کاربردهای تجاری نانوکامپوزیت‌های پلیمری

بازار نانوکامپوزیت‌های پلیمری، امروزه به طور چشم‌گیری رو به ترقی است. اخیراً کاربردهای مختلف این نانوکامپوزیت‌ها در بخش‌های پلاستیکی به خصوص در صنعت خودروسازی و بسته‌بندی افزایش یافته است. مطالعات گروه شرکت Freedonia نشان می‌دهد که با رسیدن سال ۲۰۲۰، تقاضا برای نانوکامپوزیت‌ها در امریکا تا ۳ میلیون تن با ارزش تقریبی ۱۵ میلیون دلار افزایش خواهد یافت [۱]. با همین تقریب در سال ۲۰۲۵ نیز، تولید نانوکامپوزیت‌ها به ۵ میلیون تن خواهد رسید [۲]. افزایش اخیر در کاربردهای نانوکامپوزیت‌ها، به دلیل کاهش قیمت مواد نانوکامپوزیتی بوده، به علاوه آنکه برخی مشکلات فنی مربوط به نانوافزودنی‌ها در ترکیبات، مرتفع گشته است. تولیدکنندگان مواد پلاستیکی در جهت تجاری‌کردن مواد نانوکامپوزیتی گام برمی‌دارند که این تولیدکنندگان، شرکت‌های Bayer ، Dow Chemical ، Eastman Chemical ، LyondellBasell ، Mitsubishi Gas Chemical ، Nanocor ، Triton Systems ، Honeywell و RTP می‌باشند.

خودروسازی و …

می‌توان گفت صنعت خودروسازی، پیشرو در استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری می‌باشد. تقریباً ۸۰ درصد از نانوکامپوزیت‌های پلیمری در صنعت‌های خودروسازی، هوافضا و بسته‌بندی مورد استفاده قرار می‌گیرند که این به دلیل کاهش وزن قطعات و به نوبه‌ی خود، کاهش مصرف انرژی می‌باشد. هم‌چنین قطعات نانوکامپوزیتی از سختی و استحکام لازم برخوردار بوده و پایداری حرارتی بالاتری نسبت به نمونه‌های مشابه فلزی دارند. بخش‌های کامپوزیت پلیمری، قابلیت رنگ‌پذیری در کنار سایر بخش‌های بدنه‌ی اتومبیل را دارند و فرایندهای مورد استفاده برای مواد فلزی را برای آنها نیز می‌توان به کار برد.

اولین محصول تجاری از نانوکامپوزیت‌های پلیمری، در صنعت خودروسازی به عنوان پوشش timing-belt (یک تسمه در موتور) با آمیختن تنها ۴ درصد وزنی نانوسیلیکات با یک ماتریس پلی‌آمید۶ با سختی و پایداری حرارتی اصلاح‌شده در محصول، مورداستفاده قرار گرفت. پس از آن، کاربردهای دیگر نانوکامپوزیت‌ها برای صنعت خودروسازی و سایر صنایع، به خصوص نانوکامپوزیت‌های با پایه‌ی ترموپلاستیک گسترش یافته است. در دهه‌ی گذشته، شرکت‌های General Motors و Montell نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستیک الفینی (TPO) را عرضه داشته‌اند که با کاهش وزن و بهبود مقاومت ضربه در دماهای پایین همراه بوده و برای قطعات داخلی و خارجی خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد. شرکت Ashland Specialty Chemical، از نانوخاک‌رس (nanoclay) به عنوان افزودنی برای سفت‌کردن رزین مورد استفاده در آمیزه قالب گیری ورقه ای (SMC) در عین حفظ خواص فیزیکی آن‌ها، استفاده کرده است.

