نانوکامپوزیت پلیمر-تقویتکننده: در این دسته فاز پیوسته پلیمری و فاز پراکنده (پرکننده) میباشد که بسته به نوع پرکننده مصرفی انواع مختلفی را شامل می شود [۳۱].
۱-۷-۲-نانوکامپوزیتها بر اساس ابعاد ذرات پراکنده
سه بعدی: هر سه بعد فاز پراکنده در مقیاس نانومتر است ونانوذرات دارای ابعاد یکسان هستند، مانند ذرات سیلیکای کروی به دست آمده با روشهای سل-ژل یا پلیمریزاسیون درجا[۲۳] [۳۲]و همچنین نانوکلاسترهای[۲۴] نیمهرسانا که از انجام پلیمریزاسیون، مستقیماٌ روی سطح ذرات به دست میآیند [۳۳].
دوبعدی: دو بعد فاز پراکنده در مقیاس نانومتر بوده و بعد سوم بزرگتر است که در این حالت یک ساختار کشیده می شود. در این قسمت میتوان از نانوتیوبها[۲۵] (مانند نانوتیوبهای کربنی)و یا ویسکرها[۲۶] (مانند نانوکامپوزیتهای حاصل از سلولز ویسکرها) نام برد [۳۶-۳۴].
یک بعدی: فاز پراکنده فقط دارای یک بعد در مقیاس نانومتر باشد. در این مورد پرکننده به صورت ورقههایی با ضخامت یک یا چند نانومتر با طول صدها یا هزاران نانومتر میباشد. مانند نانوکامپوزیتهای پلیمر کریستال لایهای [۳۷].
۱-۷-۳-نانوکامپوزیتها بر اساس ماده زمینه
۱-۷-۳-۱-نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری:
این نوع کامپوزیت دارای زمینه آلی (پلیمری) و فاز دوم غیر آلی (سرامیکی یا فلزی) در ابعاد نانومتر است و بیشتر تحت عنوان نانوکامپوزیت هیبریدی آلی-غیر آلی شناخته می شود. یکی از مهمترین و رایجترین نانوکامپوزیتها، پلیمر-سیلیکاتهای لایهای است. این نانوکامپوزیتها به علت ویژگیهای مطلوبی همانند مدول و استحکام بالا، مقاومت گرمایی بالا، اشتعالپذیری و قابلیت نفوذ کم گاز و قابلیت تجزیه در محیط زیست، توجه صنعت را به خود جلب کرده اند [۳۹-۳۸].
۱-۷-۳-۲-نانوکامپوزیتهای زمینه سرامیکی:
این مواد از یک فاز تقویتکننده ریز (معمولاٌ کوچکتر از ۱۰۰نانومتر) درون دانه های بزرگتر یک زمینه تشکیل شده اند. ترکیبهای گوناگونی مورد مطالعه قرار گرفتهاند ولی بیشترین پژوهشها در زمینه نانوکامپوزیتهایی با پایه اکسید آلومینیوم یا نیترات سیلیسیم همراه با تقویتکننده صورت گرفته است [۴۰]. این مواد دارای مقاومت حرارتی و مقاومت خزشی قابل توجهی بوده و همانند بقیه نانوکامپوزیتها دارای دو جز هستند که یک جز دمای ذوب بالاتری نسبت به دیگری دارد. نانوکامپوزیتهای سرامیکی عمدتاٌ دارای چگالی بالا و تخلخل کمی هستند [۴۱].
۱-۷-۳-۳-نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی-سرامیکی:
این نانوکامپوزیتها عمدتاٌ دارای یک جز سرامیکی با دمای ذوب بالا و یک جز فلزی با دمای ذوب پایین هستند و در ساخت قطعات عملگر کاربرد دارند. در عمل جز سرامیکی استحکام را در دمای بالا تامین می کند و جز فلزی دارای پایداری و دوام بالایی است. این مواد برای تهیه قطعاتی با چگالی زیاد و تخلخل کم نامناسب هستند. این مواد مشابه نانوکامپوزیتهای سرامیکی هستند با این تفاوت که یکی از اجزای آنها به جای ترکیبهای فلزی نظیر اکسیدها، به صورت عنصر فلزی در ساختار ظاهر می شود [۴۲].
