مقدمه

کاربرد مواد و توسعه آنها از پایه های تمدن به شمار می روند. به طوری که دوره های تاریخی را با نام مواد نامگذاری کرده اند: عصرسنگ، عصربرنز، عصرآهن، عصر فولاد، عصر سیلیکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر می بریم. عصر جدید با شناخت یک ماده جدید به وجود نمی آید، بلکه با بهینه کردن و ترکیب چند ماده می توان پا در عصر نوین گذاشت. دنیای نانومواد، فرصتی استثنایی برای انقلاب در مواد کامپوزیتی است. کامپوزیت ترکیبی است از چند ماده متمایز، به طوری که اجزای آن به آسانی قابل تشخیص از یکدیگر باشند. یکی از کامپوزیتهای آشنا بتن است که از دو جزء سیمان و ماسه ساخته می شود.
برای تغییر دادن وبهینه کردن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، آنها را کامپوز یا ترکیب می کنیم. به طورمثال، پلی اتیلن که درساخت چمنهای مصنوعی ازآن استفاده می شود، رنگ پذیر نیست و بنابراین رنگ این چمنها اغلب مات به نظر می رسد. برای رفع این عیب به این پلیمر وینیل استات می افزایند تا خواص پلاستیکی، انعطافی و رنگ پذیری آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ایجاد کامپوزیت، به دست آوردن ماده ای ترکیبی با خواص دلخواه است.
نانوکامپوزیت، همان کامپوزیت در مقیاس نانومتراست. نانو کامپوزیتها در دو فاز تشکیل می شوند. در فازاول ساختاری بلوری در ابعاد نانوساخته می شود که زمینه یا ماتریس کامپوزیت به شمارمی رود. این زمینه ممکن است از جنس پلیمر، فلزیا سرامیک باشد. در فاز دوم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی و… به فاز اول یا ماتریس افزوده می شود. مهمترین تاثیرنانوکامپوزیتها درآینده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزیتهای سبک وزن و بعد تجهیزات الکترونیکی کوچکتر و سبکتر در ماهواره های فضایی. سازمان فضایی آمریکا (ناسا) درحمایت از فناوری نانوبسیارفعال است. بزرگترین تاثیر فناوری نانودرفضاپیماها، هواپیماهای تجاری وحتی فناوری موشک، کاهش وزن مواد ساختمانی سازه های بزرگ درونی و بیرونی، جداره سیستمهای درونی، اجزای موتور راکتها یا صفحات خورشیدی خواهد بود. در مصارف نظامی نیز کامپوزیتها موجب ارتقا درنحوه حفاظت ازقطعات الکترونیکی حساس در برابر تشعشع و خصوصیات دیگر همچون ناپیدایی در رادار می شوند. کامپوزیتهای نانو ذره سیلیکاتی به بازار خودروها وارد شده اند. در سال 2001 هم جنرال موتورز و هم تویوتا شروع به تولید محصول با این مواد را اعلام کردند. فایده آنها افزایش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه جویی در سوخت را به همراه دارد.
علاوه براین، نانوکامپوزیتها به محصولاتی همچون بسته بندی غذاها راه یافته اند تا سدی بزرگتر دربرابرنفوذ گازها باشند (مثلا با حفظ نیتروژن درون بسته یا مقابله با اکسیژن بیرونی).
همچنین خواص تعویق آتش گیری کامپوزیتهای سیلیکات نانوذره ای، می تواند در رختخواب، پرده ها و غیره کاربردهای بسیاری پیدا کند.