در صنعت بسته‌بندی، خواص حفاظتی و عبورناپذیری بالای نانوخاک‌رس‌ها در برابر اکسیژن و ‌دی‌اکسید کربن، برای تولید بطری‌های PET چندلایه و فیلم‌های بسته‌بندی غذاها و نوشیدنی‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. محصولات تجاری در اروپا و امریکا مثل بطری‌های نوشیدنی‌های غیرالکلی گازدار و نوشیدنی‌های الکلی و ظرف‌های مخصوص گوشت و پنیر، از تکنولوژی نانوکامپوزیت‌ها برای افزایش انعطاف‌پذیری در بسته‌بندی و افزایش مقاومت پارگی و سوراخ‌شدن و هم‌چنین کنترل رطوبت بهره گرفته‌اند. هم‌چنین به‌کارگیری نانوکامپوزیت‌ها برای بسته‌بندی، عمر نگهداری مواد را نیز افزایش می‌‌دهد. Nanocor، شرکت تولیدکننده‌ی پلاستیک، Imperm را که یک نوع نانوکامپوزیت نایلون/خاک‌رس می‌باشد، تولید می‌کند که به عنوان یک مانع عبور اکسیژن در بطری‌های آبجو و نوشیدنی‌های گازدار، در بسته‌بندی گوشت‌ها و پنیرهای فرایندشده و در پوشش‌دهی در فرایند اکستروژن برای بسته‌بندی مقوایی برای آب‌میوه و محصولات لبنی استفاده می‌شود. به‌کارگیری ۵% Imperm در بطری‌های آب‌جو از جنس PET، عمر نگهداری را تا شش ماه افزایش می‌دهد و منجر به از دست دادن کم‌تر از ۱۰% ‌دی‌اکسید کربن می‌گردد [۳].

در صنعت انرژی، نانوکامپوزیت‌های پلیمری، قادر به بهبود تولید انرژی های تجدیدپذیر می باشند. با کمک این مواد، روش‌های جدیدی برای استخراج انرژی از منابع ارزان و بی‌خطر برای محیط زیست، فراهم خواهد شد. پیشرفت‌های موجود در زمینه‌ی نانوکامپوزیت‌ها، باعث تولید غشاهایی برای سلول‌های سوختی و هم‌چنین روش‌هایی برای کوچک‌کردن و قابل تولید کردن آن‌ها شده‌است. هم‌چنین نانوکامپوزیت‌های پلیمری به طور قابل توجهی، تکنولوژی باتری‌های خشک و تر را با استفاده از مواد نانوساختار برای ایجاد باتری‌های قابل شارژ مجدد، بهبود بخشیده‌اند.

صنعت زیست‌پزشکی (biomedical) نیز از مزایای حاصل از استفاده از مواد نانوکامپوزیتی بهره مند شده است. مواد مورد استفاده در زمینه‌ی زیست‌پزشکی بایستی از معیارهای مشخصی مربوط به زیست‌سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری، خواص مکانیکی و گاهی اوقات زیبایی‌شناسی پیروی کنند [۴]. در کاربردهایی مثل مهندسی بافت، جایگزینی یا ترمیم استخوان، کاربردهای دندانی و رهایش کنترل شده‌ی داروها، نانوکامپوزیت‌های با پایه‌ی پلیمرهای زیستی می‌توانند بر مبنای نیازهای مورد نظر برای محصول به خوبی تطبیق داده شوند.

۲۵ سال با نانوکامپوزیت‌ها

از زمانی که محققین در Toyota اولین نانوکامپوزیت پلیمر/خاک‌رس را در سال ۱۹۸۵ تهیه کردند، برای ایجاد مواد مهندسی در مقیاس نانو، تلاش های زیادی صورت گرفته است. بخش تحقیق و توسعه، تلاش‌هایی برای به‌کارگیری سه نانوافزودنی اصلی را برای پلیمرها به کار گرفته‌است که این نانوافزودنی‌ها شامل خاک‌رس‌ها، نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و چنددیواره، فلزها و اکسیدهای فلزی هستند و از این‌رو کارایی ترموپلاستیک‌ها به طرق مختلفی، از افزایش استحکام پلیمر گرفته تا بالابردن اشتعال‌پذیری، بهبود یافته است.

