مقدمه‌اي بر جايگاه فناوري نانو در صنايع پليمري و صنعت لاستيك

[محمــد 4,415]

خلاصه :

هسته و تعريف اوليه فناوري نانو، مونتاژ اتم‌ها بود كه اولين منبع ثبت شده مـربـوط بـه آن را در سـال 1959 فيـزيكدانـي بـه نام ريچـارد فيـنمن به چاپ رسانده است. فناوري نانو يك فناوري معكوس (پايين به بالا) است كه اجزاي مواد را در ساختار بسيار كوچك كنار هم گذاشته و ساختاري متفاوت از مواد متداول توليد شده به روش بالا به پايين ايجاد مي‌كند. بنابراين مواد توليد شده به اين روش نقايص كمتر و كيفيت بالاتري دارند.

هسته و تعريف اوليه فناوري نانو، مونتاژ اتم‌ها بود كه اولين منبع ثبت شده مـربـوط بـه آن را در سـال 1959 فيـزيكدانـي بـه نام ريچـارد فيـنمن به چاپ رسانده است. فناوري نانو يك فناوري معكوس (پايين به بالا) است كه اجزاي مواد را در ساختار بسيار كوچك كنار هم گذاشته و ساختاري متفاوت از مواد متداول توليد شده به روش بالا به پايين ايجاد مي‌كند. بنابراين مواد توليد شده به اين روش نقايص كمتر و كيفيت بالاتري دارند.

نانوكامپوزيت‌هاي پليمري در بيست سال اخير در مجامع علمي و صنعتي مورد توجه قرار گرفته‌اند. به عنوان مثال تنها در آمريكا در سال 1997، 116 ميليون دلار براي تحقيق در اين زمينه هزينه شده است كه در سال 2004 اين رقم به 961 ميليون دلار رسيده است يعني در هفت سال تقريباً 9 برابر شده است. شركت Business communications Co. Inc. (BCC) در يك بررسي اقتصادي نشان داده است كه بازار نانوکامپوزيت‌هاي پليمري در سال 2003،24.5 ميليون پوند به ارزش 90.8 ميليون دلار بوده است و پيش بيني مي‌شود كه اين رقم با رشد متوسط 18.4 درصد در سال 2008 به 211.1 ميليون دلار برسد. حتي پيش‌بيني شده است كه اگر پيشرفت فناوري نانو با موارد فني همگام روبه‌رو شود در بعضي از كاربردها اين بازار با سرعت بيش‌ از 20 درصد در سال رشد كند.

نانوکامپوزيت‌هاي پليمري جايگزيني قوي براي پليمرهاي پرشده (حاوي پركننده) يا آلياژهاي پليمري متداول هستند. بر خلاف كامپوزيت‌هاي متداول كه تقويت در آنها در ابعاد ميكرون روي مي‌دهد، در نانوکامپوزيت‌ها اين ابعاد به چند نانومتر مي‌رسد. ارزش افزوده نانوکامپوزيت‌هاي پليمري تنها بر اساس بهبود خواص مكانيكي پليمر‌ها يا جايگزيني پركننده‌هاي متداول‌ نيست بلكه پركننده‌هاي نانو در مقادير بسيار كم، خواص ويژه‌اي را بدون ايجاد تغيير زياد در خواص مكانيكي يا فرآيند‌پذيري، در پليمرها ايجاد مي‌كنند كه پليمر اوليه فاقد آن است، متداول‌ترين پركننده‌هاي نانو در پليمرها، سيليكات‌هاي لايه‌اي نانو و نانولوله‌هاي كربني هستند.

پركننده‌هاي لايه‌اي نانو سيليكا

سيليكات‌هايي كه در ساخت نانوکامپوزيت‌ها به كار مي‌روند، ساختاري لايه‌اي با ضخامت حدود يك نانو متر دارند كه طول آنها متغير است و به چند ميكرون هم مي‌رسد. بنابراين نسبت منظر (نسبت طول به ضخامت) آن بسيار بالا و بيشتر از هزار است. اين لايه‌ها توده‌اي تشكيل مي‌دهند كه در بين آن فاصله‌هايي وجود دارد كه از اين پس آنها را با نام بين‌لايه‌ها (interlayer) خواهيم شناخت.

با جايگزيني ايزومورفيك بين لايه‌ها (جايگزيني Mg+2 با Al+3) يك بار منفي ايجاد مي‌شود كه ساختار آلكالي يا آلكالين كاتيون‌هاي معدني درون بين لايه‌ها را موازنـه مـي‌كند. سطح كاتيـون‌ها مانند يـون‌هاي توده‌اي (bulky) آلكيل آمونيوم، فاصله بين لايه‌ها را افزايش داده و انرژي سطحي پركننده را كاهش مي‌دهد. بنابراين اين پركننده‌هاي اصلاح شده كه به رس آلي(OrganoClay) معروفند، با پليمرها سازگارترند و نانوکامپوزيت‌هاي لايه‌اي با سـيـليــكـا شــكل مـي‌گـيـرد. مـونـت‌مـوريـلـونـيـت (montmorillonite)، هكتوريت (hectorite) و ساپونيت (saponite) متداول‌ترين پركننده‌هاي سيليكايي لايه‌اي هستند.

روش‌هاي ساخت نانوکامپوزيت‌ها

از آنجا كه در صنايع پليمري نانوسيليكات‌ها، متداول‌تر از بقيه مواد نانو هستند از اين پس بيشتر به اين مواد خواهيم پرداخت. روش‌هاي مختلفي براي ساخت نانوکامپوزيت‌هاي سيليكات‌هاي لايه‌اي به كار رفته است.اما سه روش، استفاده بيشتري دارند.

1- پليمريزاسيون درجا insitu-polymerization)):

اين روش براي اولين بار در تهيه مواد پليمري حاوي نانوکلي(clay) بر پايه پلي‌آميد-6 به كار رفته است. در اين روش سيليكاهاي لايه‌اي به وسيله مونومر مايع يا محلول مونومر، متورم مي‌شود، سپس مونومرها به درون لايه‌ها سيليكات نفوذ كرده و پليمريزاسيون در بين لايه‌ها اتفاق مي‌افتد.

2- روش محلولي:

اين روش مشـابه روش قبـلي است. ابـتـدا رس آلي در يك حلال قطبي مانند تولوئن يا NَN,- دي متيل فرماميد متورم شده، سپس پليمر حل شده در حلال به محلول قبلي افزوده شده و بين لايه‌ها جاي مي‌گيرد. مرحله نهايي كار، تبخير حلال است كه معمولاً در خلا اتفاق مي‌افتد. مزيت اين روش اين است كه براي همه مواد پليمري قابل اجراست اما اشكال عمده آن غير قابل اجرا بودن آن در مقياس صنعتي مي‌باشد.

3- روش اختلاط مذاب:

در اين روش پليمر مذاب كه داراي ويسـكوزيـتـه پاييـني است با پركننـده نـانوکليِ(clay) آميخته مي‌شود. در اين روش به دليل افزايش بي‌نظمي، پليمر به داخل لايه‌هاي كلي(clay) نفوذ مي‌كند(شكل1). اين روش، به دليل پتانسيل بالايي كه براي اجرا در مقياس صنعتي دارد به شدت مورد توجه قرار گرفته است و نانوکامپوزيت‌هاي كلي(clay) بسيار زيادي به روش اكستروژن توليد شده است. تعداد زيادي از ترموپلاستيك‌هاي قطبي مانند پلي‌آميد-6، اتيل وينيل استات و پلي استايرن به اين روش درون لايه‌هاي سيليكاتي نفوذ كرده‌‌اند اما در مورد پلي اولفين‌ها كه مصرف بسيار زيادي نيز دارند اين فرآيند موفق نبوده است. اجراي اين روش در لاستيك‌ها به دليل ويسكوزيته بسيار زياد و پديده‌هاي الاستيك با موانع زيادي روبرو است و همين امر دليل عدم پيشرفت قابل توجه نانوکامپوزيت‌هاي الاستومري در مقايسه با پلاستيك‌ها است.

شكل1- روش ساخت نانو كامپوزيت‌هاي كلي(clay) به ساختار نانوکامپوزيت‌هاي كلي(clay)

بسته به طبيعت اجزاي يك نانوکامپوزيت مانند نوع پليمر، ماتريس و سيليكات لايه‌اي يا كاتيون آلي بين لايه‌هاي سيليكاتي سه ساختار در نانوکامپوزيت‌ها ممكن است ايجاد شود (شكل 2):

1- ساختار فاز‌هاي جدا:

اگر پليمر نتواند بين لايه‌هاي سيليكاتي نفوذ كند يك ميكروكامپوزيت توليد مي‌شود كه مانند كامپوزيت‌هاي متداول بوده و امكان جدايي فازي در آن وجود دارد. به جز اين نوع متداول كامپوزيت‌ها، امكان ايجاد دو ساختار ديگر وجود دارد.