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فهرست مطالب

چکیده…………………………………………………………………… 1

مقدمه……………………………………………………………………. 2

فصل1- نانوتکنولوژی 4

سال 1959 سالی تاریخی برای علم و تکنولوژی است. در این سال فناوری مهندسی مولکولی (نانوتکنولوژی) اولین بار توسط Richard Feynmen مطرح شد. جمله معروفی از این دانشمند نقل شده است که می گوید” به لحاظ نظری هر ساختار مولوکولی پایداری که قوانین فیزیک و شیمی را نقض نکند قابل پیاده سازی میباشد[1].”
نانوتکنولوژی در واقع فناوری پیاده سازی مولکولی مورد نظر با دقت اتمی می باشد. از آنجایی که کلیه محصولات و فرآورده های مادی از قرار گرفتن اتمها با نظم خاصی در کنار یکدیگر به وجود می آیند، نانو تکنولوژی بالقوه امکان تولید کلیه فرآورده های مورد نیاز بشر را فراهم می آورد. بررسی ها نشان می دهد که نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری، کلیدی برای تولید سیستمهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی با خواص جدید و بهتر می باشد. امروزه در دنیا، از نانو تکنولوژی به عنوان روندی کلیدی و تاثیر گذار در علم، فن آوری و صنعت یاد می شود و به عنوان فرصتی برای پیشرفت در رشته های مختلف مورد توجه دولتها قرار گرفته است، به ویژه با همگرایی علوم در مقیاس نانو، و تاثیر نانوتکنولوژی در رشته های مختلف، زمینه ایجاد حوزه های بین رشته ای و چند رشته ای جدید در عرضه آموزش، تحقیقات و صنعت یاد شده است. به عقیده صاحب نظران مرزبندی آینده میان کشورها، بر مبنای میزان توانمندی آنها در این عرصه، سهمی خواهد بود که از تولیدات نانوتکنولوژی دارند. بدین ترتیب نانوتکنولوژی به عنوان یک رویکرد جدید وهمگرا کننده همه رشته ها در حوزه های مختلف فنی مهندسی، کشاورزی و صنایع غذایی، محیط زیست، علوم پزشکی و بیو تکنولوژی بوده و کاربردهای فراوانی دارد[1].
2-1- تقسیم بندی نانو تکنولوژی:
تعاریف و تقسیم بندی های متعددی از جانب افراد گوناگون بیان شده است که یکی از مناسب ترینآنها مربوط به مرکز علوم و فناوری دانشگاه رایس می باشد که عبارت است از:
الف- نانو تکنولوژی مرطوب:
مطالعه سیستمهای بیولوژیکی که در بدو امر در محیط آبی پرورش یافته اند مانند موارد ژنتیکی، آنزیمها و اجزای سلولی دیگر.
‌ب- نانو تکنولوژی خشک:
برگرفته از علوم سطحی و شیمی- فیزیکی می باشد به طوری که بر ساختارهای کربنی، سیلیکونها و بقیه مواد غیر زنده تاکید دارد. بر خلاف نانو تکنولوژی مرطوب مجوز استفاده از فلزات و نیمه هادیها در این مورد وجود دارد.
‌ج- نانو تکنولوژی محاسباتی:
برای شبیه سازی و مدل سازی ساختارهای مقیاس نانویی نکته مهم مونتاژگرها با مقیاس نانو هستند که می توانند خود را بازسازی نموده و چیزهای دیگری خلق کنند. این مونتاژگرها که توسط برنامه های نرم افزاری کنترل می شود قادر هستند هر آنچه ما طراحی می کنیم با سرعت زیاد و با قیمت ارزان بسازند[1].
3-1- ارتباط نانوتکنولوژی با بیوتکنولوژی:
