مقدمه‌ای بر جایگاه فناوری نانو در [ صنایع پلیمری و صنعت لاستیک ]

[P O U R I A]

هسته و تعریف اولیه فناوری نانو، مونتاژ اتم‌ها بود که اولین منبع ثبت شده مـربـوط بـه آن را در سـال 1959 فیـزیکدانـی بـه نام ریچـارد فیـنمن به چاپ رسانده است. فناوری نانو یک فناوری معکوس (پایین به بالا) است که اجزای مواد را در ساختار بسیار کوچک کنار هم گذاشته و ساختاری متفاوت از مواد متداول تولید شده به روش بالا به پایین ایجاد می‌کند. بنابراین مواد تولید شده به این روش نقایص کمتر و کیفیت بالاتری دارند.
نانوکامپوزیت‌های پلیمری در بیست سال اخیر در مجامع علمی و صنعتی مورد توجه قرار گرفته‌اند. به عنوان مثال تنها در آمریکا در سال 1997، 116 میلیون دلار برای تحقیق در این زمینه هزینه شده است که در سال 2004 این رقم به 961 میلیون دلار رسیده است یعنی در هفت سال تقریباً 9 برابر شده است. شرکت Business communications Co. Inc. (BCC) در یک بررسی اقتصادی نشان داده است که بازار نانوکامپوزیت‌های پلیمری در سال 2003،24.5 میلیون پوند به ارزش 90.8 میلیون دلار بوده است و پیش بینی می‌شود که این رقم با رشد متوسط 18.4 درصد در سال 2008 به 211.1 میلیون دلار برسد. حتی پیش‌بینی شده است که اگر پیشرفت فناوری نانو با موارد فنی همگام روبه‌رو شود در بعضی از کاربردها این بازار با سرعت بیش‌ از 20 درصد در سال رشد کند.
نانوکامپوزیت‌های پلیمری جایگزینی قوی برای پلیمرهای پرشده (حاوی پرکننده) یا آلیاژهای پلیمری متداول هستند. بر خلاف کامپوزیت‌های متداول که تقویت در آنها در ابعاد میکرون روی می‌دهد، در نانوکامپوزیت‌ها این ابعاد به چند نانومتر می‌رسد. ارزش افزوده نانوکامپوزیت‌های پلیمری تنها بر اساس بهبود خواص مکانیکی پلیمر‌ها یا جایگزینی پرکننده‌های متداول‌ نیست بلکه پرکننده‌های نانو در مقادیر بسیار کم، خواص ویژه‌ای را بدون ایجاد تغییر زیاد در خواص مکانیکی یا فرآیند‌پذیری، در پلیمرها ایجاد می‌کنند که پلیمر اولیه فاقد آن است، متداول‌ترین پرکننده‌های نانو در پلیمرها، سیلیکات‌های لایه‌ای نانو و نانولوله‌های کربنی هستند.
پرکننده‌های لایه‌ای نانو سیلیکا
سیلیکات‌هایی که در ساخت نانوکامپوزیت‌ها به کار می‌روند، ساختاری لایه‌ای با ضخامت حدود یک نانو متر دارند که طول آنها متغیر است و به چند میکرون هم می‌رسد. بنابراین نسبت منظر (نسبت طول به ضخامت) آن بسیار بالا و بیشتر از هزار است. این لایه‌ها توده‌ای تشکیل می‌دهند که در بین آن فاصله‌هایی وجود دارد که از این پس آنها را با نام بین‌لایه‌ها (interlayer) خواهیم شناخت.
با جایگزینی ایزومورفیک بین لایه‌ها (جایگزینی Mg+2 با Al+3) یک بار منفی ایجاد می‌شود که ساختار آلکالی یا آلکالین کاتیون‌های معدنی درون بین لایه‌ها را موازنـه مـی‌کند. سطح کاتیـون‌ها مانند یـون‌های توده‌ای (bulky) آلکیل آمونیوم، فاصله بین لایه‌ها را افزایش داده و انرژی سطحی پرکننده را کاهش می‌دهد. بنابراین این پرکننده‌های اصلاح شده که به رس آلی(OrganoClay) معروفند، با پلیمرها سازگارترند و نانوکامپوزیت‌های لایه‌ای با سـیـلیــکـا شــکل مـی‌گـیـرد. مـونـت‌مـوریـلـونـیـت (montmorillonite)، هکتوریت (hectorite) و ساپونیت (saponite) متداول‌ترین پرکننده‌های سیلیکایی لایه‌ای هستند.

