برهم كنش بین سیلیكات لایه ای و پلیمرها

[mim-shimi 25686]

برهم كنش بین اجزای آلی و معدنی بسیار مهم میباشد زیرا این برهم كنش است، كه خواص نهایی مواد نانوكامپوزیتی را كنترل می كند.

بسته به طبیعت اجزای یك نانوكامپوزیت مانند نوع پلیمر، ماتریس و سیلیكات لایه ای یا ...

 

 

 

 

 

بسته به طبیعت اجزای یك نانوكامپوزیت مانند نوع پلیمر، ماتریس و سیلیكات لایه ای یا كاتیون آلی بین لایه های سیلیكاتی، سه ساختار در نانوكامپوزیت ها ممكن است ایجاد شود، عاملی كه برهم كنش بین كلی و پلیمر را كنترل می كند: ظرفیت تبادل یونی كلی، قطبیت محیط واكنش و طبیعت شیمیایی كاتیونهای بین لایه ای مانند یونهای آنیوم. در كل طی دیسپرسون نانوكلی داخل ماتریس سه حالت امكان دارد رخ دهد:

- ساختار فازهای جدا:

اگر پلیمر نتواند بین لایه های سیلیكاتی نفوذ كند یك میكرو كامپوزیت تولید میشود كه مانند كامپوزیت های متداول بوده و امكان جدایی فازی در آن وجود دارد. به جز این نوع متداول كامپوزیت ها، امكان ایجاد در ساختار دیگر وجود دارد.

- ساختار لایه لایه:

این ساختار با نفوذ یك یا چند زنجیر پلیمری به درون لایه های سیلیكا و ایجاد ساختار ساندویچی حاصل می شود.

- ساختار پراكنده یا پخش شده:

این ساختار وقتی حاصل میشود كه لایه های پركننده سیلیكاتی به طور همگن و یكنواخت در بستر پلیمری توزیع شده باشند. این ساختار لایه های كاملاً جدا شده از اهمیت بسیار ویژه ای برخوردار است زیرا برهم كنش لایه های كلی و پلیمر را به حداكثر رسانده و تغییرات بسیار مشهودی را در خواص فیزیكی مكانیكی پلیمر ایجاد می كند.

در كل هنگام تهیه و فرمولاسیون نانوكامپوزیت ها دانستن میزان درجه پخش شدن یك نمونه در مقایسه با نمونه های دیگر لازم میباشد. تعدادی از این روش ها در مقالات مختلف برای این منظور گزارش شده اند. WAXD و TEM عموماً دو روشی هستند كه برای شناسایی ساختار نانوكامپوزیتها به كار می روند.

روش های ساخت نانوكامپوزیت ها

روشهای مختلفی برای ساخت نانوكامپوزیت های سیلیكات های لایه ای به كار رفته است. اما سه روش، استفاده بیشتری دارند.

- پلیمریزاسیون درجا:

این روش برای اولین بار در تهیه مواد پلیمری حاوی نانوكلی بر پایه پلی آمید- 6 به كار رفته است. در این روش سیلیكاهای لایه ای به وسیله مونومر مایع یا محلول مونومر، متورم میشود، سپس مونومرها به درون لایه ها سیلیكات نفوذ كرده و پلیمریزاسیون در بین لایه ها اتفاق می افتد.

- روش محلولی:

این روش مشابه روش قبلی است. ابتدا كلی در یك حلال قطبی مانند تولوئن یا دی متیل فرمامید متورم شده، سپس پلیمر حل شده در حلال به محلول قبلی افزوده شده و بین لایه ها جای می گیرد. مرحله نهایی كار، تبخیر حلال است كه معمولاً در خلاء اتفاق می افتد. مزیت این روش این است كه برای همه مواد پلیمری قابل اجراست.

- روش اختلاط مذاب:

در این روش پلیمر مذاب كه دارای ویسكوزیته بالایی است با پركننده نانوكلی آمیخته می شود. در این روش به دلیل افزایش بی نظمی، پلیمر به داخل لایه های كلی نفوذ می كند. این روش، به دلیل پتانسیل بالایی كه برای اجرا در مقیاس صنعتی دارد به شدت مورد توجه قرار گرفته است و نانوكامپوزیت های كلی بسیار زیادی به روش اكستروژن تولید شده است.

تعداد زیادی از ترموپلاستیك های قطبی مانند پلی آمید، اتیل وینیل استات و پلی استایرن به این روش درون لایه های سیلیكاتی نفوذ كرده اند اما در مورد پلی اولفین ها كه مصرف بسیار زیادی نیز دارند این فرآیند موفق نبوده است. اجرای این روش در لاستیك ها به دلیل ویسكوزیته بسیار زیاد و پدیده های الاستیك با موانع زیادی روبرو است و همین امر دلیل عدم پیشرفت قابل توجه نانوكامپوزیت های الاستومری در مقایسه با پلاستیك ها است.

كاربردهای نانوكامپوزیت ها:

ذرات نانو دارای این خاصیت میباشند كه میتوانند در ماتریسهای پلیمری دیسپرس شوند و با ایجاد نانوكامپوزیتها، بسیاری از خواص را در مقایسه با پلیمر خالص بهبود دهند یكسری از خواصی كه در حضور ذرات نانو بهبود اساسی یافته اند از قبیل زیرند:

- خواص مكانیكی مانند استحكام، مدولها و پایداری ابعادی

- كاهش نفوذ گازها، آب و هیدروكربنها

- پایداری حرارتی

- مقاومت در برابر اشتعال پذیری

- مقاومت شیمیایی

- هدایت الكتریكی

یك گروه از این ذرات نانو ذرات نانو كلی میباشند كه اینها نیز میتوانند خواص كامپوزیتها را د رمقایسه با پلیمر خالص بهبود دهند و یكی از این خواص مهم، كه در نانوكامپوزیتهای بر پایه نانو كلی بسیار پیشرفت كرده است خاصیت ضد خوردگی پوششها می باشد كه در زیر به بررسی آن پرداخته ایم.

خواص مقاومت به خوردگی نانوكامپوزیت های بر پایه پلیمرهای آلی- سیلیكات های لایه ای

تا به حال كارهای زیادی بر روی نانوكامپوزیت های ساخته شده با نانوكلب و پلیمرهایی مانند پلی سولفون، وینیل استر، پلی متیل متااكریلات، پلی استایرن، پلی ایمید، اپوكسی، پلی فنیل سولفاید و پلی یورتان انجام شده است. نتیجه حاصل از این تحقیقات بیانگر آن است كه خاصیت ضد خوردگی با اضافه كردن نانوكلی افزایش یافته است. بهترین ماتریسی كه میتوان در آن تا حد ممكن به پخش شدن و لایه لایه شدن خوبی دست یافت ماتریس اپوكسی است.

نانوكامپوزیتهای تهیه شده از دیسپرسیون ذرات كلی در داخل ماتریس پلی متیل متا اكریلات طی پلیكریزاسیون در مكان و ماتریس پلی ایمید محلول طی فرایند محلولی، مورد تست و آزمایش قرار گرفتند و با انجام آزمونهای XRD و TEM مشاهده شد كه پخش شدن كلی داخل پلیمر اتفاق افتاده است و براساس یك سری آزمونهای اندازه گیری الكتروشیمیایی پتانسیل خوردگی، مقاومت پلاریزاسیون، جریان خوردگی و اسپكتروسكوپی ایمپدانس در محلول الكترولیت كلرید سدیم، 5% مشاهده شد كه پوششهای نانوكامپوزیتی با درصدهای كم كلی (1%) بر روی استیل CRS خواص ضدخوردگی خارق العاده ای نسبت به خواص ضدخوردگی پلی متیل متا اكریلات خالص و پلی ایمید محلول خالص دارند. در زیر برخی از نتایج به دست آمده در این مقالات آورده شده اند.

با افزایش میزان درصد كلی پتانسیل خوردگی به سمت پتانسیل های نوبل تر و همچنین دانسیته جریان خوردگی نیز كه رابطه مستقیمی با سرعت خوردگی دارد، به سمت مقادیر كمتری میل می كند. همچنین با افزایش درصد كلی مقاومت پلاریزاسیون نیز بیشتر خواهد شد.

با كوچكتر شدن اندازه ذرات در حد نانو مسیر عبور یونهای خورنده برای رسیدن به سطح فلز در مقایسه با حالتی كه اندازه ذرات در حد میكرون میباشند، بیشتر شده و در نتیجه مقاومت در برابر خوردگی نیز بیشتر خواهد شد.

همچنین بعد از سنتز و تهیه نانوكامپوزیتهای پلی استایرن به روش درجا و وینیل استر و انجام آزمونهای مربوط به بررسی مورفولوژی، میزان نفوذ گازهای O2 و بخار آب از میان این پوششهای نانوكامپوزیتی مشاهده شده كه نانوكامپوزیت پلی استایرن حاوی درصدهای بسیار كم از نانو كلی (1%) حدوداً، 57% و 15% كاهش در نفوذپذیری بخار آب و گاز اكسیژن به ترتیب در مقایسه با پلی استایرن بالك و نانوكامپوزیت وینیل استر حاوی 1% نانوكلی 50% كاهش در مقایسه با وینیل استر خالص از خود نشان داده اند. با افزایش میزان درصد كلی حتی در مقادیر و درصدهای بسیار پایین قابلیت ممانعت در برابر نفوذ یونهای آب و اكسیژن به داخل ماتریس پلیمری، به طور فاحشی افزایش می یابد و مشاهده چنین رفتاری به ساختار صفحه ای شكل ذرات كلی برمی گردد.

همچنین بهبود خواص ضدخوردگی و مكانیكی كه طی استفاده از افزودنی كلی در داخل ماتریسهای پلی فنیلن سولفاید، پلی سولفون و اپوكسی اصلاح شده با سیلوكسان به وجود آمده مورد بررسی قرار گرفته شده است و درنهایت به این نتیجه رسیده اند كه استفاده از فیلر كلی در داخل ماتریسهای پلیمری نه تنها باعث بهتر شدن خواص شیمیایی، مكانیكی میشود بلكه به دلیل آنكه كلی یك ماده طبیعی و ارزان قیمت است و معمولاً در مقادیر كمتر از ده درصد میتواند منجر به بهبود خواص شود، استفاده از آن در بسیاری از پوششهای پلیمری پیشنهاد میشود.

اخیراً اثر استفاده از مونت مورلونیت ارگانوفیلیك بر روی خواص پوششهای اپوكسی مورد بررسی قرار گرفته شده است و نتیجه حاصل نشان می دهد كه افزودن سیلیكاتهای لایه ای ارگانوفیلیك در سیستمهای اپوكسی منجر به افزایش برخی از خواص پوشش مانند چسبندگی، سختی، استحكام، جلا، مقاومت در برابر آب، الاستیسیته و مقاومت در برابر خوردگی شده است، در كامپوزیتهای پلیمری

آلی، افزایش مقدار كمی از گرید مناسب كلی مقاومت در برابر خوردگی و محافظت بهتر از سطوح در شرایط مختلف را، افزایش می دهد.

نتیجه:

استفاده از كلی در مقیاس نانو طول مسیر نفوذ مواد خورنده و خاصیت ممانعتی را در مقایسه با حالت استفاده از ذرات در مقیاس میكرون، بیشتر می كند و در نتیجه طول عمر پوششها بیشتر خواهد شد. بنابراین سیلیكات لایه ای نقش مهمی در بوجود آوردن خاصیت ممانعتی و ایمپدانس بالا برای پوششهایی كه منجر به بهبود محافظت خوردگی میشوند، دارد.

نانوكامپوزیتهای بر پایه نانوكلی مانع رسوخ محیط خورنده در میان پوشش میشود، درنتیجه، پوششهای بر پایه نانوكلی ممكن است كه به عنوان مواد دوستدار محیط و ذخیره گر انرژی پنداشته شوند. بازار تجاری آینده این پوششها در صنایع مختلف مانند صنایع دریایی، ساختمانی، سازه ها و صنایع دفاعی بیشتر گسترده خواهد شد درنهایت باید توجه شود كه برای كاربردهای تجاری و صنعتی پوششهای PCN، باید سیستمهای قوی ای در مقادیر كافی با یك قیمت قابل قبول موجود باشند.

 

منبع : نشریه پوششهای سطحی