نانورس
نانورس ها مواد منحصر به فردي هستند که به عنوان مواد افزودني براي ساخت
نانوکامپوزيت ها و بهبود قابل توجه خواص مواد پليمري به کار مي روند.
تصویر
یک ميکروسکوپ با قدرت تفکيک بالا مثل ميکروسکوپ الکتروني نشان می دهد،
نانورس ها شامل صفحات کوچک و نامنظم رسي هستند که در حدود 1 نانومتر ضخامت و
کمتر از 1 میکرومتر طول دارند.
شکل9-یک ورقه رس
رس های معمول موادی معدني هستند که در طبيعت یافت می شوند. بسياري از آنها
سيليکات هاي آلومينيوم مي باشند که ساختار ورقه اي دارند. شايع ترين نانورس
مونت موريلونیت است. انواع ديگر نانورس ها هکتوريت ها و رس هاي سنتزي
(براي مثال هيدروتالکيت) مي باشد.
امکان به کارگيري رس ها در مقادير بسيار کم باعث کاهش وزن، استحکام بالاتر و
کاهش خارق العاده عبور گازها در موادی مثل پلیمرها مي شوند. مشکلات اصلی
در زمينه نانورس ها، جداسازي و توزيع يکنواخت صفحه هاي کوچک رسی و تبدیل
رسهای آبدوست به آبگریز به منظور افزايش تعامل با پليمرها است. پلیمرها در
صنعت پلاستیک و بسته بندی مواد غذایی به کار می روند و این بازاری بزرگ
برای آنها به شمار می رود.
نانورسهایی که به خوبی آماده شده و با مقادیر کم(کمتر از 5%) به يک ترکیب
پليمري اضافه شده و مي توانند نانوکامپوزيت هاي پلیمری (بدون تفاوت خیلی
زیاد در ظاهر پلاستيک) تولید کنند که خصوصيات بسیار برجسته ای مانند وزن
سبک تر، خواص ضدخش و خواص عبورناپذیری در برابر گازها و اشتعال پذيري کمتر
ايجاد کنند.
کامپوزيت پليمری نانورس
در شرايط مناسب فضاهاي خالی بین صفحه های رس مي تواند به وسيله مونومرها،
اوليگومرها (زنجیره های کوتاه پلیمری) یا پليمرها اشغال شود. در اثر افزايش
فاصله بين صفحات، رس ها متورم مي شوند و پلیمرها به فضای بین دو صفحه راه
پیدا می کنند. در این حالت وضعیت صفحات نسبت به هم به دو شکل خواهد بود. در
حالت نخست وضعیت دسته دسته های موازی از صفحات رس در کنار هم مثل چوب
کبریتهای داخل قوطی کبریت است و درحالت دوم این صفحه های در کنار یکدیگر
بدون نظم خاصی مستقرند. به هر یک از دوحالت اسم خاصی اطلاق شده اما مهم آن
است که دو دسته کاربرد مجزا از نانورس ها با هر یک از این دو وضعیت شکل
خواهد گرفت.
شکل10-حالت دسته دسته صفحات نسبت به هم
شکل11-حالت متفرق و جدای صفحات
طرز تهيه
رس هاي مسطح موازی با هم به طور طبيعي آبدوست(متمایل به گروههایی که طبیعتی
آبی دارند) هستند، يعني واکنش آنها با اغلب پلیمرها (با گروههایی که
طبیعتی روغنی دارند) ضعيف است. يون هاي بار دار مثبت سدیم می توانند به
وسيله یونهای با بار منفي در صفحات رس جذب مي شوند و جنگجویی شوند که زره
های نانورسی در دست دارد.
شکل12-یونهای مثبت دو صفحه رسی را به سمت خود می کشند.
این یونها در واقع می توانند بین دو صفحه مجاور به اشتراك گذاشته شوند، این
باعث می شود صفحات رس خیلی خوب کنار هم نگه داشته شوند و بلوک بلوک شوند.
اگر جای یونهای منفی را با یونهای ضعیفتر عوض کنیم، از این کار جلوگیری مي
شود و نتيجه باز شدن صفحات نانومتری رس و افزايش برهمكنش بین سطوح نانورس و
پليمر است.
