است.

آينده نانوکامپوزيت‌هاي رسي

از اهداف آينده مورد نظر مي‌‌توان به توسعه سيستم‌هاي پليمري موجود در اين نانوکامپوزيت‌ها و همچنين توسعه مواد سازگارکننده، اشاره کرد. توسعه نانوکامپوزيت‌هاي بر پايه PVC و PET نيز از موضوعات مورد تحقيق مي‌باشد. تقويت نانوکامپوزيت‌هاي رسي با فايبرگلاس اخيراً مورد بررسي قرارگرفته است. همچنين در رساناکردن نانوکامپوزيت‌هاي رسي علاقه فراواني وجود دارد

منابع :

material.itan.ir
http://nano.ir/

/س