نانوکامپوزیتهای پلیمری دستهای از مواد پیشرفته هستند که در آن بافتهای پلیمری با پرکنندههای نانومقیاس ترکیب میشوند که این امر منجر به افزایش خواص مکانیکی، حرارتی، عبورپذیری و غیره خواهد شد. علاقه روزافزون به این مواد ناشی از پتانسیل آنها برای ایجاد تحول در بخشهای مختلف صنعت از جمله بستهبندی، خودروسازی، هوا فضا، الکترونیک،کاربردهای زیستپزشکی، لولهسازی و سایر موارد است.
کلیدواژه: نانوکامپوزیتهای پلیمری، سنتز نانوکامپوزیتهای پلیمری، کاربرد نانوکامپوزیتهای پلیمری.
پلیمرها معمولاً توسط پرکنندههایی با اندازههای مختلف تقویت میشوند تا برخی از محدودیتها و ضعفهای آنها را کاهش داده و در نتیجه کاربردهای آنها را گسترش دهند. استفاده از پرکنندههای نانومقیاس برای بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی پلیمرها منجر به تولید کامپوزیتهای پلیمری متنوعی شده است. پرکنندههای نانومقیاس حداقل در یکی از ابعاد خود در مقیاس نانو بوده و همچنین از مورفولوژیهای متنوعی برخوردار هستند. علم نانو و فناوری نانو فرصتهای منحصر به فردی را برای ایجاد ترکیبات جدیدی از پرکنندهها و مواد پلیمری در مقیاس نانو برای به دست آوردن نانوکامپوزیتهای پلیمری با خواص جالب فراهم میکند.
پراکندگی یکنواخت این پرکنندههای با شکل و ابعاد متفاوت، در اندازه نانو میتواند مساحت سطح فوقالعاده بزرگی را در واحد حجم، بین پرکنندههای نانومقیاس و پلیمرهای میزبان ایجاد کند. نانوکامپوزیتهای پلیمری به دلیل مساحت سطح بالای مواد پرکننده، خواص مکانیکی و ویژگیهای فیزیکی برتری نسبت به پلیمرهای میزبان دارند.
طبقهبندی نانوکامپوزیتهای پلیمری بر اساس نوع نانوپرکنندههای مورد استفاده و نوع بافت پلیمری مورد استفاده است. این طبقهبندیها به درک انواع مختلف نانوکامپوزیتها، خواص و کاربردهای ویژه آنها کمک میکند. در اینجا توضیح مختصری از این طبقهبندی آورده شده است:
نانوذرات خاک رس، مانند مونتموریلونیت و خاک رسهای اصلاح شده با مواد ارگانیک، معمولاً به عنوان نانوپرکننده در بافتهای پلیمری استفاده میشوند. این نانوذرات دارای نسبت ابعادی و مساحت سطح بالا هستند که منجر به بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی، پایداری حرارتی، خواص عبورپذیری گاز و مقاومت در برابر شعله میشود. نفوذ بین لایهها و لایهبرداری لایههای رسی در بافت پلیمری برای دستیابی به خواص بهبود یافته بسیار مهم است (شکل 1).
نانولولههای کربنی (CNTs) و گرافن، نانوپرکنندههای مبتنی بر کربن محبوبی هستند که در بافتهای پلیمری استفاده میشوند. CNTها دارای خواص مکانیکی استثنایی مانند استحکام کششی و مدول بالا هستند که آنها را برای تقویت پلیمرها مناسب میکند. گرافن، یک لایه منفرد از اتمهای کربن است که در یک شبکه دوبعدی چیده شدهاند. این ماده رسانایی حرارتی و الکتریکی قابلتوجهی را از خود نشان میدهد که آن را برای کاربردهایی که نیاز به اتلاف گرما و عملکرد الکتریکی مناسب دارند، ایدهآل میکند.
نانوذرات فلزی مانند نقره، طلا و پلاتین در بافتهای پلیمری گنجانده میشوند تا سبب ایجاد خواص منحصر به فردی شوند. نانوکامپوزیتهای فلزی در کاربردهایی استفاده میشوند که به خواص ضد میکروبی، افزایش رسانایی الکتریکی و فعالیت کاتالیزوری نیاز باشد.
نانوذرات اکسید فلز مانند دیاکسید تیتانیوم (TiO2) و اکسید روی (ZnO) به طور گستردهای به عنوان پرکنندههای نانو استفاده میشوند. این نانوکامپوزیتها در حفاظت در برابر اشعه ماوراء بنفش، پوششهای خودتمیزشونده و بهبود خواص مکانیکی در صنایع مختلف کاربرد دارند.
از نانوذرات آلی از جمله رسهای اصلاح شده توسط ترکیبات شیمیایی آلی، نانوذرات پلیمری و دندریمرها برای اصلاح خواص بافتهای پلیمری استفاده میشود. این نانوکامپوزیتها ویژگیهای منحصربهفردی مانند بهبود تاخیر در شعله، خواص عبورپذیری گاز و رهایش کنترلشده دارو در کاربردهای زیستپزشکی را از خود به نمایش میگذارند.
نانوکامپوزیتهای MOF/پلیمر مواد نوآورانهای هستند که از چارچوبهای فلز-آلی (MOFs) و پلیمرها تشکیل شدهاند. MOFها ساختارهای متخلخلی هستند که از یونهای فلزی به هم پیوسته توسط لیگاندهای آلی تشکیل شدهاند؛ این مواد هنگامی که با پلیمرها ادغام شوند، خواص و کاربردهای ویژهای را ارائه میدهند. در نانوکامپوزیتها، MOFها به عنوان پرکننده عمل میکنند و خواص مکانیکی، حرارتی و جذب گاز را افزایش میدهند؛ همچنین سبب ایجاد یک بافت پلیمری انعطافپذیر و با ثبات شده که فرآیندپذیری مناسبی را نیز فراهم میکنند. این ترکیب به خواص مواد قابل تنظیم، مساحت سطح بالا و قابلیت جذب انتخابی منجر میشود. نانوکامپوزیتهای MOF/پلیمر در ذخیرهسازی گاز، جداسازی، کاتالیز، حسگرها و سیستمهای تحویل دارو کاربرد دارند. ماهیت همهکاره و پتانسیل آنها برای استفاده در کاربردهای مختلف، آنها را به گزینههای امیدوارکنندهای برای فناوریهای مختلف و پیشرفته تبدیل میکند (شکل 2).
پلیمرهای ترموپلاستیک مانند پلیاتیلن (PE)، پلیپروپیلن (PP)، پلیوینیل-کلرید (PVC) و پلیاستایرن (PS)، معمولاً به عنوان بافت در نانوکامپوزیتها استفاده میشوند. نانوکامپوزیتهای ترموپلاستیک سهولت پردازش، قابلیت بازیافت و خواص مکانیکی خوبی را از خود نشان میدهند. کاربرد این مواد در قطعات خودرو، مواد بستهبندی و غیره میباشد.
پلیمرهای ترموست شامل رزینهای اپوکسی، فنولیک و پلیاستر به عنوان بافت در نانوکامپوزیتها عمل میکنند. این پلیمرها در طول پردازش تحت فرایندپذیری برگشتناپذیری قرار میگیرند که منجر به مقاومت در برابر دماهای بالاتر و بهبود پایداری ابعادی میشود. نانوکامپوزیتهای ترموست به طور گسترده در اجزای قطعات به کار رفته در صنعت هوافضا، عایقهای الکتریکی و کاربردهای در دمای بالا استفاده میشوند.
سنتز نانوکامپوزیتهای پلیمری شامل ترکیب کردن پرکنندههای نانومقیاس (نانوذرات یا نانوالیاف) در بافت پلیمری برای افزایش خواص این مواد است. هدف این فرآیند دستیابی به پراکندگی یکنواخت نانوپرکنندهها در بافت پلیمری و پیوند سطحی قوی بین آنها و پلیمر میزبان است. روشهای مختلفی را میتوان برای سنتز نانوکامپوزیتهای پلیمری مورد استفاده قرار داد که هر کدام مزایا و چالشهای خاصی را از خود به نمایش میگذارند. برخی از روشهای سنتز رایج عبارتند از:
در پلیمریزاسیون درجا، پلیمر در حضور نانوپرکنندهها سنتز میشود. این فرآیند شامل پلیمریزاسیون مونومرها در اطراف نانوپرکنندههای پراکنده است که منجر به توزیع یکنواخت نانوپرکنندهها در بافت پلیمری میشود. این روش پیوند سطحی قوی بین نانوپرکنندهها و پلیمرها را ارائه داده که در نتیجه خواص مکانیکی و حرارتی را بهبود میبخشد. پلیمریزاسیون درجا به ویژه برای نانوپرکنندههایی که از نظر شیمیایی با بافت پلیمری سازگار هستند مناسب است (شکل 3).
در این روش، نانوپرکنندهها در یک حلال پراکنده میشوند و پلیمر در همان حلال حل میشود. سپس نانوپرکنندهها و محلول پلیمری با هم مخلوط میشوند تا به پراکندگی همگن نانوپرکنندهها در بافت پلیمری دست یابند. پس از تبخیر حلال، نانوکامپوزیت پلیمری تشکیل میشود. این روش اجازه میدهد تا کنترل بهتری بر پراکندگی نانوپرکننده داشته باشیم، اما پیوند سطحی بین نانوپرکنندهها و پلیمر ممکن است به اندازه پلیمریزاسیون درجا قوی نباشد.
مخلوط مذاب در حالت مذاب پلیمر انجام میشود. نانو پرکنندهها و پلیمر در دماهای بالا با استفاده از اکسترودرها یا میکسرها با هم مخلوط میشوند. این فرآیند شامل نیروهای برشی و اختلاط برای دستیابی به پراکندگی یکنواخت نانوپرکنندهها در پلیمر مذاب است. مخلوط مذاب معمولاً برای نانوکامپوزیتهای ترموپلاستیک استفاده میشود و امکان تولید در مقیاس بزرگ را فراهم میکند. با این حال، دستیابی به پراکندگی یکنواخت و پیوند سطحی قوی میتواند چالشبرانگیز باشد، به خصوص برای نانوپرکنندههای با نسبت ابعاد بالا (شکل 4).
روشهای به کمک الگو شامل استفاده از قالبها برای هدایت آرایش نانوپرکنندهها در طول سنتز است. الگوهایی با ساختارهای خاص را میتوان برای هدایت خود مونتاژی نانوپرکنندهها استفاده کرد. این روش به ساختارهای نانوکامپوزیت بسیار منظم، کنترل دقیق آرایش نانوپرکننده و خواص افزایش یافته منجر میشود. الگوها را میتوان پس از سنتز حذف کرد و یک نانوکامپوزیت به خوبی سازماندهی شده باقی گذاشت.
انتخاب روش سنتز به عوامل متعددی از جمله نوع نانو پرکننده، خواص مطلوب نانوکامپوزیت و سازگاری بین نانوپرکننده و بافت پلیمری بستگی دارد. هر روش مزایا و چالشهای خود را دارد و محققان اغلب رویکرد سنتز را بر اساس الزامات خاص برنامههای مورد نظر خود تنظیم میکنند.
صرفه نظر از روش سنتز، دستیابی به پراکندگی یکنواخت نانوپرکنندهها و پیوند سطحی قوی بین نانوپرکنندهها و بافت پلیمری برای به حداکثر رساندن مزایای نانوکامپوزیتهای پلیمری بسیار مهم است. انتخاب دقیق پارامترهای پردازش و استفاده از سازگارکنندهها میتواند خواص نانوکامپوزیت را بیشتر کرده و سنتز موفقیتآمیز آنها را تضمین کند.
نانوکامپوزیتهای پلیمری به دلیل خواص منحصر به فرد و عملکرد بهتر در مقایسه با پلیمرهای معمولی، کاربردهای متعددی در صنایع مختلف پیدا کردهاند. برخی از کاربردهای کلیدی نانوکامپوزیتهای پلیمری عبارتند از:
نانوکامپوزیتهای پلیمری به دلیل خواص الکتریکی و قابلیتهای حرارتی در صنعت الکترونیک به کار میروند. مواد نانوکامپوزیت با رسانایی الکتریکی بالا به عنوان رساناها، حسگرها و اجزای انعطافپذیر محافظ الکترومغناطیسی استفاده میشوند. آنها همچنین به عنوان مواد رابط حرارتی کارآمد برای دفع گرما از دستگاههای الکترونیکی عمل میکنند و پایداری و طول عمر این وسایل را بهبود میبخشند (شکل 5).
صنعت خودرو از نانوکامپوزیتهای پلیمری در اجزای مختلف استفاده میکند. این مواد باعث کاهش وزن میشوند که این امر منجر به بهبود راندمان سوخت و کاهش آلایندهها میگردد. نانوکامپوزیتها در سپرها، پنلهای بدنه، اجزای موتور و قطعات داخلی استفاده میشوند که استحکام، مقاومت در برابر ضربه و محافظت در برابر خوردگی را فراهم میکنند. علاوه بر این، نانوکامپوزیتها میتوانند نویزها و ارتعاشات وارد شده به خودرو را کاهش دهند که این امر سبب افزایش عمکلرد نهایی خودرو خواهد شد.
نانوکامپوزیتهای پلیمری زیستتخریبپذیر توجهات زیادی را در زمینه زیستپزشکی به خود جلب کردهاند (شکل 6). از این مواد در مهندسی بافت برای ایجاد داربستهایی به منظور بازسازی و ترمیم بافت آسیبدیده استفاده میگردد. همچنین نانوکامپوزیتهایی با خواص رهاسازی کنترلشده برای سیستمهای دارورسانی استفاده میشوند؛ این مواد امکان رهایش دوز دقیق دارو و درمان هدفمند را فراهم کرده و همچنین به دلیل زیستسازگاری و خواص مکانیکی افزایش یافته در تجهیزات پزشکی مانند ایمپلنتهای جراحی مورد استفاده قرار میگیرند.
نانوکامپوزیتهای پلیمری تحولی عظیم در بستهبندی مواد غذایی و نوشیدنی ایجاد کردهاند. با ترکیب نانوپرکنندهها در فیلمهای پلیمری، مواد بستهبندی خاصیت محافظتکنندگی بالایی به دست میآورند که عمر کالاهای فاسدشدنی را افزایش داده و ماده را در برابر رطوبت، گازها و آلایندهها محافظت میکنند. مواد بستهبندی حاوی نانوکامپوزیتها به کاهش ضایعات مواد غذایی، حفظ تازگی و حفظ ارزش غذایی کمک میکند.
در صنعت ساختمان از نانوکامپوزیتهای پلیمری برای مصالح زیرساختی مانند بتن، پوششها و درزگیرها استفاده میشود. این مواد استحکام مکانیکی را بهبود داده و دوام و مقاومت در برابر عوامل جوی را افزایش میدهند که این امر سبب میشود که این مواد برای کاربردهای با کارایی بالا در ساختمانها و پروژههای مهندسی عمران، به طور ویژهای مورد استقبال مهندسان ساختمان قرارگیرند.
نانوکامپوزیتهای پلیمری در دستگاههای ذخیره انرژی مانند باتریهای لیتیومیون و ابرخازنها استفاده میشوند. ادغام نانوپرکنندهها، رسانایی الکتریکی و پایداری حرارتی، استحکام مکانیکی الکترودها و جداکنندههای باتری را افزایش میدهد که منجر به بهبود بازده انرژی و عمر چرخه طولانیتر میشود (شکل 7).
نانوکامپوزیتهای پلیمری در حفاظت و اصلاح محیط زیست نقش بهسزایی دارند. از مواد نانوکامپوزیت در فرآیندهای تصفیه آب برای حذف آلایندهها استفاده میشود. آنها همچنین در تصفیه فاضلاب، فیلتر هوا و پاک-سازی نشت نفت به دلیل قابلیت جذب و فیلتراسیون کارآمد، بسیار مورد استفاده قرار میگیرند.
استفاده از نانوکامپوزیتها در صنعت لوله، حوزهای تازهای از تحقیقات است که پتانسیل ایجاد پیشرفتهای قابل توجهی در جنبههای مختلف ساخت، عملکرد و دوام لوله دارد. در ادامه به چند مورد از ویژگیهای بهبود یافته لولههای ساختمانی در ترکیب با نانوکامپوزیتهای مختلف اشاره میگردد:
• خواص مکانیکی پیشرفته: ترکیب نانوذراتی مانند نانولوله های کربنی (CNT) یا نانوالیاف در ماتریکس پلیمر میتواند خواص مکانیکی لولهها را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. این پیشرفتها شامل افزایش استحکام کششی، مقاومت در برابر ضربه و سفتی میشود که سبب دوام بیشتر لولهها و تحمل فشار و تنشهای بالاتر میشود.
• خواص عبورپذیری بهبود یافته: نانوکامپوزیتها میتوانند خواص مانع بهتری در برابر نفوذ گاز و مایع ایجاد کنند. این امر به ویژه در صنایعی مانند نفت و گاز که از لولهها برای انتقال سیالات و گازها استفاده میشود، حائز اهمیت است. افزودن نانوذرات به کامپوزیتهای پلیمری میتواند نرخ نفوذ را کاهش داده، از نشت جلوگیری کند و ایمنی نهایی محصول را افزایش دهد.
• مقاومت در برابر خوردگی: نانوکامپوزیتها میتوانند مقاومت بهتری در برابر خوردگی و تخریب داشته باشند که برای لولههای مورد استفاده در محیطهای خورنده یا حمل مواد خورنده ضروری است. نانوذرات میتوانند به عنوان مانع عمل کنند و مانع از نفوذ عوامل خورنده و افزایش طول عمر لولهها شوند.
• پایداری و رسانایی حرارتی: نانوکامپوزیتها میتوانند پایداری حرارتی و خواص انتقال حرارت را افزایش دهند. این امر در صنایعی که لولهها در معرض دماهای شدید قرار دارند یا در فرآیندهایی که تبادل گرما اهمیت دارد، قابل توجه است. نانوذرات می توانند اتلاف حرارت را کمتر کرده و بازده حرارتی کلی را بهبود بخشند.
• کاهش وزن و افزایش انعطاف: ترکیب نانومواد میتواند منجر به ایجاد لولههای سبکتر و انعطافپذیرتر شود که میتواند برای حمل و نقل و نصب مفید باشند. کاهش وزن همچنین میتواند به صرفهجویی در هزینه در طول فرآیندهای حمل و نقل و نصب کمک شایانی نماید.
• خواص ضد رسوب و خود تمیز شوندگی: نانوکامپوزیتها را میتوان با اصلاحات سطحی طراحی کرد که مانع از تجمع عوامل رسوبدهنده مانند بیوفیلمها یا رسوبات معدنی در سطح داخلی لولهها شود. این مسئله میتواند به حفظ راندمان جریان سیال کمک کند و نیاز به نگهداری مکرر را کاهش دهد.
• حسگر و نظارت: نانوکامپوزیتها را میتوان طوری مهندسی کرد که قابلیت سنجش داشته باشند که این امر امکان نظارت دقیق بر روی پارامترهایی مانند کرنش، فشار، دما و حتی وجود برخی مواد شیمیایی را فراهم میکند. این موضوع میتواند به تشخیص زودهنگام مشکلات احتمالی کمک کند و قابلیت اطمینان کلی سیستمهای لوله را افزایش دهد.
کاربردهای نانوکامپوزیتهای پلیمری به طور مداوم در حال گسترش است چراکه محققان همواره در حال کشف نانوپرکنندههای جدید بوده و روشهای سنتز جدیدی را برای ساخت آنها توسعه میدهند که سبب تنظیم خواص این مواد میشود. ایجاد این خواص بهبود یافته، آنها را برای صنایع مختلف مناسب میکند و راه را برای راهحلهای نوآورانه و پیشرفتهای پایدار هموار میسازد.
تحقیقات اخیر بر روی توسعه نانوپرکنندههای جدید، بهبود تکنیکهای پردازش، و کشف رویکردهای سبز و پایدار برای سنتز نانوکامپوزیتهای پلیمری متمرکز شده است. با این حال، چالشهایی مانند دستیابی به پراکندگی یکنواخت نانوذرات، حفظ عملکرد آنها در طول پردازش و نگرانیهای مربوط به سمیت احتمالی، تحقیقات بیشتری را برای اطمینان از کاربردهای صنعتی ایمن و قابلیت تولید در مقدار بالا ضروری میسازد.
نانوکامپوزیتهای پلیمری حوزهای پیشرفته از علم مواد با پتانسیل فوقالعاده برای کاربرد در صنایع مختلف است. این مواد پیشرفته با ترکیب موثر پرکنندههای نانومقیاس با بافتهای پلیمری، خواص مکانیکی، حرارتی، عبورپذیری و سایر ویژگیها را بهبود بخشیده و راههای جدیدی را برای نوآوری در زمینههای مختلف باز میکند. تحقیق و توسعه بیشتر در این زمینه احتمالاً به برنامههای کاربردی متنوعتر و تأثیرگذارتر منجر میشود که باعث پیشرفت در بخشهای مختلف و پرورش آیندهای پایدارتر و پیشرفتهتر از نظر فناوری در صنایع مختلف خواهد شد.
1. Fu, S.; Sun, Z.; Huang, P.; Li, Y.; Hu, N., Some basic aspects of polymer nanocomposites: A critical review. Nano Materials Science 2019, 1 (1), 2-30. 2. Bassyouni, M.; Abdel-Aziz, M.; Zoromba, M. S.; Abdel-Hamid, S.; Drioli, E., A review of polymeric nanocomposite membranes for water purification. Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2019, 73, 19-46. 3.Joshi, M.; Chatterjee, U., Polymer nanocomposite: An advanced material for aerospace applications. In Advanced composite materials for aerospace engineering, Elsevier: 2016; pp 241-264. 4. Bratovčić, A.; Odobašić, A.; Ćatić, S.; Šestan, I., Application of polymer nanocomposite materials in food packaging. Croatian journal of food science and technology 2015, 7 (2), 86-94. 5. Shameem, M. M.; Sasikanth, S.; Annamalai, R.; Raman, R. G., A brief review on polymer nanocomposites and its applications. Materials Today: Proceedings 2021, 45, 2536-2539.