 

شكل2- ساختار نانو كامپوزيت‌هاي كلي(clay) 2- ساختار لايه لايه(Intercalated structures):

اين ساختار با نفوذ يك يا چند زنجير پليمري به درون لايه‌هاي سيليكا و ايجاد ساختار ساندويچي حاصل مي‌شود.

3- ساختار پراكنده يا پخش شده exfoliated ordelaminated structure)) :

اين ساختار وقتي حاصل مي‌شود كه لايه‌هاي پركننده سيليكاتي به طور همگن و يكنواخت در بستر پليمري توزيع شده باشند. اين ساختار لايه‌هاي كاملاً جدا شده از اهميت بسيار ويژه‌اي برخوردار است زيرا بر همكنش لايه‌هاي كلي(clay) و پليمر را به حداكثر رسانده و تغييرات بسيار مشهودي را در خواص فيزيكي مكانيكي پليمر ايجاد مي‌كند. 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 پذيري (barrier) 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 مي‌باشد. نانوکامپوزيت‌هاي مورد استفاده در صنعت پلاستيك

قيمت پايين نانوکلي(clay) نسبت به ساير پركننده‌هاي نانو و امكان استفاده از روش اختلاط مذاب در پلاستيك‌ها باعث شده است كه اين شاخه ازنانوکامپوزيت‌ها رشد سريعي داشته و محصولاتي بر پايه پلاستيك‌هايي مانند پلي پروپيلن (PP)، پلي‌اتيلن ترفتالات (PET)، پلي‌اتيلن (PE)، پلي‌استايرن (PS) و نايلون به بازار عرضه شود. در ادامه به چند نمونه از اين كاربردها اشاره شده است.

شركت معروف توليد كننده خودرو، جنرال موتورز،جزء اولين استفاده كنندگانِ نانوکامپوزيت‌هاست. شكل 3 قسمتي از يك وانت را نشان مي‌دهد كه 7 پوند نانوکامپوزيت رنگي در ساخت‌ قطعات و اجزاي قسمت مخصوص بار آن به كار رفته است.

شكل 4 پشت صندلي جديد توليد شركت Nobel polymer را با نام تجاري Forte نشان مي‌دهد. اين قطعه قبلاً از پلي‌پروپيلن تقويت شده با الياف شيشه ساخته مي‌شد كه باعث مشكلات فرآيندي، نقايص ساختاري قابل رويت و تاب برداشتن (warpage) مي‌شد، اما در حال حاضر اين قطـعه از نانوکامپوزيت PP و كلي(clay) ساخته شده و در اتومبيل Honda Acoratl 2004 كار گذاشته شده است.

شكل 3- در قسمت مخصوص بار اين وانت ( مدل GM Hummer 2005) ساخت جنرال موتورز از 7 پوند نانو كامپوزيت استفاده شده است و بالاخره شكل 5 بطري نوشيدني ساخته شده Honeywell از PET به وسيله شركت را نشان مي‌دهد كه در ساختار آن از نانوکامپوزيت نايلون 6 و نانوکلي(clay) استفاده شده است و در اواخر سال 2003 با نام تجاري Aegis به بازار عرضه شده است. گفته مي‌شود اين بطري داراي يك ساختار سه لايه است كه امكان نگه‌داري 26 هفته‌اي محتوياتش را فراهم مي‌كند.

نانوکامپوزيت‌هاي مورد استفاده در صنعت لاستيك

با توجه به مسائلي كه پيش‌تر به آن اشاره شد و مشكلات اجراي روش اختلاط مذاب در مورد الاستومرها، هنوز محصولات زيادي از نانوکامپوزيت‌هاي الاستومري به بازار عرضه نشده است، اما تحقيقات بسيار گسترده‌اي در شركت‌ها و مراكز تحقيقاتي مختلف بر روي اين نانوکامپوزيت‌ها در حال اجراست.

