پرسش "نانو كامپوزیت چیست؟" در حال حاضر همانند پرسش كامپوزیت چیست؟ در دهه 1950 است. نانو كامپوزیت ها راهی نوین برای دستیابی به ویژگی های فوق العاده ارایه می كنند. این مواد توان بالقوه ای برای تغییر همه چیز دارند. نانو كامپوزیت ها دسته ای بزرگ از رزین های پر شده هستند. نخستین چیزی كه آن ها را از رزین های پر شده معمولی متمایز می كند اندازه ذرات پركننده است. اندازه این ذرات در مقیاسنانومتر است.
برای درك ابعاد نانومتر باید گفت كه یك متر معادل یك میلیارد نانومتر است. یك نانومتر طولی تقریباً برابر با قطر 10 اتم است. طول موج نور مرئی حدود 700 نانومتر است. هنگام بحث راجع به كامپوزیت ها، گاهی درباره سازه های كامپوزیتی صحبت می شود كه در طبیعت یافت می شوند. سدهایی كه سگ های آبی می سازند مثالی از سازه ای كامپوزیتی از شاخه های درخت و گل و لای است. بد نیست اگر توصیفی هم از یك نانو كامپوزیت طبیعی داشته باشیم. پوسته نوعی صدف دریایی به نام آبالون (abalone) از كربنات كلسیم تشكیل شده است. هنگامی كه آبالون پوسته خود را می سازد لایه های متناوبی از یك پلیمر طبیعی بین لایه های كربنات كلسیم ایجاد می كند. به این ترتیب پوسته به دست آمده دو برابر سخت تر و هزاران بار چقرمه تر از اجزای سازنده اش است.
نانو پركننده ها
یكی از پر مصرف ترین نانو پركننده های امروزی رس ها هستند؛ اگر چه گاهی نانو لوله های كربنی، فلزهای بلورین و بعضی نانو پركننده های دیگر نیز به كار گرفته می شوند. این پر كننده ها با یكی از رزین های پلیمری گرماسخت یا گرمانرم تركیب می شوند. كامپوزیت های به دست آمده عموماً دارای استحكام كششی و مدول بالاتر، دمای اعوجاج حرارتی بیشتر و دیگر ویژگی های مطلوب هستند.
در آغاز، بهبود ویژگی ها منجر به توسعه سریع این فن آوری شد. با این وجود نانو پركننده ها در حال حاضر بازار چندان گسترده ای ندارند ولی ممكن است در آینده ای نزدیك جهشی بزرگ داشته باشند. در بیشتر كاربردهای نانو كامپوزیتی، نانو رس ها به كار می روند و نانو لوله های كربنی و فلزات نانو بلورین تنها در كاربردهای بسیار ویژه به كار گرفته می شوند. رس ها فراوان و ارزان هستند. در بسیاری از محصولات به عنوان پر كننده به كار می روند و بهای تمام شده فراورده را كاهش می دهند. ولی نانو رس ها به روشی متفاوت عمل كرده و می توانند ویژگی های مطلوب رزین ها و محصولات كامپوزیتی را چند برابر كنند. این بهبود ویژگی ها در پوسته آبالون شگفت انگیز است.
رزین ها
تاكنون بیشتر كارهای انجام شده در حیطه نانوكامپوزیت ها، بر روی رزین های گرمانرم بوده است. ولی مشاهده می شود كه بسیاری از بهبود ویژگی ها، منجر به تغییر ویژگی های رزین های گرمانرم به سمت رزین های گرماسخت شده است. به علاوه این نانو كامپوزیت ها ویژگی های رزین های گرمانرم را به حدی بهبود داده اند كه بعضی از آنها در حوزه هایی وارد شده اند كه پیش از این فقط رزین های گرماسخت متداول بودند.
نانو كامپوزیت ها به عنوان دیرسوز كننده
FAA بودجه بسیاری صرف پژوهش در زمینه اثر دیرسوز كنندگی ذرات رس با اندازه نانومتری بر رفتار پلاستیك ها كرده است. در آغاز تنها دانشگاه كرنل (Cornell) در این زمینه با FAA همكاری می كرد. سپس دانشگاه ماركو (Marquette) و چندین دانشگاه دیگر نیز برنامه های پژوهشی خود را در زمینه نانو رس ها و اثرات دیر سوزكنندگی آنها فعال كردند.
آزمایش گرماسنجی مخروطی، اثر دیر سوز كنندگی این ذرات را به طور كلی تایید كرده است. رزین های پر شده نیز پایداری بهتری در برابر حرارت از خود نشان دادند. این مقاومت حرارتی بالا و ویژگی دیرسوز كنندگی نانو رس ها آینده خوبی برای این فن آوری رقم خواهد زد.
آلومیناتری هیدرات (ATH) یكی از پر كننده های دیرسوز كننده متداول در بسیاری از پلاستیك ها است. گاهی اوقات اثر دیرسوز كنندگی این ماده به حدی می رسد كه پلیمر خود اطفاء كننده (Self extinguishing) می شود. روند كار به این صورت است كه وقتی ATH در معرض حرارت قرار می گیرد، تری هیدرات بخار آب ازاد كرده و منجر به كاهش حرارت آتش و كند كردن عمل سوختن می شود. اما افزایش میزان ATH افزوده شده به رزین منجر به افت استحكام كششی و خمشی پلیمر می شود و وقتی مقدار پر كننده به یك حد بحرانی معین می رسد، افت ویژگی ها ناگهانی و قابل توجه خواهد بود.
روش كار نانو رس ها
سیلیكات های رسی نانومتری در پلیمر مذاب لایه لایه می شوند و ماده رس – پلاستیك را خلق می كنند. این ذرات رسی تقریباً به اندازه خود مولكول های پلیمر هستند بنابراین كاملاً با هم مخلوط شده و به طریق شیمیایی پیوند برقرار می كنند. این امر پایداری حرارتی و ویسكوزیته پلاستیك را افزایش و انتشار گازهای سوختنی را كاهش می دهد.
نانو رس ها به مقدار خیلی كمی – گاهی اوقات 6 درصد وزنی یا كم تر – به رزین افزوده می شوند. این مواد تقریباً در سطح مولكولی با رزین ها پیوند برقرار می كنند. به نظر می رسد وجود تركیبات آهن در نانو رس ها، پایداری حرارتی پلیمر را افزایش می دهد . این مواد هم دمای تغییر شكل و هم دمای ذوب رزین را افزایش می دهد.
نانو رس ها به مقدار خیلی كمی – گاهی اوقات 6 درصد وزنی یا كم تر – به رزین افزوده می شوند . این مواد تقریباً در سطح مولكولی با رزین ها پیوند برقرار می كنند. به نظر می رسد وجود تركیبات آهن در نانو رس ها، پایداری حرارتی پلیمر را افزایش می دهد . این مواد هم دمای تغییر شكل و هم دمای ذوب رزین را افزایش می دهند.
این مواد همچنین به عنوان پلاكت هایی عمل می كنند كه تبلور پلیمر را شتاب می بخشند. نانو رس ها مانعی در پلیمر ایجاد می كنند كه از مهاجرت اجزای فرار پلیمر درون ماده جلوگیری می كند. علاوه بر این، یك مانع زغالی نیز در سطح ایجاد می كنند كه در برابر سوختن بیشتر ماده مقاومت می كند. این امر باعث می شود ذرات نانو رس در سطح افزایش یابند و این افزایش حركت مواد پلیمری اضافی را به سطح به تاخیر می اندازد.
تشكیل یك سطح زغالی، از مشخصه های دیرسوز كنندگی رزین های فنلیك است. اگرچه نانو رس ها نیز یك مانع زغالی در سطح ایجاد می كنند ولی ساز و كار تشكیل آنها نسبت به فنلیك ها متفاوت است. تحقیقاتی در زمینه به كارگیری نانو رس ها به همراه هالوژن و بعضی دیگر از دیرسوز كننده های متداول انجام شد. نتایج نشان دادند كه در بعضی از كاربردها حتی با كاهش میزان افزودنی های دیرسوز كننده به مقداری قابل توجه، دیرسوزی رزین های پر شده با نانو ذرات برابر یه بهتر بود. در عین حال نانو رس ها منجر به افزایش استحكام فیزیكی ماده نیز می شوند.موادی كه به این طریق به دست می آید وزن مخصوصی كم تر و استحكام فیزیكی بیشتری دارند. كاهش میزان هالوژه ها در نانو كامپوزیت ها به معنی ارزان تر شدن رزین به دست آمده است.
اورتان
تاكنون كار زیادی در زمینه اثر دیر سوز كنندگی نانو رس ها در پلی استرهای گرماسخت انجام نشده است. اگر چه دلایل نشان می دهند كه این مواد در پلی استرها نیز باید همین طور عمل كنند. با این وجود كارهایی در زمینه پلی اورتان ها انجام شده است. نانو رس ها آینده روشنی برای بهبود دیرسوزی فوم های اورتانی ترسیم كرده اند. با پیشروی اورتان های سازه ای در بازار كامپوزیت های تقویت شده با الیاف متداول، دیر سوزی این مواد برای كاربردهای بیشتری جذاب خواهد بود. اگر سیستم های رزینی اورتانی دارای شرایط UL 94 Vo با بهای كم تری عرضه شوند . بازار بزرگ جدیدی به روی این مواد گشوده خواهد شد. یكی از فواید پرداختن به نانو رس ها برای دیرسوز كردن رزین ها، قابلیت تركیب این ویژگی با دیگر برتری های رزین هاست. یكی از كاستی های معمول رزین ها یا پوشش های ژلی دیرسوز، زرد یا بی رنگ شدن آنها هنگام قرار گرفتن در معرض نور فرابنفش است كه این مشكلات هنگام به كارگیری نانو رس ها رخ نمی دهند.
برای درك ابعاد نانومتر باید گفت كه یك متر معادل یك میلیارد نانومتر است. یك نانومتر طولی تقریباً برابر با قطر 10 اتم است. طول موج نور مرئی حدود 700 نانومتر است. هنگام بحث راجع به كامپوزیت ها، گاهی درباره سازه های كامپوزیتی صحبت می شود كه در طبیعت یافت می شوند. سدهایی كه سگ های آبی می سازند مثالی از سازه ای كامپوزیتی از شاخه های درخت و گل و لای است. بد نیست اگر توصیفی هم از یك نانو كامپوزیت طبیعی داشته باشیم. پوسته نوعی صدف دریایی به نام آبالون (abalone) از كربنات كلسیم تشكیل شده است. هنگامی كه آبالون پوسته خود را می سازد لایه های متناوبی از یك پلیمر طبیعی بین لایه های كربنات كلسیم ایجاد می كند. به این ترتیب پوسته به دست آمده دو برابر سخت تر و هزاران بار چقرمه تر از اجزای سازنده اش است.
نانو پركننده ها
یكی از پر مصرف ترین نانو پركننده های امروزی رس ها هستند؛ اگر چه گاهی نانو لوله های كربنی، فلزهای بلورین و بعضی نانو پركننده های دیگر نیز به كار گرفته می شوند. این پر كننده ها با یكی از رزین های پلیمری گرماسخت یا گرمانرم تركیب می شوند. كامپوزیت های به دست آمده عموماً دارای استحكام كششی و مدول بالاتر، دمای اعوجاج حرارتی بیشتر و دیگر ویژگی های مطلوب هستند.
در آغاز، بهبود ویژگی ها منجر به توسعه سریع این فن آوری شد. با این وجود نانو پركننده ها در حال حاضر بازار چندان گسترده ای ندارند ولی ممكن است در آینده ای نزدیك جهشی بزرگ داشته باشند. در بیشتر كاربردهای نانو كامپوزیتی، نانو رس ها به كار می روند و نانو لوله های كربنی و فلزات نانو بلورین تنها در كاربردهای بسیار ویژه به كار گرفته می شوند. رس ها فراوان و ارزان هستند. در بسیاری از محصولات به عنوان پر كننده به كار می روند و بهای تمام شده فراورده را كاهش می دهند. ولی نانو رس ها به روشی متفاوت عمل كرده و می توانند ویژگی های مطلوب رزین ها و محصولات كامپوزیتی را چند برابر كنند. این بهبود ویژگی ها در پوسته آبالون شگفت انگیز است.
رزین ها
تاكنون بیشتر كارهای انجام شده در حیطه نانوكامپوزیت ها، بر روی رزین های گرمانرم بوده است. ولی مشاهده می شود كه بسیاری از بهبود ویژگی ها، منجر به تغییر ویژگی های رزین های گرمانرم به سمت رزین های گرماسخت شده است. به علاوه این نانو كامپوزیت ها ویژگی های رزین های گرمانرم را به حدی بهبود داده اند كه بعضی از آنها در حوزه هایی وارد شده اند كه پیش از این فقط رزین های گرماسخت متداول بودند.
نانو كامپوزیت ها به عنوان دیرسوز كننده
FAA بودجه بسیاری صرف پژوهش در زمینه اثر دیرسوز كنندگی ذرات رس با اندازه نانومتری بر رفتار پلاستیك ها كرده است. در آغاز تنها دانشگاه كرنل (Cornell) در این زمینه با FAA همكاری می كرد. سپس دانشگاه ماركو (Marquette) و چندین دانشگاه دیگر نیز برنامه های پژوهشی خود را در زمینه نانو رس ها و اثرات دیر سوزكنندگی آنها فعال كردند.
آزمایش گرماسنجی مخروطی، اثر دیر سوز كنندگی این ذرات را به طور كلی تایید كرده است. رزین های پر شده نیز پایداری بهتری در برابر حرارت از خود نشان دادند. این مقاومت حرارتی بالا و ویژگی دیرسوز كنندگی نانو رس ها آینده خوبی برای این فن آوری رقم خواهد زد.
آلومیناتری هیدرات (ATH) یكی از پر كننده های دیرسوز كننده متداول در بسیاری از پلاستیك ها است. گاهی اوقات اثر دیرسوز كنندگی این ماده به حدی می رسد كه پلیمر خود اطفاء كننده (Self extinguishing) می شود. روند كار به این صورت است كه وقتی ATH در معرض حرارت قرار می گیرد، تری هیدرات بخار آب ازاد كرده و منجر به كاهش حرارت آتش و كند كردن عمل سوختن می شود. اما افزایش میزان ATH افزوده شده به رزین منجر به افت استحكام كششی و خمشی پلیمر می شود و وقتی مقدار پر كننده به یك حد بحرانی معین می رسد، افت ویژگی ها ناگهانی و قابل توجه خواهد بود.
روش كار نانو رس ها
سیلیكات های رسی نانومتری در پلیمر مذاب لایه لایه می شوند و ماده رس – پلاستیك را خلق می كنند. این ذرات رسی تقریباً به اندازه خود مولكول های پلیمر هستند بنابراین كاملاً با هم مخلوط شده و به طریق شیمیایی پیوند برقرار می كنند. این امر پایداری حرارتی و ویسكوزیته پلاستیك را افزایش و انتشار گازهای سوختنی را كاهش می دهد.
نانو رس ها به مقدار خیلی كمی – گاهی اوقات 6 درصد وزنی یا كم تر – به رزین افزوده می شوند. این مواد تقریباً در سطح مولكولی با رزین ها پیوند برقرار می كنند. به نظر می رسد وجود تركیبات آهن در نانو رس ها، پایداری حرارتی پلیمر را افزایش می دهد . این مواد هم دمای تغییر شكل و هم دمای ذوب رزین را افزایش می دهد.
نانو رس ها به مقدار خیلی كمی – گاهی اوقات 6 درصد وزنی یا كم تر – به رزین افزوده می شوند . این مواد تقریباً در سطح مولكولی با رزین ها پیوند برقرار می كنند. به نظر می رسد وجود تركیبات آهن در نانو رس ها، پایداری حرارتی پلیمر را افزایش می دهد . این مواد هم دمای تغییر شكل و هم دمای ذوب رزین را افزایش می دهند.
این مواد همچنین به عنوان پلاكت هایی عمل می كنند كه تبلور پلیمر را شتاب می بخشند. نانو رس ها مانعی در پلیمر ایجاد می كنند كه از مهاجرت اجزای فرار پلیمر درون ماده جلوگیری می كند. علاوه بر این، یك مانع زغالی نیز در سطح ایجاد می كنند كه در برابر سوختن بیشتر ماده مقاومت می كند. این امر باعث می شود ذرات نانو رس در سطح افزایش یابند و این افزایش حركت مواد پلیمری اضافی را به سطح به تاخیر می اندازد.
تشكیل یك سطح زغالی، از مشخصه های دیرسوز كنندگی رزین های فنلیك است. اگرچه نانو رس ها نیز یك مانع زغالی در سطح ایجاد می كنند ولی ساز و كار تشكیل آنها نسبت به فنلیك ها متفاوت است. تحقیقاتی در زمینه به كارگیری نانو رس ها به همراه هالوژن و بعضی دیگر از دیرسوز كننده های متداول انجام شد. نتایج نشان دادند كه در بعضی از كاربردها حتی با كاهش میزان افزودنی های دیرسوز كننده به مقداری قابل توجه، دیرسوزی رزین های پر شده با نانو ذرات برابر یه بهتر بود. در عین حال نانو رس ها منجر به افزایش استحكام فیزیكی ماده نیز می شوند.موادی كه به این طریق به دست می آید وزن مخصوصی كم تر و استحكام فیزیكی بیشتری دارند. كاهش میزان هالوژه ها در نانو كامپوزیت ها به معنی ارزان تر شدن رزین به دست آمده است.
اورتان
تاكنون كار زیادی در زمینه اثر دیر سوز كنندگی نانو رس ها در پلی استرهای گرماسخت انجام نشده است. اگر چه دلایل نشان می دهند كه این مواد در پلی استرها نیز باید همین طور عمل كنند. با این وجود كارهایی در زمینه پلی اورتان ها انجام شده است. نانو رس ها آینده روشنی برای بهبود دیرسوزی فوم های اورتانی ترسیم كرده اند. با پیشروی اورتان های سازه ای در بازار كامپوزیت های تقویت شده با الیاف متداول، دیر سوزی این مواد برای كاربردهای بیشتری جذاب خواهد بود. اگر سیستم های رزینی اورتانی دارای شرایط UL 94 Vo با بهای كم تری عرضه شوند . بازار بزرگ جدیدی به روی این مواد گشوده خواهد شد. یكی از فواید پرداختن به نانو رس ها برای دیرسوز كردن رزین ها، قابلیت تركیب این ویژگی با دیگر برتری های رزین هاست. یكی از كاستی های معمول رزین ها یا پوشش های ژلی دیرسوز، زرد یا بی رنگ شدن آنها هنگام قرار گرفتن در معرض نور فرابنفش است كه این مشكلات هنگام به كارگیری نانو رس ها رخ نمی دهند.
آخرین ویرایش توسط مدیر:
