نانوکامپوزیتها۱

مقدمه:

            فناوری نانو و تولید مواد در ابعاد نانومتری موضوع جذابی برای تحقیقات است که در دهه اخیر توجه بسیاری را به خود معطوف داشته است. نانوکامپوزیتها نیز به عنوان یکی از شاخه های این فناوری جدید، اهمیت بسیاری یافته است و یکی از زمینه هایی است که کاربردهای صنعتی پیدا کرده است. تلاش های اولیه موفقیت آمیز در تهیه نانوکامپوزیتها به دهه های شصت و هفتاد قرن بیستم میلادی باز می گردد. اما در ۱۹۸۰ با تهیه نانوکامپوزیتهای بر پایه نایلون۶- خاک رس به صورت تجاری به وسیله شرکت تویوتای ژاپن، تحقیقات برای ساخت این مواد شدت و سرعت بیشتری پیدا کرد و شرکت های یوبی، یونی کیتا، هانی ول و بایر نیز نانوکامپوزیتهایی را بر پایه نایلون ۶ ارائه نمودند که عمده کاربرد آنها در خودروسازی و صنایع بسته بندی بود. از آن به بعد تعداد دیگری از شرکتها، نانوکامپوزیتها را به منظور تجاری مورد مطالعه قرار دادند و در اواخر سال ۲۰۰۱ میلادی شرکتهای جنرال موتورز و باسل اولین کاربرد نانوکامپوزیتها بر پایه اولین گرمانرم را در قطعات خارجی اتومبیل ارائه نمودند.

تعریف نانوکامپوزیتها

نانوکامپوزیتها شامل ترکیب ذرات در حوزه مولوکولی یا نانو در زمینه پلیمری، فلزی یا سرامیکی می باشد. در همه موارد مشاهده می شود که مقدار نانو ذرات در این زمینه ها می تواند به طور کامل خواص این مواد را تغییر دهد این ذرات به عنوان تقویت کننده زمینه و همچنین تغییر دهنده رفتار الکتریکی مواد پایه به کار می روند.

            باید توجه کرد که تنها با اضافه کردن نانو ذرات به یک زمینه به خواص فوق العاده نمی رسیم بلکه در این ترکیب باید شرایطی را رعایت کرد. مثلا فرض کنید یکسری ورق های پرکننده ای را به کامپــوزیتها اضافه کرده باشیم، اگر ورق های کوچک معدنی به صورت متــراکم به هم چسبیده باشند رفتارشان خیلی متفاوت از مواد کامپوزتی معمولی نمی باشد.

            اما به عنوان یک تعریف، نانو کامپوزیت، مواد مرکبی هستند که لااقل یکی از اجزاء تشکیل دهنده آنها دارای ابعادی در محدوده نانومتری، در محدوده nm ۱۰۰- ۱/۰ باشد؛ اما یکسری پودرهای نانوکامپوزیت نیز داریم که این پودرها شامل ذرات با ابعادی مختلف در محدوده نانومتری هستند.

            در مواد نانو کامپوزیت ، به جزء پخش شونده که به صورت الیاف، صفحات، مسطح ریز، ذرات و یا حتی حفره ها، ترکها و غیره در ابعاد نانومتری و یا بالاتر باشد فاز زمینه می گویند.

دسته بندی نانو کامپوزیتها

در دسته ای از مواد نانو کامپوزیت، فاز دوم، موادی با دمای ذوب بالا مانند سرامیک ها و یا فلزات بوده، فاز زمینه ماده ای با دمای ذوب پایین مانند پلیمر و سرامیک و فلز با دمای ذوب پایین است. اما در دسته دیگر، فاز زمینه ماده ای سرامیکی یا فلزی با دمای ذوب بالا و فاز دوم ماده ای پلیمری یا سرامیکی و یا فلزی با دمای ذوب پایین تر است. به همین ترتیب، مواد نانو کامپوزیت، از نظر نوع مواد تشکیل دهنده، حداقل دارای سه گروه زیر هستند:

الف) مواد نانو کامپوزیت سرامیک- فلز: این نوع مواد نانو کامپوزیت، عمدتا دارای جریی سرامیکی با دمای ذوب بالا و جزیی فلزی با دمای ذوب نسبتا پایین هستند و در ساخت قطعات عملیاتی کاربرد دارند.