در این قسمت به یک سری از تحقیقاتی که اخیرا در زمینه نانو تکنولوژی در کنار بیوتکنولوژی در حالصورت گرفتن است، اشاره می شود. Angela Belcherمحقق علم مواد در دانشگاه ام.آی.تی، می خواهد مواد نیمه رسانا را به صورت مدارهایی با اندازه یک صدم ماکروچیپ های استاندارد کنونی درآورد، او برای این کار ایده عجیبی دارد. وی معتقد است چرا از هنر هندسی ویروسها استفاده نشود؟ تاکنون تیم او ویروسهای غیر مضری را که قابلیت کار با 30 ماده مختلف را دارند، ساخته است. او معتقد است که می توان ازاین میکروبها درساخت سیمهای کوچکترین ترانزیستورها استفاده کرد. وسایل نانومتری در واقع می توانند تشکیل دهنده قلب چیپ های کامپیوتری خیلی فشرده، باطریهای خورشیدی با بازدهی بهتر و شاید حتی کارخانه های فوق کوچک باشند و بیوتکنولوژی می تواند به ساخت آنها کمک کند. به عقیده وی مولکولهای طبیعت استادان ساخت ماشینهای نانومتری هستند، از موتورهای مولکولی در یک ماهیچه گرفته تا نیروگاههای کوچک سلولی برای استخراج انرژی از غذا.
دیگر محققان نانو تکنولوژی نیز به مهار کردن پروتئینها یا حتی کل یک ارگان به عنوان یک قالب و یا سر هم سازنده، پرداخته اند.Lindquest محقق دانشگاه ام.آی.تی می گوید 10000سال پیش انسان شروع به اهلی کردن گیاهان و حیوانات کرد و اکنون زمان اهلی کردن مولکولها فرا رسیده است[1].
4-1- از جزء به کل:
دانشمندان می دانند برای ساختن وسایلی در اندازه های کوچکتر به راهکار جدیدتری نیازمندند. در حال حاضر برای تراشیدن تکه های مواد به صورت میکروچیپها، ماشینهای غول آسایی در کارخانه های چند بیلیون دلاری لازم است. این راهکار از” کل به جزء” برای ساخت ساختارهای صد یا هزار برابر ریزتر چنان ناکارآمد است که استفاده از آن عملی نیست. به همین دلیل محققان بیولوژی درصدد ساخت و طراحی وسایل نانومتری ای هستند که خودشان را از جزء کوچک به صورت کل درآورند. Oylenمحقق علم مواد در دانشگاه سانتاباربارای کالیفرنیا، پیش بینی می کند: “روزی ممکن است ما بتوانیم تمامی اجزاء را در یک خمره بیاندازیم و آنها خود به خود به صورت یک وسیله سرهم شوند. چنین چیزی خیلی عالی نیست؟ ” دانشمندان در آزمایشگاه، پروتئینها را وادار می کنند تا ساختارهای مشبکی با خانه هایی به اندازه 20 نانومتر تشکیل دهند. سپس پروتئینها را به گونه ای تغییر می دهند که آنها بتوانند ذرات مغناطیسی ریزرا در یک آرایه فشرده و منظم به دام اندازند. Mcmillan محقق این طرح می گوید: “در این ساختار اگر شما بتوانید هر ذره 10 نانومتری را به یک بیت داده تبدیل کنید،بزرگترین حافظه ممکن را در اختیار خواهید داشت. ”
برخی دیگر از مهندسان در این زمینه با دی.ان.ای کار می کنند. تک رشته های دی.ان.ای به صورت قطعات مکمل در یگدیگر قفل می شوند، به گونه ای که هر تک رشته به دنبال تک رشته دیگر که دارای دنباله کد ژنتیکی متناسب با آن است گشته و به آن متصل می شود. محققین اسرائیلی از این روش برای ساخت مدارهای ساخته شده از کربن نانوتیوبها- ساختارهای مو مانندی از کربن به قطر یک نانومتر- بهره برداری کردند. چند ماه پیش در مجله ساینس آمده بود که چگونه میتوان از دی.ان.ای و پروتئینهای خاصی مانند {اسمارت ولکرو} استفاده کرد تا نانوتیوبها را به الکترودهای بسیار ریزی متصل کرد. نتیجه مجموعه ای از نانو ترانزیستورها- جزءاصلی چیپ های کامپیوتری بود که خود را در یک لوله آزمایش می سازند. بنابراین می توان گفت که بیوتکنولوژی ما را قادر می سازد تا وسایلی با ابعاد نانومتری بسازیم که سازگاری بیشتری با محیط زیست داشته باشند. حتی ممکن است فرآیندهای حاصل از مواد نانومتری انرژی و مواد را بهینه تر از فرآیندهای صنعتی امروز مصرف کنند.

