فناوری نانو رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که حوزه‌های گسترده‌ای را دربرمی‌گیرد. موضوع اصلی آن نیز کنترل ماده یا تجهیزات در محدوده ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع فناوری نانو فهم و به‌کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم‌هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی، عمدتاً متأثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک از خود نشان می‌دهند. فناوری نانو در تمامی گرایش‌های علمی راه‌یافته و از فناوری‌های نوینی است که با سرعت بالایی در حال توسعه است.

پیش بینی شده است که فناوری نانو عامل اصلی در پیشبرد فناوری و کسب‌وکار در این قرن است و سبب ایجاد مواد با عملکرد بالاتر، سیستم‌های هوشمند و روش‌های تولیدی جدید با تأثیر قابل‌توجهی بر همه جنبه‌های جامعه می‌شود. در حال حاضر محصولات متنوع حاوی نانومواد مورداستفاده قرار می‌گیرند. محصولاتی با قابلیت‌های منحصربه‌فرد جدید شامل تجهیزات با سطوح آسان‌تمیزشونده، محصولات مقاوم نسبت به خراش، ضربه‌گیرهای خودرو، لباس‌های مقاوم به چروک، کرم‌های ضدآفتاب، استخوان‌های مصنوعی با استحکام بالا و غیره هستند. یکی از جنبه‌های فناوری نانو کاربرد آن در افزایش خواص قطعات پلیمری است. نانوکامپوزیت‌های پلیمری دستهٔ جدیدی از مواد چندفازی هستند که شامل نانوذرات پرکننده شامل نانوذرات، نانورس‌ها، نانولوله‌ها، نانورشته‌ها و غیره هستند. به دلیل ابعاد نانومتری و نسبت سطح به حجم بسیار بالای نانوذرات، این مواد ترکیبی دارای خواص چند عملکردی هستند که توسط مواد مرسوم قابل دست‌یابی نیستند [۱]. از جمله این موارد می‌توان به لوله‌های فاضلاب مستحکم، دریچه‌های آدم‌روی با استحکام بالا و… اشاره کرد. با استفاده از فناوری نانو میزان استحکام قطعات پلیمری به اندازه قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد.

جایگزینی فلزات به‌عنوان یک مزیت رقابت‌پذیری

نانوکامپوزیت‌ها دسته‌ای از مواد پلیمری با خواص مکانیکی عالی، مدول بهبود یافته و پایداری ابعادی، قابلیت تأخیر در شعله، خواص سایشی و خراشی بهبود یافته، خواص حرارتی و فرایندپذیری عالی هستند که این خواص آن‌ها را جایگزین مناسبی برای قطعات فلزی مورداستفاده در صنعت نموده است [۱]. جایگزینی فلزات عموماً منجر به کاهش وزن، هزینه و زمان تولید می‌شود. عموماً قطعات فلزی نیاز به ۶ مرحله تولید دارند اما در قطعات پلیمری در یک مرحله گرانوله‌ها تبدیل به قطعه نهایی می‌شوند. به‌عنوان مثال، در حال حاضر حدود ۱۶% از وزن خودرو از پلاستیک تولید شده است و با این روند در ۵ سال آینده امکان رسیدن آن به ۲۵% نیز فراهم است [۲]. صنعت خودرو در کاربردهای مختلف می‌تواند از قابلیت‌های پلیمرهای نانوکامپوزیت استفاده کند که شامل موتور، سیستم انتقال قدرت، سیستم ترمز و تعلیق، سیستم اگزوز، مبدل‌های کاتالیستی، بدنه، رنگ و پوشش، تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی است [۱]. این موضوع نیاز به استفاده از پلیمرهای مهندسی در قطعات تحت تنش، ارتعاش، حرارت و محیط‌های شدید کاری دارد. شرکت DuPont محدوده وسیعی از رزین‌های با کارایی بالا را برای محصولات با استحکام بسیار بالا، مقاومت به حرارت و کم‌هزینه تولید می‌کند. این رزین‌ها در طیف وسیعی از صنایع شامل صنعت خودرو و انرژی کاربرد دارند [۲].

PVC یکی از پراستفاده‌ترین پلیمر ترموپلاستیک و قدیمی‌ترین پلیمر سنتز شده توسط بشر است. در قرن ۱۹ میلادی محققان به‌صورت تصادفی PVC را کشف کردند اما ترکیبات تولیدی قابلیت استفاده در قطعات تجاری را نداشتند. در سال ۱۹۱۳ میلادی هاینریش پتنتی در مورد تولید PVC ثبت کرد که شامل پلیمریزاسیون وینیل کلراید با نور خورشید بود. در دهه ۵۰ میلادی بسیاری از شرکت‌ها شروع به تولید این ترکیبات کردند که به‌سرعت میزان تولید جهانی آن افزایش یافت. محصولات PVC به‌سرعت به در صنعت ساختمان به کار گرفته شدند. مقاومت آن‌ها به نور خورشید، ترکیبات شیمیایی و خورنده آن‌ها را گزینه مناسبی برای کاربردهای ساختمانی کرد. در حال حاضر PVC در رده سوم پرفروش‌ترین ماده پلیمری پس از پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن است. هزینه کم، مقاومت بسیار عالی و قابلیت کارپذیری PVC را به‌عنوان انتخاب مناسبی برای صنایع ساختمان، نساجی، حمل‌ونقل و سلامت و بهداشت تبدیل کرده است [۳].

ترکیبات PVC با افزودنی‌های مختلف کاربردهای متنوعی در صنایع گوناگون یافته‌اند. تحقیقات نشان داده است که افزودن نانوذرات به PVC خواص آن را به‌صورت قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. توزیع مناسب نانوذرات منجر به بهبود خواص مکانیکی، افزایش مدول بدون کاهش قابل‌توجه استحکام تسلیم و یا درصد افزایش طول می‌شود. در مقایسه با PVC بدون نانوذرات، دمای تجزیه حرارتی ۱۰% از نانوکامپوزیت PVC کمی کاهش می‌یابد اما دمای تجزیه حرارتی ۵۰% از ماده اولیه افزایش می‌یابد [۴].

قطعات پلیمری با خواص مکانیکی بالا

در کاربردهایی که قطعات پلیمری برای مقاومت در برابر تنش طراحی شده‌اند، خواص مکانیکی پلیمرها نقش مهمی بازی می‌کنند. خواص مکانیکی مواد شامل موارد ذیل است.

الف) استحکام[1]: مقاومت قطعه در برابر تنش‌های خارجی

ب) سفتی[2]: مقاومت ماده در برابر تغییر شکل

ج) سختی[3]: مقاومت ماده در برابر تغییر شکل ناشی از نیروی فشاری متمرکز

د) چقرمگی[4]: ظرفیت جذب ماده در حین ضربه

در شکل ۱ این مفاهیم نشان داده شده است.

شکل ۱-  مقاهیم استحکام، سفتی، سختی و چقرمگی در مواد [۵].

با استفاده از روش‌های استاندارد آزمون، امکان محاسبه این خواص در مواد وجود دارد. برای مثال، خواص کششی پلاستیک‌ها و صلبیت آن‌ها مطابق با استاندارد DIN EN ISO 527 و اعمال نیروی تک جهته با دستگاه تست کشش اندازه‌گیری می‌شود. نتایج حاصل از این آزمون و رفتارهای محتمل بر اساس رفتار ماده در شکل ۲ نشان داده شده است [۵].

شکل ۲- حالت‌های مختلف رفتار ماده در برابر اعمال نیروی کششی تک جهته [۵].

لازم به ذکر است که میزان بلورینگی، نوع و جهت‌گیری ذرات تقویت‌کننده و فرایند ساخت مورداستفاده اثر قابل‌ملاحظه‌ای بر خواص پلیمرها دارند که به‌منظور مقایسه خواص باید مدنظر قرار گیرند [۵].

بازار جهانی پلیمرهای با خواص بالا

پلیمرهای با خواص بالا از لحاظ خواص مکانیکی، پایدار حرارتی و شیمیایی با پلیمرهای مرسوم متفاوت هستند. این پلیمرها به‌منظور پاسخگویی به نیازهای خاصی تولید می‌شوند تا در محیط‌های خشن مورداستفاده قرار گیرند. پلیمرهای با خواص بالا در کاربردهای مختلف صنعتی استفاده می‌شوند و در تمام صنایع گسترش یافته‌اند. صنایع هوایی، نفت و گاز، پزشکی به دلیل نیاز به تجهیزات با خواص مکانیکی، شیمیایی بالا و در عین حال وزن کم، از جمله مصرف‌کنندگان پلیمرهای با خواص بالا هستند.

یکی از مهم‌ترین دلایل رشد بازارهای پلیمرهای با خواص بالا، وزن کمتر و قیمت به صرفه در برابر کارایی آن‌ها است. صنایعی چون خودرو، ساختمان و هوافضا نیاز به جایگزینی مواد سبک با خواص مشابه یا بالاتر از فلزات بدون کاهش کیفیت آن‌ها دارند. مزایای منحصربه‌فرد پلیمرها در مقابل قطعات فلزی منجر به رشد تقاضا برای این گونه از پلیمرها و گسترش قابل‌توجه بازار آن‌ها شده است [۶, ۷]. بررسی بازار این دسته از پلیمرها نشان می‌دهد که حجم این بازار در سال ۲۰۱۸ معادل ۲_/۱۳ میلیارد دلار بوده است و تا سال ۲۰۲۳ با رشد حدود ۴۰ درصدی به رقمی معادل ۲_/۱۸ میلیارد دلار خواهد رسید [۸].

برخی از مهم‌ترین شرکت‌های تولیدکننده پلیمرهای با خواص بالا DuPont، 3M، Solvay،Resirene،
MC Polymers، Celanese، Arkema، Chevron Phillips،Victrex، Sabic Global technologies هستند [6].

