کتب و مقالات
فیلم های آموزشی
دوره های آموزشی

کد : ١۴۶٢٢
تاریخ انتشار : ١٣٩٧/٠۶/١٧
بازدید : ٨٨

کاربرد نانو رس ها در کامپوزیت های پلیمری


نانورس ها مواد منحصر به فردی هستند که به عنوان مواد افزودنی برای ساخت نانوکامپوزیت ها و بهبود قابل توجه خواص مواد پلیمری به کار می روند.


کاربرد نانو رس ها در کامپوزیت های پلیمری
خالص بودن و ظرفیت تبادل کاتیونی، دو خصوصیت مهم برای موفقیت نانورس‌ها ـ به‌عنوان عامل استحکام در پلیمر‌هاـ به شمار می‌رود. خالص بودن رس خصوصیات مکانیکی پلیمر را افزایش می‌دهد که این به افزایش تبادل کاتیونی رس در ترکیب شدن رس با پلیمر کمک می‌کند.درواقع امکان به کارگیری رس ها در مقادیر بسیار کم باعث کاهش وزن، استحکام بالاتر و کاهش خارق العاده عبور گازها در موادی مثل پلیمرها می شوند. مشکلات اصلی در زمینه نانورس ها، جداسازی و توزیع یکنواخت صفحه های کوچک رسی و تبدیل رسهای آبدوست به آبگریز به منظور افزایش تعامل با پلیمرها است. پلیمرها در صنعت پلاستیک و بسته بندی مواد غذایی به کار می روند و این بازاری بزرگ برای آنها به شمار می رود.

نانوذرات رس نانو ذرات سیلیکات معدنی لایه ای هستند. بسته به ترکیب شیمیایی و مورفولوژی نانوذرات، نانوذرات به چندین طبقه مانند مونتموریلونیت، بنتونیت، کائولینیت، هکتیت و هالوسیت تقسیم می شوند. نانوکامپوزیت های پلیمری رس به طور ویژه مورد مطالعه قرار گرقته اند.  نانو رس ها یک طبقه وسیعی از مواد معدنی غیر طبیعی هستند.نانو رس ها در اپوکسی ها و پلی یورتان ها سرعت پخت ،مدول و مقاومت شیمیایی را نیز افزایش می دهند.در پلی پروپیلن ،پلی اتیلن و پلی وینیل استات باعث افزایش مدول، کاهش نفوذ پذیری گاز و  بهبود مقاومت شیمیایی می شوند.نانو کلی در ترکیب با پلی آمید ها مدول را افزایش می دهد،باعث کاهش نفوذ پذیری گاز ها و هم چنین افزایش مقاومت شیمیایی می شود.همچنین زمانی که نانو کلی با پلیمر های هیدرو فیلیک ترکیب میشود،فرایند پذیری و مقاومت شیمیایی را افزایش می دنهد.

تمام غلظت های دیگر نانو رس حاوی ناخالصی های مختلف (سایر مواد معدنی) هستند و این ناخالصی هایی است که خصوصیات و رنگ های خاص خود را به آنها می دهد. سیلیس جزء غالب رس است و آلومینا نیز جز ضروری است. خواص مکانیکی رس توسط اجزای سازنده آن مشخص می شود. با توجه به مشکلات اندازه گیری این داده ها ، به خصوص برای انواع مختلف نانو کلی ها ، میزان افزایش خواص ممکن است تغییر کند. مسائل بهداشتی و زیست محیطی برای نانوذرات به طور خاص حداقل و قابل کنترل است. محصولات ارگانیک مشابه  برای سالهای زیادی است که  در بسیاری از محصولات صنعتی و مصرفی مورد استفاده قرار گرفته است. این ادعا که نانوکلی ها به دلیل پیشوند "نانو" به نوعی متفاوت هستند ممکن است مشکل باشدسیلیس بلورین یک مولد طبیعی است که ممکن است در بتونیت آلومینیوم چهار جزیی آمونیوم تجاری وجود داشته باشد،در حالیکه استنشاق آن یک خطر بهداشتی برای انسان ها را ایجاد می کند و محدودیت های بسیار مجاز کمی را تنظیم می کند.

