نانوکامپوزیت‌های تولید شده از پلیمر

نانوذرات یک نوع از پرکننده های نانومتری هستند که فرصت توسعه ی پلیمرهاایی با ویژگی های جدید را فراهم می آورند. اندازه ی یک نانوذره بر روی خواص آن اثرگذار است. برای مثال، نانوذرات طلا دارای طیف های جذبی مختلفی است. این طیف به اندازه ی ذره، وابسته می باشد. یکی از مزیت های مربوط به استفاده از نانوذرات در کامپوزیت های پلیمری، این است که اندازه ی ذره و توزیع آن می تواند تنظیم شود. موادی که نمی توانند به سهولت به صورت تک کریستال تولید شوند در مقیاس نانومتری استفاده می شوند و در داخل یک پلیمر پراکنده می شوند تا از خواص تک کریستالی در آنها استفاده شود.
عموماً پلیمرهای حاوی نانوذرات خواص مکانیکی بهتری از خود نشان می دهند؛ این مسئله حداقل در حجم های اندک از نانوذرات مشاهده می شود، البته در صورتی که نانوذرات به خوبی در داخل پلیمر پراکنده شده باشند. دلیل این مسئله، این است که نانوذرات کوچکتر از اندازه ی بحرانی ترک برای پلیمرها هستند و بنابراین، منجر به شروع ترک در این مواد نمی شوند. بنابراین، نانوذرات راهی برای افزایش تانفس و استحکام هم زمان پلیمرها، محسوب می وشند. البته در این مورد، توزیع یکنواخت نانوذرات حیاتی است.
مقیاس اندازه در کامپوزیت های نانوذره- پلیمر موجب می شود تا این مواد به عنوان نانوکامپوزیت های هیبریدی تلقی شوند. در این حالت، زمینه ی پلیمری و پرکننده به گونه ای مخلوط می شود که در حقیقت نمی توان آنها را از هم تمیز داد. در حقیقت این ذرات با پلیمر آمیخته شده اند. نانوکامپوزیت های هیبریدی اغلب از کوپلیمرهای بلوک تشکیل شده اند.
در مورد خواص، استفاده از نانوذرات در پلیمرهای حاوی پرکننده، می تواند نه تنها بر روی خواص مکانیکی پلیمرها مؤثر باشد بلکه همچنین بر روی قابلیت تحرک و رفتار رلاکسیون پلیمر نیز مؤثر می باشند. این خواص گفته شده ارتباط نزدیکی با دمای انتقال شیشه ای پلیمر دارند. عموماً افزودن نانوذرات به این پلیمرها موجب افزایش دمای شیشه ای شدن (T_g) پلیمر می شود. پلیمرهای حاوی نانوذرات موجب افزایش مقاومت به سایش کامپوزیت می شوند.
یکی از انتظارات مربوط به استفاده از نانوذرات در کامپوزیت های پلیمری، ایجاد کامپوزیت هایی است که دارای عملکردهای چندگانه هستند مثلا کامپوزیت های رسانای الکتریکی که دارای خواص سایشی و نوری خوبی هستند. در حقیقت استفاده از نانوذرات موجب می شود تا این ذرات نور را متفرق نکنند.