1- 1- معرفی نانو تکنولوژی……………………………………………. 5
2- 1- تقسیم بندی نانوتکنولوژی……………………………………… 6
3- 1- ارتباط نانوتکنولوژی با بیوتکنولوژی………………………………. 7
4- 1- از جزء به کل………………………………………………………. 7

فصل2- مقدمه ای بر نانوکامپوزیتها

به مواد تقویت شده با الیاف یا ذرات پودری کامپوزیت یا مواد مرکب می گویند. این مواد در سده اخیر از جمله پیشرفتهای فناوری بشر محسوب می شوند. کامپوزیتها یا مواد مرکب به دو یا چند فاز مشخص اطلاق می شوند که فازها به صورت مجزا بوده و خواص کاملا متفاوتی دارند. هدف از تهیه مواد مرکب تقویت یکی از فازهای تشکیل دهنده ماده مرکب است. به فاز تقویت شونده اصطلاحا ماتریس (زمینه) می گویند. در تهیه مواد کامپوزیتی هدف اصلی ارتقاء سطح کیفیت، مقاومت مکانیکی و فیزیکی ماتریس پلیمر می باشد.
در کامپوزیتها به دلیل این که فاز غیر پیوسته نسبت به فاز پیوسته، عمدتا سخت تر و قوی تر است به آن فاز تقویت کننده می گویند. فاز پیوسته، فاز غیر پیوسته و فصل مشترک جمعا تعیین کننده خواص نهایی ماده کامپوزیتی هستند. طراحی و ساخت کامپوزیتها بسیار حایز اهمیت است.به علت اختلاط چند فاز با خواص متفاوت امکان ایجاد ناهمسانی در ماتریس وجود دارد. این نا همسانی در قطعات تهیه شده باعث می شود که طراحان مواد کامپوزیتی درصدد رفع این مشکل برآیند.
به طور کلی سه نوع ماده کامپوزیتی تهیه می شود:
1- کامپوزیتهایی که ماده تقویت کننده به صورت لیف یا رشته است.
2- کامپوزیتهایی که ماده تقویت کننده به صورت پودر یا ذرات ریز است.
3- کامپوزیتهایی که ماده تقویت کننده آن لایه های مواد می باشند.
به طور کلی خواص کامپوزیتها تابع موارد زیر است:
1- خواص فازهای تشکیل دهنده؛
2- یکنواختی توزیع فازها؛
3- میزان تقویت فصل مشترک فازها یا به عبارت دیگر اثر متقابل فازها روی یکدیگر؛
2-2- انواع کامپوزیتها
1-کامپوزیتهای الیافی:
فاز غیر پیوسته در این کامپوزیتها را رشته های کوتاه یا بلند الیاف تشکیل می دهند. نکته ای که در این نوع کامپوزیتها مهم است این است که در ساخت این نوع کامپوزیتها باید سعی شود تا الیافی که در ماتریس پلیمر توزیع می شوند یکنواخت باشند و چنانچه الیاف استفاده شده با طول بلند باشند، نحوه آرایش الیاف جهت یکنواخت شدن در زمینه پلیمری مهم است. در این زمینه الیاف شیشه ای، کربنی، تالک و میکا از مهمترین الیاف هستند. الیاف چوب به عنوان یک تقویت کننده خوب در ساخت کامپوزیتهایی که پایه پلیمری آنها PVCاست، بیشتر استفاده می شوند. این نوع کامپوزیتها به علت استحکام بیشتر PVCدر صنعت کاربرد زیادی دارند. از نکات مهم دیگر که در تهیه کامپوزیتها مد نظر طراحان است، این است که سعی می کنند قطعه های به دست آمده طوری باشد که نقصی در آن ایجاد نشود و چنانچه در طول فرآیند ساخت، قطعه نقص داشته باشد باعث کاهش خواص آن خواهد شد.
2-کامپوزیتهای پودری:
در این نوع کامپوزیتها ماده تقویت کننده به صورت پودر است. از این پودرها می توان به پودرهای مس، آلومینیم، گرافیت، زغال سیاه و…. اشاره کرد.
پودرها در بهبود خواص مکانیکی از قبیل استحکام، سختی و چقرمگی بالای کامپوزیت و در تحمل نیروی وارده به کامپوزیت نقش دارند اما در مقایسه با الیاف این نقش به مراتب کمتر است. گاهی اوقات ذرات پودری شکل در ماتریس پلیمری شکننده باعث کاهش خواص و تمرکز تنش در ماتریس می شوند. پرکننده های پودری به مقدار فراوانی برای بهبود خواص ماتریس مثل هدایت الکتریکی و حرارتی، استفاده در دمای بالا، افزایش مقاومت سایشی وکاهش چروکیدگی استفاده می شوند. نانوکامپوزیتهای پلیمر- خاک رس از انواع کامپوزیتهای پودری محسوب می شوند.