بنا به گزارش National Science and Technology Council Interagency در سال ۱۹۹۹ که در زمینه‌ی علم نانو، مهندسی و تکنولوژی کار می‌کند؛ “بیش‌تر مواد و محصولات از پایین به بالا ساخته می‌شوند؛ به این ترتیب که از اتم‌ها، مولکول‌ها و نانوپودرها، الیاف و سایر اجزای ساختاری کوچک از آن‌ها ساخته می‌شوند. بیست و پنج سال پیش، پروفسور Norio Taniguchi در دانشگاه Tokyo Science اصطلاح “نانوتکنولوژی” را ارائه کرده و آن را به این صورت تعریف نمود: “فرایند جداسازی، تثبیت و تغییر شکل مواد با یک اتم یا یک مولکول”.

زمانی که نانوذراتی مثل خاک‌رس مونت موریلونیت به پلیمر خالص افزوده می‌شوند، تقریباً همه‌ی مشخصه‌های مربوط به کارایی را بهبود می‌بخشند. این پلیمرهای تقویت‌شده، از استحکام بالاتری برخوردار بوده، اشتعال‌پذیری کمتر و هدایت الکتریکی بیشتری دارند، خواص حفاظتی و نفوذناپذیری در برابر گازها افزایش یافته، محصول از شفافیت بیشتری برخوردار بوده و کمتر بخار یا گرد و غبار روی سطح آن تشکیل می شود. از این‌رو نانوذرات، پلیمرها را برای کاربردهای مختلفی مثل بسته‌بندی غذاها، محفظه‌های سوختی و سیم‌کشی و عایق‌بندی به صورت ایده‌آل اصلاح‌ می‌کند.

تمایل به استفاده از فناوری نانو در صنعت پلاستیک‌ها، به شکل فزاینده‌ای رو به رشد است؛ به طوری که دکتر دونالد پائول از مدرسه‌‌ی مهندسی Cockrell در دانشگاه  Texas لفظ “نانوجادو” را برای آن به کار می‌برد. وی می افزاید:” نانوکامپوزیت‌های خاک‌رس با مورفولوژی پراکنشی لایه ای (exfoliated)، نانوفیلرهای آینده را تشکیل می‌دهند”. او چندین سال قبل، کار با Southern Clay را برای گسترش افزودنی‌های خاک‌رس، در یک اکسترودر آغاز کرد. در عین حال، دونالد پائول اقدام Toyota را در سال ۱۹۸۵ برای استفاده‌ی خاک‌رس‌های اصلاح‌شده با ترکیبات آلی و سایر فیلرهای پلیمری در مقیاس نانو در مسیر کار خود قرار می‌دهد.

ایجاد ارزش افزوده

در مقاله‌ای مربوط به سال ۲۰۰۶ [۵]، مهندسین Toyota، به نام های Akane Okada و Arimitsu Usuki تحقیق و تولید اولین نانوکامپوزیت پلیمر- خاک رس را در این شرکت دوباره مطرح کردند. این دو نفر نتایج تحقیقات خود را در سال‌های ۱۹۸۷ تا ۱۹۸۹ زمانی که کمپانی با نام Ube Inc. تولید پلیمرهای پرشده با نانوخاک‌رس را آغاز کرد، شروع نمودند وToyota نیز در این زمان ماشین مسافربری Starlet را که دارای یک پوشش برای timing- belt اصلاح‌شده با فناوری نانو بود، تولید کرد.

در سال ۱۹۹۷ محققین به نام‌های Jeffrey W. Gilman و Takashi Kashiwagi از انجمن ملی استاندارد و تکنولوژی در مریلند امریکا ثابت کردند که پلیمرهای اصلاح‌شده با نانوفناوری می‌توانند دارای خاصیت اشتعال‌نا‌پذیری بهتری باشند. دونالد پائول در این زمینه می‌گوید: پلیمرهای اصلاح‌شده با نانوخاک‌رس، به طور گسترده‌ای در صنعت سیم و کابل مورد استفاده قرار گرفته‌اند که در چنین مواردی عایق‌بندی نیاز به کدهای معینی دارد و خاک‌رس به انجام این مهم کمک می‌کند. امروزه تمایل زیادی برای جایگزین‌کردن بسیاری از بازدارنده‌های اشتعال که مواد سمی هستند، با خاک‌رس وجود دارد.