نانو رس ها، علاوه بر عملکرد اصلی خود را به عنوان تقویت کنندگی بالا ، همچنین دارای خواص مهم دیگری مانند خواص حرارتی و به تاخیر اندازندگی شعله نیز هستند. برخی عوامل موثر بر عملکرد خوب در نانوکامپوزیت ها عبارتند از: تداخل(پلیمر و سورفاکتانت)،چسبندگی و وتنینگ .

پی وی سی/ رس
 
علیرغم گسترش اخیر نانورس ها به عنوان مواد افزودنی برای پلیمرها،میزان بالای تقویت کنندگی رس نانوکامپوزیتهای تقویت شده با رسانایی بالا مبتنی بر پی وی سی،در تحقیقات علمی و به میزان کم در تجارب صنعتی،هنوز جای پیشرفت وجود دارد. چالش اصلی این سیستم ها به طور معمول مربوط به رفتار های آلی آمونیوم در رس است که معمولا در طی فرایند نانوکامپوزیت،آمین تولید میشود و این آمین می تواند تخریب PVC را تسریع کند.برای جلوگیری از این تخریب، باید از پایه بسیار کم آمین استفاده کرد یا از بعضی از مواد دیگر چند بعدی نانو، مانند هیدروکسید دو لایه، LDH، ممکن است که استفاده شود. طبق گزارش اخیر یک کامپوزیت PVC-LDH پایداری حرارتی بسیار بهتر نسبت به PVC دارد، که این احتمالا به این دلیل است که هیدروکسید ها می توانند HCl را به دلیل تمایل به کامل شدن جذب کند. با این وجود، HCl،هنوز با تخریب ضایعات PVC ،تکامل می یابد و این مورد بررسی قرار نگرفته است. تلاش برای به دست آوردن نانوکامپوزیت های PVC-montmorillonite، از اختلاط ذوب، ترکیب محلول و پلیمریزاسیون، یا از رس سدیم اولیه یا رس اصلاح شده ارگانیک استفاده می شود . با اختلاط ذوب، تخریب PVC به طور معمول به سرعت ، همراه با تغییر رنگ قوی رخ می دهد. هنگامی که از سیلیکات لایه ای اصلاح شده ارگانیک استفاده می شود، به طور معمول پراکندگی خاک رس در پلیمر می تواند یک سیستم تقوست کننده برای پی وی سی را  به وجود بیاورد.در مقابل، هنگامی که از خاک رس قلیایی استفاده می شود، پراکندگی خوب نیست. از آنجائیکه خواص مکانیکی مورد بررسی قرار گرفته است، به نظر می رسد با افزودن مقدار کمی از نانو رس خواص مکانیکی  بهبود می یابد، اما با مقدار بیشتری از خاک رس،خواص مکانیکی کاهش خواهد یافت. مطالعه ای با استفاده از طیف سنجی فوتوالکتریکهای اشعه ایکس بر روی نانوکامپوزیت های PVC-clay نشان می دهد که حضور رس باعث تضعیف روند تخریب زنجیره ای می شود و امکان شکل گیری آن را افزایش می دهد.