10 1- 2- مقدمه………………………………………………………… 11
2- 2- انواع کامپوزیتها……………………………………………………..12
3- 2- نانوکامپوزیتها………………………………………………………. 13
4- 2- چرا نانوکامپوزیت؟………………………………………………….. 15
5- 2- چگونه نانو کامپوزیتها باعث کاهش آلاینده ها می شوند؟…….. 16
6- 2- آیا نانوکامپوزیتها مواد آینده هستند؟…………………………….. 17
7- 2- انواع نانوکامپوزیها ………………………………………………….18
8- 2-دسته بندی ابعادی نانوکامپوزیتها………………………………..20

فصل3- کامپوزیتهای پلیمر- خاک رس 

در ساخت این گونه نانوکامپوزیتها دو اصطلاح وجود دارد که برای بیان دو دسته نانومورفولوژی مورد استفاده قرار می گیرند. این اصطلاحات عبارتند از:Delaminated وInterclated. اصطلاح Interclated به ساختار چند لایه، منظم و خود ساخته اشاره دارد که طی آن زنجیرهای طولانی پلیمر به درون فضای آزاد دو تا سه نانومتری بین لایه های سیلیکات نفوذ می کند. اما ساختار Delaminated هنگامی حاصل می شود که لایه های سیلیکات نزدیک هم نبوده و امکان اندر کنش با کاتیونهای لایه های مجاور وجود نداشته باشد. در این حالت فضای بین لایه ای در حدود شعاع ژیراسیون می باشد. لذا می توان چنین تصور کرد که سیلیکات درون فاز آلی توزیع شده است. در این
نوع ساختار لایه های سیلیکات از نظم کمتری برخوردار است. در یک ماتریس پلیمری هر دو ساختار به طور همزمان می توانند حضور داشته باشند. چنین نانومورفولوژی مخلوط برای کامپوزیتهای بر پایه سیلیکات اسمکتیت و مواد معدنی بسیار متداول است.
پس با این توضیحات می توان گفت که نانوکامپوزیتها به دو دسته طبقه بندی می شوند. این طبقه بندی از روی نفوذ پلیمر به درون لایه های سیلیکاتی صورت می گیرد یعنی وقتی که خاک رس و پلیمر را با هم مخلوط می کنیم تا بتوانیم نانوکامپوزیت تولید کنیم، اگر در حین فرآیند پلیمریزاسیون پلیمر نتواند بین لایه های سیلیکاتی نفوذ کند در این صورت کامپوزیت معمولی خواهیم داشت. اما هنگامی که پلیمر بتواند بین لایه های سیلیکاتی نفوذ کند، نانوکامپوزیت تولید خواهد شد که در اینجا نانوکامپوزیت یا به صورت اینترکالیت خواهد بود یا به صورت نانوکامپوزیت ورقه ای شده. در نانوکامپوزیتهای اینترکالیت آرایش لایه ها حفظ می شود ولی در نانوکامپوزیت ورقه ای شده آرایش لایه ها تا حدود زیادی به هممی خورد و لایه های سیلیکاتی در ماتریس پلیمری به صورت منفرد پراکنده می شوند[4]. میانگین فاصله بین لایه های سیلیکاتی متغیر است و از روی میزان بار خاک رس در پلیمر محاسبه میشود. در ساخت مواد کامپوزیتی خاک رس سعی می شود بیشتر از آرایش کامپوزیتهای غیر یکنواخت استفاده شود، چون خواص فیزیکی بهتری خواهد داشت.
2-3- ساختمان سیلیکاتهای لایه ای
لایه های سیلیکاتی که عموما در نانوکامپوزیتها استفاده می شود به خانواده فیلوسیلیکاتهای 2:1 تعلق دارند[4]. شبکه کریستالی فیلوسیلیکاتها شامل لایه های دو بعدی است که دارای یک ورقه هشت وجهی آلومینا ومنیزیم است که بین دو ورقه از زنجیرهای چهار وجهی سیلیکا محصور است. ضخامت لایه ها در حدود یک نانومتر است و اندازه دو بعد دیگر در حدود چند میکرون است. از جابجایی هم شکل بین لایه ها (به عنوان مثال Cu جایگزین Fe شود یا Li جایگزین Mg شود) بار منفی روی سطح لایه های خاک رس ایجاد می شود که این بار منفی روی لایه ها توسط کاتیونهای قلیایی یا قلیایی خاک جبران می شود. از آنجایی که نیرویی که لایه ها را در کنار یکدیگر نگه می دارد، نسبتا ضعیف است نفوذ مولکولهای کوچک بین لایه ها به سادگی انجام می شود. یکی از این روشها تعویض کاتیونهای هیدراته شده با کاتیونهای مثل آلکیل آمونیوم یا آلکیل فسفونیم است. خاک رس اصلاح شده آب گریزمی شود و انرژی سطح آن کاهش می یابد و سازگاری آن با ماتریسهای پلیمری افزایش می یابد. مونت موری لونیت (MMT )، ساپونیت وهکتوریت از پرمصرف ترین سیلیکاتهای لایه ای شکل هستند. اخیرا یکسری تحقیقات صورت گرفته است که به بررسی ساخت نانوکامپوزیتهای پلیمر- خاک رس با استفاده از کانیهای اسمکتیت پرداخته است. این نوع خاک رسها عمدتا با بار سطحی منفی شانشناخته می شوند که تحت عنوان ظرفیت تبادل کاتیونی معرفی می شوند و با CEC که بهصورتmeq/100gr یا میلی اکی والان به ازای هر 100 گرم خاک رس بیان می شود. بار سطحیروی لایه های مختلف متفاوت است و به همین خاطر متوسط بار منفی روی کریستالها قرار گرفتهمحاسبه می شود.

– 3- نانوکامپوزیتهای پلیمر- خاک رس…………………………………….. 23
2- 3- ساختمان سیلیکاتهای لایه ای……………………………………… 24
3- 3- سیلیکاتهای لایه ای مورد استفاده…………………………………. 25
4- 3- کانیهای خاک رس متورم شونده…………………………………….. 28