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
۱-۷-۳-۴-نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی:
در دهه گذشته پژوهشهای قابل توجهی در جهت توسعه نوعی از کامپوزیتهای زمینه فلزی انجام گرفته است که در آنها تقویتکنندهها از طریق واکنشهای گرمازا بین عناصر یا بین عناصر و ذرات موجود در قطعه تشکیل میشوند. به خاطر تشکیل تقویتکننده های سرامیکی پایدار (بوریدها، کاربیدها، نیتریدها و اکسیدها) در اندازه های نانو در این روش، قطعه دارای ویژگیهای مکانیکی عالی است. این مواد دارای ویژگیهای مطلوب فلزات (انعطافپذیری و سفتی) و سرامیکها (استحکام و مدول بالا) هستند [۴۳].
۱-۸-مزایا ومعایب نانوکامپوزیتها
خواص منحصر به فرد مواد نانوکامپوزیتی را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
۱-نانوپودرهای کامپوزیتی نسبت سطح به حجم بالایی دارند که در حالت بیشکل این نسبت، به مراتب بیشتر از حالت بلوری است.
۲-کسر زیادی از اتمها در سطح نانوپودرهای کامپوزیتی و یا در مرزدانههای ریزساختار نانوکامپوزیتها قرار دارند. این ویژگی سبب افزایش قابلیت تفتجوشی پودرهای نانوکامپوزیتی می شود.
۱۴
۳-در ساخت نانوکامپوزیتها با بهره گرفتن از پودرهای نانوکامپوزیتی یا نانوپودرها، به دلیل کنترل فرایند در مقیاس نانومتری، ریزساختاری کاملاٌ یکنواخت به دست می آید.
۴-نانوکامپوزیتها خواص فیزیکی و مکانیکی بالایی در محدوده وسیعی از دما را دارند. افزودن ۵ تا ۱۰ درصد حجمی فاز دوم به فاز زمینه، باعث افزایش چشمگیری در خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیتها می شود [۴۴].
۵-افزایش پایداری حرارتی و خود خاموش شوندگی.
۶-ممانعت از نفوذ گازهایی مانند اکسیژن، بخار آب، هلیم، دیاکسید کربن و بخارات آلی مانند اتیلاستات (به دلیل تشکیل مسیر متخلخل و پرپیچ و خم به علت حضور خاک رس).
۷-افزایش سرعت تخریب پلیمرهای زیست تخریبپذیر.
۸-کاربرد در سامانههای خاص برای مطالعه حالت ترمودینامیکی زنجیرههای پلیمری که برای بسیاری از صنایع مانند پوشاک، چسب، کاتالیست و… بسیار مهم است [۴۵].
در مقابل این خواص منحصر به فرد، مشکلات فرایندی قابل توجهی در ساخت نانوکامپوزیتها وجود دارد:
۱-عدم توزیع یکنواخت فاز دوم در زمینه نانوکامپوزیتها، خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها را کاهش میدهد.
۲-تجمع ذرات پودر بسیار ریز در نانوکامپوزیتها، موجب افزایش انرژی سطحی آنها شده و کاهش خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها را به دنبال دارد.
۳-استفاده از مواد شیمیایی گرانقیمت برای توزیع یکنواخت فاز دوم در داخل فاز زمینه و جلوگیری از به هم چسبیدن ذرات پودر نانوکامپوزیتی و ساخت نانوکامپوزیتهایی با ریزساختاری همگن و خواص مکانیکی بالا، باعث غیر اقتصادی شدن و همچنین پیچیدهتر شدن فرایند میگردد [۴۴].
۱۵
۱-۹-روشهای تهیه نانوکامپوزیتها
به طور کلی پنج روش برای تولید نانوکامپوزیتها وجود دارد که از بین این روشها، سه روش که شامل مخلوطسازی مستقیم[۲۷]، فرآوری محلول و پلیمریزاسیون درجا[۲۸] بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند [۴۶].
