اخبار و مطالب روز نساجی: منسوجات

طبقه بندی، خواص و کاربردهای نانوکامپوزیت های پلیمری

Classification, Properties and Applications of Polymer Nanocomposites

نانوکامپوزیت چیست؟
نانوکامپوزیت‌های پلیمری (PNCs) دسته جدیدی از مواد هیبریدی تقویت‌شده هستند که از پراکندگی ذرات رس در مقیاس نانو در سراسر یک ماتریس پلیمری تشکیل می‌شوند. PNC ها مترادف مناسبی برای نانوذرات به شکل میله‌، کره‌ یا ورقه‌های پراکنده در ماتریس پلیمری هستند که هم در منابع دانشگاهی و هم در صنعت، توجه زیادی را برانگیخته اند. نانوکامپوزیت ها از یک ماتریس پلیمری آلی در مجاورت ذرات معدنی تشکیل شده اند که حداقل یکی از ابعاد آن در محدوده نانو است. ذرات ممکن است کروی (فلزی یا سرامیکی) رشته ای (CNT) و  یا لایه ای باشند. نانوکامپوزیت های پلیمری مفهوم کامپوزیت ها و نانومواد را با هم ترکیب می کنند. اگرچه نانوکامپوزیت می‌تواند شامل محیط‌های متخلخل، کلوئیدها، ژل‌ها و کوپلیمرها باشد، اما عمدتا این مفهوم به معنای ترکیب جامد فازهای در ابعاد نانو است که به دلیل تفاوت‌های ساختاری و شیمی از نظر خواص متفاوت هستند. نانوکامپوزیت ها در طبیعت نیز وجود دارند، مانند ساختار پوسته نرم تنان، دندان، صدف و استخوان.
فناوری نانوکامپوزیت ها شامل استفاده از مقدار بسیار کمی از پرکننده های نانوساختار است. افزودن نانوپرکننده‌ها می‌تواند به شدت بر خواص ماکروسکوپی نانوکامپوزیت پلیمری تاثیر بگذارد. خواص نانوکامپوزیت ها نسبت به کامپوزیت های معمولی برتری زیادی دارد، زیرا مواد آلی- معدنی در مقیاس نانو تقریبا در مقیاس مولکولی مخلوط می شوند. در مقایسه با پلیمر پایه و پرکننده های معمولی، در نانوکامپوزیت‌ها، بهبود قابل توجهی در خواص زیر وجود دارد:
• بهبود خواص مکانیکی (مانند مقاومت، مدول و پایداری ابعادی)؛
• کاهش نفوذپذیری به گازها، آب و هیدروکربن ها.
• بهبود پایداری حرارتی و دمای اعوجاج حرارتی (HDT)؛
• کاهش ضریب انبساط حرارتی.
• افزایش تاخیر در شعله.
• کاهش انتشار دود؛
• بهبود مقاومت شیمیایی؛
• ظاهر بهتر سطح؛
• هدایت الکتریکی بالاتر و
• وضوح نوری بهبود یافته.
نانوکامپوزیت ها خواص امیدوار کننده ای برای استفاده در زمینه های مختلف مانند خودروسازی، هوافضا، دفاع و زیست پزشکی دارند. نانوکامپوزیت ها امکان طراحی و انتخاب های مشخصی را فراهم می کنند که این عمل با کامپوزیت های معمولی غیرممکن است. نانوکامپوزیت ها با وزن سبک و عملکرد چندگانه خود، نیازهای مختلفی را بدون از بین بردن زیبایی و راحتی منسوجات، برآورده می کنند. در منسوجات هوشمند، نانوکامپوزیت‌ها در حسگرها، محرک‌ها، واسطه‌ها، حسگرهای زیستی، تنظیم حرارت، ذخیره‌سازی انرژی و عناصر برداشت و غیره کاربرد دارند. نانوکامپوزیت‌ها به‌ویژه برای نواحی پیشرفته بسیار امیدوارکننده هستند. نانوکامپوزیت ها قبلا در تعدادی از کاربردها استفاده شده اند. با این وجود، هنوز حوزه های بالقوه مختلفی وجود دارد که در آن نانوکامپوزیت ها می توانند در آینده مورد استفاده قرار گیرند.