فصل4- نانوکامپوزیتهای نایلون-6- خاک رس

در سال 1970،Kato یک ترکیب خاک رس- پلیمر متشکل از یک پلیمر آلی و خـاک رس معـدنی راگزارش کرده است. او یک مونومر اکریلیک اسید بین صفحات سیلیکاتMMT جا داد و پلیمریزاسیوناکریلیک اسید را به روش پلیمریزاسیون در جا انجام داد که طی این عمل پلیمریزاسیون، فاصـله اساسـیMMT از 6/9 آنگستروم به 4/17 آنگستروم افزایش یافت . با وجود این، این ترکیب خاک رس- پلیمـربوسیله روشهای قالب گیری متداول فرایند پذیر نبود.
بعد از Kato در سال 1976، Sakamoto, Fujiwara موفق به ساخت نانوکامپوزیـت نـایلون – 6- خاک رس شدند که روند کار آنها به صورت زیر است:
آنها ابتدا یک کمپلکس آمینوکربوکسیلیک اسید – مونت موری لونیت با فاصله اساسی بزرگ شده که درحدود 2/15 آنگستروم بود در طول واکنش تبادلی یونی بین یون سدیم موجود در داخل لایه هـای مـادهمعدنی مونت مـوری لونیـت و آمینـو کربوکـسیلیک پروتـون دار، بدسـت آوردنـد. در مرحلـه دومε – کاپرولاکتام را در بین لایه های کمپلکس اینترکالیت کرده و سپس به روش در جا پلمیریزاسیون صـورتگرفت. نانوکامپوزیت نایلون – 6- مونت موری لونیت به این طریق فاصله اساسی خیلـی گـسترده ای درحدود 8/69 آنگستروم به دست آورد. این نانوکامپوزیت به روشهای قالب گیری فرآیند پـذیر بـود. ایـنفرآیند، مبدأ حقیقی تکنولوژی ساخت نانوکامپوزیت نایلون-6- خاک رس مـی باشـد. بعـداًUsuki بـااستفاده از این روش نانوکامپوزیت نایلون -6- را ساخت.
2-4- روش پلیمریزاسیون در جا برای ساخت نانوکامپوزیت نایلون-6
همانطوریکه مطرح گردید نانوکامپوزیت نایلون -6- خاک رس قابل سنتز در یک روش دو مرحلـه ایاست. با وجود این، این روش از نظر اقتصادی برای تولید کامپوزیت در ابعاد صـنعتی بـه خـاطر قیمـتبالای آن، مقرون به صرفه نیست. بنابراین محققین در صدد برآمدند تا نانوکامپوزیت مـورد نظـر را فقـطمستقیماً از سیلیکات ورقه ای شـده خـاص برآمدنـد تـا نانوکامپوزیـت مـورد نظـر را فقـط مـستقیماً ازسیلیکات ورقه ای شده خاص (میکای حجیم شـده مـصنوعی) وε – کاپرولاکتـام در یـک مرحلـه بـهدست آورند، بدون اینکه یک مرحله دیگر برای تولید ترکیب خاک رس- آمینوکربوکسیلیک اسید به کارببرند. این روش از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه بود. به طور کلی برای سـاخت نانوکامپوزیـت خـاکرس- پلیمر به روش درجا، خاک رس اصلاح شده در داخل مونومر مایع متورم می شـود و رفتـه رفتـهپلیمریزاسیون صورت گرفته و نانوکامپوزیت تولید می شود [5]. پلیمریزاسیون در جا شـامل فرآینـدهایزیر است که به صورت همزمان یا متوالی اتفاق می افتد:
1- تشکیل یک پر کننده در ابعاد نانومتری (شکل گیری سیلیکاتهای ورقه ای) ؛
2- تشکیل ماتریس نایلون- 6 (پلیمریزاسیون مونومر ε- کاپرولاکتام) ؛
3- تشکیل کامپوزیت (مخلوط کردن نایلون- 6 و صفحات سیلیکاتی).
بر اساس تحقیقات انجام گرفته که روی تولید اسید آمینو کاپروئیک متمرکز شده اسـت بـه ایـن مـسألهپرداخته که آیا یون سدیم قابل تعویض با آمینوکاپروئیک پروتون دار هست یا نه؟ اگر این کـار در طـولفرآیند پلیمریزاسیون امکان داشته باشد، اولین مرحله از روش دو مرحله ای متداول برای یک کمـپلکسخاک رس – یون آلی ضرورت نخواهد داشت. با شروع از سـوال بـالا در مـی یـابیم کـه نانوکامپوزیـتنایلون-6 را میتوان با استفاده از میکای مصنوعی با یک ظرفیت تبادل یونی بهینه و همچنـین بـا هـدایتپلیمریزاسیون هیدرولیتیک تحت شرایط خاص، بدست آورد. شکل 1-5 گستره وسـیعی از نمونـه هـایپراش اشعهX گرفته شده در یک راکتور در طول فرایند پلیمریزاسیون را نشان می دهـد. بـرای میکـایمصنوعی به عنوان ماده اولیه پراشهای پیک می توانند در 2/9 و 1/7 درجه دیده شوند کـه بـه ترتیـب بـافواصل اساسی 6/9 و 5/12 آنگستروم در ارتباط هستند.
فاصله اساسی 5/12 آنگستروم به هیدراتاسیون صفحات سیلیکاتی نسبت داده می شود. برای نمونه هایگرفته شـده از راکتـور، پیکهـا در o24− o20 بـه سـاختار کریـستالی نـایلون- 6 نـسب ت داده مـی شـود. مشاهدات نشان می دهد که یک پیک در o3/4 به فاصله اساسی 6/20 آنگستروم انطـابق داده مـی شـودکه در طول فرایند پلیمریزاسیون شدت این پیک کاهش یافته و زمانی که عمل پلیمریزاسیون کامـل شـددیگر این پیک دیده نمی شود . تصور می شود که انطباق این پیک به فاصله اساسـی 6/20 آنگـستروم بـهخاطر کمپلکس خاک رس و الیگومر نایلون-6 اینترکالیت باشد (ترکیب Clay و الیگومر 6N). در انتهای عمل پلیمریزاسیون ویسکوزیته نسبی ماتریس نایلون-6 در نانوکامپوزیـت (در دمـایC o25 اسید سولفوریک 96%) 5/3-2 ا ست، که این نشان دهنده این است که وزن مولکولی ماتریس بـه انـدازهکافی بالا است تا در کارهای مهندسی مورد استفاده واقع شود.
شکل 2-5 که با استفاده ازTEM بدست آمده است، سطح مقطـع نانوکامپوزیـت را نـشان مـی دهـد. صفحات سیلیکاتی به صورت راندوم ورقه ای شده در داخل ماتریس نایلون -6 توزیع شده اند. صفحات سیلیکاتی دارای ضخامتnm 1 و طولnm 100-30 هستند . این نشان می دهـد