نانوافزودنی بهبود خواص مکانیکی

در چهار دهه اخیر استفاده از کامپوزیت‌های زمینه پلیمری[5] (PMCs) افزایش چشمگیری داشته است. علت آن داشتن خواصی نظیر سفتی و استحکام ویژه بالا، پایداری ابعادی، خواص الکتریکی کافی و مقاومت به خوردگی عالی است. در ساخت نانوکامپوزیت‌ها از پلیمرهای ترموست نظیر اپوکسی، وینیل استر، پلی‌استر اشباع نشده، فنولیک، پلی‌آمیدها، سیانات استر و غیره استفاده می‌شود. علت آن فراوانی، قابلیت اجرای فرایند روی آن‌ها، قیمت پایین تجهیزات ساخت و هزینه پایین مواد خام است. با این حال عیب کامپوزیت‌های پایه اپوکسی احتمال بالای تخریب به دلیل تردی ذاتی رزین پخت شده است؛ بنابراین برای موارد خاص باید استحکام به ضربه آن‌ها افزایش یابد. از نقطه نظر ابعاد و مورفولوژی پرکننده سه نوع کامپوزیت الیافی (FRP[6])، میکروکامپوزیت‌های ذره‌ای و نانوکامپوزیت موجود است. در بخش نانوکامپوزیت، پرکننده از جنس نانوذرات سیلیکا، نانوکلسیم کربنات، نانورس، نانوالیاف کربنی و نانولوله‌های کربنی است که با روش مخلوط کردن مکانیکی و گریز از مرکز و به دنبالش ریخته‌گری معمولی یا قالب‌گیری فشاری تولید می‌شود. با استفاده از نانوکامپوزیت‌ها، بدون اینکه سایر خواص تحت تأثیر قرار گیرند، می‌توان خواص مکانیکی را بهبود داد. به‌عنوان مثال هم‌زمان می‌توان هم سفتی و هم چقرمگی را افزایش داد. افزایش مقاومت در برابر شعله‌ور شدن بدون کاهش خواص مکانیکی و رنگ رخ می‌دهد. با افزودن ۰۱_/۰% حجمی پرکننده با نسبت طول به عرض ۱۰۰۰ مدول یانک قطعه کامپوزیتی تا ۶ برابر افزایش می‌یابد؛ اما باید در نظر داشت که با افزودن نانوذرات، به‌تدریج کرنش شکست کاهش می‌یابد [۹].

جدول ۱- انواع کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با نانو افزودنی‌ها

زمینه	تقویت‌کننده	فرایند تولید	منبع
اپوکسی	نانوسیلیکا، نانوکلسیم، کربنات، نانورس، نانوالیاف، نانولوله کربنی، نانوذرات الماس	اختلاط مکانیکی، قالب‌گیری فشاری یا ریخته‌گری	[۱۰, ۱۱]
شامل پلی‌آمید (PA)	نانوذرات الماس، نانوذرات رس		[۱۰, ۱۱]
پلی‌آمید ایمید (PAI)	نانوذرات الماس،		[۱۰]
پلی‌اتر اتر کتون (PEEK)	نانوذرات الماس،		[۱۰]
پلی‌تترافلوئورو اتیلن (PTFE)	نانوذرات الماس،		[۱۰]
پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بالا (UHMWPE)	نانولوله کربنی، نانوهیدروکسی آپاتیت، نانوذرات رس		[۱۱, ۱۲]
نایلون ۶، پلی‌استایرن، پلی‌اورتان، پلی‌پروپیلن	نانوذرات رس	قابلیت فرایندپذیری عالی، استحکام بالا	[۱, ۱۱]
پلی‌اتیلن با وزن مولکولی کم، پلی‌پروپیلن، پلی‌استایرن، پلی‌وینیل کلراید	نانولوله کربنی چندجداره	اختلاط مذاب، اختلاط محلول، ریخته‌گری مذاب	[۹]
پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بالا، پلی‌پروپیلن، پلی‌استایرن، پلی‌وینیل کلراید	گرافن	اختلاط مذاب، فرآوری مذاب، اختلاط محلول	[۹]
پلی‌وینیل کلراید	نانوسلیلیکات آمورف		[۱۳]

 

مواد نانویی که به‌منظور پرکننده کامپوزیت‌های پلیمری استفاده می‌شوند، ویژگی‌های زیر را در کامپوزیت نهایی ایجاد می‌کنند:

• افزایش صلبیت و مدول الاستیک زمینه؛
• افزایش استحکام و کرنش شکست؛
• افزایش مقاومت به شروع ترک و رشد آن (تافنس شکست)؛
• کاهش ضریب انبساط حرارتی، انقباض حرارتی، افزایش پایداری حرارتی پلیمر زمینه که باعث کاهش تنش حرارتی می‌شود.

برای دستیابی به اهداف فوق معمولاً از پرکننده‌هایی استفاده می‌شود که مدول الاستیک بالا و ضریب انبساط حرارتی کمتر نسبت به زمینه دارند این مواد که امروزه مورد مصرف قرار گرفته‌اند عبارتند از نانورس، نانوسیلیکا، نانوالیاف کربنی و نانولوله‌های کربنی. چالش اصلی تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری توزیع مناسب ذرات تقویت‌کننده در زمینه پلیمری است. با توجه به تمایل بالای ذرات نانومتری به کلوخه‌ای شدن ناشی از انرژی سطحی بالا، توزیع این ذرات در زمینه پلیمری اهمیت بسیار بالایی دارد. کلوخه‌ای شدن نانوذرات در زمینه پلیمری به‌عنوان نقاط تمرکز تنش عمل کرده و خواص مکانیکی را کاهش می‌دهد. شکل ۳ نمودار شماتیکی از حالات مختلف توزیع نانوذرات را در زمینه پلیمری نشان می‌دهد. بهترین حالت قرارگیری نانوذرات در زمینه پلیمری توزیع و پراکندگی یکنواخت نانوذرات است که در شکل ۳–د نشان داده شده است.

شکل ۳- تصویر شماتیک توزیع و پراکندگی نانوذرات در زمینه پلیمری [۹].

نانوذرات کروی سیلیکا به‌عنوان فیلر تقویت‌کننده پلیمرها استفاده می‌شوند زیرا مدول الاستیک بالا (GPa ۷۰) سطح ویژه بالا (m²/g ۳۸۰-۵۰) پایداری حرارتی بالا (°C۱۲۰۰)، دانسیته پایین (g/cm³ ۸/۱) و ضریب انبساط حرارتی پایین دارد و قیمت آن پایین (USD $18.5/Kg) است. بررسی اثر افزودن نانوذرات سیلیکا بر اپوکسی DGEBA با نام تجاری Epikote 828 نشان می‌دهد که با افزودن نانوسیلیکا استحکام تسلیم و مدول کششی با افزایش مقدار نانوسیلیکا دائماً در حال افزایش بوده و در مقدار ۲۰% وزنی نسبت به حالت اولیه بدون ذرات نانویی ۲۵% افزایش داشته است. همچنین با افزودن نانوذرات SiO₂ با سایز nm ۱۲ پیش فرآوری شده در استون و در درصدهای مختلف به پلیمر اپوکسی Bisphenol-A جهت ساخت کف‌پوش پلیمری سختی، استحکام کششی، درصد ازدیاد طول، مقاومت سایشی و دمای شیشه‌ای شدن افزایش یافت. افزودن نانوذرات بنتونیت بر خواص مکانیکی اپوکسی DGEBA نیز بهبود خواص مکانیکی را نشان می‌دهد. حضور نانوذرات رس باعث بهبود استحکام و سفتی زمینه اپوکسی می‌شود که در نتیجه آن استحکام فشاری اپوکسی افزایش می‌یابد. استفاده از نانوافزودنی‌هایی مانند گرافیت لایه‌ای نانومتری علاوه بر بهبود خواص مکانیکی، پایداری حرارتی و ضریب انبساط حرارتی اپوکسی نیز بهبود می‌یابد.

مکانیزم‌های بهبود خواص مکانیکی با نانوافزودنی‌ها

کامپوزیت‌های پلیمری که اندازه ذرات تقویت‌کننده آن‌ها در محدوده نانومتری باشد، نانوکامپوزیت پلیمری نامیده می‌شوند. این مواد عموماً وزن کمتری دارند و خواص آن‌ها نسبت به کامپوزیت‌های مرسوم به‌صورت قابل‌ملاحظه‌ای بهبود می‌یابد. مثال‌هایی از تقویت‌کننده‌های مورداستفاده در نانوکامپوزیت‌های پلیمری عبارتند از: نانولوله کربنی، نانوذرات رس نانوسیلیکات، نانوبلورهای سلولزی، نانوپولک‌های گرافیت و… . ابعاد این نانوافزودنی‌ها در محدوده نانومتری است. با افزودن این نانوذرات به زمینه پلیمری به دلیل استحکام بالاتر آن‌ها، خواص کامپوزیت حاصل افزایش می‌یابد. از طرف دیگر به دلیل ابعاد ریزتر نانوذرات، حفرات موجود در زمینه پلیمری پر می‌شود و ساختار متراکم‌تری ایجاد می‌شود و میزان عیوب ساختاری در قطعه نهایی کاهش می‌یابد و خواص مکانیکی قطعه نهایی بهبود می‌یابد [۱۲].