ساختار
نانورس ها شامل صفحاتي كوچك و نامنظم با ضخامتي در حدود 1 نانومتر و قطر
چندصد نانومتری مي باشند. ساختار كريستالي آنها عمدتا شامل ساختاری به نام
T-O-T مي باشد: دو لايه نازك از اتم سيلسيم (چهاروجهي) در طرفین فوقانی و
تحتانی و يك لايه آلومينيوم (هشت وجهي). اصولاً اين ساختار سه قسمتي يك
لايه از نانورس را تشکیل مي دهد.
شکل13-دو لایه از ساختار سه لایه ای TOT نانورس
شکل14-ساختار نانورس
خواص
يكي از مهمترين خصوصيات نانورس ها نسبت طول به ضخامت بسيار بالاي تك تك
صفحات (از 300 به 1 و1500 به 1 است) است. مساحت سطح صفحات جدا و پراکنده مي
تواند به m2/g 1000 برسد.به علت ساختار صفحه اي، نانورس ها مواد پليمري
معمول را تقویت می کنند ، یعنی خواص مکانیکی آنها را بهتر می کنند، افزايش
استحكام، مدول و ثبات ابعادی از این موارد است. صفحات نانورس به عنوان
محافظ در برابر رطوبت و مواد شيميايي به خوبي به عنوان حائلی برای جلوگیری
از نفوذ یا عبور گازها عمل مي كنند.
پليمرهايي كه با نانورس ها تركيب شده اند در مقايسه با مواد پليمري رايج
خاصیت ضدگرمایی و ضدآتش بالاتری نشان می دهند و کارایی بيشتري در خاموش
کردن شعله دارند و تغيير شكل آنها در معرض دماهاي بسيار بالا يا مواد
شيميايي کمتر است. نانوكامپوزيت هایی كه با استفاده از نانورس ها ساخته مي
شوند، رسانایی الكتريكي و تمیزی نوري بهتري نيز نشان مي دهد. يكي از نتایج
مهم باردار بودن نانورس ها (یعنی توانايي عوض کردن يونها) امکان سازگار
کردن خصلت متضاد آنها یعنی ذات کاملاً آبدوست با پلیمرها است. چرا که خیلی
از پلیمرها آبگریزند. عملكرد ضروري براي تشكيل نانوکامپوزيتهاي پليمر رس،
تغيير قطبيت رس و تبديل آن به مواد آلی دوست (آبگریز) مي باشد.
شکل15-لایه های نانورس
در سال1980 با تهيه نانوكامپوزيتهاي نايلون و رس در صنایع خودروسازی،
نانوكامپوزيت های نانورس شناخته شدند. در نانورسهای آلی دو لایه از
چهاروجهی های SiO2 مستقر در یک صفحه ساختارهای چهاروجهی
ترکیباتی مانند سدیم، آلومینیوم و منگنز را دربرمیگیرند. نانورسها می
توانند سختی و استحکام پلیمرها را بالا برده و میزان آتش پذیری الیاف
پلیمری و عبوردهی گازهایی مانند اکسیژن را در ظروف پلاستیکی کاهش دهند.
قطعات نانوكامپوزيت پلي پروپیلنی كه حاوي 5/2 درصد نانورس است با ایجاد یک
استحکام قابل قبول موجب 20 درصد صرفه-جويي در وزن مي شود. اين قطعات در
بدنه خارجي استيشن ها استفاده شده است. كاربرد نانوكامپوزيت های پلی
پروپیلنی در تهيه بدنه خارجي خودرو، در فيلم هاي بسته بندي نايلوني، در
بطري هاي نگهداري مواد نوشيدني، در لوله ها و در پوشش هاي كابل و سيم در
حال گسترش است. برآورد شده كه استفاده گسترده نانوكامپوزيتها در خودروها
تنها در آمريكا می تواند يك و نيم ميليارد ليتر در سوخت ساليانه صرفه جويي
ايجاد كند و باعث كاهش توليد دي اكسيدكربن به ميزان پنج ميليارد كيلوگرم در
سال شود. بايد توجه كرد كه تنها با اضافه كردن نانوذرات به يك پلیمر به
خواص مورد نظر نمي رسيم بلكه آرایش ذرات در ماتریس پلیمری در خواص نهایی
موثر است. نانـوکامپـوزیت های متشکل از نانورس را می توان به نحوی طراحی
کرد که عبور مقدار کم گاز را هم غیر ممکن سازد. در لاستیک ها و بطری های
نوشابه می توان از این نانوکامپوزیتها استفاده کرد. چنین ساختاری به افزایش
کارایی و حفظ حالت در توپ های تنیس نیز منجر شده است. تنها علت ایجاد چنین
خاصیتی نحوه استقرار صفحات چند نانومتری قرار گرفته در بین ماده است.
استفاده از یک ترکیب نانوکامپوزیت رسی خاص باعث جلوگیری از نفوذ پذیری لایه
و افزایش عمر توپ به دو برابر شده است.
شکل16-مراحل ایجاد نانوکامپوزیت پلیمری نانورس
شکل19-حالت دسته دسته صفحات نسبت به هم
شکل18-حالت متفرق و جدا
مقاوم در برابر شعله
ويژگيهاي ایستادگی در برابر شعله در نانورس ها به علت تشكيل لايه ای ذغالی
در هنگام سوختن نانوكامپوزيت مي باشد. ذغال خود به عنوان عايق و يك ماده
نسوز عمل كرده و ميزان آزاد شدن گازهای فرار در سطح شعله را كاهش مي دهد.
تشكيل ذغال توجيهي براي بهبود ثبات نانوکامپوزیت در برابر حرارت، جداسازي
فيزيكي پليمر و قسمت سوخته آن است.
شکل19-رفتار بهتر نانوکامپوزیتهای پلیمری در برابر حرارت با ایجاد یک لایه نازک روی آن در ارتباط است.
ممانعت از عبور گازها
صفحات نانورس می توانند مسيری پر پيچ و خم ایجاد کنند که از نفوذ بخارهای
گازي و مايعات به درون پليمر جلوگیری كرده و علاوه برخواص برجسته در ممانعت
عبورگازها سبب بهتر شدن مقاومت شيميايي و مقاومت در برابر رطوبت نیز مي
شود.
شکل20-تغییر عبوردهی در توپ
شکل 21- حضور نانوکامپوزیت پلیمری در توپ تنیس
درون توپ تنیس هوای فشرده قراردارد. لایه بیرونی و پوسته اجزای یک توپ
معمولی هستند. درقسمت درونی این توپ ها، یک لایه از جنس نانوکامپوزیت
پلیمری قرار دارد و مانع عبور هوا از توپ می شود.
شکل 22- نانوکامپوزیتها در بطری
نانوکامپوزیتهای رس را می توان در بطری ها هم استفاده کرد. کارخانه های
بسته بندی به دنبال توليد بطری هايی هستند که به محکمی شيشه بوده ولی به
راحتی شکسته نمی شوند. بطری های پلاستيکی ذرات نانورس این بطری ها را به
محکمی شيشه یا حتی محکم تر کرده است و احتمال شکستن آنها کمتر است. ترکيب
نانوذرات به نحوی است که مانع فساد مايعات و تغيير رنگ و بوی آنها شده و
تاريخ مصرف آنها را به شش ماه افزایش داده است. بعضی از کارخانه های غذايی
از جاذب های اکسيژن برای جلوگيری از رشد پاتوژن هاو موجودات زنده هوازی
استفاده می کنند که اين امر باعث فساد غذا و ناسالم شدنشان می شود.
استحکام مکانيکی
تقويت کننده های نانومتری حدوداً به ابعاد مولكولي پليمرها می رسند. اين
امر موجب تقابل نزديك دو ماده با يكديگر مي شود. وقتي پلیمر به خوبی با
نانورس اصلاح مي شود، ذرات پركننده با پليمرها برخورد می کنند و مناطق
محدودي در سطح ذرات ايجاد مي كنند. اين امر بخشي از زنجيره پليمري را تثبيت
مي كند كه اثر تقويت كننده اي را در پي دارد.
شرکت پیشگامان نانومواد ایرانیان زیر مجموعه گروه علمی-بازرگانی ثانی