تصویر TEM گرفته شده از شکل گیری نانو کامپوزیت نایلون

تصویر TEM گرفته شده از شکل گیری نانو کامپوزیت نایلون

1- 4- نانوکامپوزیتهای نایلون-6- خاک رس…………………………………. 36
2- 4- روش پلیمریزاسیون درجا برای ساخت نانوکامپوزیت نایلون-6……….. 37

فصل5- خواص فیزیکی وکاربردهای نانوکامپوزیتها

با الیاف شیشه ای، ورقه های سیلیکاتی تقریباً دارای نسبت مشخصه یکسان اما صـلبی بـالا مـی باشـند. بنابراین ورقه های سیلیکاتی می توانند به عنوان فیلرهای غیر آلی بهتری در نظر گرفته شـوند. نـایلون -6 پر شده با تالک کاهش قابل توجهی در حول و حوش دمایTg ، در مدول خمشی دارد ایـن در حـالیاست که برای نانوکامپوزیت آن پلیمرف این کـاهش کمتـر از ایـن مقـدار اسـت. بعـلاوه در دمـایTs ، نانوکامپوزیت یک مقاومت خزشی بهتری نسبت به کامپوزیت های پر شده با فیلرهای غیر آلـی دیگـر ازخود نشان می دهد. خواص مکانیکی نانوکامپوزیت نایلون-6- خاک رس که فقط حـاوی 5% سـیلیکاتاست، بهبود فوق العاده ای را نسبت به نایلون-6 خالص از خـود نـشان مـی دهـد. ایـن نانوکامپوزیـتدارای 40 درصد مقاومت کشش بیشتر، 68 درصد مدول کشش بیشتر، 60 درصد مقاومت خمش بیـشترو 126 درصد مدول خمشی بیشتر از پلیمر اصلی می باشد. دمای تغییـر شـکل گرمـایی (HDT) آن از65 درجه سانتی گراد به 152 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. در مقابل بهبـود ایـن خـواص فیزیکـی10% از مقاومت ضربه آن کاسته می شود[4].
2-5- تنش کششی
در حالت عادی، تنش کششی کامپوزیت پر کننده غیر آلی- پلیمر عادی، پایین اسـت. بـه عنـوان مثـال،لک یا الیاف شیشه ای پر می شود، تنش را به مقدار درصد خیلی کمی پایین مـیآورد اما در نانوکامپوزیت پلیمر نایلون-6 میزان تـنش بـسته بـه ضـخامت آن، بیـشتر اسـت. وقتـی کـهضخامت کمتر ازmm 1 باشد تنش بیشتر از 100% اتفاق مـی افتـد. ایـن ویژگـی باعـث مـی شـود کـهنانوکامپوزیت راحت تر به فیلم تبدیل شود. بر اساس گزارش Pinnavaia, Wang خـواص مکـانیکی نانوکامپوزیت اپواکسی – سیلیکات ورقه ای که با آمین های حلقوی فرآوری شده اند، بـیش از 400% در مدول کششی و مقاومت کششی افزایش نشان می دهد [4]. همچنین کرنش شکست بسیار بیـشتر، نفـوذپذیری کمتر در برابر گاز و مقاومت بیشتر در برابر حلال نیز از دیگر خواص آن می باشد.
3-5- خصوصیات ممانعت کنندگی
نانوکامپوزیت ها دارای خصلت ممانعت کنندگی عالی در برابر نفوذ اکسیژن، نیتروژن، دی اکسید کربن،بخار آب و… دارند. چنانچه مشخص است نفوذ گازی در نانوکامپوزیت تقریباً به بیش از 50 درصـد درمقایسه با پلیمر، کاهش می یابد . این اثر بوسیله اصل مسیرهای پیچاپیچ شرح داده مـی شـود. صـفحاتکوچک توزیع شده سیلیکاتی در نانوکامپوزیت مسیرهای کوتاه نفوذ مولکول های گـازی را انـسداد مـیکنند و یک نیرویی به آنها وارد می کنند تا اینکه پراکنده شوند. نتیجه این کار آن اسـت کـه مـسیر نفـوذگرفته می شود و گاز نمی تواند وارد مواد بسته بندی شده با نانوکامپوزیت گردد .
4-5- دمای تغییر شکل تحت بار (DTUL)
در جدول 1-6 دمای تغییر شکل نانوکامپوزیت در اثر اعمال بار نشان داده شده است. هنگامیکـه حجـمورقه های سیلیکات 6 درصد وزنی باشند،DTUL به صورت خطی افـزایش مـی یابـد در بـالاتر از 6 درصد وزنی افزایش در DTUL کمتر می شد.
5-5- خصوصیات بازیافت
نانوکامپوزیت ها حتی در هنگام بازیافت نیز خصوصیت عالی از خود به جا می گذارنـد. الیـاف شیـشهای به کار رفته در کامپوزیت پلیمرهای عادی در طول فرآیندهای قالب گیری تزریقی و خرد کـردن، بـهآسانی شکسته می شوند . بنابراین خواص مکانیکی این کامپوزیت ها در هنگام بازیافـت بـدتر از حالـتاولیه می شود و برای استفاده مجدد قابل اطمینان نمی باشند. اما ورقه هـای سـیلیکاتی بـه کـار رفتـه درنانوکامپوزیتها به علت اینکه بیش از حد کوچک هستند، بنابراین در طول فرآیند بازیافـت بـرای اسـتفادهمجدد، خواص مکانیکی خود را حفظ می کنند[4]. بنابراین نانوکامپوزیت ها مـی تواننـد بـرای اسـتفادهمجدد دوباره خرد یا ذوب شوند و هیچوقت افت بازدهی در طول کارکرد ایجاد نمی کنند.
6-5- خواص اشتعال پذیری
مدتی است که محققین بر روی اشتعال پذیری نانوکامپوزیت های پلیمر – خاک رس، تحقیق می کنند وبه این نتیجه رسیده اند که نانوکامپوزیت ها در تأخیر شعله وری نقش دارند. همچنین پایداری حرارتـیرا افزایش می دهند. بنابراین مطالعه رفتار آتـش گیـری نانوکامپوزیـت پلیمـر- خـاک رس بـسیار حـائزاهمیت است.
1-6-5- پایداری حرارتی Blumstein اولین کسی بود که بهبود حرارتی را برای یک نانوکامپوزیت پلیمـر – خـاک رس کـه ازMMT و پلی متیل متا اکریلات بدست آمده بود، گزارش کرد. وی پایداری حرارتی نانوکامپوزیت پلـیمتیل متا اکریلات- MMT را نه تنها ناشی از ساختار متفاوت آن دانست بلکه به محدودتر شدن جنبشگرمایی پلی متیل متا اکریلات در بین لایه ها نیز ربط داد [11]. این اثر با شبیه سازی دینامیک مولکـولیدر یک نانوکامپوزیت پلی پروپیلن توسط Nyden گزارش شده است . تا حالا ارزیابیهای جدی بر روی خواص آتش گیری نانوکامپوزیتها، انجام نشده است. Giannelis نیزبه بررسی خواص آتش گیری در نانوکامپوزیت پلی کاپرولاکتان- سیلیکات لایه ای و نانوکامپوزیت پلیآمید حلقوی – سیلیکات لایه ای، پرداخته است. در آن گزارش آمده است کـه نانوکامپوزیـت پلـی آمیـدپایداری حرارتی را بهبود می بخشد .