به عنوان مثال بنيان‌گذاران شركت Inmat به دنبال استفاده از نانوکلي(clay) در ساختار قطعات لاستيكي ورزشي هستند و يك روكش نانوکامپوزيتي به ضخامت 30-10 ميكرون با خواص نفوذنا‌پذيري و انعطاف‌پذيري بسيار بالا با پايه آلي ساخته‌اند. كه مي‌تواند بدون پارگي تا بيش از 20% كشيده شده و در ساخت قطعات لاستيكي نفوذنا‌پذير به كار روند. آنها ادعا مي‌كنند كه با استفاده از اين روكش‌ها، توپ‌هاي تنيس تا 12 ماه باد درون خود را نگه مي‌دارند، توپ‌هاي فوتبال و بسكتبال به مدت زياد نياز به باد كردن مجدد ندارند و تايرها به جاي هر سه ماه يكبار باد كردن هر سال يكبار باد مي‌شوند كه منجر به كاهش تصادفات ناشي از مشكل باد تايرها خواهد شد. با توجه به ضخامت ناچيز اين روكش‌ها (30-10ميكرون) افزايش وزن و تغيير خواص مكانيكي لاستيكي در اثر استفاده از اين روكش‌ها قابل اغماض است. لازم به ذكر است روش محلولي در ساخت اين نانوکامپوزيت به كار رفته است. اين شركت با همكاري شركت Michelin در حال آزمايش مشابه اين فناوري براي آب‌بندي كردن درون تاير، كاهش مقدار لاستيك بيوتيل مورد نياز، سبك‌تر و ارزان‌تر كردن تاير و ساخت تايرهاي سردتر (cooler running) مي‌باشد.

اما آيا صنعت تاير نيز به صورت گسترده تحت تأثير فناوري نانو قرار خواهد گرفت؟ در آينده با توجه به رشد روزافزون نانو در عرصه الكترونيك، نور و... احتمالاً بتوان تمام مراحل توليد تاير را در ابعاد نانو مشاهده و كنترل كرد اما بازار امروز صنعت تاير نيز با جايگزيني مواد متداول با مواد نانو ساختار مي‌تواند از خواص و مزيت‌هاي آنها بهره‌ گيرد.

به عنوان مثال شركت Goodyear پروژه‌هايي را بر پايه فناوري نانو و با بهره‌گيري از روش‌هاي مكانيكي و شيميايي دنبال مي‌كند كه هدف از آنها كنترل ساختار، خواص مكانيكي و پاسخ الاستومر‌هاي پخت شده به فركانس‌هاي مختلف است.آنها در نظر دارند تقويت كنندگي و پخت را در ابعاد زير ميكرون كنترل كرده و بهبود دهند تا كارآيي تايرها، هم با مواد جديد و هم با مواد سنتي، ارتقاء يابد. شكل 4 - پشت صندلي جديد توليد شركت Nobel polymer كه از نانو كامپوزيت PP و كلي(clay) ساخته شده و در اتومبيل Honda Acoratl 2004 كار گذاشته شده است آنها مواد بسيار جديد را نيز بررسي نموده‌اند آئروژل‌هاي سيليكاتي يكي از اين مواد هستند. نانو ايروژل‌ها از 98% هوا (به صورت حباب‌هاي نانو) در بستر سيليكا ساخته شده‌اند كه علاوه بر سبك بودن، مقاومت حرارتي بسيار بالايي دارند. محققان دانشگاه ميسوري آمريكا ادعا كرده‌اند كه نانوآئروژل خاصي ساخته‌اند كه مي‌تواند به جاي تايرهاي لاستيكي استفاده شود. شركت Goodyer نيز از اين نانو آئروژل‌ها در ساخت تاير استفاده كرده، نتايج تحقيق خود را به صورت اختراع ثبت كرده است.

و بالاخره يكي از بهترين اين تحقيقات را شركت Cabot صورت داده است. در سال 2003 شركت Cabot يك نمونه از پركننده‌هاي نانو، توليد شركت nano products (با نام تجاري PüreNano) را در تاير به كار برده است. استفاده از پركننده نانو سيليكون كاربيد منجر به بهبود قابل توجه مقاومت لغزندگي (skid resistance) و كاهش 50 درصدي سايش شده است كه در نهايت منجر به توليد تايرهايي با ايمني بسيار بالا و طول عمر 2 برابر تايرهاي متداول خواهد شد.

تلاش آميزه‌كاران و مهندسان صنعت لاستيك بر اين است كه با استفاده از تجهيزات موجود از فناوري نانو بهره جسته، بتوانند در مقياس نانو فرآيند ساخت را كنترل و محصولي با كيفيت بالاتر و يكدست به بازار عرضه كنند. با توجه به گسترش روز افزون فناوري نانو به نظر مي‌رسد كه در آينده‌اي نه چندان دور توليد تاير نيز مانند توليد ساير محصولات كاملاً دگرگون شود.

 

منبع:http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=356