طبقه بندی نانوکامپوزیت ها:
کامپوزیت ها را می توان به عنوان مجموعه ای از دو فاز تعریف کرد که برای به دست آوردن ویژگی های مورد نظر، ترکیب یا مخلوط می شوند و برای کاربردهای خاص ساخته شده اند. نانوکامپوزیت ها زیر گروهی از این حوزه بزرگ از مواد چند منظوره را تشکیل می دهند که حداقل یکی از اجزای آن در محدوده نانومقیاس است. در سال های اخیر نانوکامپوزیت ها با ترکیب ویژگی های غیرمعمول و امکانات زیاد با استفاده از غلظت بسیار کم پرکننده ها، به دلیل داشتن نسبت سطح بالای ماتریس به پرکننده (به اصطلاح «اثر نانو») و نسبت منظری بیشتر، جایگاه ویژه ای پیدا کرده است. بهترین نمونه کامپوزیت در طبیعت به شکل استخوان، صدف و چوب ظاهر می شود.

نانوکامپوزیت ها را می توان از نظر ماتریس در سه گروه طبقه بندی کرد:
•نانوکامپوزیت های زمینه سرامیکی،
• نانوکامپوزیت های زمینه فلزی و
• نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری.
انعطاف پذیری و سازگاری آنها با منسوجات، نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری را برای استفاده در منسوجات هوشمند مناسب تر می کند.
یک نمودار شماتیک که طبقه بندی کلی نانوکامپوزیت ها را نشان می دهد در شکل 1 ارائه شده است. در میان این دسته بندی ها، PNC ها به دلیل سهولت تولید، سبک وزن، ماهیت شکل پذیر، استحکام بالا، مقاومت بهتر در برابر خوردگی، آتش، و اسیدها، استحکام خستگی بالاتر، و بسیاری مزایای دیگر به جایگار بسیار خوبی رسیده اند. ماتریس های پلیمری را می توان به طور کلی بر اساس پاسخ آنها به گرما به دو گروه عمده تقسیم کرد: (1) پلیمرهای ترموست و (ب) پلیمرهای ترموپلاستیک، که در بخش های زیر مورد بحث قرار می گیرند

 

شکل 1 – نمودار شماتیک نشان دهنده دسته بندی کلی نانوکامپوزیت ها

نانوکامپوزیت ها را می توان با توجه به قدرت برهمکنش های سطحی بین ماتریس پلیمری و سیلیکات لایه ای به سه دسته تقسیم کرد.
1. نانوکامپوزیت های درهم،
2. نانوکامپوزیت های لخته شده و
3. نانوکامپوزیت های لایه برداری شده

نانوکامپوزیت های درهم
در این دسته از نانوکامپوزیت ها، ماتریس پلیمری در ساختار سیلیکات لایه ای با نظم کریستالوگرافی مشخص وارد می شود و فاصله بین ورقه ها را متورم میکند. به طور کلی، این نانوکامپوزیت ها توسط چند لایه مولکولی پلیمری، بین لایه ها قرار می گیرند و خواص آنها بسیار شبیه به سرامیک ها است.

نانوکامپوزیت های لخته شده
این نانوکامپوزیت ها شباهت زیادی به نانوکامپوزیت های درهم دارند. گاهی اوقات، در این دسته از کامپوزیت ها، لایه های سیلیکات به دلیل برهمکنش لبه-لبه لایه های سیلیکات هیدروکسیله شده (O-H) لخته می شوند.

نانوکامپوزیت های لایه برداری شده
در نانوکامپوزیت‌های لایه‌برداری شده، بسته به میزان بارگذاری رس، لایه‌های رسی مجزا در یک ماتریس پلیمری پیوسته جدا می‌شوند. میزان رس این دسته از نانوکامپوزیت ها بسیار کمتر از نانوکامپوزیت های درهم است.
نانوذرات فلزی، اکسیدهای فلزی و اکسیدهای غیرفلزی در نانوکامپوزیت ها به عنوان اجزای تقویت کننده استفاده می شوند. این نانوکامپوزیت ها ویژگی های مکانیکی، حرارتی و الکتریکی منحصر به فردی از خود نشان می دهند. نانوذرات فلزی در نانوکامپوزیت های توسعه یافته برای کاربردهای کاتالیزوری و زیست پزشکی کاربرد پیدا کرده اند. نانوذرات اکسیدهای فلزی برای ایجاد خواصی مانند استحکام مکانیکی، هدایت الکتریکی و حرارتی، اثر مانع، اثر ضد باکتریایی، محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش و خاصیت خود تمیز شوندگی به نانوکامپوزیت ها اضافه می شوند. در میان ذرات اکسید فلزی، TiO2  و SiO2 معمولا مورد استفاده قرار می گیرند.
نانوکامپوزیت های تقویت شده با نانورس از نظر خواص ویژه از جمله مقاومت حرارتی، بازدارندگی شعله، سفتی و استحکام به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند. نانوکامپوزیت مبتنی بر نانوسیم ها در کاربردهای ذخیره و برداشت انرژی کاربرد پیدا کرده اند.

ویژگی های نانوکامپوزیت ها:
مورفولوژی ماکروسکوپی و بافت سطحی نانوکامپوزیت‌ها عمدتا با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، پراش پرتو ایکس با زاویه گسترده (WAXD) و پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک (SAXS) بررسی می‌شوند. آزمون SEM بسیار ساده است و بیشترین استفاده را برای تجزیه و تحلیل مورفولوژیکی دارد. اگرچه TEM توسط بسیاری از محققین به عنوان ابزاری ضروری برای تحلیل کیفی، تحلیل نقص ساختاری و مطالعه توزیع فضایی استفاده می‌شود، اما زمان‌بر است و اطلاعات را به صورت کمی را ارائه نمی‌دهد. WAXD همچنین به طور گسترده برای مطالعه ساختار با نظارت بر موقعیت، شکل و شدت بازتاب های پایه استفاده می شود با این حال اطلاعات زیادی در مورد توزیع فضایی یا هر گونه نقص ساختاری در نانوکامپوزیت ارائه نمی دهد.
DSC برای تجزیه و تحلیل رفتار حرارتی نانوکامپوزیت ها استفاده می شود. ساختار مولکولی نانوکامپوزیت را می توان با تکنیک های مختلفی مانند رزونانس مغناطیسی هسته ای، تبدیل فوریه فروسرخ، SAXS  و انکسار دوگانه نوری مشخص کرد. طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس و تکنیک‌های اندازه‌گیری زاویه تماس آب می‌تواند برای تجزیه و تحلیل خواص شیمیایی استفاده شود.

خواص نانوکامپوزیت ها:
خواص نانوکامپوزیت به ترکیب خاک رس و پلیمر، ویژگی های نانو پرکننده و پلیمر و همچنین ساختار کامپوزیت تولید شده بستگی دارد. نانوکامپوزیت ها در مقایسه با کامپوزیت های سنتی دارای تفاوت های قابل توجهی در خواص حرارتی، مکانیکی، ممانعت و خواص الکتریکی هستند.
ساختار بهینه یک نانوکامپوزیت برای دستیابی به یک ویژگی فیزیکی ممکن است برای ویژگی فیزیکی دیگر بهترین نباشد. در این بخش ویژگی های نانوکامپوزیت ها بررسی می شود.
 

خواص حرارتی:
خواص حرارتی نانوکامپوزیت ها را می توان با DSC آنالیز کرد. از کاهش وزن در حرارت دادن نانوکامپوزیت ها، می توان پایداری حرارتی را محاسبه کرد. مقاومت حرارتی نانوکامپوزیت در حرارت دهی خارجی را می توان از روش HDT اندازه گیری کرد. وابستگی HDT به محتوای خاک رس توسط چندین محقق بررسی شده است. نانوکامپوزیتی با رسانایی حرارتی خوب دارای کاربردهای متعددی مانند بردهای مدار چاپی، مواد رابط حرارتی، هیت سینک ها، اتصالات و سیستم های مدیریت حرارتی با کارایی بالا می باشد.

خواص مکانیکی:
خواص مکانیکی نانوکامپوزیت ها، مانند استحکام کششی، ازدیاد طول و مدول، تحت تاثیر مورفولوژی سطح و مواد مورد استفاده برای تولید آنها می باشد. بهبود خواص مکانیکی نانوکامپوزیت پلیمری را می توان به میل ترکیبی خوب بین پلیمر و نانوپرکننده در کنار سختی بالا و نسبت منظری بالای نانوپرکننده ها نسبت داد.

خواص الکتریکی:
خواص الکتریکی نانوکامپوزیت ها به عوامل مختلفی از جمله نسبت منظری، پراکندگی و هم ترازی نانوپرکننده های رسانا در ساختار بستگی دارد. نانوکامپوزیت‌های حاوی نانولوله‌های کربنی دارای خواص الکتریکی برتر (چگالی انرژی بالا و ولتاژهای محرک پایین) هستند. نانوکامپوزیت اتر/رس (اصلاح شده به صورت آلی) رسانایی یونی را نشان می دهند که چندین مرتبه بزرگتر از رس است. رسانایی الکتریکی نانوکامپوزیت ها با بارگذاری مقدار بسیار کوچک (0.1 درصد وزنی یا کمتر) از نانولوله ها تا چندین برابر افزایش یافته است؛ بدون ایجاد تغییری در خواص دیگر مانند شفافیت نوری، خواص مکانیکی و ویسکوزیته جریان مذاب. نانوکامپوزیت رسانا در بسیاری از زمینه ها مانند تخلیه الکترواستاتیک، پوشش دهی الکترواستاتیک، محافظت از تداخل الکترومغناطیسی، سیم کشی مدار قابل چاپ و پوشش رسانای شفاف کاربرد دارد.

خواص ممانعتی:
نانوکامپوزیت ها به دلیل نسبت منظری بالا و ایجاد مسیری پرپیچ و خم که پیشروی مولکول های گاز را از طریق رزین ماتریکس به تاخیر می اندازد، دارای خاصیت بازدارندگی بسیار خوبی در برابر گازها هستند. در داخل ساختار نانوکامپوزیت، وجود پرکننده مسیر پرپیچ و خمی را برای انتشار مواد نافذ ایجاد می‌کند. بنابراین به دلیل مسیر انتشار طولانی تری که مواد نافذ باید در حضور پرکننده طی کنند، نفوذپذیری کاهش می یابد. نانوکامپوزیت پلی ایمید حاوی مقدار کمی از سیلیکات لایه‌ای است که بازدارندگی خوبی در برابر گازهای کوچک مانند اکسیژن، دی‌اکسید کربن، هلیوم، نیتروژن و بخارات اتیل استات نشان می دهد.

خواص رئولوژیکی:
رفتار جریان نانوکامپوزیت پلی کاپرولاکتون/ نایلون 6 به طور قابل توجهی با ماتریس های بدون پرکننده متفاوت است. خواص ویسکوالاستیک نانوکامپوزیت ها از نظر پردازش ساختار کامپوزیت، دینامیک آن و تجزیه و تحلیل ریزساختار آن مهم است.  Krishnamoorti و Giannelis اولین کسانی بودند که خواص رئولوژیکی نانوکامپوزیت پلیمریزه شده درجا با زنجیره های پلیمری انتهایی را توصیف کردند.

کاربرد نانوکامپوزیت ها:
نانوکامپوزیت‌های پلیمری با ترکیب ویژگی‌های بی‌سابقه و امکان طراحی استثنایی، خود را به عنوان یکی از مواد با کارایی بالا در قرن بیست و یکم تثبیت می‌کنند و در فناوری‌های پیشرفته چندگانه استفاده می‌شوند. یک نمودار شماتیک در شکل 2 ارائه شده است که کاربردهای مختلف نانوکامپوزیت های پلیمری را فهرست می کند. در اینجا به طور خلاصه به چند مورد از کاربردهای نانوکامپوزیت ها پرداخته می شود.

 
شکل 2 – نمودار شماتیک از کاربردهای مختلف نانوکامپوزیت های پلیمری

هوافضا:
طرح‌ریزی سیستم‌های بالابر سنگین به اتمسفرهای پایین‌تر زمین، باعث هزینه زیادی از نظر قیمت سوخت می شود. هزینه سوخت حدود 30 درصد هزینه عملیاتی حتی در هوانوردی عمومی است. بنابراین استفاده از نانوکامپوزیت پلیمری/ نانولوله های کربنی در یک شاتل فضایی و هواپیماهای تجاری مانند بوئینگ 787 و ایرباس A380 اجرا می شود که در شکل 3 نشان داده شده است.

 
شکل 3 – نانوکامپوزیت های پلیمری به کار رفته در قطعات مختلف هواپیمای ایرباس A380

خودرو:
با افزایش نگرانی‌های جهانی برای مصرف سوخت و انتشار کم در سیستم‌های حمل‌ونقل زمینی، تحقیقات به سمت نانوکامپوزیت پلیمری کم‌هزینه، با کارایی بالا و سبک‌وزن در حال افزایش است. انتظار می‌رود این دسته از مواد جدید، سرعت تولید، پایداری محیطی و حرارتی و قابلیت بازیافت را افزایش دهند و در عین حال وزن خودرو را کاهش دهند.

زیرساخت ها/ساختارهای عمرانی:
کامپوزیت‌های پلیمری با نانوپرکننده‌ها همیشه به‌عنوان تغییردهنده بازی در مورد استفاده از آن‌ها در اجزای ساختاری (ساختمان‌ها، پل‌ها و سایر سازه‌های مهندسی شده) عمل کرده‌اند که می‌توان آن را به نسبت مقاومت به وزن بالایی که دارند، نسبت داد. آنها همچنین از نظر خواص حرارتی، مکانیکی و ممانعتی بسیار بادوام هستند. یکی از اجزای مهم سازه های عمرانی بتن است. اما پیشرفت های زیادی در مورد افزایش دوام، استحکام کششی و کاهش شکنندگی آن انتظار می رود. کامپوزیت های آلی/رس معمولا به عنوان پوشش های مانع برای محافظت از سازه های عمرانی در برابر پیری محیطی و خوردگی استفاده می شوند. یک پوشش مبتنی بر پلیمر اپوکسی با پرکننده‌های نانوسرامیکی می‌تواند از سازه‌های بتنی در برابر اشعه‌های UV، آلودگی و فرسودگی محافظت کند.

بسته بندی غذا:
نانوکامپوزیت های پلیمری به دلیل عملکرد برتر، خواص ضد باکتریایی، وزن سبک و تکنیک های تولد ارزان و ساده، جایگزین خوبی برای بسته بندی های معمولی از جنس فلزات، سرامیک ها و کاغذ شده اند. ویژگی‌های بازدارنده ذاتی (مکانیکی و حرارتی)، تجزیه‌پذیری زیستی، خود ترمیم‌شوندگی و خود تمیز شوندگی این کامپوزیت‌ها باعث افزایش طول عمر مواد غذایی بسته‌بندی شده می‌شود. کامپوزیت پلیمر/خاک رس عملکرد قابل توجهی در بسته بندی غذاهای فرآوری شده مانند پنیر، گوشت، قنادی، غلات، غذاهای جوشانده شده در کیسه و حتی برای آب میوه ها و نوشیدنی های گازدار دارد.

انرژی:
مواد با ثابت دی الکتریک بالا و خواص پیزوالکتریک بهینه اغلب برای اهمیت آنها در ذخیره سازی انرژی و کاربردهای برداشت مورد توجه قرار می گیرند. پلیمرهای با ثابت دی الکتریک پایین، هنگامی که با نانوپرکننده های سرامیکی دی الکتریک/پیزوالکتریک ترکیب می شوند، ترکیب خوبی با خواص لازم را تشکیل می دهند. نانوکامپوزیت انعطاف پذیر مبتنی بر پلیمر مناسب برای برداشت انرژی به عنوان نسل جدید مواد کاربردی عمل می کند.

زیست پزشکی:
نانوکامپوزیت‌های پلیمری بلوک‌های ساختمانی اساسی سیستم‌های حیات را تشکیل می‌دهند؛ مانند استخوان (ترکیبی از کریستالیت‌های فسفات سرامیکی و الیاف کلاژن تشکیل دهنده که بافت قوی و متراکم استخوان یا ساختار اسفنجی مقاوم در برابر برش را تشکیل می دهند)، دندان‌ها (مینای دندان، سیمان و عاج حاوی مقادیر مختلف حجمی کریستال های هیدروکسی آپاتیت همراه با پروتئین های کلاژنی یا غیرکلاژنی هستند)، یا چوب (شامل سلولز و لیگنین). از این رو، پلیمرهای ترکیب شده با سایر نانوذرات، راه‌های زیادی را برای کاربردهای مختلفی در زمینه‌های زیست پزشکی مانند مهندسی بافت، جایگزینی/ترمیم استخوان، کاربردهای دندانپزشکی، رهایش کنترل‌شده دارو و بسیاری موارد دیگر نشان می دهند. برخی از کاربردهای نانوکامپوزیت های پلیمری در شکل 4 نشان داده شده است. چندین نانوکامپوزیت پلیمری مغناطیسی نیز در کاربردهای زیست پزشکی و زیست محیطی استفاده شده است.

 
شکل 4: نانوکامپوزیت های پلیمری برای کاربردهای مختلف زیست پزشکی

نتیجه گیری:
نانوکامپوزیت های پلیمری در دو دهه گذشته در زمینه علم مواد بسیار مهم بوده اند. اگرچه توسعه این تکنیک امیدوارکننده در مراحل ابتدایی است، اما آینده‌ای در حال ظهور در کاربردهای مختلف دارد. نانوکامپوزیت پلیمری پتانسیل بالایی دارد که این حوزه را به عنوان یک حوزه کاری پر جنب و جوش در سال های اخیر معرفی می کند. بهبود و کاربرد نانوکامپوزیت ها به این بستگی دارد که چگونه می توانیم به طور موثر با چالش ها مقابله کنیم.

♦ منابع مرتبط :

textilelearner.net►

♦ لینک اشتراک گذاری :

https://B2n.ir/nassajyar1387►

♦ مطالب پیشنهادی :

- کامپوزیت‌های نساجی

- کاربردهای نانوکامپوزیت‌های سلولزی بر پایه پنبه

- احیای مجدد مجموعه سیستم های کامپوزیتی درنیر

- قابلیت پرسولیز در بازیافت کامپوزیت الیاف شیشه

- کامپوزیت های تقویت شده در نساجی برای کاربردهای پیشرفته

- کاربرد مواد کامپوزیت نساجی در صنعت هوافضا

-کامپوزیت چیست

- خواص کامپوزیت نساجی

- کاربردهای نانوکامپوزیت های پلیمری

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.