 

[P O U R I A]

روش‌های ساخت نانوکامپوزیت‌ها
از آنجا که در صنایع پلیمری نانوسیلیکات‌ها، متداول‌تر از بقیه مواد نانو هستند از این پس بیشتر به این مواد خواهیم پرداخت. روش‌های مختلفی برای ساخت نانوکامپوزیت‌های سیلیکات‌های لایه‌ای به کار رفته است.اما سه روش، استفاده بیشتری دارند.

1- پلیمریزاسیون درجا insitu-polymerization)):
این روش برای اولین بار در تهیه مواد پلیمری حاوی نانوکلی(clay) بر پایه پلی‌آمید-6 به کار رفته است. در این روش سیلیکاهای لایه‌ای به وسیله مونومر مایع یا محلول مونومر، متورم می‌شود، سپس مونومرها به درون لایه‌ها سیلیکات نفوذ کرده و پلیمریزاسیون در بین لایه‌ها اتفاق می‌افتد.

2- روش محلولی:
این روش مشـابه روش قبـلی است. ابـتـدا رس آلی در یک حلال قطبی مانند تولوئن یا NَN,- دی متیل فرمامید متورم شده، سپس پلیمر حل شده در حلال به محلول قبلی افزوده شده و بین لایه‌ها جای می‌گیرد. مرحله نهایی کار، تبخیر حلال است که معمولاً در خلا اتفاق می‌افتد. مزیت این روش این است که برای همه مواد پلیمری قابل اجراست اما اشکال عمده آن غیر قابل اجرا بودن آن در مقیاس صنعتی می‌باشد.

3- روش اختلاط مذاب:
در این روش پلیمر مذاب که دارای ویسـکوزیـتـه پاییـنی است با پرکننـده نـانوکلیِ(clay) آمیخته می‌شود. در این روش به دلیل افزایش بی‌نظمی، پلیمر به داخل لایه‌های کلی(clay) نفوذ می‌کند(شکل1). این روش، به دلیل پتانسیل بالایی که برای اجرا در مقیاس صنعتی دارد به شدت مورد توجه قرار گرفته است و نانوکامپوزیت‌های کلی(clay) بسیار زیادی به روش اکستروژن تولید شده است. تعداد زیادی از ترموپلاستیک‌های قطبی مانند پلی‌آمید-6، اتیل وینیل استات و پلی استایرن به این روش درون لایه‌های سیلیکاتی نفوذ کرده‌‌اند اما در مورد پلی اولفین‌ها که مصرف بسیار زیادی نیز دارند این فرآیند موفق نبوده است. اجرای این روش در لاستیک‌ها به دلیل ویسکوزیته بسیار زیاد و پدیده‌های الاستیک با موانع زیادی روبرو است و همین امر دلیل عدم پیشرفت قابل توجه نانوکامپوزیت‌های الاستومری در مقایسه با پلاستیک‌ها است.

 

[P O U R I A]

ساختار نانوکامپوزیت‌های کلی(clay)
بسته به طبیعت اجزای یک نانوکامپوزیت مانند نوع پلیمر، ماتریس و سیلیکات لایه‌ای یا کاتیون آلی بین لایه‌های سیلیکاتی سه ساختار در نانوکامپوزیت‌ها ممکن است ایجاد شود (شکل 2):

1- ساختار فاز‌های جدا:
اگر پلیمر نتواند بین لایه‌های سیلیکاتی نفوذ کند یک میکروکامپوزیت تولید می‌شود که مانند کامپوزیت‌های متداول بوده و امکان جدایی فازی در آن وجود دارد. به جز این نوع متداول کامپوزیت‌ها، امکان ایجاد دو ساختار دیگر وجود دارد.


2- ساختار لایه لایه(Intercalated structures):
این ساختار با نفوذ یک یا چند زنجیر پلیمری به درون لایه‌های سیلیکا و ایجاد ساختار ساندویچی حاصل می‌شود.