میزان بهبود خواص مکانیکی پلیمرها و انتقال مؤثر نیرو از زمینه به ذرات تقویت‌کننده شدیداً وابسته به توزیع نانوذرات در زمینه پلیمری است. به‌عنوان مثال حالت توزیع نانوذرات رس در زمینه پلیمری به‌صورت exfoliated و intercalated است که در شکل ۴ نشان داده شده است. بهترین حالت برای ساخت نانوکامپوزیت پلیمری با ذرات رس توزیع یکنواخت نانوذرات رس و exfoliation کامل آن‌ها است و هرگونه تجمع نانوذرات رس منجر به کاهش خواص نهایی قطعه خواهد شد [۱۱].

شکل ۴- دو نوع حالت exfoliated و intercalated در نانوکامپوزیت‌های رسی

نانوافزودنی‌های بر پایه کربن

نانولوله‌های کربنی (به‌ویژه چندلایه)، نانوپولک‌های گرافیت و نانورشته‌های کربنی با بهبود خواص و فرایندپذیری و همچنین کاهش هزینه به‌صورت تجاری در تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری استفاده شده‌اند. استحکام کششی نانولوله کربنی تک لایه در حدود GPa ۱۰-۳۰۰ و مدول یانگ آن‌ها در حدود GPa ۱۱۰۰ است. نانوپولک‌های گرافیت و صفحات گرافن مدول یانگ معادل GPa ۱۱۰۰ دارند.

نانورس‌ها

از میان نانومواد مختلف، نانورس‌ها به‌عنوان افزودنی تجاری برای تولید نانوکامپوزیت‌ها استفاده شده‌اند و حدود ۸۰% حجم نانومواد مصرفی در این بخش را شامل می‌شوند [۱]. دلیل تقاضای بالا برای نانوذرات رس هزینه کمتر این ترکیبات و بهبود هم‌زمان سفتی و چقرمگی و خواص مکانیکی آن‌ها است. نانوذرات رس به‌منظور تولید نانوکامپوزیت در پیش‌مادهٔ پلیمرهای مختلفی از جمله نایلون ۶، اپوکسی‌ها، پلی‌آمیدها، پلی‌استایرن، پلی‌اورتان، پلی‌اولفین‌ها مانند پلی‌پروپیلن و پلی‌اتیلن استفاده شده است. شرکت تویوتا به از نانوذرات رس در بهبود چقرمگی، استحکام و مدول نایلون ۶ استفاده کرده است [۱۱]. تجاری‌سازی پلیمرهای نانوکامپوزیت از سال ۱۹۹۱ در شرکت تویوتا آغاز شده است. این شرکت پوسته تسمه تایم را با نایلون ۶/رس تولید کرده است. تیم تحقیقاتی تویوتا بهبود خواص قطعات کامپوزیتی پلیمری دیگر را از جمله پلی‌استایرن، آکریلیک، پلی‌ایمیدها، رزین اپوکسی و الاستومرها گزارش کرده است. به‌طور هم‌زمان، شرکت یونیتیکای ژاپن نیز از نانوکامپوزیت نایلون ۶ در پوسته موتور میتسوبیشی GDI استفاده کرده است که منجر به ۲۰% کاهش وزن خودرو شده است. در سال ۲۰۰۲ شرکت جنرال موتورز پلی‌اولفین تقویت شده با ۳% نانورس را با همکاری شرکت Basell تولید و در پله کمکی خودروهای سافاری و شورلت آسترو و درب‌های شورولت ایمپالاس استفاده کرده است [۱۴]. شکل ۵ روند تجاری‌سازی قطعات نانوکامپوزیت پلیمری را در شرکت‌های مختلف تولید خودرو نشان می‌دهد.

شکل ۵- روند استفاده از نانوکامپوزیت پلیمر-رس در صنعت خودرو [۱].

نانوذرات الماس

کامپوزیت‌های پلیمر/نانوذرات الماس خواص مختلفی در مقایسه با پلیمرهای اصلاح‌نشده از خود نشان می‌دهند. بهبود خواص مکانیکی و حرارتی این نانوکامپوزیت‌ها به دلیل خواص حرارتی و مکانیکی الماس و اندازهٔ نانومتری و توزیع مناسب این ذرات در زمینه پلیمری است. عامل‌دار کردن سطح نانوذرات الماس باعث برهم‌کنش آن‌ها با مولکول‌های پلیمر و سایر مواد پرکننده می‌شود. به خصوص در شرایطی که پلیمرها محتوی پرکننده‌ها باشند، بهبود خواص قابل‌ملاحظه خواهد بود حتی زمانی که مقدار کمی نانوذرات الماس افزوده می‌شود. این نانوذرات به‌منظور افزایش مقاومت سایشی، افزایش استحکام تسلیم و مدول یانگ، افزایش چقرمگی شکست، افزایش هدایت حرارتی بدون تأثیر بر عایق الکتریکی بودن، کاهش ضریب انبساط حرارتی، افزایش محدود کاری دمای بالا و پایین کاربرد دارند. پلیمرهایی که امکان بهبود خواص آن‌ها فراهم است شامل پلی‌آمید (PA)، پلی‌آمید ایمید (PAI)، پلی‌اتر اتر کتون (PEEK)، پلی‌تترافلوئورو اتیلن (PTFE) و… هستند.