۱-۹-۱-مخلوطسازی 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 حاصل توسط یک پرس هیدرولیک در یک قالب اکسترود می شود و در نهایت صفحات نازک به دست میآیند [۴۷]. در این روش انتخاب بستر پلیمری، انتخاب نوع ذرات و سازگاری این دو گونه با یکدیگر و نحوه توزیع ذرات از نکات حائز اهمیتی است که بایستی بر آن فائق آمد و معمولاٌ برای تولید نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری حاوی نانوالیاف کربنی از این روش استفاده می شود. محدودیت این روش میزان فاز تقویتکننده و یا همان مواد پرکننده است. از دیگر محدودیتهای این روش میتوان به آگلومره شدن (به هم چسبیدن) ذرات اشاره کرد [۴۸].
۱-۹-۲-فرآوری محلول
با بهره گرفتن از این روش میتوان بر بعضی از محدودیتهای روش مخلوطسازی مستقیم غلبه کرد، ضمن آن که میتوان میزان آگلومراسیون و کلوخهای شدن نانوذرات در ماده پلیمری را کاهش داد. در این روش به دو صورت میتوان نانوکامپوزیتهای پلیمری را تولید کرد. اگر ماده زمینه پلیمری و نانوذرات تقویتکننده آن در یکدیگر قابل حل شدن باشند، محلول حاصل را میتوان در یک قالب ریختهگری 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 [۴۹]. مزیت اصلی این روش، امکان سنتز نانوکامپوزیتهای بر پایه پلیمرهای با قطبیت کم یا غیرقطبی میباشد. در هر حال، این روش به علت مصرف بالای حلال برای مصارف صنعتی مشکلات زیادی را فراهم میسازد [۲۵].
۱-۹-۳-پلیمریزاسیون درجا
از این روش اولین بار برای سنتز پلیآمید ۶ استفاده شد. در این روش پلیمریزاسیون بستر پلیمری در حضور نانوذرات انجام می شود و منومر در حین رشد، ذرات پرکننده را در برمیگیرد. نکتهی کلیدی در این روش نحوه توزیع ذرات نانو در مونومر است. با کنترل پیوند بین ذرات نانو و ماده زمینه، میتوان توزیع مورد نظر را به دست آورد. بسیاری از نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری را میتوان با این روش تولید کرد [۵۰]. به طور مثال نانوکامپوزیتهای حاوی نانولایههای گرافیت که دارای هدایت الکتریکی بالا و نفوذپذیری کمی هستند، از این روش تولید میشوند. برای تولید این نانوکامپوزیتها ابتدا با امواج مافوق صوت لایه های گرافیت در مونومر به صورت یکنواخت توزیع میشوند و در نهایت با پلیمریزاسیون درجا نانوکامپوزیت به دست می آید [۵۱].
نکتهای که در روشهای تولید نانوکامپوزیتهای پلیمری اهمیت دارد و آن را از یکدیگر متمایز می کند، توزیع مناسب ماده پرکننده است با اصلاح سطحی میتوان این توزیع را به شکل یکنواخت به گونه ای انجام داد که از آگلومراسیون اجزای نانومتری ماده پرکننده جلوگیری شود و توزیع مناسب فاز تقویتکننده فراهم گردد. در واقع نکته مهم در تمام این فرایندها، اصلاح فصل مشترک بین پلیمر و نانوذره میباشد. استفاده از فرایندهای سطحی سبب توزیع یکنواخت فاز تقویتکننده در بستر پلیمری شده و افزایش مدول و استحکام نانوکامپوزیت را به دنبال خواهد داشت. پیشرفت روش پلیمریزاسیون درجا به قطبیت مولکولهای مونومر وابسته است [۵۵-۵۲].
