حقیقت

۱) چکيده:
فناوري نانو، فناوري ايجاد ساختار ملکولي موردنظر با دقت اتمي است. از آنجايي که کليه محصولات و فراورده هاي مادي از قرار گرفتن اتمها با نظم خاصي در کنار يکديگر به وجود مي آيند، فناوري نانو به صورت بالقوه امکان توليد کليه فراورده هاي مورد نياز بشر را فراهم مي آورد.
علم پليمر فقط علم پايه براي کاربردهاي صنعتي و تامين کالاهاي مصرفي براي مصرف کنندگان نيست، بلکه اين علم نقشي اساسي در پيدايش مفاهيم جديد در حوزه هاي مختلف علوم دارد. مسايل مربوط به فرايندهاي شناسايي ملکولي، فرايند تبادل اطلاعات بين ملکولي و پروتئين ها، مشکلات کنوني علم پليمرها هستند.
مقياس نانو از سالها پيش در زندگي بشر وجود داشته است ولي قرن حاضر زماني است که بشر توانسته است فناوري نانو را بهتر بشناسد و با رويکردي جديد، بيشتر از گذشته آنرا تحت کنترل خود در آورد و به عنوان يک انقلاب بزرگ در ساختن مواد و سيستمها مطرح شده و اين انقلاب در دنياي پليمرها نيز اتفاق افتاده است.
تاثير فناوري نانو در پليمرها از دو طريق اصلي است:
1) نانوپليمرها: پليمرهايي با استفاده از مونومرهاي نانويي و کنترل نانويي و کنترل توسط پليمريزاسيون آنها.
2) نانوکامپوزيتهاي پليمري: استفاده از پليمر به عنوان پايه در کامپوزيتها و تاثير فاز دوم در ابعاد نانو بر روي پليمر به منظور تشکيل کامپوزيت.
تاثير فناوري نانو بر پليمرها بيشتر از طريق نانوکامپوزيتهاي پليمري صورت ميگيرد زيرا اين مواد به طور همزمان مقاومت بالا و شکل پذيري از خود نشان ميدهند، خواصي که معمولا در يکجا جمع نميشوند. همچنين داراي کاربرد و خواص بسياري هستند که تعدادي از آنها بيان ميشود. يکي از کاربردهاي نانوکامپوزيتهاي پليمري، جايگزيني مواد شيشه است و ميتوان شيشه آلي مقاوم در برابر شکستن و يا مواد جاذب ضربه براي صنعت اتومبيل توليد کرد.
گذشته از اين، بکار بردن اين مواد در تکنولوژي الياف، باعث ايجاد توليدات جديدي در منسوجات خواهد شد. همچنين اين مواد ميتوانند جايگزين مناسبي براي فلزات باشند.

2) تاريخچه کامپوزيت:
كامپوزيتها يا مواد مركب، از جمله مواد مهندسي و ساختماني جديدي هستند كه در توسعه و كاربرد آنها متخصصين فراواني از رشته هاي مختلف مانند متالورژي‏‏، سراميك، پليمر و غيره سهم به سزايي دارند. استفاده از اين مواد، ايده جديدي نيست، به عنوان مثال چيني ها و مصريان قديم از جمله تمدنهاي باستاني بوده اند كه براي اولين بار از مخلوط كاه وگل و شن براي بناسازي استفاده كرده اند تا اينكه استحكام گل افزايش پيدا كند. مصريان با چسباندن لايه هاي نازك چوب و پارچه به يكديگر و با استفاده از طناب، قايقهاي خود را در برابر متورم شدن در آب تقويت مي كرده اند .
استفاده از كامپوزيتهاي مدرن، در حقيقت از اوائل 1940 شروع شد كه براي اولين بار از الياف شيشه جهت تقويت پلاستيكهاي مصرفي در ساخت پوشش پلاستيكي آنتن رادار هواپيما استفاده شد. در پي آن اولين کامپوزيت فايبرگلاس- پلاستيك در سال1942 ساخته شد و طي جنگ جهاني دوم و بلافاصله پس از كاربرد پلاستيكهاي تقويت شده با الياف در هواپيماسازي، كامپوزيتها موارد استفاده بيشتري يافتند و از سال 1956 صنايع فضايي نيز استفاده وسيع از آنها را آغاز كرند.
واژه كامپوزيت composite)) از كلمه انگليسي to compose به معاني تركيب كردن، ساختن و مخلوط كردن مشتق شده است. كامپوزيت از تركيب و اختلاط چند ماده حاصل ميشود. در اينجا منظور تركيب و اختلاط فيزيكي است نه شيميايي، بهطوري كه اجزاي تشكيل دهنده، ماهيت شيميايي و طبيعي خود را كاملا حفظ ميكنند.]1[
3) كامپوزيتها و اجزاي آن:
کامپوزيتها موادي هستند که خصوصيات زير را داشته باشند:
الف- جامد (تركيبات مايع از نظر خواص مكانيكي فاقد ارزش اند.)
ب- مصنوعي (كامپوزيتهاي طبيعي مانند چوب و استخوان مدنظر نيستند.)
ج- متشكل از دو يا چند جزء (يا فاز) كه از نظر شيميايي يا فيزيكي كاملا متفاوتند و به صورت منظم يا پراكنده كنار هم قرارگرفته اند و لايه مشتركي بين آنها وجود دارد و يا خواص مكانيكي يكي از فازها نسبت به فاز يا فازهاي ديگر متفاوت است. ]1[
1-3) زمينه ها:
با توجه به اينکه کامپوزيتها ترکيب دو يا چند ماده در همديگر هستند، ميتوان گفت که يکي از اين فازها بايد در برگيرنده فازهاي ديگر باشد، به چنين فازي که درصد حجمي و وزني آن از ديگر فازها بيشتر است و بصورت پيوسته ميباشد زمينه يا ماتريس گفته ميشود. اين زمينه ها در مواد مرکب صرفنظر از اينکه توسط الياف تقويت ميشوند، خود نيز نقش چسباندن الياف به يكديگر جهت انتقال تنشهاي وارد به فاز الياف، محافظت از الياف در برابر عوامل مكانيكي و جوي همچون رطويت را نيز به عهده دارند. فلزات، سراميكها و پليمرها به ويژه پلاستيكها از جمله پرمصرفترين مصالح موجودند و به اين جهت اين مواد مورد استفاده در كامپوزيتها را تشكيل ميدهند.
با توجه به خواصي که ما از کامپوزيتها انتظار خواهيم داشت، زمينه هاي مختلفي در كامپوزيتها بکار ميروند. از جمله زمينه ها عبارتنداز: زمينه هاي فلزي (مقاومت به ضربه بالا)، زمينه هاي سراميكي (مقاومت حرارتي بالا) و زمينه هاي پليمري(مقاومت شيميايي بالا).
2-3) تقويت کننده ها:
علاوه بر زمينه ها به دسته اي از تقويت کننده ها نياز است که در ذيل انواع آن آورده شده است:
الف) تقويت¬کننده¬هاي ذره¬اي:
تقويت¬کننده¬هاي ذره¬اي يا پرکننده¬ها، ذرات جامد از نوع معدني يا آلي هستند که از نظر ساختاري و ترکيب شيميايي از يکديگر متمايز مي¬شوند. اين ذرات داراي ابعاد کوچکي در سه بعد هستند به¬همين خاطر به آنها ذره گفته مي¬شود.
تقويت، معاني مختلفي دارد از جمله ممكن است واژه تقويت به¬عنوان مثال به افزايش همزمان استحکام کششي و مدول اطلاق شود. ]1[
ب) تقويت¬کننده¬هاي ليفي يا رشته¬اي:
تقويت¬کننده¬هاي رشته¬اي ممکن است به شکل الياف و به¬صورت پيوسته يا منقطع وجود داشته باشند. اکثر مواد در شکل ليفي خود محکمتر و سفت¬تر از ديگر اشکال خود هستند و به اين دليل تقويت¬کننده¬هاي ليفي مصرف بيشتري دارند. الياف شيشه با دانسيته بسيار کم، استحکام بسيار بالا و سفتي بسيار زياد دارند. ]1[
ج) تقويت¬كننده¬هاي ورقه¬اي يا سطحي:
نوع ديگري از تقويت¬كننده¬ها وجود دارد كه بصورت ورقه¬اي است و استحكام فوق¬العاده¬اي نسبت به تقويت¬كننده¬هاي ليفي و ذره¬اي از خود نشان مي¬دهد. علت اصلي آن، قرار گرفتن اين تقويت¬كننده¬ها در دو محور اصلي است. در حالي كه در تقويت¬كننده¬هاي رشته¬اي، زمينه فقط از يك طرف تقويت مي¬شود.

4) نانوكامپوزيت:
فناوري نانو و توليد مواد در ابعاد نانومتري موضوع جذابي براي تحقيقات است كه در دهة اخير توجه بسياري را به خود معطوف داشته است. نانوكامپوزيت¬ها نيز به¬عنوان يكي از شاخه‌‌هاي اين فناوري جديد، اهميت بسياري يافته است و يكي از زمينه‌هايي است که کاربردهاي صنعتي پيدا کرده است. تلاش¬هاي اوليه موفقيت‌آميز در تهيه نانوکامپوزيتها به دهه‌هاي شصت و هفتاد قرن بيستم ميلادي باز مي‌گردد. اما در 1980 با تهيه نانوکامپوزيت¬هايبر پايه نايلون6-خاك¬رس به¬صورت تجاري به¬وسيله شركت تويوتاي ژاپن، تحقيقات براي ساخت اين مواد شدت و سرعت بيشتري پيدا كرد و شركت¬هاي يوبي، يوني¬كيتا، هاني¬ول و باير نيز نانوكامپوزيت¬هايي را بر پايه نايلون6 ارائه نمودند كه عمده كاربرد آنها در خودروسازي و صنايع بسته‌بندي بود. از آن به بعد تعداد ديگري از شركت¬ها، نانوكامپوزيت¬ها را به¬منظور كاربردهاي تجاري مورد مطالعه قرار دادند و در اواخر سال 2001 ميلادي شركت¬هاي جنرال موتورز و باسل اولين كاربرد نانوكامپوزيت¬هاي بر پايه اولفين¬هاي گرما¬نرم را در قطعات خارجي اتومبيل ارائه نمودند. ,2]1[
1-4) تعريف نانوکامپوزيت¬ها:
نانوكامپوزيت¬ها شامل تركيب ذرات در حوزه مولكولي يا نانو در زمينه پليمري، فلزي يا سراميكي مي‌باشد. در همه موارد مشاهده مي‌شود كه مقدار نانوذرات در اين زمينه¬ها مي‌تواند به¬طور كامل خواص اين مواد را تغيير دهد اين نانوذرات به¬عنوان تقويت¬كننده زمينه و همچنين تغييردهنده رفتار الكتريكي مواد پايه به¬كار مي¬روند.
بايد توجه كرد كه تنها با اضافه كردن نانوذرات به يك زمينه به خواص فوق¬العاده‌اي نمي‌رسيم بلكه در اين تركيب بايد شرايطي را رعايت كرد. مثلا فرض كنيد يكسري ورق¬هاي پركننده‌اي را به كامپوزيت¬ها اضافه كرده باشيم، اگر ورق¬هاي كوچك معدني به¬صورت متراكم به هم چسبيده باشند رفتارشان خيلي متفاوت از مواد كامپوزتي معمولي نمي‌باشد.
اما به¬عنوان يك تعريف، نانوكامپوزيت، مواد مركبي هستند كه لااقل يكي از اجزاء تشكيل¬دهنده آنها داراي ابعادي در محدوده نانومتري، در محدودة nm100- 1، باشد؛ اما يكسري پودرهاي نانوكامپوزيت نيز داريم كه اين پودرها شامل ذرات با ابعادي مختلف در محدوده نانومتري هستند.
در مواد نانوكامپوزيت، به جزء پخش¬شونده كه به¬صورت الياف، صفحات، مسطح ريز، ذرات و يا حتي حفره‌ها، تركها و غيره در ابعاد نانومتري باشند، فاز دوم اطلاق مي‌شود و همينطور به جزء پيوسته در نانوكامپوزيت¬ها كه مي‌تواند در ابعاد نانومتري و يا بالاتر باشد فاز زمينه مي‌گويند. ,2]1[
2-4) دسته¬بندي نانوکامپوزيت¬ها:
در دسته¬اي از مواد نانوكامپوزيت، فاز دوم، موادي با دماي ذوب بالا مانند سراميك¬ها و يا فلزات بوده، فاز زمينه ماده‌اي با دماي ذوب پايين مانند پليمر و سراميك و فلز با دماي ذوب پايين است. اما در دسته ديگر، فاز زمينه ماده‌اي سراميكي يا فلزي با دماي ذوب بالا و فاز دوم ماده‌اي پليمري يا سراميكي و يا فلزي با دماي ذوب پايين¬تر است. به¬همين ترتيب، مواد نانوكامپوزيت، از نظر نوع مواد تشكيل¬دهنده، حداقل داراي سه گروه زير هستند:
الف) مواد نانوكامپوزيت سراميك- فلز: اين نوع مواد نانوكامپوزيت، عمدتا داراي جزيي سراميكي با دماي ذوب بالا و جزيي فلزي با دماي ذوب نسبتا پايين هستند و در ساخت قطعات عملياتي كاربرد دارند.
ب) مواد نانوكامپوزيت پليمر-سراميك (يا فلز): اين نوع مواد نانوكامپوزيت كه داراي فاز زمينه آلي (پليمري) و فاز دوم نانومتري غيرآلي(سراميكي يا فلزي) هستند بيشتر تحت عنوان مواد نانوكامپوزيت هيبريدي آلي-غيرآلي شناخته مي‌شوند.
ج) مواد نانوكامپوزيت سراميك-سراميك: مواد نانوكامپوزيت سراميك-سراميك كه دماي ذوب يك جزء بالاتر از جزء ديگر است، عمدتا داراي چگالي بالا و ميزان تخلخل پايين هستند. (شکل روبرو نانوکامپوزيتهاي AlN/SiCرا نشان مي¬دهد)
از ديگر دسته‌هاي نانوکامپوزيت مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
مواد نانوکامپوزيت سراميكي
نانوكامپوزيت¬هاي سراميك-فلز
نانوكامپوزيت¬هاي زمينه فلزي
نانوكامپوزيت¬هاي فيلم نازك
نانوكامپوزيت¬هاي برپايه نانولوله كربني ,6]1[

3-4) بهبود خواص در نانوکامپوزيت¬ها:
خواصي كه بر اثر وجود نانومواد در کامپوزيت¬ها بهبود مي‌يابند عبارتنداز: خواص فيزيكي مثل دماي واپيچش گرمايي، پايداري حرارتي، شفافيت، و خواص مکانيکي مثل خواص كششي، خواص خمشي و غيره[2]
4-4) كاربردهاي نانوکامپوزيت¬ها:
كاربرد نانوكامپوزيتها در تهيه بخش¬هاي خارجي خودرو بر پايه اولفين¬هاي گرمانرم نظير پروپيلن، در فيلم¬هاي بسته‌بندي نايلوني، در بطري¬هاي نگهداري مواد نوشيدني، در لوله‌هاي پليمري و در پوشش¬هاي كابل و سيم و غيره در حال گسترش است.
اخيرا جنرال موتورز تهيه اولين قطعات نانوكامپوزيت پلي¬اولفيني(PO- خاك¬رس) را كه حاوي تنها 5/2 درصد پرکننده معدني است، گزارش كرده است. اين محصول از لحاظ سفتي معادل اولفين گرمانرم حاوي ده برابر پركننده تالك است و موجب 20 درصد صرفه¬جويي در وزن مي‌شود. اين قطعات در صفحه¬هاي بدنه خارجي استيشن‌هاي مدل2002 استفاده شده است. برآورد شده كه استفاده گسترده نانوكامپوزيت¬ها در خودروها تنها در آمريكا مي‌تواند يك و نيم ميليارد ليتر در سوخت ساليانه صرفه‌جويي ايجاد كند و باعث كاهش توليد دي¬اكسيدكربن به ميزان پنج ميليارد كيلوگرم در سال شود.
شركت آرگون، خواص عبوردهي نانوكامپوزيتهاي استفاده شده در بسته‌بندي را تا حدود 2500 درصد اصلاح مي‌كند. يك نوع جديد از اين مواد موم¬هاي از جنس نانوكامپوزيت است كه مي¬تواند به خوبي كاغذ، جهت روكش تجهيزات استفاده گردد.
از ديگر زمينه¬هاي كاربرد نانوكامپوزيت¬ها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
ضدحريق كردن پلاستيك¬ها، تهيه الياف و فيلم¬ها، كاربردهاي الكتريكي، سامانه¬هاي انتقال دارو، مهندسي بافت، ساختمان¬سازي، لوازم خانگي و... . ,5]1[
5-4) مزايا و معايب نانوكامپوزيتها:
ظهور مواد نانوكامپوزيت، تحولي اساسي در خواص مكانيكي و حرارتي مواد ايجاد كرده است. خواص منحصر به فرد مواد نانوکامپوزيت را مي‌توان به صورت زير بيان كرد:
- پودرهاي نانوکامپوزيت نسبت سطح به حجم بالايي دارند. اين نسبت در حالت بي‌شكل نسبت به حالت بلوري، بيشتر است.
- كسر زيادي از اتمها در سطح ذرات پودرهاي نانوکامپوزيت و يا در مرز دانه‌هاي ريزساختار نانوکامپوزيت¬ها قرار دارند.
به دليل دو خاصيت اخير، پودرهاي نانوکامپوزيت، قابليت تفت‌جوشي (زينتر) بالايي دارند. در ساخت نانوكامپوزيت¬ها از پودرهاي نانوکامپوزيت يا پودرهاي نانومتري، به دليل كنترل فرآيند در مقياس نانومتري، ريزساختاري كاملا يكنواخت بدست مي‌آيد. نانوکامپوزيت¬ها خواص فيزيكي و مكانيكي از قبيل استحكام، سختي، چقرمگي و مقاومت حرارتي بالايي در محدوده وسيعي از دما دارند. افزودن پنج تا ده درصد حجمي فاز دوم به فاز زمينه، باعث افزايش چشمگيري در خواص فيزيكي و مكانيكي نانوکامپوزيت¬ها مي‌شود. لذا جديدترين فناوري¬ها، مربوط به طراحي ريزساختاري نانوکامپوزيت¬ها براي بهبود خواص فيزيكي و مكانيكي آن مي‌باشد.
در مقابل خواص منحصر به فرد مواد نانوکامپوزيت، در ساخت نانوکامپوزيت¬ها مشكلات فرآيندي قابل توجهي وجود دارد كه نقش تعيين¬كننده‌اي دارند. از اساسي‌ترين اين مشكلات مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
- عدم توزيع يكنواخت فاز دوم در فاز زمينه در نانوکامپوزيت¬ها، خواص مكانيكي نانوکامپوزيت¬ها را كاهش مي‌دهد. تجمع ذرات پودر بسيار ريز در نانوکامپوزيت¬ها موجب افزايش انرژي سطحي آنها شده، كاهش خواص مكانيكي نانوکامپوزيت¬ها را به دنبال دارد.
- همچنين استفاده از مواد شيميايي گران¬قيمت براي توزيع يكنواخت فاز دوم در داخل فاز زمينه و جلوگيري از بهم چسبيدن ذرات پودر نانوکامپوزيتي و ساخت نانوکامپوزيت¬هايي با ريزساختاري همگن و خواص مكانيكي بالا، باعث غيراقتصادي شدن و همچنين پيچيده‌تر شدن فرآيند مي‌گردد. ,3]1[

5) منابع:
1) سايت ستاد ويژه توسعه فناوري نانو www.nano.ir
2) کتاب نانومواد، مهدي حبيب¬نژاد و همکاران، انتشارات دانشگاه تهران، با حمايت کارگروه ترويج ستاد فناوري نانو.
3) سيد احسان سنبلستان، مقاوم¬سازي اصطکاکي رزين پليمري با پودر نانو، پايان¬نامه کارشناسي¬ارشد، م.شکريه، دانشگاه علم و صنعت.
4) Mamthiram,A Marcus,H.L.,and D. L.Bourell,'Selective Laser Sintering Using Nanocomposite Materials', US patent,No:5431967, Jul (1995)
5) ر.صحرائيان،رفتار آتشگيري نانوكامپوزيت¬هاي پلمير-خاك رس پايان¬نامه دوره کارشناسي¬ارشد مهندسي پلمير(صنايع پليمر)، ا. راهنما: دكتر مهرداد کوكبي، تيرماه(1382).
6) F.Gaeo, 'Instpolymer/Layered Inorganic particle Nanocamposites:A Better Solution To Make Materials Stronger', Risley Hall,Derby,Uk,September(2201)
7) ع.ا.بابالو، پايداري تعليق¬هاي سراميك- پودر در توليد غشاهاي نانوكامپوزيت رساله دوره دكتراي تخصصي مهندسي شيمي (صنايع پليمر)، ا.راهنما: دكتر مهرداد كوكبي، زمستان (1382).