توزیع مناسب نانوالماس‌ها در زمینه پلیمر اهمیت بسیار بالایی دارد و ممکن است نیاز به مرحله اختلاط با استفاده از اکسترودر دو مارپیچی باشد، ترکیب اولیه نانوذرات الماس و سایر پرکننده‌ها در حین فرایند آسیاکاری و یا افزودن نانوذرات الماس در حلال باید مناسب باشد. ممکن است از فرایند اختلال مکانیکی برشی و یا اولتراسونیک نیز استفاده شود [۱۰].

شرکت‌های بین‌المللی تولیدکننده نانوکامپوزیت‌های پلیمری با خواص مکانیکی بالا

شرکت DuPont

شرکت دوپنت طیف وسیعی از نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستیک را طراحی و تولید کرده است که امکان ساخت قطعات با وزن کمتر، استحکام بالا و قابلیت قالب‌گیری بالا را دارند. این قطعات در صنایع خودرو، برق، الکترونیک و کاربردهای صنعتی قابل‌استفاده هستند. نانوکامپوزیت تقویت شده با شیشه، یکی از محصولات شرکت دوپنت است که با وجود درصد بسیار کمتر شیشه خواص مشابهی با PET تقویت شده با ذرات شیشه دارد؛ بنابراین وزن قطعات ساخته شده با این نانوکامپوزیت بسیار کمتر است [۱۵].

شرکت UGENT

محصولات نانوکامپوزیتی پلیمری تقویت شده شرکت UGENT طیف وسیعی از پلیمرها از جمله پلیمرهای عمومی، پلیمرهای مهندسی و پلاستیک‌های با خواص بالا را شامل می‌شود [۱۶]. این شرکت از افزودنی‌های نانوالیاف کربن، نانولوله کربنی و گرافن برای اصلاح نانوکامپوزیت‌های پلاستیکی استفاده می‌کند. محصولات نانوکامپوزیتی این شرکت با خواص مکانیکی بسیار عالی حاوی نانوالیاف کربن هستند که در مقایسه با مواد کامپوزیتی مرسوم برتری‌های زیر را دارند:

• وزن کم، استحکام بالا، کاهش هزینه حمل‌ونقل؛
• مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در دمای بالا؛
• فراوری آسان و قابلیت بازیافت؛
• و مناسب با روند فعلی و آینده جایگزینی پلیمرها با فولاد.

نانوکامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده شرکت Ugent در کاربردهای مختلفی از جمله هوافضا، خودرو، پره توربین بادی، نظامی، ساختمان، تجهیزات ورزشی، صنعت شیمی و… کاربرند دارد. نمونه‌ای از کاربردهای این نانوکامپوزیت‌های پلیمری در شکل ۶ نشان داده شده است.

شکل ۶- نمونه‌ای از کاربرد نانوکامپوزیت پلیمری شرکت UGENT [16].

شرکت کربودئون Carbodeon

شرکت کربودئون (Carbodeon) جزء پیشتازان فرمولاسیون پلیمرها است. افزودن الماس باعث افزایش استحکام، چقرمگی، سایش و هدایت حرارتی ترموپلاستیک‌ها می‌شود. نانوذرات الماس با نام تجاری uDiamond® به پلیمرهای PLA، PC، PA، PAI، PEEK و PTFE افزوده می‌شوند تا خواص آن‌ها بهبود یابد. با افزودن این نانوذرات استحکام تسلیم، مدول یانگ و چقرمگی شکست را افزایش داده و محدوده عملکرد این مواد پلیمری را گسترش می‌دهند. ترکیبات مختلفی که این شرکت تولید می‌کند در جدول 2 نشان داده شده است [۱۰].

جدول ۲- مشخصات نانوافزودنی برپایه الماس تولید شرکت کربودئون [۱۰]

ردیف	نام محصول	توضیحات
۱	uDiamond® Amine P	پودر نانوذرات الماس عامل‌دار شده با آمین، مناسب برای کاربردهای ترموپلاستیک و اپوکسی
۲	uDiamond® Vox P	نانوذرات الماس کربوکسیله شده، برای کاربردهای سیلیکونی
۳	uDiamond® Hydrogen P	پودر نانوالماس هیدروژنه شده
۴	uDiamond® Blend Nuevo	مخلوط نانوالماس و گرافیت

 

شرکت‌های داخلی تولیدکننده نانوکامپوزیت‌های پلیمری با خواص مکانیکی بالا

شرکت پیشگام پلاست اهواز

شرکت پیشگام پلاست اهواز تولیدکنندهٔ انواع لوله و اتصالات UPVC با بهره‌گیری از فناوری نانو است. اتصالات این شرکت خواص مکانیکی و حرارتی بهتری نسبت به نمونه‌های مشابه دارند. کاربرد عمدهٔ این نوع اتصالات در سیستم‌های لوله‌کشی ساختمان‌ها است. وجود پرکننده‌های نانویی باعث افزایش استحکام، مدول و چقرمگی زمینه پلیمری می‌شوند. این خواص غیرمعمول به دلیل سطح ویژه بسیار بالای نانوذرات است.