۱-۹-۴-روش سل-ژل[۲۹]
تهیه نانوکامپوزیتهای پلیمری با بهره گرفتن از روش سل-ژل در دهههای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. با بهره گرفتن از این روش میتوان اکسیدهای فلزی را در مقیاس نانو در یک ماتریس پلیمری به صورت هموژن پراکنده نمود. این روش در واقع تهیه ماتریس مهمان با ترکیبات پیچیده میباشد، به این صورت که سیلیکات در محلول آبی حاوی پلیمر و مواد لازم برای شکل گیری ساختار سیلیکاتی پراکنده می شود [۵۶]. انعطافپذیری این روش باعث شده که در آن بتوان اندازه خلل و فرج، مساحت سطح، دانسیته، ثابت دیالکتریک، شاخص انکسار و ترکیب شیمیایی ماتریس مهمان را تنظیم کرد. به طوری که ژل به دست آمده خواص ایدهآل را برای کاربردهای مورد نظر دارا میباشد. روش سل-ژل از بهترین روشها برای افزایش برهمکنش بین سطحی، توسط سنتز مواد، با درجه بالای اختلاط، یا نفوذ بین دو فاز غیر مشابه و در نتیجه پهن کردن ناحیه بین سطحی میباشد. این روش معایب جدی و آشکاری نیز دارد، اول اینکه تهیه کانیهای خاک رس به طور کلی به دمای بالایی نیاز دارد که این دما باعث تخریب و تجزیه پلیمر می شود، (به جز سنتز کانی نوع هکتوریت که در شرایط متوسط نیز قابل اجراست). یکی دیگر از مشکلات این روش تمایل لایه های سیلیکاتی در حال رشد به متراکم شدن است.بنابراین این تکنیک کمتر برای سنتز سیلیکاتهای لایهای مورد استفاده قرار میگیرد.با وجود این چندین محقق توانسته اند از این روش به طرز موفقیتآمیزی استفاده کنند [۵۷].
۱-۹-۵-سنتز با بهره گرفتن از تمپلیتها[۳۰]
روش دیگر گزارش شده برای ساخت نانوکامپوزیتهای سیلیکات لایهای روش سنتز با بهره گرفتن از تمپلیتها میباشد. این روش کریستالیزاسیون هیدروترمال لایه های خاک رس در یک بستر پلیمری آبی ژل مانند است که پلیمر غالباٌ به عنوان قالبی برای تشکیل لایه ها عمل می کند. این روش مخصوصاٌ با پلیمرهای محلول در آب سازگار است ولی در مورد پلیمرهایی مانند پلی وینیل پیرولیدون، پلی اکریلونیتریل و پلیآنیلین نیز به کار رفته است. حضور پلیمر در میان لایه های در حال رشد خاک رس باعث تعادل میان بارهای منفی لایه های خاک رس و کاتیونهای زنجیرهای پلیمری می شود. باید به این نکته توجه شود که ابعاد لایه های به دست آمده در این روش به دلایل سینتیکی قابل رقابت با سیلیکاتهای لایهای طبیعی نیست. به عبارت دقیقتر طول متوسط لایه های خاک رس در این روش کوچکتر است و در بهترین حالت به حدود یک سوم طول لایه های خاک رس طبیعی میرسد [۵۸].
۱-۱۰-ضرورت توجه به نانوکامپوزیتهای پلیمری
نانوکامپوزیتها به دلیل کارآیی بهتر و وزن کمتر، جایگزین خوبی برای کامپوزیتهای معمولی هستند.
با توجه به حجم گسترده استفاده از کامپوزیتهای معمولی در داخل کشور و با عنایت به حجم بالای تولید پلیمرها در سالهای آتی از سوی شرکت ملی صنایع پتروشیمی و لزوم افزایش کاربردی این پلیمرها، تولید نانوکامپوزیتهای پلیمری یکی از مناسبترین راههای پاسخگویی به نیاز بازار و بهبود خواص و گسترش دامنه کاربرد پلیمرهای داخلی است [۳۱].
با توجه به خواص برتر نانوکامپوزیتهای پلیمری در مقایسه با کامپوزیتهای معمولی پلیمری و با عنایت به روند نزولی قیمت جهانی نانوذرات و در نتیجه امکان رقابت این محصولات از نظر قیمت، انتظار میرود با تولید نانوکامپوزیتها در داخل کشور میتوان آنها را جایگزین بخش عمدهای از کامپوزیتهای معمولی پلیمری کرد [۵۹].
۱-۱۱-کاربردهای نانوکامپوزیتها
کاربرد نانوکامپوزیتها در تهیه بخشهای خارجی خودرو بر پایه اولفینهای گرمانرم نظیر پروپیلن، در فیلمهای بستهبندی نایلونی، در بطریهای نگهداری مواد نوشیدنی، در لولههای پلیمری و در پوشش های کابل و سیم و غیره در حال گسترش است.
پژوهش های پیشین با موضوع تهیه و تعیین مشخصات نانوکامپوزیت ...