ب) مواد نانو کامپوزیت پلیمر- سرامیک(یا فلز): این نوع مواد نانو کامپوزیت که دارای فاز زمینه آلی(پلیمری) و فاز دوم نانومتری غیر آلی(سرامیکی یا فلزی) هستند بیشتر تحت عنوان مواد نانو کامپوزیت هیبریدی آلی- غیر آلی شناخته می شوند.

ج) مواد نانوکامپوزیت سرامیک- سرامیک: مـــواد نانوکامپـــوزیت ســرامیک- سرامیک که دمای ذوب یک جزء بالاتر از جزء دیگر است، عمدتا دارای چگالی بالا و میزان تخلخل پایین هستند. (شکل روبرو نانوکامپوزیتهای AIN/SIC را نشان می دهد.)

از دیگر دسته های نانوکامپوزیت می توان به موارد زیر اشاره کرد:

مواد نانوکامپوزیت سرامیکی

نانوکامپوزیت های سرامیک – فلز

نانو کامپوزیت های زمینه فلزی

نانو کامپوزیت های فیلم نازک

نانو کامپوزیت های بر پایه نانو لوله کربنی

بهبود خواص در نانو کامپوزیتها

خواصی که بر اثر وجود نانو مواد درکامپوزیتها بهبود می یابند عبارتند از: خواص فیزیکی مثل دمای واپیچش گرمایی، پایداری حرارتی، شفافیت، و خواص مکانیکی مثل خواص کششی، خواص خمشی و غیره.

کاربرد نانو کامپوزیت ها

کاربرد نانو کامپوزیتها در تهیه بخش های خارجی خودرو بر پایه اولفین های گرمانرم نظیر پروپلین، در فیلم های بسته بندی نایلونی،در بطری های نگهداری مواد نوشیدنی، در لوله های پلیمری و در پوشش های کابل و سیم و غیره در حال گسترش است.

اخیـــرا جنــــرال موتـورز تهیه اولیــــن قطعات نانوکامپــوزیت پلی اولفینی (PO- خاک رس) را که حاوی تنها ۵/۲ درصد پر کننده معدنی است، گزارش کرده است. این محصول از لحاظ سفتی معادل اولفین گرمانرم حاوی ده برابر پر کننده تالک است و موجب ۲۰درصد صرفه جویی در وزن می شود. این قطعات در صفحات خارجی استیشن های مدل ۲۰۰۲ استفاده شده است. برآورد شده که استفاده گسترده نانوکامپوزیتها در خودروها تنها در آمریکا می تواند ۵/۱ میلیارد لیتر در سوخت سالیانه صرفه جویی کند و باعث کاهش تولید دی اکسیدکربن به میزان ۵ میلیارد کیلوگرم شود.

شرکت آرگون، خواص عبوردهی نانو کامپوزیت های استفاده شده در بسته بندی را تا حدود ۲۵۰۰ درصد اصلاح می کند. یک نوع جدید  از این مواد موم های از جنس نانوکامپوزیت است که می تواند به خوبی کاغذ، جهت روکش تجهیزات استفاده گردد.

از دیگر زمینه های کاربرد نانوکامپوزیت ها می توان زیر اشاره کرد:

ضد حریق کردن پلاستیکها، تهیه الیاف و فیلمها، کاربردهای الکتریکی، سامانه های انتقال دارو، مهندسی بافت، ساختمان سازی، لوازم خانگی و غیره.

مزایا و معایب نانوکامپوزیتها

ظهور مواد نانوکامپوزیت ها، تحولی اساسی در خواص مکانیکی و حرارتی ایجاد کرده است. خواص منحصر بفرد مواد نانوکامپوزیت را می توان به صورت زیر بیان کرد:

- پودرهای نانوکامپوزیت نسبت سطح به حجم بالایی دارد. این نسبت در حالت بی شکل نسبت به حالت بلوری، بیشتر است.