شکل ۷- انواع لوله و اتصالات فاضلاب تولید شرکت پیشگام پلاست اهواز.

مجتمع تولید لوله و اتصالات پلیمر یاس

شرکت تولید لوله و اتصالات پلیمر یاس، با بهره‌گیری از فناوری نانو، محصولات PVC مقاوم به ضربه و سخت تولید می‌نماید. حضور نانوذرات پرکننده در زمینه پلیمری PVC به‌طور قابل‌توجهی استحکام، مدول و سفتی زمینهٔ پلیمری را افزایش می‌دهند. در جدول 3 اثر افزودن نانوذرات بر خواص قطعات PVC نشان داده شده است. در این آزمون‌ها «دمای نرمی ویکات» (دمایی است که در آن فرو رونده به میزان ۱ میلی‌متر در نمونه فرو می‌رود)، «پایداری حرارتی» (میزان تشکیل حباب یا ایجاد ترک در اثر حرارت است که طبق استاندارد وسعت پوسته‌شدگی سطحی باید کمتر از ۵% باشد)، «آزمون ضربه» (بررسی ظاهر نمونه‌ها پس از رهاسازی از ارتفاع ۴ متری در دمای ۰ درجه سانتی‌گراد است که طبق استاندارد TIR (نرخ واقعی ضربه) باید کمتر از %۱۰ باشد)، و «میزان خوردگی» محصول با قرار دادن آن در محلول دی‌کلرومتان سنجیده می‌شود [۱۷].

جدول 3. مقایسه خواص قطعه PVC پس از افزودن نانوذرات [۱۷]

	دمای نرمی ویکات (C°)	مقاومت حرارتی	مقاومت در برابر ضربه		میزان خوردگی
حد قابل قبول استاندارد	≥۷۸	≥5% (بدون حباب یا ترک(		10%≥TIR	بدون خوردگی
نمونه شاهد	83.1	2% (بدون حباب یا ترک(		۲۰%	بدون خوردگی
نمونه نانو	81.4	2% (بدون حباب یا ترک)		۶%	بدون خوردگی

گروه تولیدی مهرساز

شرکت تولیدی مهرساز تولیدکننده انواع قطعات خودرو با بهره‌گیری از فناوری نانو، سینی فن خودرو با ترکیبات نانوکامپوزیتی پلیمری تولید کرده است. در این محصول علاوه بر کاهش وزن سینی فن خودرو، استحکام این قطعه افزایش یافته و امکان استفاده از مواد ترموپلاستیک دوستدار محیط‌زیست به جای نمونه‌های فعلی مبتنی بر مواد پلیمری ترموست فراهم شده است. برای تولید این محصول، شرکت راموآلیبرت گرانول‌های پلی‌پروپیلن حاوی نانوذرات کربنات کلسیم را تولید و در اختیار شرکت تولیدی مهرساز قرار داده است [۱۸].

شکل ۸- سینی فن خودرو نانوکامپوزیتی که استحکام بالاتر و وزن کمتری نسبت به قطعات فعلی دارد.

پویا پلیمر ظریف کار برتر

پلی وینیل کلراید PVC)) سومین پلیمر سنتزی رایج بعد از پلی‌اتیلن PE)) و پلی‌پروپیلن PP)) است. PVC یک پلاستیک سبک و محکم است که در صنعت ساختمان‌سازی به کار می‌رود. این ماده با اضافه کردن پلاستی‌سایزرها نرم‌تر و قابل‌انعطاف‌تر می‌شود. اگر پلاستی‌سایزرها اضافه نشوند این ماده به‌عنوان پلی‌وینیل کلراید پلاستی‌سایز نشده UPVC)) شناخته می‌شود. UPVC دارای مقاومت شیمیایی بالا در محدوده دمای کاری و گسترهٔ وسیع فشارهای عملیاتی است. به دلیل ویژگی‌های استحکام طولانی‌مدت، سختی بالا و مقرون‌به‌صرفه بودن، سیستم‌های UPVC برای بخش عظیمی از اتصالات و لوله‌های پلاستیکی در نظر گرفته می‌شوند. افزودن نانومواد استحکام و سختی UPVC را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد [۱۹].

طراحی مهندسی متین (توسعه هنر متین)

شکل ۹- دریچه آدم‌رو

دریچه آدم‌رو سرپوشی است که برای ورودی‌های آدم‌رو استفاده می‌شود. برای جلوگیری از افتادن کسی یا چیزی درون دریچه و ممانعت از ورود افراد و مواد غیرمجاز به درون آن به کار می‌رود. استفاده از سرپوش دریچه‌های آدم‌رو به رم باستان برمی‌گردد که از جنس سنگ و برای دریچه‌های فاضلاب به کار می‌رفتند. این نوع سرپوش‌ها معمولاً از چدن، بتن و یا ترکیبی از هر دو ساخته می‌شوند که باعث ارزان بودن، مقاوم و سنگین بودن (معمولاً با وزن بیشتر از ۵۰ کیلوگرم) آن‌ها می‌شود. دریچه‌های آدم‌رو همچنین می‌توانند از پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف شیشه یا دیگر مواد کامپوزیتی ساخته شوند. سرپوش‌های رایج به‌سادگی فرسوده شده و عمر کمی دارند. به همین دلیل استفاده از دریچه‌های پلیمری به دلیل تولید ارزان‌قیمت، مقاومت مکانیکی و هیدرولیکی بالا و همچنین دارا بودن مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر خوردگی در سراسر جهان در حال افزایش است. این محصول دریچه آدم‌رو حاوی نانوذرات آمورف سیلیکا است. ذرات دارای توزیع اندازه‌ای بین ۲۰ تا ۵۰ نانومتر بوده و خلوص آن ۹۹ درصد است. با افزودن. نانوذرات سیلیکا به‌عنوان نانو پرکننده به‌طور ویژه استحکام، مدول و سختی زمینه پلیمری را با نفوذ در آن افزایش می‌دهند [۱۳].

نتیجه‌گیری

قابلیت‌های منحصربه‌فرد نانوکامپوزیت‌های پلیمری توجه صنایع مختلفی را به این ترکیبات جدید مهندسی جلب کرده است. نیاز روزافزون صنایع به قطعات مستحکم و سبک منجر به گسترش سرمایه‌گذاری در این زمینه شده است. به‌عنوان‌مثال در صنایع خودروسازی اروپایی بیش از ۵% گردش مالی در زمینه تحقیق و توسعه صرف می‌شود و تمرکز آن‌ها بر توسعه قطعات با دوام، مستحکم و همچنین پوشش‌ها و رنگ‌ها بوده است. به همین جهت پیش‌بینی می‌شود طی سال‌های آینده انواع پلیمرهای نانوکامپوزیت در صنعت خودرو استفاده شود. روند مشابهی در تمامی صنایع ایجاد شده است، با توجه به بازار رو به رشد نانوکامپوزیت‌های پلیمری در سراسر جهان، ضروری است توجه بیشتری به این حوزه شود و صنایع مختلف با قابلیت‌های این دسته از مواد جدید آشنا شده و در محصولات خود از آن استفاده نمایند. نمونه‌های موفق استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری در داخل کشور وجود دارد و با توجه به پیش‌بینی‌های انجام شده، رشد قابل‌توجه بازار این محصولات در آینده رخ خواهد داد؛ بنابراین ضروری است بر اساس یک برنامه مدون و با حمایت همه‌جانبه از شرکت‌ها و فناوران این حوزه، زمینه رشد و توسعه این محصولات در داخل کشور فراهم شود.

 

 

منابع

[1]. https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=23934.php.

[2]. http://www.dupont.com/products-and-services/plastics-polymers-resins/articles/innovative-ideas-for-metal-replacement.html.

[3]. http://www.pvc.org/en/p/history.

[4]. https://pdfs.semanticscholar.org/3b2a/054c387c7bf8f6bab31a2dcc03ca00921d42.pdf.

[5]. https://www.ensingerplastics.com/en/shapes/plastic-material-selection/mechanical-properties.

[6]. https://www.industryarc.com/Report/11659/high-performance-polymers-market.html.

[7]. https://www.psmarketresearch.com/market-analysis/high-performance-plastic-market.

[8]. https://www.bccresearch.com/market-research/plastics/high-performance-plastics-applications-and-global-markets.html.

[9]. S.S. Ray, Processing of Polymer-based Nanocomposites: Processing-structure-property-performance relationships, Springer International Publishing2018.

[10]. http://www.carbodeon.com/index.php/en/applications/high-strength-harsh-environment-polymers.

[11]. https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/handle/2027.42/77887/akaushik_1.pdf?sequence=1.

[12]. https://www.iaeme.com/MasterAdmin/uploadfolder/IJMET_09_11_015/IJMET_09_11_015.pdf.

[13]. https://www.matinfrp.com/.

[14]. P.G.S. Nahin, B. P., Organoclay-polyolefin compositions, UNION OIL CO, United States, 1963.

[15]. https://www.plasticsnet.com/doc/dupont-develops-advanced-nanocomposites-for-e-0001.

[16]. http://www.ugenttech.com/Products-UG%20nanocomposite%20high%20strengt%20polymer%20(UG-HSP)%20.html.

[17]. https://polymeryas.com/.

[18]. https://www.mehrsazgostar.com/#.

[19]. http://www.paydarpolymer.ir/fa/

 

[1] Strength

[2] Stiffness

[3] Hardness

[4] Toughness

[5] Polymer Matrix Composites

[6] Fiber Reinforced Polymer

 

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• کارگزاری ترویج صنعتی پلیمر

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================