3- ساختار پراکنده یا پخش شده exfoliated ordelaminated structure)) :
این ساختار وقتی حاصل می‌شود که لایه‌های پرکننده سیلیکاتی به طور همگن و یکنواخت در بستر پلیمری توزیع شده باشند. این ساختار لایه‌های کاملاً جدا شده از اهمیت بسیار ویژه‌ای برخوردار است زیرا بر همکنش لایه‌های کلی(clay) و پلیمر را به حداکثر رسانده و تغییرات بسیار مشهودی را در خواص فیزیکی مکانیکی پلیمر ایجاد می‌کند. خواص نانوکامپوزیت‌ها
نانوکامپوزیت‌ها در مقادیر 5-2 درصد وزنی، خواص پلیمرهای خالص را به طرز قابل توجهی بهبود می‌دهند. این ارتقای خواص عبارتند از:
• خواص عبور پذیری (barrier) مانند نفوذپذیری و مقاومت در برابر حلال‌ها؛
• خواص نوری ؛
• هدایت یونی
خواص دیگر حاصل از ساختار لایه‌ای نانو سیلیکات‌ها در نانوکامپوزیت‌های پلیمری، افزایش پایداری حرارتی و مقاومت در برابر شعله (آتش) در مقادیر بسیار کم پرکننده می‌باشد. نانوکامپوزیت‌های مورد استفاده در صنعت پلاستیک
قیمت پایین نانوکلی(clay) نسبت به سایر پرکننده‌های نانو و امکان استفاده از روش اختلاط مذاب در پلاستیک‌ها باعث شده است که این شاخه ازنانوکامپوزیت‌ها رشد سریعی داشته و محصولاتی بر پایه پلاستیک‌هایی مانند پلی پروپیلن (PP)، پلی‌اتیلن ترفتالات (PET)، پلی‌اتیلن (PE)، پلی‌استایرن (PS) و نایلون به بازار عرضه شود. در ادامه به چند نمونه از این کاربردها اشاره شده است.
شرکت معروف تولید کننده خودرو، جنرال موتورز،جزء اولین استفاده کنندگانِ نانوکامپوزیت‌هاست. شکل 3 قسمتی از یک وانت را نشان می‌دهد که 7 پوند نانوکامپوزیت رنگی در ساخت‌ قطعات و اجزای قسمت مخصوص بار آن به کار رفته است.
شکل 4 پشت صندلی جدید تولید شرکت Nobel polymer را با نام تجاری Forte نشان می‌دهد. این قطعه قبلاً از پلی‌پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه ساخته می‌شد که باعث مشکلات فرآیندی، نقایص ساختاری قابل رویت و تاب برداشتن (warpage) می‌شد، اما در حال حاضر این قطـعه از نانوکامپوزیت PP و کلی(clay) ساخته شده و در اتومبیل Honda Acoratl 2004 کار گذاشته شده است.

 

[P O U R I A]

نانوکامپوزیت‌های مورد استفاده در صنعت لاستیک
با توجه به مسائلی که پیش‌تر به آن اشاره شد و مشکلات اجرای روش اختلاط مذاب در مورد الاستومرها، هنوز محصولات زیادی از نانوکامپوزیت‌های الاستومری به بازار عرضه نشده است، اما تحقیقات بسیار گسترده‌ای در شرکت‌ها و مراکز تحقیقاتی مختلف بر روی این نانوکامپوزیت‌ها در حال اجراست.
به عنوان مثال بنیان‌گذاران شرکت Inmat به دنبال استفاده از نانوکلی(clay) در ساختار قطعات لاستیکی ورزشی هستند و یک روکش نانوکامپوزیتی به ضخامت 30-10 میکرون با خواص نفوذنا‌پذیری و انعطاف‌پذیری بسیار بالا با پایه آلی ساخته‌اند. که می‌تواند بدون پارگی تا بیش از 20% کشیده شده و در ساخت قطعات لاستیکی نفوذنا‌پذیر به کار روند. آنها ادعا می‌کنند که با استفاده از این روکش‌ها، توپ‌های تنیس تا 12 ماه باد درون خود را نگه می‌دارند، توپ‌های فوتبال و بسکتبال به مدت زیاد نیاز به باد کردن مجدد ندارند و تایرها به جای هر سه ماه یکبار باد کردن هر سال یکبار باد می‌شوند که منجر به کاهش تصادفات ناشی از مشکل باد تایرها خواهد شد. با توجه به ضخامت ناچیز این روکش‌ها (30-10میکرون) افزایش وزن و تغییر خواص مکانیکی لاستیکی در اثر استفاده از این روکش‌ها قابل اغماض است. لازم به ذکر است روش محلولی در ساخت این نانوکامپوزیت به کار رفته است. این شرکت با همکاری شرکت Michelin در حال آزمایش مشابه این فناوری برای آب‌بندی کردن درون تایر، کاهش مقدار لاستیک بیوتیل مورد نیاز، سبک‌تر و ارزان‌تر کردن تایر و ساخت تایرهای سردتر (cooler running) می‌باشد.
اما آیا صنعت تایر نیز به صورت گسترده تحت تأثیر فناوری نانو قرار خواهد گرفت؟ در آینده با توجه به رشد روزافزون نانو در عرصه الکترونیک، نور و... احتمالاً بتوان تمام مراحل تولید تایر را در ابعاد نانو مشاهده و کنترل کرد اما بازار امروز صنعت تایر نیز با جایگزینی مواد متداول با مواد نانو ساختار می‌تواند از خواص و مزیت‌های آنها بهره‌ گیرد.
به عنوان مثال شرکت Goodyear پروژه‌هایی را بر پایه فناوری نانو و با بهره‌گیری از روش‌های مکانیکی و شیمیایی دنبال می‌کند که هدف از آنها کنترل ساختار، خواص مکانیکی و پاسخ الاستومر‌های پخت شده به فرکانس‌های مختلف است.آنها در نظر دارند تقویت کنندگی و پخت را در ابعاد زیر میکرون کنترل کرده و بهبود دهند تا کارآیی تایرها، هم با مواد جدید و هم با مواد سنتی، ارتقاء یابد.

آنها مواد بسیار جدید را نیز بررسی نموده‌اند آئروژل‌های سیلیکاتی یکی از این مواد هستند. نانو ایروژل‌ها از 98% هوا (به صورت حباب‌های نانو) در بستر سیلیکا ساخته شده‌اند که علاوه بر سبک بودن، مقاومت حرارتی بسیار بالایی دارند. محققان دانشگاه میسوری آمریکا ادعا کرده‌اند که نانوآئروژل خاصی ساخته‌اند که می‌تواند به جای تایرهای لاستیکی استفاده شود. شرکت Goodyer نیز از این نانو آئروژل‌ها در ساخت تایر استفاده کرده، نتایج تحقیق خود را به صورت اختراع ثبت کرده است.
و بالاخره یکی از بهترین این تحقیقات را شرکت Cabot صورت داده است. در سال 2003 شرکت Cabot یک نمونه از پرکننده‌های نانو، تولید شرکت nano products (با نام تجاری PüreNano) را در تایر به کار برده است. استفاده از پرکننده نانو سیلیکون کاربید منجر به بهبود قابل توجه مقاومت لغزندگی (skid resistance) و کاهش 50 درصدی سایش شده است که در نهایت منجر به تولید تایرهایی با ایمنی بسیار بالا و طول عمر 2 برابر تایرهای متداول خواهد شد.
تلاش آمیزه‌کاران و مهندسان صنعت لاستیک بر این است که با استفاده از تجهیزات موجود از فناوری نانو بهره جسته، بتوانند در مقیاس نانو فرآیند ساخت را کنترل و محصولی با کیفیت بالاتر و یکدست به بازار عرضه کنند. با توجه به گسترش روز افزون فناوری نانو به نظر می‌رسد که در آینده‌ای نه چندان دور تولید تایر نیز مانند تولید سایر محصولات کاملاً دگرگون شود.
​

افراد مقاله : ‌ محمدرضا دشت بیاض (نویسنده مسئول) - mohammad mohseni (نویسنده همکار)​