نانوتیوب های کربنی در کامپوزیت های پلیمری

نانوتیوب های کربنی دارای خواص منحصربفردی در مقایسه با گرافیت ها هستند. در نانوکامپوزیت های حاوی این مواد، نانوتیوب های تک دیواره بهترین پرکننده ها محسوب می شوند. برخی خواص به صورت خاص مورد توجه می باشند مثلا انعطاف پذیری آنها تحت تنش های مکانیکی. رفتار آنها تحت دماهای بالا و خواص الکتریکی. مشابه سایر کاربردهایی که در آنها از نانوتیوب کربنی استفاده می شود، این مشاهده شده است که در این کامپوزیت ها، شرایط فرایندی در نهایت بر روی خواص نانوتیوب ها مؤثر می باشد. نانوتیوب های کربنی همچنین می توانند دوپ شوند مثلا با استفاده از نیتروژن و یا بور، و بدین شکل، خواص سطحی آنها تغییر کند. برای مثال، نیتروژن وارد شده به شبکه ی نانوتیوب ها موجب می شود تا پراکنده شدن آنها در محلول، تسهیل شود. نانوتیوب های اصلاح شده دارای خواص الکتریکی و نوری مختلفی هستند و از این رو، استفاده از آنها می تواند منجر به تولید کامپوزیت هایی با خواص بهبود یافته شود.
این مسئله باید تذکر داده شود که استفاده از نانوتیوب های کربنی در پلیمرها، ضرورتاً موجب بهبود خواص مکانیکی آنها نمی شود. اگر چه از لحاظ تئوری، مدول نانوتیوب ها بسیار بالاتر از الیاف گرافیتی است، و از این رو، کامپوزیت تولید شده از آنها باید خواص مکانیکی قابل توجهی داشته باشند، این نشان داده شده است که یک تعداد از متغیرها بر روی این مسئله مؤثر می باشد. برای کامپوزیت های تولید شده از نانوتیوب های تک دیواره، نانوتیوب ها به صورت دسته هایی قرار می گیرند. این مسئله تا زمانی ادامه دارد که نانوتیوب ها از دسته جداسازی شوند و یا این دسته برش بخورد. در این حالت، مدول بدست آمده از کامپوزیت تولید شده با این مواد، دارای خواص محدودی می باشند. به همین دلیل، محققین بر روی توسعه ی روش هایی متمرکز شده اند که امکان استفاده از کسرهای حجمی قابل توجه از نانوتیوب های منفرد و تنها در پلیمر را مقدور کند. در حقیقت آرایش ساختاری در پرکننده های نانومتری حاوی پلیمرها نیز مهم می باشد. در حقیقت اگر نانوتیوب ها به طور مناسبی در داخل کامپوزیت قرار نگیرند، مدول کامپوزیت به طور قابل توجهی کاهش می یابد.
صرفنظر از بهبود خواص مکانیکی مربوط به پلیمرها، نانوتیوب ها همچنین به خاطر خواص الکتریکی نیز استفاده می شوند. نانوتیوب های کربنی رسانایی بیشتری نسبت به کربن گرافیتی دارند. برای مثال، این فهمیده شده است که کامپوزیت های نانوتیوب- PPV ( پلی پی- فنیلن وینیلن) افزایش قابل توجهی در رسانایی را از خود نشان می دهند. این افزایش در حدود 8 برابر مقدار اولیه می باشد. اخیراً یک بهبود 4.5 برابری با استفاده از نانوتیوب ها در PVA مشاهده شده است.
در نهایت، کامپوزیت های نانوتیوب- پلیمر از لحاظ تولید وسایل تابش نوری نیز مفید می باشند. این وسایل بعد از کشف الکترولومینسانس از پلیمرهای خاص مانند PPV، توسعه یافته اند. مزیت عملی LED های بر پایه ی پلیمر، هزینه ی پایین، ولتاژ عملیاتی پایین، سهولت تولید و انعطاف پذیری می باشد. بارگذاری اندک بر روی نانوتیوب ها در این سیستم های پلیمری موجب تنظیم رنگ انتشار یافته از LED ها می شود.