شکل 1-پی وی سی و نانو رس اصلاح شده

پلی پروپیلن/ رس

مواد کامپوزیتی که حاوی مقیاس نانومتری هستند در طول 15 سال گذشته به منظور افزایش قابل توجه خواص نسبت به کامپوزیت های متعارف پیشرفت قابل توجهی کرده اند. یک نانوکامپوزیت سیلیکات لایه ای که با  ابعاد نانو مقیاس به عنوان یک فاز تقویت کننده در ماتریس پلیمر مهندسی پراکنده می شود، یکی از مهم ترین فرم های "نانوکامپوزیت های ارگانیک-غیر ارگانیک" است. کامپوزیت با لایه های سیلیکات که به خوبی پراکنده می شوند، بهبود قابل ملاحظه ای در خواص حرارتی، مکانیکی را با استفاده از حداقل مقدار پرکننده نشان می دهد. بسیاری از سیستم های پلیمری در این زمینه، مانند پلی آمید 6. پلی استایرن، پلی اتیلن ترفتالات، پلی کاپرولاکتون و رزین اپوکسی مورد بررسی قرار گرفته است. یافته شد که پراکندگی لایه های رس exfulated /intercalated  در پلیمرهای خاصی که دارای عملکرد قطبی گروه ها با گروه های هیدروکسیل قطبی در لایه های رسوبی سیلیکات هستند ، سازگار می باشد.
پلی  پروپیلن یکی از مواد شیمیایی ترموپلاستیکی در صنعت پلاستیک است. نانوکامپوزیت PP / Clay با موفقیت توسعه یافته است و در زمینه های متنوعی از صنعت مانند خودرو، بطری، فیلم و بسته و غیره استفاده می شود. با این حال، به دلیل ماهیت غیر قطبی پلی پروپیلن، انعطاف پذیری لایه سیلیکات و پراکندگی همگن لایه سیلیکات در ماتریس PP دشوار است. این به این دلیل است که رسهای ارگانوفیلیک دارای گروه هیدروکسیل قطبی هستند و فقط با پلیمرهای حاوی گروه های عملکردی قطبی سازگار هستند. برای حل ناسازگاری بین پلیمر قطبی و رس قطبی، سازگاری کننده هایی مانند PPg-MA و پلی پروپیلن پیوند شده از گروه های هیدروکسیل استفاده شد. این سازگار کننده ها حاوی گروه های عملکردی قطبی هستند که باعث افزایش اثر متقابل بین ماتریس PP و رس می شود.
 

پلی اتیلن با دانسیته کم/رس

در مقیاس نانومتری، پرکننده های معدنی خواص پلیمر را بهبود می بخشد. از آنجاییکه نانوکامپوزیتهای نایلون-رس با ویژگیهای مکانیکی عالی ایجاد شده است، اثر متقابل پلیمر-رس به طور فعال مورد بررسی قرار گرفته است. خاک رس معمولی که استفاده می شود مونتموریلونیت MMT یک کریستالی است که در آن یک ورقه هشت ضلعی آلومینا مرکزی بین دو ورق چهار تایی سیلیکا قرار دارد. ضخامت پلاکت ها از 1 نانومتر است و نسبت ابعاد بالا، به طور معمول 100-1500 است. پلی اتیلن چگالی پایین (LDPE) یکی از پلیمرهایی است که به طور گسترده ای به عنوان عایق الکتریکی مورد مصرف قرار میگیرد. نانوکامپوزیتهای LDPE-MMT نشان دهنده استحکام کششی و مدول با مقاومت شعله وری است. افزایش کشش بهبود یافته نیز در دمای 70 درجه سانتیگراد مشاهده شد. نانوكامپوزیتهای LDPE-MMT علاوه بر مقاومت به حرارت بالا و شعله وری، باعث عدم نفوذپذیری پایین تر به گازها و بخارات می شوند. خواص الکتریکی نانوکامپوزیتهای LDPE-MMT به ندرت گزارش شده است. بعضی از نتایج نشان می دهد که افزودن نانوذرات باعث افزایش مقاومت تخلیه جزئی و کرونا می شود و مکانیزم رسانایی نانو کامپوزیت ها را تحت تاثیر قرار می دهد.
 



پلی اتیلن دانسیته پایین/رس
پلی اتیلن با دانسیته بالا/رس

پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) یک ماده اولیه در زنجیره جایگزینی مواد به دلیل در دسترس بودن و قابل بازیافت است. معیار عملکرد برای تشویق استفاده از HDPE نیاز به مدول بالا و قدرت عملکرد در مقایسه با استحکام ضربه بالا است. افزایش قابل توجهی در خواص مکانیکی (مدول، تراکم و سختی) مواد گرمانرم می تواند توسط تقویت با مواد معدنی غیر معدنی از جمله تالک، میکا، وولاستونیت، دانه شیشه ای و کربنات کلسیم،ایجادشود. در مطالعه اخیر نانوکامپوزیتهای PP-clay هر دو دمای بلوری و دمای نانوکامپوزیت پلیمری افزایش یافت، این امر به نقش اساسی رس تبدیل شد. در این مورد، افزایش کریستالی را می توان به اثر هسته ای نانوذره نسبت داد، در حالی که علت دمای کریستالیزاسیون نانوکامپوزیت PE-clay که افزایش می یابد، ممکن است به ارتباط متقابل ماتریس و نانو، مرتبط باشد، تعامل بین فضایی نقشی حیاتی در انرژی آزاد تشکیل خوشه و میزان هسته شدن دارد؛ تعامل ضعیف باعث کاهش میزان هسته ای شدن می شود.

ABS / رس

نانوکامپوزیتهای پلیمری /  (ABS) با استفاده از تکنیک جذب کادمیم از پلیمر در محلول ساخته می شود: واکنشهای پلیمری / رس به فرآیند اولتراسونیک برای افزایش کارایی مخلوط کردن می انجامد. چندین نوع از سیلیکات های لایه ای اصلاح شده ارگانیک (OMLS) برای درک تاثیرات طبیعت سورفاکتانت بر مکانیزم لایه برداری درونی امورد استفاده قرار میگیرد. افزودن کسرهای کوچک از پرکننده نانومتری به یک ماتریس پلیمری دارای پتانسیل زیادی برای بهبود خواص پلیمری است. عملکرد نانو کامپوزیت های پلیمری به شدت به تعاملات رس-پلیمر بستگی دارد که می تواند از طریق پراکندگی و لایه برداری از خاک رس بهبود پیدا کند. سه نوع از ترکیبات را می توان بسته به درجه تعامل ماتریس پرکننده: کامپوزیت معمولی، نانوکامپوزیت مقعر شده و نانو کامپوزیت خمیده شده تعریف کرد. در یک کامپوزیت معمولی، ورقه های خاک رس در ساختارهای میکرومتری به نام فتوت هایی بدون افزایش در فاصله لایه به لایه (d-spacing) در مقایسه با رس ، با هم مخلوط می شوند. در یک زنجیره پلیمری نانوکامپوزیتی نفوذ به منطقه بین لایه ای و افزایش فاصله dافزایش می یابد؛ افزایش بیشتر در d-spacing به تشکیل یک نانو کامپوزیت با اجزای پراکنده منجر می شود که با پراکندگی ورق های یکنواخت و بدون پراکندگی و همگن مشخص می شود. آخرین سیستم بیشتر مطلوب است، زیرا سطح بین فاز بین پرکننده و ماتریس پلیمری را به حداکثر می رساند و با بهبود بعد در اثر ABSتقویت می کند . به علت خواص مطلوبش که شامل رفتار مکانیکی خوب و مقاومت شیمیایی است، به طور گسترده ای از گرمانرم های مهندسی استفاده می شود. با این حال، هنوز تنها چند گزارش در مورد آماده سازی نانو کامپوزیت ABS / MMT وجود دارد

PI / رس

نانوکامپوزیت های ارگانیک معدنی معمولا دارای ویژگی های منحصر به فرد هستند به دلیل ترکیبی از مزایای مواد معدنی مانند استحکام، بهره وری از توسعه حرارتی کم (CTE)، پایداری حرارتی بالا و مزایای پلیمرهای آلی مانند انعطاف پذیری، بیوالکتریک، قابلیت فرایند و غیره به توزیع در اندازه نانو متر، کامپوزیت های آلی و معدنی اغلب برخی از خواص مکانیکی خاصی را نشان می دهد که کاربرد آنها را در بسیاری از بخش های جدید گسترش می دهد. در میان ارگانیسم ها، PI به خوبی به عنوان پلیمر با کارایی بالا شناخته شده  است که دارای خواص دی الکتریک، خواص مکانیکی، پایداری حرارتی و CTE کم می باشد. در میان انواع مختلف PI، PI سفت و سخت به طور گسترده ای در میکرو الکترونیک و صنایع هوافضا به دلیل ویژگی های منحصر به فرد آن مانند مدول بالا، CTE کم و مقاومت مکانیکی خوب، تورم حلال کم و جذب رطوبت استفاده می شود. PIها  دارای محدودیت هایی برای کاربردهای بسیار کارآمدتری که در آنها  مواد معدنی استفاده می شوند، به دلیل طبیعت ذاتی آنها به عنوان مواد ارگانیک هستند. مواد معدنی دارای پایداری حرارتی عالی و مدول بالا هستند. بنابراین، تشکیل نانوکامپوزیت های PI با مواد معدنی پیشنهاد شده است تا به خواسته های خواص متعادل برای مواد آلی و غیر معدنی برسد. بیشترین استفاده از رس در تهیه نانوکامپوزیت های پلیمری / رس مونتموریلونیت (MMT) است. لایه MMT ضخامت 1 نانومتر و طول آن حدود 100 نانومتر است. به منظور پراکنده کردن MMT هیدرولیکی به پلیمرهای آلی، یونهای Na روی سطح آن بایستی با احتیاط آلی از طریق روش مبادله یونی مبادله شوند تا هیدروفوب سطح را ارائه دهند. این MMT مونتموریلونیت اصلاح شده با ارگانیک (OMMT) است. بنابراین، محیط هیدروفوبیک فیزیکی را در قسمت  های رس به وجود خواهد آورد تا محلول پلی اتیل هیدروفوب (در میان اسید) قرار گیرد.
حضور گروه های کربوکسیل ممکن است باعث افزایش تعامل بین OMMT و پلی (در میان اسید) از طریق پیوند هیدروژنی شود.

اپوکسی/ رس

 


 تولید نانوکامپوزیت ها می تواند عمدتا به صورت مقدماتی طبقه بندی شود، در حالیکه ماتریس پلیمری بین لایه های رس در حال گسترش d-spacing، EXFULATED  / لایه لایه شده است، جایی که لایه های خاک رس کاملا توسط ماتریس پلیمری جدا شده اند. به طور کلی پذیرفته شده است که نانوکامپوزیتهای خرد شده دارای بیشترین پتانسیل برای بهبود خواص هستند. هنگامی که لایه های رس به طور کامل و به طور مساوی در ماتریس پلیمری پراکنده می شوند، میزان فعل و انفعالات رس و پلیمر به حداکثر می رسد. این باعث افزایش بیشتر خواص برای پلیمرهای خاص می شود. اگر برای یک پلیمر داده شده، حداکثر افزایش خواص توسط یک نانو کامپوزیت تقویت شده به دست می آید و سپس نانوکامپوزیت خرد شده پلیمر مشابه انتظار نمی رود که پیشرفت های بیشتری را نشان دهد. نوع نانوکامپوزیت های تولید شده به طور جزئی بستگی به قطب و ویسکوزیته ماتریس پلیمری دارد. این باعث افزایش بیشتر خواص برای پلیمرهای خاص می شود. نوع نانوکامپوزیت های تولید شده به طور جزئی بستگی به قطبیت و ویسکوزیته ماتریس پلیمری دارد

انتظار می رود از مواد نانوکامپوزیتی با ترکیب رزین های اپوکسی مختلف با ارگانوکلی ها به دست آید. علاوه بر این، ساختار نانوکامپوزیت به هر دو عامل ،پخت  و مواد مورد استفاده در ساختار خاص بستگی دارد. کاهش اندازه پرکننده بی رویه به سطح نانومتری باید بهترین پتانسیل برای شروع برای افزایش سختی و مقاومت کامپوزیت داشته باشد. ترکهای فردی که در یک شبکه پلیمری تشکیل می شوند، انرژی بیشتری برای شکستن نیاز دارد. با این حال، با توجه به سطح بسیار زیاد نانوفیلرها، تعاملات متقابل قوی، احتمالا به تشکیل خوشه یا تجمع می انجامد


پلی متیل متاکریلات/ رس

 
Poly (methyl-methacrylate) (PMMA) یک نوع  پلیمر شفاف بی نظیر با ساختار آمورف است که در زمینه های مختلف زندگی روزمره ما مورد استفاده قرار می گیرد PMMA داراي خواص مطلوبي مانند انعطاف پذيري خوب، سختي، جذب آب کم، و هوازدگي بي نظير در فضاي باز است. با این حال، پایداری حرارتی آن ضعیف است. برای بهبود مقاومت حرارتی، آماده سازی نانو کامپوزیت یک راه حل موثر است. نانوکامپوزیتهای PMMA / clay بالقوه برای افزایش ممانعت گاز و افزایش پایداری حرارتی ارائه می شوند. در سال های اخیر، به علت افزایش خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی آن ها نسبت به پلیمر های خالص، بسیار زیاد به نانوکامپوزیت های سیلیکات پلیمری توجه ویژه ای می شود. این خواص منحصر به فرد نانوکامپوزیت های پلیمری / رس از درجه بالای پراکندگی رس در ماتریس پلیمری ایجاد می شود. دو نانوساختار متمایز که  در این نانوکامپوزیت ها وجود دارد، فشرده و پوسته پوسته شده اند. این می تواند زمانی حاصل شود که پلاکت های سیلیکات نانومقیاس به راحتی با تفکیک سیلیکات لایه ای در تمام ماتریس های پلیمری که به صورت مورفولوژی به اصطلاح exfulateپوشیده می شوند
نانوکامپوزیت خرد شده از طریق افزایش اثرات سینرژیکی بین ماتریس پلیمر و لایه های سیلیکات بیشتر مطلوب است. با این حال، هنوز هم یک کار چالش برانگیز برای به دست آوردن کامل لایه برداری از رس در پلیمر است. خاک رس ترکیبات معدنی هیدروفیلی است، در حالیکه پلیمر حاوی گروه هیدروفوب است. بنابراین، رس باید با اصلاح کننده آلی حاوی هر دو گروه هیدروفوبی هیدرولیکی و زنجیره ای اصلاح شده برای افزایش نه تنها فاصله بین لایه، بلکه همچنین سازگاری با ماتریس های پلیمری ترکیب شود. علاوه بر این، رس به طور طبیعی، سازگار با محیط زیست، ارزان و در مقادیر زیادی در دسترس است. واضح است که نانوکامپوزیت های پلیمری / رس ممکن است باعث افزایش قدرت و سختی، پایداری حرارتی، ویژگی های مانع گاز، وضوح و کاهش اشتعال پذیری با مقدار کمی رس میشود

منابع
1-A REVIEW OF NANO-FILLERS EFFECTS ON INDUSTRIAL
POLYMERS AND THEIR CHARACTERISTICS
/A.THABET, Y. A. MOBARAK, and M. BAKRY

 2-Melt mixed compatibilized polypropylene/clay nanocomposites: Part 1 – the effect of compatibilizers on optical transmittance and mechanical properties

 
3-Material properties of nanoclay PVC composites
Walid H. Awad a, Gu¨ nter Beyer b, Daphne Benderly c, Wouter L. Ijdo c, Ponusa Songtipya d,e,
Maria del Mar Jimenez-Gasco e, E. Manias d,*, Charles A. Wilkie a,

4-Mechanical and Thermal Properties of the Waste Low and High Density Polyethylene-Nanoclay Composites Arkan J. Hadi1, H. K. AbdulKadir2, Ghassan J. Hadi3, Kamal Bin Yusoh4 and S. F. Hasany
 
برچسب: NANO, NANOCLAY , COMPOSITE, NANOCOMPOSITE, POLYMER, PVC, PE, PI, MMT, PVC/CLAY, ABS/CLAY, EPOXY/CLAY, EPOXY, پی وی سی, پلی اتیلن, نانو کلی, نانو رس, HDPE, LDPE, NANO

فرم ارسال نظر

ارسال نظر

نام:
 
آدرس ایمیل:
پیام:
 
    
عبارت امنیتی:
 

نظرات

موردی یافت نشد !
تصویر موجود نمیباشد