Download
1 / 21
E N D
تعریف نانوكامپوزيتهاي پليمري نسل جديدي از مواد هستند كه شامل يك ماتريس پليمري و كمتر از 10 درصد وزني از يك تقويت كننده نانومتري مي باشند. تقويت كننده هاي نانومتري به علت داشتن نسبت طول به قطر L/D) )زياد، ابعاد بسيار كوچك و ميزان سطح بسيار بالا در مقايسه با تقويت كننده هاي معمولي نظير الياف شيشه و تالك، در سطح بارگذاري loading))كمتري باعث بهبود خواص مورد نظر گرديده و مسائل مربوط به تقويت كننده هاي رايج نظير افزايش وزن ، نقايص سطحي و مشكلات فرآيندي در آنها كمتر ديده مي شود.
مزایا • وزن كمتر قطعه نهايي در مقايسه با كامپوزيتهاي معمولي • استحكام مكانيكي بالاتر در ميزان بارگذاري كمتر • مقاومت بالا در برابر نفوذ گازها و بخارات • سطح ظاهري بهتر • فرآيندپذيري راحت تر • تحمل حرارتي بالاتر
خواص نانوکامپوزيت‌ها • نانوکامپوزيت‌ها در مقادير 5-2 درصد وزني، خواص پليمرهاي خالص را به طرز قابل توجهي بهبود مي‌دهند. اين ارتقاي خواص عبارتند از: • خواص عبور پذيريbarrier) ) مانند نفوذپذيري و مقاومت در برابر حلال‌ها؛ • خواص نوري ؛ • هدايت يوني ؛
خواص ديگر حاصل از ساختار لايه‌اي نانو سيليكات‌ها در نانوکامپوزيت‌هاي پليمري • افزايش پايداري حرارتي و مقاومت در برابر شعله (آتش) در مقادير بسيار كم پركننده ؛ • نانوکامپوزيت‌هاي مورد استفاده در صنعت پلاستيك ،قيمت پايين نانوکلي(clay) نسبت به ساير پركننده‌هاي نانو و امكان استفاده از روش اختلاط مذاب در پلاستيك‌ها ؛
خواص نانوکامپوزيت‌ها • پودرهاي نانوکامپوزيت نسبت سطح به حجم بالايي دارند. اين نسبت در حالت بيشكل نسبت به حالت بلوري، بيشتر است. • كسر زيادي از اتمها در سطح ذرات پودرهاي نانوکامپوزيت و يا در مرز دانه هاي ريزساختار نانوکامپوزيت ها قرار دارند.
مشکلات • عدم توزيع يكنواخت فاز دوم در فاز زمينه در نانوکامپوزيت ها، خواص مكانيكي نانوکامپوزيت ها را كاهش ميدهد. تجمع ذرات پودر بسيار ريز در نانوکامپوزيت ها موجب افزايش انرژي سطحي آنها شده، كاهش خواص مكانيكي نانوکامپوزيت ها را به دنبال دارد. • همچنين استفاده از مواد شيميايي گران قيمت براي توزيع يكنواخت فاز دوم در داخل فاز زمينه و جلوگيري از بهم چسبيدن ذرات پودر نانوکامپوزيتي و ساخت نانوکامپوزيت هايي با ريزساختاري همگن و خواص مكانيكي بالا، باعث غيراقتصادي شدن و همچنين پيچيدهتر شدن فرآيند ميگردد.
کاربردها • قطعات داخلي و خارجي خودرو • بسته بندي هاي مقاوم در برابر نفوذ گازها و بخارات • الياف مستحكم براي صنعت نساجي • ابزارآلات صنعتي و لوازم خانگي
روش های تولید • الف- مخلوط سازی مستقیم • ب- فرآوری محلول • ج- پلیمریزاسیون درجا
مخلوط سازی مستقیم • در این روش ابتدا نانوذرات تهیه شده به صورت سوسپانسیون در یک حلال حل شده و سپس به محلول پلیمری اضافه می شود و مخلوط حاصله توسط یک پرس هیدرولیک در یک قالب اکسترود می شود و در نهایت صفحات نازک به دست می آیند. در این روش انتخاب بستر پلیمری، انتخاب نوع ذارت و سازگاری این دو گونه با یکدیگر و نحوه ی توزیع ذرات از نکات حائز اهمیتی است که بایستی بر آن فائق آییم.
مخلوط سازی مستقیم • معمولا ً برای تولید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری حاوی نانوالیاف کربنی از این روش استفاده می شود. محدودیت این روش میزان فاز تقویت کننده یا همان مواد پرکننده است. به عنوان مثال برای تولید نانوکامپوزیت سیلیکا/پلی پروپیلن حداکثر میزان نانوذرات سیلیکا 20 درصد وزنی می تواند باشد. البته به نظر می رسد آگلومره شدن (به هم چسبیدن) ذرات نیز از دیگر محدودیت های این روش باشد.
فرآوری محلول • با استفاده از این روش می توان بر بعضی از محدودیت های روش مخلوط سازی مستقیم غلبه کرد، ضمن آنکه می توان میزان آگلومراسیون و کلوخه ای شدن نانوذرات در ماده پلیمری را کاهش داد. در این روش به دو صورت می توان نانوکامپوزیت های پلیمری را تولید کرد. اگر مادهء زمینه پلیمری و نانوذرات تقویت کنندهء 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.
پلیمریزاسیوندرجا • در این روش پلیمریزاسیون بستر پلیمری در حضور نانوذرات انجام می شود و منومر در حین رشد، ذرات پر کننده را در بر می گیرد. نکتهء کلیدی در این روش نحوهء 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.
پلیمریزاسیوندرجا • 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.
پلیمریزاسیوندرجا • نکته ای که در روش های تولید نانوکامپوزیت های پلیمری اهمیت دارد و آن را از یکدیگر متمایز می کند، توزیع مناسب مادهء پر کننده است. با اصلاح سطحی می توان این توزیع را به شکل یکنواخت به گونه ای انجام داد که از آگلومراسیون اجزای نانومتری مادهء پرکننده جلوگیری شود و توزیع مناسب فاز تقویت کننده فراهم گردد. در واقع نکته مهم در تمام این فرآیندها، اصلاح فصل مشترک بین پلیمر و نانوذره می باشد. استفاده از فرایندهای سطحی سبب توزیع یکنواخت فاز تقویت کننده در بستر پلیمری شده، افزایش مدول و استحکام نانوکامپوزیت را به دنبال خواهد داشت.
تقاضای نانوکامپوزیت در آمریکا (هزار تن)
یک نمونه کاربرد • اخيرا جنرال موتورزتهيهاولين قطعات نانوكامپوزيتپلياولفيني(PO- خاك رس) را كهحاوي تنها 5/2 درصد پرکننده معدني است، گزارش كرده است. اين محصول از لحاظ سفتي معادل اولفينگرمانرمحاوي ده برابر پركنندهتالك است و موجب 20 درصد صرفه جويي در وزن ميشود. اين قطعات در صفحه هاي بدنه خارجياستيشنهاي مدل2002 استفاده شده است. برآورد شده كه استفاده گسترده نانوكامپوزيت ها در خودروها تنها در آمريكاميتوانديك و نيمميلياردليتر در سوخت ساليانه صرفه جوييايجادكند و باعث كاهشتوليددياكسيدكربن به ميزان پنج ميلياردكيلوگرم در سال شود.