نانوکامپوزیت های پلیمر- رس

در اواخر دهه ی 1980، این کشف شد که افزودن 5 % وزنی رس با اندازه ی نانومتری به نایلون 6 موجب می شود تا خواص مکانیکی این پلیمر، به طور قابل توجهی بهبود یابد. از آن زمان به بعد، نانوکامپوزیت های پلیمر- رس به صورت گسترده مورد بررسی قرار گرفته اند و محصولات تجاری حاوی این مواد متنوع می باشند. رس نوعی از سیلیکات های لایه ای است که به دلیل داشتن ساختار دو بعدی کریستالی، خاص می باشد. در بین این مواد، میکا به طور گسترده تری مورد بررسی قرار گرفته است. میکا از صفحات بزرگ سیلیکاتی تشکیل شده است که بوسیله ی پیوندهای نسبتاً قوی به هم متصل شده اند. رس های اسمکتیک مانند مونت موری لونیت ها دارای پیوندهای نسبتاً ضعیفی در بین لایه های خود می باشند. هر لایه شامل دو صفحه از سیلیس است که بوسیله ی یون های لیتیم، سدیم، پتاسیم و کلسیم، به هم پیوند خورده اند. وجود کاتیون ها برای خنثی شدن بار منفی کلی ساختار، ضروری می باشد. لایه ها معمولاً قطری در حدود 20 تا 200 نانومتر دارند و اگریگیت هایی تشکیل می دهند که تاکتایی (tactoids) نامیده می شوند. ضخامت این بخش ها در حدود 1 نانومتر و یا بیشتر می باشد. رس های طبیعی شامل مونت موری لونیت (MMT) و هکریت می باشند و همچنین مواد مشابه سنتزی آنها به ترتیب عبارتند از: ساپونیت و لاپونیت.
برای اینکه سیلیکات های لایه ای، برای استفاده به عنوان پرکننده در نانوکامپوزیت ها، مناسب شوند، لایه ها باید جداسازی شوند و رس به خوبی در داخل زمینه ی پلیمری پراکنده شود. این کار کمی نیست زیرا رس ها به صورت ذاتی جاذب آب هستند، در حالی که پلیمرها تمایل به آب گریزی دارند. محلول کاتیون هایی را تبادل می کنند که موجب می شوند لایه ها در سیلیکات ها به کنار هم قرار گیرند. در حقیقت تبادل یونی گاهی اوقات منجربه باز شدن لایه ها می شود. وقتی لایه های سیلیکاتی جدا می شوند، این ماده پوسته پوسته (exfoliated) نامیده می شود.
همانگونه که گفته شد، تولید یک نانوکامپوزیت پلیمر- رس نیازمند مخلوط سازی دو جزء به نحوی است که این مواد امتزاج پیدا نکنند. سورفکتانت ها، مواد یونی هستند و بنابراین، به خوبی با رس ها واکنش می دهند اما این مواد با پلیمرها، برهمکنش ندارند. یک محلول ایده آل در حقیقت با استفاده از ماکرو-سورفکتانت هایی مانند پلیمرهای بلوک تولید می شوند که در واقع این مواد بلوک های آب گریز و آب دوستی دارند که هم می تواند با پلیمر و هم با ماده ی رسی واکنش دهد. برای مثال، پلی اتیلن اکسید (PEO) یک ماده ی مناسب در این زمینه می باشد.
اگر چه توزیع یکنواخت پرکننده در پلیمر یک پارامتر ضروری است، پارامتر ضروری دیگر، قرارگیری و جهت گیری مناسب پرکننده در ماده ی پلیمری است. برای یادگیری این مسئله، این مفید است که نانوکامپوزیت های طبیعی مانند استخوان، مورد مطالعه و بررسی قرار گیرند. خواص منحصربفرد مربوط به استخوان، در حقیقت مجموعه ای از خواص گاهاً متضاد است. در واقع استحوان هم صلب و هم انعطاف پذیر است، هم سبک و هم دارای قابلیت تحمل مناسب بافت های اطراف می باشد. به منظور ایجاد یک چنین ویژگی های متفاوتی، استخوان دارای یک ساختار سلسله مراتبی است که از نانومقیاس تا ماکرومقیاس، توسعه یافته است. این ساختار سلسله مراتبی استخوان مسئول قابلیت تحمل بالای بار در این ماده است. کامپوزیت های پلیمری- نانوذره دارای خواص مکانیکی هستند که در حقیقت با پیش بینی های تئوری ، قابل مقایسه نیستند. علت این مسئله، مشکلات موجود در زمینه ی بدست آوردن کسرهای حجمی بزرگ با نانومواد تقویت کننده و همچنین عدم کنترل مناسب بر روی ساختار می باشد. با در نظر گرفتن این مسئله، برخی محققین اخیراً تولید نانوکامپوزیت های پلیمری لایه ای و با خواص فوق العاده را گزارش داده اند. در این کارها، روش مونتاژ از حالت پایین به بالا مورد استفاده قرار گرفته است. در حقیقت این مواد حاوی ساختارهای هموژنی هستند که در آنها نانوصفحات رسی به صورت صفحه ای قرار گرفته اند. این فهمیده شده است که سفتی و استحکام کششی این نانوکامپوزیت های چند لایه ای یک مرتبه بزرگتر از نانوکامپوزیت های معمولی است.
نانورس ها به عنوان پرکننده در پلیمرها استفاده می شود و بدین صورت پایداری گرمایی پلیمر را بهبود می دهند. این ویژگی ابتدا در دهه ی 1960 برای کامپوزیت های مونت موری لونیتی – PMMA گزارش شده است. توزیع رس ها یک مسئله ی حیاتی در زمینه ی افزایش پایداری گرمایی پلیمر، می باشد.
علاوه بر پایداری گرمایی، خواص آتش گیری بسیاری از نانوکامپوزیت های پلیمر- رس نیز مهم می باشد.
در نهایت، نانوکامپوزیت های پلی ساکارید- رس یک گروه از مواد هستند که اهمیت خاصی در صنعت غذایی دارند. این کامپوزیت ها از پلیمری های طبیعی مانند نشاسته، به همراه رس تولید می شوند و موجب تولید لایه های بیوپلیمری با خواص بهبود یافته می شوند. یکی از ویژگی های آنها قابلیت نفوذ بخار آب از داخل این فیلم ها می باشد.

نانوپوشش ها

نانوپوشش ها یک نوع از نانوکامپوزیت ها می باشند. ضخامت لایه ی نانوپوشش معمولاً بین 1 تا 100 نانومتر است. فیلم های نانوکامپوزیتی شامل چندین لایه نازک می باشد که فازهای آنها در لایه های مختلف، متفاوت هستند. همچنین می تواند یک فاز در فاز صفحه ای دیگر، پراکنده شده باشد (شکل 1). نانوپوشش ها این مسئله را ممکن می سازند که خواص برخی مواد تغییر کند. برای مثال، یک تغییر در طیف نور عبوری از مرئی و تابش فروسرخ در شیشه ها بواسطه ی استفاده از نانوپوشش ها میسر است. همچنین خواص جدیدی نیز می توان بر روی سطوح ایجاد کرد، مثلاا ایجاد خاصیت خود تمیز شوندگی در یک سطح. در این جا، این نوع از نانوپوشش ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
یکی دیگر از زمینه های مهم در کاربرد نانوپوشش ها، پوشش های تریبولوژیکی است. تریبولوژی در واقع علم و تکنولوژی برهمکنش سطوح در حرکت های نسبی است. خواص تریبولوژیکی شامل اصطکاک، روان سازی و سایش است. پوشش های تریبولوژیکی آنهایی هستند که بر روی سطح یک قطعه اعمال می شوند تا بدین صورت اصطکاک و سایش را کنترل کنند. در این زمینه، لایه های نازک اغلب به عنوان یک جایگزین برای نانوپوشش ها تلقی می شود. علت این مسئله، در حقیقت این است که این زمینه از نوآوری سال های دراز وجود داشته است و امروز به سطح نانو رسیده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff