مروری بر نانو کامپوزیت های پلیمری و خواص آنها

مروری بر نانو کامپوزیت های پلیمری و خواص آنها

1-مقدمه

      رشد سريع و روزافزون علوم و مهندسي در زمينه هاي  گوناگون در طول نيم قرن اخير و نياز به محصولات جديد و بسيار متنوع با ويژگيهاي از پيش تعيين شده از يک طرف و دستيابي به فناوري نرم افزارها و سخت افزارهاي رايانه اي از طرف ديگر اين امکان را به وجود آورد تا پژوهشگران و دست اندرکاران در صنايع مختلف با نگاهي عميق تر از گذشته ساز و کار تشکيل ريز ساختار و نقش آن در شکل گيري خواص فيزيکي و مکانيکي نهايي را شناسايي و مورد تجزيه و تحليل قرار دهند به گونه اي که دستيابي به اين دانش به عنوان يک دستاورد عظيم علمي خيلي سريع و در گستره وسيعي از علوم مهندسي گسترش یافت و راه گشاي شکل گيري و پيشرفت فناوري نانو در زمينه هاي مختلف  گرديد.

به دنبال موفقيتهاي به دست آمده به سبب استفاده از ذرات پودري در تقويت پليمرها به عنوان يکي از بهترين روشهاي توليد محصولات پليمري با خواص اصلاح شده و توسعه فناوري کامپوزيت ها براي دامنه وسيعي از کاربردهاي مهندسي مشخص گرديد که اندازه ذرات پودري و ميزان سطح مشترک بين ذرات پودري و ماتريس پليمري نقش بسيار مهمي در تعيين خواص و کارايي محصولات توليد شده ايفا می نمايد. لذا بر اساس تجربيات به دست آمده از فناوري کامپوزيت هاي پليمري و دستيابي به توليد ذرات با ابعاد نانومتري توليد نانوکامپوزيتهاي پليمري به عنوان يک هدف مهم و با ارزش مورد توجه بسياري از پژوهشگران قرار گرفته و در سال‌هاي اخير نانوکامپوزيت‌هاي پليمر/‌ نانو خاک رس نیز به دليل بهبود قابل توجه ايجاد شده در خواص آنها، توجه محققين را از دو نقطه نظر تحقيقات بنيادي و کاربردي به خود جلب کرده است. نانوکامپوزیتهای پلیمری امكان مطالعه رفتار زنجيرهاي پليمري در محيطهاي محدود شده در ابعاد نانومتر و شعاع ژيراسيون زنجير پليمر را فراهم می نماید، چرا كه با توزيع ذرات نانو در بستر پليمري متوسط فاصله بين ذرات بدليل كوچك بودن آنها در درصدهاي جرمي پائين در محدوده ابعادزنجير پليمر قرار می گيرد.

2- انواع نانوكامپوزيت‌ها:

ذرّات مورد استفاده در توليد نانوکامپوزيتها شامل نانو سيليکاتهاي لايه اي ، کربن نانو تيوپ ها ، الياف نانو و ذرات کروي با حداقل يک بعد در محدوده نانو مي باشند و ماتريس مورد استفاده می تواند بر پايه فلز ، پليمر و يا سرامیک  باشد. نانو سيليکاتهاي لايه اي  به دليل قابليت اصلاح پذيري سطوح و سازگار شدن با پليمرها و همچنين مزاياي اقتصادي آنها نسبت به نانو تيوپها بيشتر مورد توجه قرار گرفته اند  . بهبود بسياري از خواص فيزيکي شامل مقاومت حرارتي خواص الکتريکي مقاومت در مقابل عبور دهي گاز کاهش استعداد آتش گيري بهبود خواص مکانيکي و تشديد روند تخريب پليمرهاي زيست تخريب پذير از جمله مهمترين خواص اصلاح کنندگي نانوسيليکاتها در کامپوزيت هاي پليمري مي باشند.     

3- ساختار و خواص سيليكاتهاي لايه‌اي:

سيليكات های لايه‌اي استفاده شده جهت توليد نانوكامپوزيتها از گروه فيلوسيليكاتها می باشند. همانطور که در شکل(۱)  نشان داده شده است ساختار بلور اين سيليكاتها از يک ساختار لايه‌اي مشتمل بر دو  چهاروجهي كه در رئوس آن اتمهاي سيليكون قرار دارند تشکيل می گردد كه در داخل ورقه‌هايي متشكل از هشت وجهي‌هاي هيدروكسيد آلومينيوم يا هيدروكسيد منيزيم، نفوذ كرده‌اند. ضخامت اين  لايه‌ها در حدود 1 نانومتر می باشد و ابعاد خارجي آنها بسته به نوع سيليکات  بين 30 نانومتر تا چندين ميكرون يا بزرگتر متغير می باشد. لايه‌ها تحت تاثير نيروهاي واندروالسي  در فاصله اي که Gallery  نامیده می شود در کنار يکديگر قرار می گيرند. جايگزيني‌ Al³⁺ با Mg²⁺ يا Fe²⁺  يا Mg²⁺ با Li^1- بدون تغيير شكل بلورها در فضاي بين لايه‌اي باعث توليد بار منفي می شود كه اين بار منفي با بار فلزهاي قليايي يا قليايي خاكي درون فضاي بين لايه‌اي، در تعادل قرار می گيرند.  بار سطحي متوسط كه ظرفيت جايگزيني يوني(Cation Exchange Capacity-CEC ) نيز نامیده می شود جزو اصلي ترين مشخصات ساختاري اين نوع از سيليكاتهاي لايه‌اي مي باشد که واحد آن ميلي‌اكي‌والان به ازاي 100 گرم می باشد. اين بارالکتريکي در مناطق مختلف يكسان نيست و ازسطحي به سطح ديگر تغيير مي‌كند و بايد به صورت مقدار متوسط براي كل شبكة بلور گزارش شود.

سيليکاتهاي لايه اي   از نوع Hectorite, Saponite, Montmorillonite رايج‌ترين نوع سيليكاتهاي لايه‌اي مورد استفاده می باشند. همانطور که در شکل(1) ملاحظه می گردد سيليكات‌هاي لايه‌اي می توانند داراي دو نوع ساختار مختلف چهاروجهي جايگزين شده و هشت‌وجهي جايگزين شده باشند. در چهاروجهي جايگزين شده، بار منفي روي سطح سيليكات لايه‌اي قرار می گيرد به همين دليل  ماتريس پليمري می تواند بر هم‌كنش بيشتر و سريعتري با سطح لايه ها برقرار نمايد. جزئيات ساختاري و پارامترهاي مشخصه  سيليكاتهاي لايه‌اي در شكل (۱) و در جدول (1) ارائه شده است.

شکل(1) ساختار سيليكات لايه اي يا فيلوسيليكات

جدول(۱) فرمول شیمیای وخواص انواع نانو ذرات

نتيجه تحقيقات بيانگر اين نکته است که قابليت پخش شدن سيليکاتهاي لايه اي در ماتريسهاي پليمري و ميزان برهم کنش و درجه سازگاري سطوح لايه ها با ماتريس پليمري از طريق واکنشهاي تبديل يوني از جمله عوامل تعيين کننده تشکيل ريز ساختار نهايي و خواص محصولات نانو کامپوزيت می باشند.

4-  ساختار و خواص سيليكاتهاي لايه‌اي اصلاح شده  با مواد آلي:

همانطور که در بخش ارائه نتايج توضيح داده خواهد شد سازگاري سطح  لايه هاي سيليکات با ماتريس نقش بسيار مهمي در تعيين ريزساختار و در نتيجه خواص فيزيکي و مکانيکي محصول نهايي ايفا می نمايد. از طرفي سيليكاتهاي لايه‌اي بدليل داشتن يونهاي سديم يا پتاسيم تنها با پليمرهاي آب دوست نظير پلي‌اتيلن اكسيد (PEO)  يا پلي‌وينيل الكل (PVA)   سازگار می باشند. بهمين دليل جهت سازگار كردن سيليكات هاي لايه‌اي با ديگر پليمرها، بايد سطح آنها از حالت آبدوست به آلي‌دوست تبديل شود تا امكان نفوذ و جابجايي زنجيرهاي پليمرها به فضاي بين لايه‌اي سيليكات ميسر گردد. براي اين منظور از مواد اصلاح کننده سطحي كه شامل كاتيونهاي نوع اول، دوم، سوم يا چهارم آلكيل آمونيوم يا آلكيل فسفونيوم هستند استفاده می شود. در صورت استفاده از اين نوع سازگارکننده ها  زنجيرهاي پليمر می توانند به راحتي بين لايه ها نفوذ کرده و فضاي بين لايه اي را افزايش دهند و از اين طريق ريز ساختاري مناسب جهت دستيابي به خواص مورد نظر را فراهم نمايند. علاوه بر اين، اين مواد می توانند داراي گروههاي عاملي فعالي باشند كه امكان واكنش با ماتريس پليمري را فراهم مي‌كنند و يا قدرت شروع پليمريزاسيون با استفاده از مونومرها را دارا باشند كه در هر دو اين موارد استحكام فصل مشترك بين پليمر و لاية سيلكاتي بهبود پيدا مي‌كند  .

جهت تعيين آرايش يافتگي زنجيرهاي آلكيلي نسبت به سطح ارگانوکلي از روش تفرق اشعة ايكس با زاويه زياد (Wide Angle X-Ray diffraction WAXD) استفاده می شود بر اساس نتايج به دست آمده از اين روش  همانطور كه در شكل(۲) ملاحظه می شود، زنجيرهاي آلكيل می توانند موازي سطوح سيليكات لايه‌اي قرار گيرند كه در آن صورت تشكيل آرايش تك يا دو لايه می دهند يا آنکه از روي سطح سيليكات بلند شوند كه در آن صورت آرايش تك يا دو مولكولي خواهند داشت.

شکل(۲) آرايش مولكولهاي آلكيل در فضاي بين لايه اي سيليكاتها

نتايج تحقيقات نشان داده است كه اين ساختارها ايده‌آل بوده و عملاً غير قابل دسترس می باشند. با استفاده از آزمايشات  FTIRنشان داده شده كه زنجيرهاي آلكيل می توانند از حالت شبه جامد تا شبه مايع تغيير حالت دهند. حالت شبه مايع هنگامي به وجود مي‌آيد كه چگالي بين لايه‌اي يا طول زنجيرها كاهش پيدا مي‌كند(اثري مشابه  با اثر افزايش درجة حرارت). اين نوع ريزساختار بدليل كاهش تفاوت انرژي بين حالتهاي گاش و ترانس تشکيل می گردد.

شکل(۳)- فرم پيشنهادي قرار گرفتن زنجيرهاي اصلاح کننده الكيل (a) زنجير كوتاه (b) زنجير متوسط (c) زنجير بلند

5- ريزساختارهاي نانوكامپوزيتهاي پليمري با سيليکاتهاي لايه اي:

سيليكاتهاي لايه‌اي داراي ضخامت لايه اي در حدود يک نانومتر و نسبت منظر بسيار بالا (1000-10) می باشند. به همين دليل اگر مقدار كمي از اين نوع سيليكاتها، به طور مناسب در ماتريس پليمري توزيع گردد، بدليل ايجاد سطح فعال زياد و برهم‌كنش قوي بين ماتريس پليمري و نانو سيليکات، خواص به مراتب مناسب تري نسبت به پركننده‌هاي معمولي حاصل خواهد شد.  بر اساس ميزان برهم کنش بين سطحي لايه ها با ماتريس پليمري و شرايط توليد سه نوع ريزساختار در نانوکامپوزيتها قابل دستيابي می باشد

الف-نانوكامپوزيت‌هاي با ريزساختار Intercalated :

 همانطور که در شکل(۴)   ملاحظه می گردد در اين حالت زنجيرهاي پليمري در فضاي بين لايه‌اي سيليكاتها نفوذ کرده و از اين طريق باعث افزايش فضاي بين لايه اي می شود. با اين وجود لايه هاي سيليکات آرايش موازي موضعي خود نسبت به يکديگر را حفظ می کنند. در اين حالت فاصلة بين لايه‌اي کمتر يا حداکثر در حد شعاع ژيراسيون مولكول پليمر می باشد.

ب-نانوكامپوزيتهاي با ريزساختار Flucculated :

 اين نوع نانوكامپوزيت‌ شباهت زيادي به مورد اول دارد، با اين تفاوت كه لايه‌هاي سيلكات بدليل جاذبة سيليكاتهاي هيدروكسيل‌دار شده به صورت لب  به لب، در كنار يكديگر اجتماع مي‌كنند     (شکل(۴)).

ج-نانوكامپوزيتهاي با ريزساختارExfoliated :

در اين نوع ريزساختار زنجيرهاي پليمري با شدت بيشتري نسبت به ساختارهاي قبلي در فضاي بين لايه اي نفوذ کرده و باعث باز شدن و بهم خوردن نظم موضعي اين لايه ها می شوند. در نتيجه ريزساختار Exfoliated  بيشترين سطح مشترک را در مقايسه با ساير ريزساختارها ايجاد می کند به گونه ای با دستيابي به ريز ساختار Exfoliated ميزان فاز تقويت‌كننده مورد نياز جهت دستيابي به خواص مناسب نسبت به نانوكامپوزيتهاي با ريز ساختار  Intercalated کاهش مي يابد.

شکل(۴)شمايي از ساختارهاي مختلف نانوکلي

هوشیار حیدری

منبع: onlinepolymer.com-آنلاین پلیمر

کپی از  این مطلب با ذکر منبع بلامانع است.