 - کسر زیادی از اتمها در سطح ذرات پودرهای نانوکامپوزیت و یا در مرز دانه های ریز ساختار نانوکامپوزیتها قرار دارند.

به دلیل دو خاصیت اخیر، پودر های نانوکامپوزیت، قابلیت تفت جوشی(زینتر) بالایی دارند. در ساخت نانو کامپوزیتها از پودرهای نانوکامپوزیت یا پودرهای نانومتری، به دلیل کنترل فرآیند در مقیاس نانومتری، ریز ساختاری کاملا یکنواخت به دست می آید. نانو کامپوزیت ها خواص فیزیکی و مکانیکی از قبیل استحکام، سختی، چقرمگی و مقاومت حرارتی بالایی در محدوده وسیعی از دما دارند. افزودن ۵ تا ۱۰ درصد حجمی فاز دوم به فاز زمینه، باعث افزایش چشمگیری در خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت ها می شود. لذا جدیدترین فناوری ها، مربوط به طراحی ریز ساختاری نانوکامپوزیتها برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی آن می باشد.

در مقابل خواص منحصر بفرد مواد نانوکامپوزیت،در ساخت نانو کامپوزیتها مشکلات فرآیندی قابل توجهی وجود دارد که نقش تعیین کننده ای دارند. از اساسی ترین این مشکلات می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- عدم توزیع یکنواخت فاز دوم در فاز زمینه در نانو کامپوزیت ها،خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها را کاهش می دهد.تجمع ذرات پودر بسیار ریز در نانوکامپوزیتها موجب افزایش انرژی سطحی آنها شده، کاهش خواص مکانیکی کاهش خواص مکانیکی نانوکامپوزیت ها را به دنبال دارد.

- همچنین استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت برای توزیع یکنواخت فاز دوم در داخل فاز زمینه و جلوگیری از به هم چسبیدن ذرات پودر نانوکامپوزیتی وساخت نانوکامپوزیتهایی با ریز ساختاری همگن و خواص مکانیکی بالا، باعث غیر اقتصادی شدن و همچنین پیچیده تر شدن فرآیند می گردد.

ایده های مطرح شده در هم اندیشی

در تعریف، نانوکامپوزیت عبارت است از یک ماده ای دو فازی یا مواد مرکبی که حداقل یکی از اجزاء تشکیل دهند آن دارای ابعادی در محدوده nm 100- 1 (محدوده نانو متری) باشد. با توجه به تعریف ارائه شده، در ذیل برخی ایده های مرتبط با موضوع تقویت پلیمرها و کامپوزیتها که در جلسه هم اندیشی ارائه گردید، آورده شده است:

۱)    افزایش استحکام کامپوزیت با افزودن نانو ذرات خاک رس به آن:

مهمترین نوع نانوکامپوزیت های پلیمری، از اختلاط یک پلیمر با پرکننده نانو ذرات خاک رس بدست می آید. علت آن این است که خاک رس ساختار لایه ای دارد و این پر کننده استعداد زیادی برای پذیرش زنجیره های پلیمری بین لایه های ورقه ای خود( به صورت ورقه های کاغذ) دارد. نانو ذرات خاک رس دارای لایه هایی است که ابعاد نانومتری دارد و با ورود زنجیره پلیمری بین آن، برهمکنش قوی بین خاک رس و زنجیره پلیمری تشکیل می شود. بنابراین افزودن۳ تا۵ درصد نانوذرات خاک رس، سبب افزایش استحکام مکانیکی و افزایش مدول الاستیک معادل ۴۵ درصد کربن جامد خواهد شد. علت استقبال صنعت خودرو از نانوکامپوزیت، توانایی ایجاد موادی با وزن کمتـــر و استحکام بالاتر و فراینــــدپذیری بیشتر است که با افزودن مقدار کم از پرکننــده ها محقق می شود.

۲) استفاده از فناوری نانو در بهبود صنعت بسته بندی:

افزودن ذرات پرکننده نانومتری به کامپوزیت و پلیمر، علاوه بر افزایش استحکام مکانیکی سبب بالا رفتن مقاومت در برابر نفوذپذیری گاز می شود که در صنعت بسته بندی و ذخیره سازی گاز بطری نوشابه مفید است. همچنین از دیگر ویژگیهای این مواد حفظ شفافیت این بطری ها و ضد باکتری و ضد ویروس شدن آنها خواهد بود.

۳) دیر سوز نمودن پلیمرها با استفاده از فناوری نانو:

افزودن درصد خاصی از نانو ذرات خاک رس به پلیمرها و کامپوزیتها، سبب بالا رفتن مقاومت حرارتی و به تبع آن، مقاومت در برابر آتشگیری قطعات می شود که کاربردهای متنوعی در صنایع خودرو، صنایع هوافضا، صنایع دفاعی، صنایع کابل و صنایع الکتریکی خواهد داشت. کامپوزیتها در قطعات موتور خودروها بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

۴) استفاده از نانوکامپوزیت هیدروژل در ازدیاد برداشت نفت:

نانوکامپوزیتهای هیدروژل، مواد پلیمری هستند که استعداد بالایی در جذب آب دارند؛ این میزان در حدود ۲۰۰۰ برابر وزن خود این کامپوزیتها است. نانوکامپوزیتهای هیدروژل در کشاورزی کاربردی زیادی دارند. از جمله کاربردهای مهم آنها نیز در افزایش میزان برداشت نفت از چاهها خواهد بود. در این کاربرد با حفظ استحکام مکانیکی، دانسیته اتصالات شبکه را پایین نگه می داریم تا هیدروژل بتواند مقاومت بالایی در مقابل فشار نفت داخل چاه داشته باشد. در مواقعی که برداشت نفت از چاه های نفت به دلیل زیاد بودن مقدار آب غیر اقتصادی می شود، افزودن نانوهیدروژل به داخل چاه سبب مسدود شدن مسیرهای عبور آب شده و این خود موجب می شود که بتوان از چاه مرده چندین سال دیگر نفت استخراج نمود.

۵) امکان بازیافت بطری های آب و نوشابه با استفاده از فناوری نانو:

متاسفانه در کشور بطری های آب و نوشابه بعد از مصرف دور ریخته شده و بازیافت نمیگردند. با استفاده از فناوری نانوکامپوزیت، امکان بازیافت مجدد بطری آب و نوشابه، و تبدیل آن به بطریهای جدید وجود دارد. در قراردادی که با سازمان گسترش و شرکت زمزم می باشد، قرار است در این زمینه فعالیتهایی شروع شود. حال اگر بتوان ۵۰ درصد این بطریها را به مصرف مجدد برگرداند، سبب صرفه جوئی میلیونها دلار خواهد شد.

۶) استفاده از فناوری نانو در افزایش کارایی لاستیک:

نانوکامپوزیت SBR ، قابل مصرف در صنعت پلیمری بویـژه صنعت لاستیک سازی است. با افزودن چند درصد SBR، امکان ساخت لاستیــکی با مقاومت سایـــش لاستیک تا ۵ برابر را دارا می باشد. خوشبختانه این طرح با همکاری وزارت صنایع و مجتمع لاستیک کرمان برای لاستیکهای سواری در حال انجام است.

۷) کاهش مصرف انرژی با استفاده از فناوری نانو:

استفاده از نانو ذرات خاک رس در کامپوزیتها و پلیمرها، علاوه بر بهبود خواص آنها موجب سبک شدن قطعات می شود. از آنجایی که یکی از کاربردهای این قطعت در صنعت خودرو است موجب سبک شدن خودرو و به تبع آن کاهش میزان سوخت مصرفی خواهد شد. همچنین از دیگر مزایای آن کاهش آلودگی هوا و کاهش گازهای گلخانه ای است.

۸) ایجاد کامپوزیت فلزی مقاوم با فناوری نانو:

ایجاد کامپوزیت فلزی با استفاده از رسوبهایی در اندازه نانومتر برای تقویت فولاد امکان پذیر است. این امر موجب کاهش وزن قطعات خودرو و افزایش شکل پذیری و استحکام فولاد می شود. در این زمینه شرکت ساپکو برای انجام پروژه مشترک آمادگی خود را جهت همکاری اعلام می کند.