1- 5- مقایسه خصوصیات……………………………………………………….. 41
2- 5- تنش کششی……………………………………………………………… 42
3- 5- خصوصیات ممانعت کنندگی………………………………………………. 43
4- 5- دمای تغییر شکل تحت بار (DTUL) 43 5- 5- خصوصیات بازیافت…….. 44
6- 5- خواص اشتعال پذیری……………………………………………………… 44
7- 5- کاربردهای نانوکامپوزیت پلیمر- خاک رس………………………………… 45

فصل6- پژوهشهای نوین در نانوکامپوزیتها 47

1- 6- کاهش آتش گیری در نانو کامپوزیت پلی پروپیلن پیوند شده با انیدرید مالئیک و نانوکامپوزیت پلی استایرن…………………………………………………………. 48

2- 6- بررسی تاخیر شعله وری در نانوکامپزیت ABS-MMT ا……………………….55

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل7- برخی کاربردهای جدید فناوری نانو در کامپوزیتها

1- 7- کاربرد نانوذرات در بهبود مقاومت بتن……………………………………….. 60
2- 7- روکش ها و رنگ ها…………………………………………………………….. 60
3- 7- استفاده از نانو لوله های کربنی در سرذامیکهای نسل جدید ……………..61
4- 7- نانوکامپوزیتهایی برای نیروی محرکه جامد موشک………………………….. 61
5- 7- مواد جدید نانوکامپوزیتی پلیمری- فلزی با رفتار عایق………………………. 62
6- 7- خواص نوری نانوکامپوزیتهای پلی آنیلین سازگار با محیط زیست…………… 63
7- 7- کاربرد سایشی کامپوزیت پلی آمید6 تقویت شده باذرات نانوی 3Al2O ا……64
8- 7- کامپوزیت نانو ساختار سیلیکات کلسیم و برخی کاربردهای جدید آن……… 65
9- 7- نانوکامپوزیت الماس- کبالت- کاربید تنگستن………………………………….. 67
10-7- نانوکامپوزیتهای پایه منیزیم برای مخازن هیدروژن………………………….. 69
منابع و مĤخذ و…………………………………………………………………………71

 

Abstract
Nanotechnology is the science and engineering in molocular dimension.
Recently, different industries have been developed by nanotechnology. One of the field that nanotechnology causes great advance is the composites and producing nanocomposites. In this research some aspect of this advancements has been mentioned relevant to polymeric and metallic nanocomposites. These nanocomposites are vastly used in aerospace, automobile and nutrition industries



  مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان