جستجو در تالارهای گفتگو

مقدمه : نانوکامپوزيتهاي خاک رس / پليمر بهبود فوق‌العاده‌اي در بسياري از خواص فيزيکي و مهندسي پليمرهايي که در آنها از مقدار کمي پرکننده استفاده مي‌شود، ايجاد مي‌کند. اين تکنولوژي که امروزه مي‌تواند کاربرد تجاري نيز پيدا کند، توجه زيادي را طي سالهاي اخير به خود جلب کرده است. عمدة پيشرفت‌هايي که در اين زمينه بوقوع پيوسته، طي پانزده سال اخير بوده و در اين مقاله به اين پيشرفتها و همچنين مزيتها، محدوديتها و برخي مسايل و مشکلات آن خواهيم پرداخت. هر چند اخيراً پيشرفتهاي عمده‌اي در توسعة روشهاي سنتزي و کاربرد آنها در پليمرهاي مهندسي صورت گرفته و تحقيقاتي نيز در مورد خيلي از خواص مهندسي آنها صورت گرفته، ولي با اينحال، براي فهميدن مکانيزم‌هايي که باعث افزايش کارايي در نانوکامپوزيتهاي مرسوم به الياف تقويت مي‌شوند، مزيتها و امتيازاتي دارد، ولي هنوز نتوانسته تاثيري در بازار کامپوزيتهايي که در آنها جزء اليافي درصد بالايي دارد، ايجاد کند. موضوع فناوري نانو طي سالهاي اخير بطور فزاينده‌اي مطرح شده است. عرصة نانو، محدوده‌اي بين ابعاد ميکرو و ابعاد مولکولي است و اين محدوده‌اي است که دانشمندان مواد و شيميدان‌ها در آن به مطالعاتي پرداخته‌اند و اتفاقاً مورد توجه آنها نيز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولي تکنولوژي که توسط علوم مواد و شيمي توسعه يافته و به نانومقياس معروف است، نبايد به عنوان نانوتکنولوژي تلقي شود. هدف اصلي در نانوتکنولوژي ايجاد کاربردهاي انقلابي و خواص فوق‌العاده مواد، با سازماندهي و جنبش آنها و همچنين طراحي ابزار در مقياس نانو مي‌باشد. تعريف نانوکامپوزيت‌هاي خاک­رس / پليمر يک مثال موردي از نانوتکنولوژي هستند. در اين نوع مواد، از خاک­رس‌هاي نوع اسمکتيت (Smectite-type) از قبيل هکتوريت، مونت موريلونيت و ميکاي سنتزي، به عنوان پرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده مي‌شود. خاک­رس‌هاي نوع اسمکتيت، ساختاري لايه‌اي دارند و هر لايه، از اتمهاي سيليسيم کوئورانيه شده بصورت چهار وجهي که به يک صفحه هشت وجهي با لبه‌هاي مشترک از Al(OH) 3 يا Mg(OH) 2 متصل شده، تشکيل شده است. با توجه به طبيعت پيوند بين اين اتمها، انتظار مي‌رود اين مواد خواص مکانيکي فوق‌العاده‌اي را در جهت موازي اين لايه‌ها نشان دهند ولي خواص مکانيکي دقيق اين لايه‌ها هنوز شناخته نشده‌اند. اخيراً با استفاده از روشهاي مدل‌سازي تخمين زده شده که ضريب يانگ در راستاي لايه‌ها، پنجاه تا چهارصد برابر بيشتر از يک پليمر عادي است. لايه‌ها نسبت صفحه‌اي (aspect ratio) بالايي دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد، در حاليکه شعاع آن از سي نانومتر تا چند ميکرون، متفاوت مي‌باشد. صدها يا هزاران عدد از اين لايه‌ها بوسيله يک نيروي واندروالسي ضعيف، روي هم انباشته مي‌شوند تا يک جزء رسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب اين امکان وجود دراد که رس‌ها را به اشکال و ساختارهاي گوناگوني، درون يک پليمر، به شکل سازمان‌يافته قرار دهيم. در گذشته، عمدتاً به اين شکل از دانه‌هاي رسي براي افزايش کارايي پليمر استفاده مي‌شود که آنها را در حد ميکروني خرد مي‌کردند تا از آنها در توليد پليمرهاي تقويت شده بوسيله پرکننده‌هاي در اندازه ميکرون، استفاده کنند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده. مي‌توان تصور کرد که خواص مکانيکي فوق‌العاده لايه‌هاي منفرد در اجزاي خاک­رس نتوانند در يک سيستم به طرز موثري عمل کنند و پيوندهاي ضعيف بين دو لايه منشاء ايراد در اين کار مي‌باشد. معمول است که از ميزان بالايي از خاک­رس استفاده شود تا به بهبود کافي هر ضرايب دست يابيم، در حاليکه اين کار باعث کاهش استحکام و سختي پليمر مي‌شود. شکل 1: اصول کاربردي متفاوت در ساخت ميکرو و نانوکامپوزيت‌هاي رايج اصلي که در نانوکامپوزيت‌هاي خاک­رس / پليمر رعايت مي‌شود، اين است که نه تنها دانه‌هاي رسي را از هم جدا مي‌کنند، بلکه لايه‌هاي هر دانه را نيز از هم جدا مي‌کنند (همانطور که در شکل 1 بصورت شماتيک نشان داده شده است) با انجام اين عمل، خواص مکانيکي فوق‌العاده هر لايه نيز بطور موثر بکار مي‌آيد و اين در حالي است که در اجزاي تقويت­شده نيز بطور چشمگيري افزايش پيدا مي‌کند، زيرا هر جزء رسي خود از صدها تا هزارات لايه تشکيل شده است. ويژگيها نانوکامپوزيت­هاي خاک رس / پليمر يکي از دستاوردهاي تحقيقات اين است که مشخص شده که بسياري از خواص مهندسي هنگاميکه از ميزان کمي معمولاً چيزي کمتر از 5% وزني، پرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مي‌يابد. در پليمرهايي چون نايلون (nylon-6) 6 هرگاه از چنين ميزان کمي پرکننده استفاده شود، يک افزايش 103 درصدي در ضريب يانگ، 49 درصدي در قدرت کشساني و 146 درصدي در مقاومت در برابر تغيير شکل بر اثر گرما، از خود نشان مي‌دهد. ساير خواص فيزيکي بهبود يافته عبارتند از: مقاومت در برابر آتش، مقاومت بارير (barrier resistance) و هدايت يوني. امتياز ديگر نانوکامپوزيتهاي خاک رس / پليمر اين است که تاثير قابل توجهي بر خواص اپتيکي پليمر ندارند. ضخامت يک لايه رس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است، بنابراين نانوکامپوزيت‌هاي خاک­رس / پليمر که خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتيکي شفاف مي‌باشد. ميکرو نانوکامپوزيت‌هايي که تصويرشان در شکل 1 نشان داده شده، از ترکيب خاک­رس و پلي­پروپيلن و با استفاده از روش سرد کردن سريع جهت به حداقل رساندن اثر کريستاليزاسيون، ساخته شده‌اند. ميکروکامپوزيت‌هاي مرسوم، قهوه‌اي و مات به نظر مي‌رسند، در حاليکه نانوکامپوزيت‌ها تقريباً شفاف و بيرنگند. با اين دلايل، نتيجه مي‌گيريم که نانوکامپوزيتهاي خاك­رس/ پليمر نمايش خوبي از نانوتکنولوژي مي‌باشد. با سازماندهي و چينش ساختار کلي در پليمرها در مقياس نانومتر، مواد جديد با خواص نو يافت شده‌اند. نکته ديگر در توسعه نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / پليمر اين است که اين تکنولوژي، فوراً مي‌تواند کاربرد تجاري پيدا کند، در حاليکه بيشتر نانوتکنولوژي‌هاي ديگر، هنوز در مرحله مفاهيم و اثبات هستند. كاربردهاي نانوکامپوزيت­هاي خاک رس / پليمر اولين کاربرد تجاري اين مواد با استفاده از نانوکامپوزيت خاك­رس / نايلون 6 بعنوان روکش نوار زمان‌سنج براي ماشينهاي تويوتا در همکاري با ube در سال 1991 بود. به فاصله کمي بعد از آن Unikita نانوکامپوزيت نايلون6 را بعنوان محافظ روي موتورهاي GDI شرکت ميتسوبيشي معرفي کرد. در آگوست 2001، ژنرال موتورز و باسل، کاربرد نانوکامپوزيت‌هاي خاك­رس / پليمر را بعنوان جزء مکمل COMC ساخاري و شورلت اکستروژن‌ها به همگان اعلام کرد. اين امر با کاربرد اين نانوکامپوزيت‌ها در درب‌هاي شورلت ايمپالاز (Impalas) صورت گرفت. اخيراً شرکت نوبل پليمرز (Noble/Polymers) نانوکامپوزيت‌هاي خاك­رس / پلي‌پروپيلن را براي استفاده در صندلي‌هاي هندا آکورد ساخته است و اين در حالي است که Ube دارد نانوکامپوزيت‌هاي خاك­رس / نايلون12 (clay/nylon-12) را براي استفاده در اجزاي سيستم سوخت‌رساني، توليد مي‌کند. علاوه بر کاربرد در صنعت خودرو، نانوکامپوزيت­هاي خاك­رس / پليمر، به صنايع نوشيدني‌ها نيز راه يافته‌اند. Alcos CSZ نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / پليمر چندلايه را در کاربردهاي جديد خود (بعنوان مواد خطي – سدي) (barrier liner materials) بکار مي‌برد. شرکت Honey well محصولات نانوکامپوزيت خاك­رس / پليمري Aegis TM NC resin را در بسته‌بندي نوشيدني‌ها بکار مي‌برد و اخيراً شرکت‌هاي Mitsubishi Gas Chemical و Nano car ، نانوکامپوزيتهاي Nylon-MXD6 را براي ساخت بطري‌هاي چند لايه (polyethylene terephtalate) PET ساخته است. تاريخچه نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / پليمر اگرچه تحقيقات در مورد ترکيب خاك­رس/ پليمر به قبل از 1980 برمي‌گردد، ولي کارهايي که در آن زمان صورت گرفت را نبايد در تاريخچه نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / پليمر به حساب آورد، چرا که هيچگاه به نتيجه چشمگيري براي بهبود خواص فيزيکي و مهندس آنها ختم نشد. در حقيقت مي‌توان منشاء نانوتکنولوژي خاك­رس / پليمر را کارهاي شرکت تويوتا که تلاش براي لايه‌لايه کردن دانه‌هاي رسي در نايلون6 شروع شد، دانست. آنها فاش ساختند که توانسته‌اند بهبود قابل توجهي در خواص پليمرها، با تقويتشان بوسيله خاک رس در مقياس نانومتر، ايجاد کنند. از آن موقع به بعد تحقيقات وسيعي در اين زمينه در سطح جهان انجام شده است. در حال حاضر اين بهبودها به ساير پليمرهاي مهندسي از جمله پلي­پروپيلن (PP) ، پلي­اتيلن، پلي­استايرن، پلي­وينيل کلريد،­ آکريلونيتريل، پليمرهاي بوتا اي ان اسنايرن (ABS) ، پلي­متيل متاکريلات، PET ، کوپليمرهاي اتيلن سوينيل استات، پلي­اکريلونيتريل، پلي­کربنات، پلي­اتيلن اکسيد (PEO) ، اپوکسي رزين، پلي­اميد، پلي­لاکتيد، پلي­کاپرولاکتون، فنوليک رزين، پلي­پي­فنيلن وينيلن، پلي­پيرول، لاستيک، استارک (آهار)، پلي­اوراتان، پلي­وينيل پيريدين، سرايت کرده. تکنولوژي ساخت نانوکامپوزيت­هاي خاک­رس / پليمر مرحله نهايي در ساخت نانوکامپوزيت­هاي خاك­رس / پليمر، جدا جدا کردن لايه‌هاي رسي و پخش آن در پليمر مي‌باشد. استراتژي کار بستگي دارد به سازگاري و همگون بودن رس و پليمري که استفاده مي‌شود. اين تعيين مي‌کند که آيا نياز به عمليات مقدماتي روي خاك­رس يا پليمر قبل از مخلوط کردن هست يا نه. اگر سطح لايه‌هاي سيليکاتي با پليمر، سازگار و همگون باشد، اختلاط مستقيم بين اين دو مي‌تواند اتفاق بيفتد، بدون اينکه نياز به عمليات مقدماتي باشد. چنين مواردي بيشتر وقتي اتفاق مي‌افتد که پليمر قابل حل در آب، مانند PEO يا PVP استفاده کنيم، چرا که اين پليمرها و سطح لايه‌هاي سيليکات، هر دو آبدوست هستند و نيروهاي دوقطبي يا وان‌دروالسي بين لايه‌هاي سيليکات، باعث سهولت جذب مولکولهاي آبدوست و ايجاد فشارهاي عمودي روي لايه مي‌شود که در نتيجه باعث جداکردن تک‌تک لايه‌هاي رسي در اين پليمرها مي‌گردد. اما به هر حال، بيشتر پليمرها آب گريز و در نتيجه با دانه‌هاي رسي آبدوست، ناسازگار هستند. در اين موارد نياز به يکسري عمليات مقدماتي روي خاک­رس يا پليمر داريم. پرکاربردترين روش‌هاي براي اصلاح دانه‌هاي رسي، استفاده از آمينواسيدها، نمکهاي آمونيم آلي و يا فسفونيم تترا ارگانيک‌هاست تا سطح آبدوست رس‌ها را به آب گريز تبديل کنيم. دانه‌هاي رسي که به اين روش اصلاح مي‌شوند، ارگانوکلي ناميده مي‌شوند. در مورد پليمرهايي که فاقد هرگونه گروه عاملي مي‌باشند، مانند پلي­پروپيلن (PP) ، معمولاً از تکنيک­هاي افزودن گروه عاملي قطبي روي زنجيره پليمري استفاده مي‌شود و يا اينکه در طي فرآيند ساخت، پليمرهاي پيوند خورده را بصورت مستقيم وارد مي‌کنند. مثلاً در نانوکامپوزيت­هاي رسي / پلي­پروپيلن (clay PP) از مالئيک اسيد پيوند خورده به پلي­­پروپيلن، بصورت مستقيم استفاده شده است. در طي پيشرفتهاي اخير، از مخلوطي که پلي پروپيلن، پروپيلن پيوند خورده با مالئيک ايندريد و ارگانوکلي استفاده شده است. روشهاي زيادي در توليد نانوکامپوزيتها استفاده شده، ولي سه روشي که از ابتداي کار توسعه بيشتري يافته‌اند عباراند از: پليمريزاسيون insitu ، ترکيب محلول القاشدن و فرآيند ذوبي . روش اينسيتو عبارت است از وارد نمودن يک پيش ماده پليمري بين لايه‌هاي رسي و آنگاه پهن کردن و سپس پاشيدن لايه‌هاي رسي درون ماده زمينه (matrix) با پليمريزاسيون. ابتکار اين روش بوسيله گروه تحقيقاتي شرکت تويوتا بود و زماني رخ داد که مي‌خواستند نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / پليمر6 را بسازند. اين روش قابليت و توانايي توليد نانوکامپوزيتهايي با لايه لايه شدگي خوب را دارد و در محدوده وسيعي از سيستم­هاي پليمري، کاربرد دارد. اين روش براي کارخانه‌هاي پليمر خام مناسب است تا در فرآيندهاي سنتزي پليمر، نانوکامپوزيت‌هاي رسي / پليمر بسازند و مخصوصاً براي پليمرهاي ترموستينگ (پليمرهايي که در برابر گرما مستحکم‌تر مي‌شوند) بسيار مفيد است. روش ترکيب محلول القا شده (solution induced interceletion) از يک حلال براي بارگيري و پخش رس‌ها در محلول پليمري استفاده مي‌شود. اين روش هنوز مشکلات و موانع زيادي را در راه توليد تجاري نانوکامپوزيت‌ها پيش رو دارد. قيمت بالاي حلالهاي مورد نياز و همچنين مشکل جداسازي فاز حلال از فاز محلول توليد شده، از جمله اين موانع هستند. همينطور در اين روش، نگرانيهايي از نظر امنيت و سلامتي وجود دارد . با اين وجود اين روش در مورد پليمرهاي محلول در آب قابل اجرا و مقرون به صرفه است، بخاطر قيمت پايين آب که بعنوان حلال استفاده مي‌شود و همچنين امنيت بيشتر و خطر کمتر آن براي سلامتي. در روش فرآيند ذوبي، ترکيب خاك­رس و پليمر در حين ذوب شدن انجام مي‌شود. بازده و کارآيي اين روش به اندازه روش اينسيتو نيست و کامپوزيتهاي توليد شده، ورقه‌ورقه شدگي کمي دارند. به هر حال اين روش مي‌تواند در صنايع توليد پليمر قديمي که در آنها از روشهاي قديمي مانند قالبگيري و تزريق (Extrution and injection molding) استفاده مي‌شود، بکار رود و اتفاقاً نقش مهمي در افزايش سرعت پيشرفت توليد تجاري نانوکامپوزيت‌هاي رس / پليمر ايفا کرده است. علاوه بر اين سه روش با روش‌هاي ديگر نيز در حال توسعه هستند که عبارتند از: ترکيب جامد، کوولکانيزاسيون و روش سل-ژل. اين روشها بعضاً در مراحل ابتدايي توسعه هستند و هنوز کاربرد وسيع پيدا نکرده‌اند. رقابت نانوکامپوزيت­هاي خاک­رس / پليمر با کامپوزيتهاي اليافي با پيدا شدن سروکله تکنولوژي نانوکامپوزيت، جهشي در زمينه تقويت پليمرها بوجود آمده، و معقول به نظر مي‌رسد که فکر کنيم نانوکامپوزيت­هاي خاك­رس / پليمر، بتوانند جاي کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف مرسوم را بگيرند. از نظر تئوري، تقويت پليمرها در مقياس نانويي، امتيازات برتري نسبت به کامپوزيتهاي تقويت­شده با الياف دارند. ضعف کامپوزيت­هاي تقويت شده با الياف، در واقع يک شکست در راه استفاده مفيد از خواص ذاتي و طبيعي مواد است. مثلاً سعي مي‌کنيم که با بکارگيري پيوندهاي قوي کووالانسي و استفاده از صفحه‌هاي آروماتيک ساختار گرافيتي، مواد کربني را مستحکم‌تر کنيم. در حاليکه الياف کربني که امروزه استفاده مي‌شود، تنها 3 تا 4 درصد استحکام نظري صفحات آروماتيک را به دست مي‌دهند. عدم اتصال داخلي بين صفحات آروماتيک در ساختار الياف کربني، مانع دستيابي به استحکام مطلوب مواد مي‌شود، در حاليکه اين مشکل در مورد نانوکامپوزيتهاي تقويت­شده با پرکننده‌هاي لايه‌اي وجود ندارد. هنگاميکه از پرکننده‌هاي لايه‌اي و ورقه‌اي در زمينه پليمري استفاده مي‌شود، اتصالات و پيوندهاي داخلي بوجود آيد و بنابراين حداکثر استفاده از خواص ذاتي و طبيعي لايه‌هاي منفرد مي‌شود. در حقيقت خواص مکانيکي بدست آمده، در بهترين نانوکامپوزيت‌هاي خاك­رس / پليمر بسيار کمتر از کامپوزيتهايي است که از درصد بالايي الياف، براي تقويت استفاده مي‌کنند. در حال حاضر بيشترين پيشرفتها و بهبودها در خواص مکانيکي نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / نايلون6 بدست آمده که در آنها 4 درصد وزني از خاك­رس بارگذاري شده است. شکل 2 ضريب و قدرت کشساني اين نانوکامپوزيت را با نايلون 60 و نايلون 60 تقويت شده با 48 درصد وزني، الياف خرده شيشه‌اي نشان مي‌دهد. مشاهده مي‌شود که بهترين نانوکامپوزيت خاك­رس / پليمري، هنگاميکه حجم بالايي از جز را تقويت‌کننده اليافي مطرح باشد، نمي‌تواند با کامپوزيتهاي اليافي همساني و رقابت کند. به منظور دستيابي به خواص مکانيکي بهتر عناصر تقويت‌کننده بيشتري در نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / پليمر مورد نياز است، در حاليکه چنين کاري غيرممکن است. زيرا هنگاميکه عمل لايه لايه شدن اتفاق مي‌افتد، سطح تماس لايه‌هاي رسي صدها و بلکه هزاران برابر مي‌شود و اين باعث مي‌شود که مولکولهاي پليمر کاني، براي خيس کردن تمام سطح تقويت‌کننده‌هاي رسي نداشته باشيم. شکل 2 در هر حال، هنگاميکه بحث استفاده از درصد پايين پرکننده مطرح باشد، در اين حالت نانوکامپوزيت‌هاي خاك­رس / پليمر را با کامپوزيتهاي تقويت شده بوسيله الياف، مقايسه کنيم، مي‌بينيم که نانوکامپوزيتها تقويت بهتري را نسبت به کامپوزيتهاي اليافي مرسوم، نشان مي‌دهند. اطلاعات بدست آمده بوسيله تحقيقات Fornes و Panl در مورد ضريب يانگ نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / نايلون6 و کامپوزيت­هاي نايلون6 تقويت شده با الياف شيشه‌اي در محدوده استفاده از 10 درصد وزني پرکننده، در شکل 3 رسم شده است. مي‌توان مشاهده نمود که نانوکامپوزيتها کارآيي بيشتري را در بهبود ضريب يانگ نسبت به کامپوزيتهاي اليافي نشان مي‌دهند. شکل 3 از مقايسه بالا مشهود مي‌گردد نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / پليمر در محدوده بارگذاري درصد پايين از الياف، امتيازاتي نسبت به کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف دارند و مطمئناً بازار کامپوزيتهاي اليافي مرسوم با حجم پايين از جزء اليافي، با پيشرفت نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / پليمري تحت تاثير قرار خواهد گرفت، ولي فعلاً تابحال، پيشرفت در نانوکامپوزيت­ها تاثير کمي روي بازار کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف گذاشته است. مشكلات توسعه نانوکامپوزيت­هاي خاک­رس / پليمر علاوه بر پرکننده‌ها، عمده مشکلات پيش­روي پيشرفت نانوتکنولوژي خاك­رس / پليمر عبارتنداز: عدم شناخت مکانيزمهاي موثر در افزايش کارايي، به کاربردي پليمرهاي ترموستينگ و عدم پايداري ارگانوکلي‌ها در برابر حرارت. اگرچه مدل‌سازي‌هاي زيادي در جهت پيشبرد درک از مکانيزم افزايش کارايي عمده خواص فيزيکي و مهندسي در استفاده از نانوکامپوزيت‌هاي خاك­رس / پليمر انجام شده، ولي هنوز مسافت زيادي را پيش­رو داريم. به­عنوان مثال، هنوز خواص فيزيکي مهندسي لايه‌هاي منفرد سيليکات، دقيقا شناخته نشده‌اند. از اين رو مشکل است که يک مکانيزم تقويت‌کننده ايجاد کنيم، و از طرفي، ساختار ذغال باقيمانده ناشي از احتراق نانوکامپوزيت خاك­رس / پليمر هنوز روشن نيست. بدون آن ممکن نيست مکانيزمي براي ايجاد مقاومت در برابر آتش، براي آن طراحي کنيم. مدل‌سازيها و تحقيقات تجربي اساسي، بايد در جهتي هدايت شود که در آينده اين موانع برطرف شوند. به کاربردن پليمرهاي ترموستينگ، مشکل عمده ديگري در توسعه نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / پليمر مي‌باشد. ترکيب خاک­رس با يک پيش ماده پليمر ترموستينگ مي‌تواند عامليت يک پليمر را تغيير دهد. تغيير در عامليت بر ميزان اتصالات عرضي تاثير مي‌گذارد و بخوبي مشخص است که عمده خواص مهندسي پليمر‌هاي ترموستينگ، تابعي از ميزان تعداد اتصالات عرضي است. با اين وجود گزارش‌هايي هم وجود داشته مبني بر بهبود خواص مکانيکي سيستمهاي پليمري تروستينگي که ميزان اتصالات عرضي آن پايين بوده است، از جمله اپوکسي رزين با T g پايين و پلي اوراتان‌ها. آخرين مسئله مستقيماً بر مي‌گردد به نگراني در مورد تجاري‌سازي نانوتکنولوژي خاك­رس / پليمر، کمبود ارگانوکلي‌هاي پايدار در برابر گرما و نيز از نظر تجاري در دسترس، از موانع ثبت شده در اين مسير هستند. بيشتر ارگانوکلي‌هاي در دسترس، از جايگزيني کاتيون فلزي درون ساختار رس، با نمکهاي آمونياک آلي تهيه مي‌شوند. اين نمکهاي آمونيم در مقابل گرما ناپايدارند و حتي در دماهاي کمتر از 170 درجه سانتيگراد از بين مي‌روند. مسلماً چنين مواد فعال سطعي (سورفکتنت) براي بيشتر پلاستيکهاي مهندسي هنگاميکه از تکنولوژي فرآيند ذوب شدن براي ساختن نانوکامپوزيت‌ها استفاده شود، صاحب نيستند و ساخت نانوکامپوزيتهايي که در آن از ارگانوکلي‌هاي اصلاح شده بوسيله نمکهاي آمونيم بکار رفته، با استفاده از تکنيک‌هاي ديگر، به يک معضل تبديل شده است. اگرچه تعداد زيادي سورفکتنت پايدار در برابر گرما، مثل فسفونيم شناخته شده‌اند، ولي اين سورفکتنت‌ها براي کاربرد تجاري، مقرون به صرفه نيستند. نوآوري‌هايي در جهت اصلاح رس‌هاي آبدوست با استفاده از پليمرها و اليکومرهاي چند عاملي انجام شده تا ارگانوکلي‌هاي پايدار در برابر گرما براي توليد نانوکامپوزيتهاي رس / پليمر بسازند. خلاصه و نتيجه‌گيري: پيشرفت‌هاي عمده در توسعه نانوکامپوزيت­هاي خاك­رس / پليمر به پانزده ساله اخير بر مي‌گردد و مزيتها و محدوديتهاي اين تکنولوژي روشن شده است. با اين حال، تا شناخت مکانيزم‌هاي افزايش کارايي و بهبود خواص مهندسي آنها و اينکه بتوانيم ريزساختارهاي آنها را سازماندهي و چينش کنيم تا به خواص مهندسي ويژه دست پيداي کنيم، راه طولاني در پيش رو داريم. در مواقعي که از درصد پايين پرکننده استفاده شود، نانوکامپوزيتهاي خاك­رس / پليمر اين پتانسيل را دارند تا جايگزين کامپوزيتهاي مرسوم تقويت شده با الياف شوند.

تاكنون در دنیا در صنایع پلیمری تحقیقات بسیار زیادی انجام شده است. از جمله آنها تحقیقات در زمینه فناوری نانو در صنعت لاستیك است. موارد استفاده از فناوری نانو اعم از نانوفیلرها و نانوكامپوزیت است كه به لاستیكها خواص ویژه ای می دهد. بازار نانوكامپوزیت در 2005 به میزان 200 میلیون یورو و در سال 2015 بر اساس آمارBSF به میزان 1200 میلیون یورو پیش بینی شده است. در سال 2002 كشوری مثل ژاپن 1500 میلیون یورو در تحقیقات در زمینه فناوری نانو صرف كرده است. تحقیقات در زمینه فناوری نانو را بدون شك نمی توانیم رها كنیم. اكثر كشورهای دنیا تحقیقات و فعالیت در زمینه نانو را شروع كرده است، به عنوان مثال كشور هند تولید نانوكامپوزیت SBR را شروع كرده است. همچنین صنایع خودرو در دنیا به سمت استفاده از نانو( PP نانوپلی پروپیلن) سوق پیدا كرده است و علت اصلی آن خواص مناسب از جمله سبكی، مقاومت حرارتی و مقاومت ضربه اینگونه مواد است. بنابراین رسیدن به خواص مطلوب ضرورت توجه به آن را بیش از هرچیز دیگر برای ما نمایان می سازد. مقدمه (کاربردهای فناوری نانو در صنعت لاستیک): با توجه به تحقیقات به عمل آمده چهار ماده نانومتری هستند كه كاربرد فراوانی در صنعت لاستیك سازی پیدا كرده اند. چهار ماده موردنظر عبارتنداز : اكسیدروی نانومتری(NanoZnO)، نانوكربنات كلسیم، الماس نانومتری، ذرات نانومتری خاك رس با اضافه كردن این مواد به تركیبات لاستیك، به دلیل پیوندهایی كه در مقیاس اتمی بین این مواد و تركیبات لاستیك صورت می گیرد، علاوه بر این كه خواص فیزیكی آنها بهبود می یابد، می توان به افزایش مقاومت سایش، افزایش استحكام، بهبود خاصیت مكانیكی، افزایش حد پارگی و حد شكستگی اشاره كرد.در زیبایی ظاهری لاستیك نیز تاثیر گذاشته و باعث طافت، همواری، صافی و ظرافت شكل ظاهری لاستیك می گردد. همه اینها به نوبه خود باعث می شود كه محصولات نهایی، مرغوبتر، با كیفیت بالا، زیبایی و در نهایت بازارپسند باشند و توانایی رقابت در بازارهای داخلی و جهانی را داشته باشند. كاربرد اكسیدروی نانومتری (NanoZnO) درلاستیك: اكسیدروی نانومتری مادهای غیرآلی و فعال است كه كاربرد گسترده ای در صنعت لاستیك سازی دارد.كوچكی كریستالها و خاصیت غیرچسبندگی آنها باعث شده كه اكسیدروی نانومتری به صورت پودرهای زردرنگ كروی و متخلخل باشد. از خصوصیات استفاده از این تكنولوژی در صنعت لاستیك، می توان به پایین آمدن هزینه ها، بازدهی بالا، ولكانیزاسیون(Volcanization) خیلی سریع و هوشمند و دامنه دمایی گسترده اشاره كرد. اثرات سطحی و فعالیت بالای اكسیدروی نانومتری ناشی از اندازة بسیار كوچك، سطح موثر خیلی زیاد وكشسانی خوب آن است. استفاده از اكسید روی نانومتری در لاستیك باعث بهبود خواص آن میشود از جمله میتوان به زیبایی و ظرافت بخشیدن به آن، صافی و همواری شكل ظاهری، افزایش استحكام مكانیكی لاستیك، افزایش مقاومت سایشی (خاصیت ضد اصطكاكی و سایش)، پایداری دمایی بالا، طول عمر زیاد و همچنین افزایش حد پارگی تركیبات لاستیك اشاره كرد كه همگی اینها بصورت تجربی ثابت شده است. براساس نتایج بدست آمده میتوان نتیجه گرفت بهبود یافتن خواص فیزیكی لاستیك در اثر اضافه شدن ZnO ناشی از پیوند ساختار نانومتری اكسید روی با مولكولهای لاستیك است كه در مقیاس اتمی صورت می گیرد. اكسید روی نانومتری در مقایسه با اكسید روی معمولی دارای اندازة بسیار كوچك ولی در عوض دارای سطح موثر بسیار زیادی می باشد. از لحاظ شیمیایی بسیار فعال و همچنین به دلیل اینكه پیوندهای بین اكسیدروی نانومتری و لاستیك در مقیاس مولكولی انجام می گیرد، استفاده از اكسیدروی نانومتری خواص فیزیكی و خواص مكانیكی از قبیل حد پارگی، مقاومت سایشی و ... تركیبات لاستیك را بهبود می بخشد. كاربرد نانوكربنات كلسیم در لاستیك: نانوكربنات كلسیم به طور گسترده ای در صنایع لاسیتك به كار می رود، زیرا اثرات خیلی خوبی نسبت به كربنات معمولی بر روی خواص و كیفیت لاستیك دارد. استفاده از نانوكربنات كلسیم در صنایع لاستیك باعث بهبود كیفیت و خواص تركیبات لاستیك می شود. از جمله مزایای استفاده از نانوكربنات كلسیم می توان به توانایی تولید در مقیاس زیاد، افزایش استحكام لاستیك، بهبود بخشیدن خواص مكانیكی )افزایش استحكام مكانیكی) و انعطاف پذیر شدن تركیبات لاستیك اشاره كرد. همچنین علاوه بر بهبود خواص فیزیكی، تركیبات لاستیك در شكل ظاهری آنها نیز تاثیر می گذارد و به آنها زیبایی و ظرافت می بخشد كه این خود در مرغوبیت كالا و بازارپسند بودن آن تاثیر بسزایی دارد. نانوكربنات كلسیم سبك بیشتر در پلاستیك و پوشش دهی لاستیك به كار میرود. برای به دست آوردن مزایای ذكر شده، نانوكربنات كلسیم به لاستیكهای طیعی و مصنوعی از قبیلNP، EPDM ،SBS ،BR ،SBR اضافه گردد. نتایج به دست آمده نشان می دهد كه استحكام لاستیك بسیار بالا می رود. استحكام بخشی نانوكربنات كلسیم برخواسته از پیچیدگی فیزیكی ناشی از پیوستگی در پلیمرهای آن و واكنشهای شیمیایی ناشی از سطح تعمیم یافته آن است. نانوكربنات كلسیم سختی لاستیك و حد گسیختگی پلیمرهای لاستیك را افزایش داده و حداكثر توانی كه لاستیك می تواند تحمل كند تا پاره شود را بهبود می بخشد. همچنین مقاومت لاستیك را در برابر سایش افزایش می دهد. به كار بردن نانوكربنات كلسیم هزینه ها را پایین می آورد و سود زیادی را به همراه دارد و همچنین باعث به روز شدن تكنولوژی و توانائی رقابت در عرصه جهانی می گردد. به طور كلی نانوكربنات كلسیم در موارد زیادی به طور كلی یا جرئی به تركیبات لاستیك جهت افزایش استحكام آنها افزوده می شود. كاربرد ساختارهای نانومتری الماس در لاستیك: الماس نانومتری به طور گسترده ای در كامپوزیت ها و از جمله لاستیك در مواد ضد اصطكاك، مواد لیزكننده به كار می رود. این ساختارهای نانومتری الماس از روش احتراق تولید می شوند كه دارای خواص برجسته ای هستند از جمله می توان به موارد زیر اشاره كرد: 1) ساختار كریستالی( بلوری) 2) سطح شیمیایی كاملا ناپایدار 3) شكل كاملا كروی 4) ساختمان شیمیایی بسیار محكم 5) فعالیت جذب سطحی بسیار بالا در روسیه، الماس نانومتری با درصدهای مختلف به لاستیك طبیعی ، Poly Soprene Rubber و FluorineRubber برای ساخت لاستیك هایی كه در صنعت كاربرد دارند از قبیل كاربرد در تایر اتومبیل، لوله های انتقال آب و ... مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج به دست آمده نشان می دهد كه با اضافه كردن ساختارهای نانومتری الماس به لاستیك ها خواص آنها به شكل قابل توجهی بهبود می یابد از جمله می توان به : 1) 4 الی 5 برابر شدن خاصیت انعطاف پذیری لاستیك 2) افزیش 2 الی 5/2 برابری درجه استحكام 3) افزایش حد شكستگی تا حدود 2 Kg/cm700-620 4) 3 برابر شدن قدرت بریده شدن آنها و همچنین به اندازة خیلی زیادی خاصیت ضدپارگی آنها در دمای بالا و پایین بهبود می یابد. كاربرد ذرات نانومتری خاك رس در لاستیك : یكی از مواد نانومتری كه كاربردهای تجاری گسترده ای در صنعت لاستیك پیدا كرده است و اكنون شركت های بزرگ لاستیك سازی بطور گسترده ای از آن در محصولات خود استفاده می كنند، ذرات نانومتری خاك رس است كه با افزودن آن به لاستیك خواص آن بطور قابل ملاحظه ای بهبود پیدا می كند كه از جمله می توان به موارد زیر اشاره كرد : 1) افزایش مقاومت لاستیك در برابر سایش 2) افزایش استحكام مكانیكی 3) افزایش مقاومت گرمایی 4) كاهش قابلیت اشتعال 5) بهبود بخشیدن اعوجاج گرمایی ایده های مطرح شده: 1-7)افزایش دمای اشتعال لاستیك : تهیه نانوكامپوزیت الاستومرها از جملهSBR مقاوم، به عنوان مواد پایه در لاستیك سبب بهبود برخی خواص از جمله افزایش دمای اشتعال و استحكام مكانیكی بالامی شود و دلیل اصلی آن حذف مقدار زیادی از دوده است. 2-7)كاهش وزن لاستیك : تهیه و بهینه سازی نانوكامپوزیت الاستومرها با وزن كم از طریق جایگزین كردن این مواد با دوده در لاستیك، امكان حذف درصد قابل توجهی دوده توسط درصد بسیار كم از نانوفیلر وجود دارد. بطوریكه افزودن حدود 3 تا 5 درصد نانوفیلر می تواند استحكام مكانیكی معادل 40 تا 45 درصد دوده را ایجاد كند. بنابراین با افزودن 3 تا 5 درصد نانوفیلر به لاستیك، وزن آن به مقدار قابل توجهی كاهش می یابد. 3-7)افزایش مقاومت در مقابل نفوذپذیری گاز : نانوكامپوزیت الاستومرها بویژه EPDM بدلیل دارا بودن ضریب عبوردهی كم نسبت به گازها بویژه هوا می توانند در پوشش داخلی تایر و تیوب ها مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا یكی از ویژگیهای نانوكامپوزیت EPDM مقاومت بسیار بالای آن در برابر نفوذ و عبور گازها می باشد. بنابراین این نانوكامپوزیت ها می تواند جایگزین مواد امروزی گردد. همچنین این نانوكامپوزیت ها از جمله الاستومرهایی است كه می تواند در آلیاژهای مختلف با ترموپلاستیكها كاربردهای وسیعی را در صنعت خوردو داشته باشد. 4-7)قطعات لاستیكی خودرو : نانوكامپوزیت ترموپلاست الاستومرها می تواند به عنوان یك ماده پرمصرف در صنایع ساخت و تولید قطعات خوردو بكار رود. از ویژگی های این مواد، بالا بودن مدول بالا ، مقاومت حرارتی، پایداری ابعاد، وزن كم، مقاومت شعله می باشد. لذا نانوكامپوزیت ترموپلاستیك الاستومرهای پایهEPDM و PP می توانند تحول چشمگیری را در ساخت قطعات خوردو ایجاد نماید. 5-7)افزایش مقاومت سایشی لاستیك : استفاده از نانوسیلیكا و نانواكسیدروی در تركیبات تایر سبب تحول عظیمی در صنعت لاستیك می شود. بطوریكه با افزودن این مواد به لاستیك علاوه بر خواصی ویژه ای كه این مواد به لاستیك می دهند، امكان افزایش مقاومت سایشی این لاستیكها وجود دارد. 6-7)نسبت وزن تایر به عمر آن : با افزودن میزان مصرف یكی از نانوفیلرها می توان مصرف دوده را پایین آورد. به عبارت دیگر اگر وزن تایر كم شود، عمر لاستیك افزایش می یابد. بنابراین جهت بالا بردن عمرلاستیك كافی است با افزودن یك سری مواد نانومتری به لاستیك عمر آن را افزایش داد. دانشنامه مرجع مهندسی ایران[Hidden Content]

1- مقدمه فناوری نانو به عنوان یک فناوری نوظهور، ظرفیت و توانایی زیادی را برای متحول کردن ابزار و وسایل مورد استفاده‌ی بشر دارد. امروزه، کاربردهای فناوری نانو در علوم و فناوری‌های مختلف از تمام شاخه‌های علوم پزشکی، تغذیه و بهداشت گرفته تا کشاورزی و محیط زیست تا صنایع نساجی، ساخت و ساز، خودرو، حمل و نقل، ارتباطات، الکترونیک، صنایع نظامی و هوافضا مطرح می‌باشد. یافته‌های فناوری نانو به عنوان یک فناوری گسترده، ابتدا تنها در تعدادی کتاب و مقاله یافت می‌شد. اما به تدریج، و با افزایش رشد کتاب‌ها و مقالات علمی و رشد فزاینده‌ی دانش، عده‌ای با خلاقیت و نوآوری، و نیز شناخت فرصت‌های بازار، دست به ابداعاتی زدند؛ و نمونه‌های واقعی از مواد و وسایلی ساختند که قبلاً در بازار وجود نداشت. شناخت فرصت، کشف و بهره‌برداری از آن موجب رشد بیشتر این فناوری شد. این وسایل و مواد جدید با خصوصیات و ویژگی‌های جدید و شگفت‌انگیزی که داشتند به سرعت مورد توجه و علاقه‌ی مخاطبان و مصرف‌کنندگان قرار گرفتند. پژوهشگران فناوری نانو با مطالعه‌ی بازار، شناسایی و کشف فرصت‌های موجود و شناخت توانایی عظیم این فناوری، سال‌های بعد از سال 2000 را دوران رشد فزاینده‌ی محصولات مبتنی بر فناوری نانو برآورد کرده‌اند. میزان سرمایه‌گذاری‌های دولت‌ها و شرکت‌های بزرگ خصوصی در سال‌های اخیر نیز نشانی بر این مدعا است. صنایع نساجی از صنایعی است که از ابتدای طرح فناوری نانو مورد توجه بسیار و علاقه‌ی زیاد سرمایه‌گذاران قرار گرفت. اگر چه در آغاز، ایده‌های محصولات مبتنی بر فناوری نانو، فقط در خیال علاقه‌مندان و ذهن‌های خلاق قابل‌تصور بود، اما اکنون بسیاری از این ایده‌ها به مرحله‌ی تجاری‌سازی رسیده است و در بازار به فروش می‌رسد. ما در این مقاله به تعدادی از این محصولات اشاره می‌کنیم. اگر چه، شناخت کامل توسعه‌ی فناوری نانو در صنایع نساجی مستلزم تلاش و کنکاش بسیاری است. شما با نگاه کردن به پیرامونتان می‌توانید فرصت‌های بسیاری برای رشد این فناوری نوظهور در صنایع نساجی پیش‌بینی نمایید. 2- کاربرد نانوذرات نقره ذرات یون نقره در مقیاس نانو (نانوذرات نقره یا همان nano silver) خواص ضد عفونی‌کننده یا آنتی‌باکتریال دارند. البته، خواص ضد عفونی‌کنندگی نقره از گذشته نیز شناخته شده بود. مثلاً قرار دادن ظروف نقره‌ای بر روی جراحات زخمیان جنگ‌ها، یا نگه‌داری شیر و لبنیات در ظروف نقره‌ای از نمونه‌های خواص آنتی‌باکتریال نقره است که در زمان‌های گذشته نیز شناخته شده بود. اما کوچک شدن ذرات یون نقره موجب افزایش سطح نقره، و بنابراین افزایش واکنش‌پذیری آن می‌شود. پوشش دادن الیاف پارچه‌ها با نانوذرات نقره موجب ایجاد خواص ضد عفونی‌کنندگی در پارچه‌ها می‌شود. بدین ترتیب، باکتری‌ها و قارچ‌ها امکان رشد و تکثیر نمی‌یابند. این ویژگی، در مورد لباس‌ها و پوشش‌هایی که بیشتر در معرض عرق کردن هستند، مانند جوراب و کفش، موجب می‌شود که این لباس‌ها و پوشش‌ها، علی‌رغم عرق کردن، بو نگیرند. شکل 1. استفاده از نانوذرات نقره در تهیه‌ی جوراب‌های بدون بو هم اکنون چند شرکت ایرانی پارچه‌ها و لباس‌هایی تولید می‌کنند که با نانو ذرات نقره پوشش داده شده‌اند و خواص آنتی‌باکتریال دارند. 3- کاربرد نانوذرات اکسید سیلیکون سیلیس یا اکسید سیلیکون دارای خواص آب‌گریزی است. خاصیت آب‌گریزی موجب می‌شود که قطرات آب و برخی مایعات دیگر، از روی سطوحی که توسط این ماده پوشش داده شده، رانده می‌شود. این خاصیت به طور طبیعی در طبیعت نیز یافت می‌شود. لوتوس یا نیلوفر آبی، گیاهی است که برگ‌های آن به طور طبیعی، به دلیل ساختار نانومتری دارای خاصیت آب‌گریزی است و بنابراین، همواره خشک و تمیز می‌ماند (شکل 2). پوشش دادن الیاف پارچه‌ها و سطح لباس‌ها با نانو ذرات اکسید سیلیکون، موجب می‌شود که سطوح مورد نظر خواص آب‌گریزی بیایند. در این شرایط، قطرات آب یا مایعات دیگر از این سطوح رانده می‌شوند و توسط آن‌ها جذب نمی‌شوند. بنابراین، این سطوح همواره خشک هستند و ضمن این که تر نمی‌شوند، لک هم نمی‌شوند. شکل 2. برگ لوتوس (نیلوفر آبی) که به سبب خاصیت آب‌گریزی، همواره خشک و تمیز می‌ماند. هم اکنون شرکت‌هایی در کشورمان هستند که الیاف و پارچه با خواص آب‌گریزی تولید می‌کنند. اخیراً، یک شرکت ایرانی افشانه‌هایی تولید کرده که حاوی نانوذرات اکسید سیلیکون است. با افشردن این افشانه‌ها بر روی سطوح پارچه‌ها، این سطوح خاصیت آب‌گریزی می‌یابند. استفاده از این افشانه‌ها بر روی فرش‌های دست‌بافت، تابلو فرش‌های گران قیمت و مبل‌ها نیز می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد. 4- کاربرد نانوذرات رس نانوذرات رس جزء موادی است که به دلیل خواص جالب و شگفت‌انگیزی که داشت، از اوایل طرح فناوری نانو مورد توجه پژهشگران قرار گرفت. این نانوذرات در صنایع نساجی کاربردهایی دارند. یکی از این کاربردها، پوشش دادن الیاف پارچه‌ها و سطوح لباس‌ها با نانوذرات رس است. پوشش دادن پارچه‌ها با نانوذرات رس، موجب می‌شود که این پارچه‌ها در مقابل آتش بسیار مقاوم شوند و شعله‌ور نشوند. استفاده از این نانوذرات برای پوشش دادن لباس‌های آتش‌نشانان و افرادی که در معرض آتش قرار دارند به منظور کاهش خطر آتش‌سوزی می‌تواند بسیار مفید باشد. هم اکنون شرکت‌های ایرانی‌ای هستند که توانایی پوشش دادن الیاف پارچه‌ها را با نانوذرات رس دارند. 5- جمع‌بندی کاربردهای فناوری نانو در صنایع نساجی محدود به موارد گفته شده در این مقاله نیست. ما در این مقاله فقط به بخشی از کاربردهای فناوری نانو در صنایع نساجی اشاره کردیم. فناوری نانو با توانایی عظیم و ظرفیت بزرگی که در شکل‌دهی مواد با خواص جدید دارد، می‌تواند بستر رشد و جهش عظیمی را در صنایع نساجی فراهم آورد. ویراستار: مریم ملک‌دار منبع باشگاه نانو