“امروزه استفاده از خاک‌رس برای تهیه‌ی نانوکامپوزیت‌ها در سطحی قرار گرفته که بیش‌ترین میزان مطالعه بر روی آن‌ها و طریقه‌‌ی به کار‌گیری درست آن‌ها را به خود اختصاص می‌دهد”. دکتر پائول در ادامه می‌افزاید: “این مواد از نظر تجاری نیز به خوبی در دسترس بوده و در مقایسه با سایر نانوذرات، کاملاً ارزان و به‌صرفه هستند. اما با وجود اینکه از خاک تهیه می‌شوند، به ارزانی آن نیستند. با افزودن آن‌ها به پلیمرها می‌توان ارزش افزوده ایجاد کرد. هم‌چنین این مواد باعث سختی و استحکام بالای پلیمرها و بالارفتن دمای HDT آن‌ها می‌گردند”. بنابراین یک ماده ارزان به ماده با ارزش بالا تبدیل می شود.

صنعت خودرو در امریکا

در سال ۲۰۰۱ بر طبق گفته‌ی Will Rodgers تکنسین فنی، شرکت GM اولین رتبه‌ی ساخت خودرو را به خاطر استفاده از قطعات نانوکامپوزیتی در اتومبیل‌هایش به خود اختصاص داد. با استفاده از پلیمرهای تقویت‌شده با نانوذرات در مرحله‌ی مونتاژ M van حدود ۲ پوند وزن آن را کاهش دادند.

“به جای استفاده ازمواد بر پایه‌ی پلی‌آمید از مواد بر پایه‌ی پلی‌الفین‌ها استفاده کردیم.” Rodgers افزود: “از سال ۲۰۰۱ به بعد، از این مواد در قالب‌گیری قسمت‌های بدنه و کف کامیون نیز استفاده کردیم. چیزی که بسیار قابل توجه بود، استفاده از این مواد در قسمت‌های داخلی اتومبیل بود. از نانوکامپوزیت‌ها در قسمت پایه ‌فرمان مرکزی Chevrolet HHR استفاده می‌کنیم. با روی کارآمدن نانوخاک‌رس‌ها و خاک‌رس‌های اصلاح‌شده با ترکیبات آلی، به جای مواد بر پایه‌ی پلی‌پروپیلن پرشده با شیشه، از مواد پرشده با خاک‌رس استفاده کردیم که به ما امکان قالب‌گیری قطعات با کیفیت بالاتر را می‌دهد.”

Rodgers می‌گوید: “در صورت استفاده از نانوخاک‌رس به عنوان فیلر، به مقدار کمتری پرکننده نیازمندیم که در این صورت سطح موردنظر کیفیت بالاتری خواهد داشت. در یک پروژه، بخش‌هایی که مورد استفاده قرار دادیم با سایر قسمت‌های اتومبیل سازگاری نداشت و ما مجبور بودیم طراحی‌ها را طوری انجام دهیم که این بخش‌ها سازگار با سایر قسمت‌ها باشند. ولی قبل از این کار، از میکروذرات تقویت‌کننده برای تقویت قسمتی که ۲۰% از وزن کل قطعه را تشکیل می‌دهند، استفاده کردیم که ۲/۵% وزن این قطعه را نیز نانوخاک‌رس تشکیل می‌دهد.”

ظهور نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌های کربنی- استوانه‌های بلند متشکل از اتم‌های کربن متصل به هم از طریق پیوند کوالانسی- در سال ۱۹۹۱ توسط Sumio Iijima که در زمینه‌ی بهبود هدایت الکتریکی پلیمرها فعالیت می‌کرد، کشف شد.

برخی از محققین مثل محمد منیرالزمان و Karen Winey از بخش علم مواد و مهندسی دانشگاه Pennsylvania در سال ۲۰۰۶ اظهار داشتند [۶]: “برخی نانولوله‌ها حتی محکم‌تر از فولاد، سبک‌تر از آلومینیوم و رساناتر از مس هستند.” طبق گفته‌ی این محققین، تحقیقات در زمینه‌ی نانولوله‌های کربنی با جدیت تمام دنبال می‌شود. همانند خاک‌رس، پلیمرهای اصلاح‌شده با نانولوله های کربنی نیز دارای استحکام بیشتری بوده و در مقابل گازها از نفوذناپذیری زیادی برخوردار بوده و پایداری حرارتی آنها نیز بالا می باشد.

با وجود اینکه منیرالزمان و Winey به اینکه نانولوله‌های کربنی برای اولین بار در سال ۱۹۹۴ به عنوان فیلر مورداستفاده قرار گرفتند، اشاره می‌کنند؛ تاکید دارند که این نکته نیز بایستی در نظر گرفته شود که محصولات تجاری معدودی از پلیمرهای پرشده با نانولوله های کربنی استفاده می‌کنند. طبق گفته‌ی این دو نفر:” تنها محصول تجاری قابل توجه بر پایه‌ی نانولوله‌های کربنی در طول دهه‌ی گذشته در بازار، یک کامپوزیت نانولوله/پلاستیک با خواص هدایت الکتریکی اصلاح‌شده است که امکان پوشش الکترواستاتیکی را نیز فراهم می‌آورد و توسط Hyperion Catalysis International به بازار عرضه شد.”

محققین امروزه به دنبال راهی برای غلبه بر ناسازگاری‌های موجود در تهیه‌ی پلیمرهای تقویت‌شده با نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و چنددیواره هستند. همواره تلاش‌هایی برای استفاده از پلیمرهای تقویت‌شده با کربن در کاربردهایی مثل حفاظت الکترومغناطیسی، منسوجات تقویت‌شده و … به عمل آمده‌است. البته محققین برای دستیابی به پراکنش بهینه‌ی نانولوله‌ها به هنگام فرایندکردن پلیمرهای اصلاح‌شده با کربن، به دلیل تمایل این مواد برای خوشه‌ای شدن با موانعی روبرو بوده‌اند.

محققین به دنبال این بوده اند که دریابند چگونه می‌توان نانولوله‌ها را با آلیاژسازی مذاب، آلیاژسازی محلولی و یا پلیمریزاسیون درجا به بهترین نحو مهندسی کرد.

در صنعت خودرو، برخی خطوط سوختی در موتور از نانولوله‌ها استفاده می‌کنند، اما آن‌طور که Rodgers از شرکت GM می‌گوید: عموماً استفاده از این مواد برای بالابردن استحکام یا بهبود سایر خواص از لحاظ اقتصادی به‌صرفه نیست.

فلزات: معجزه‌ی بعدی نانوتکنولوژی؟

پلیمرهای تقویت شده با فلزات و اکسیدهای فلزی برای تهیه‌ی پلاستیک‌های تقویت‌شده مورد مطالعه قرار گرفتند. متخصصین صنعت اظهار دارند که بیشتر تحقیقات در این زمینه مربوط به بهره گیری از برخی خواص منحصر بفرد نانوذرات فلزی، مثل خواص نوری، مغناطیسی و الکتریکی، در ماتریس پلیمری می‌باشد. با وجود آنکه تقریباً از سال ۱۸۳۵ شیمیدان‌ها و فیزیکدان‌های جهان در حال تحقیق روی این مواد بوده اند، این مواد کاربرد تجاری چندانی نداشته اند [۷].

همانند سایر نانوذرات، به‌ویژه نانولوله‌های کربنی، کار با پرکننده‌های فلزی و دست‌یابی به پراکنش بهینه مشکل می‌باشد.

طبق نوشته‌های Nicolais و Carotenuto از انستیتوی مواد کامپوزیتی و زیست‌پزشکی در انجمن ملی تحقیقات در ایتالیا، “به‌کار‌گیری ابزار تکی نانوسکوپی(۱-۳۰ نانومتر) با STM (Surface Tunneling Microscopy)، خودآرایی(self-assembly) سریع و دی‌الکتروفوروز، تنها روش‌های قابل‌دسترس برای ساختن ابزارهای کاربردی با استفاده از فلزات در ابعاد نانو می‌باشند”. آن‌ها هم‌چنین اظهار می‌کنند که فلز در ابعاد نانو کاملاً ناپایدار بوده و می‌تواند در داخل پلیمر مجتمع شود و مستعد واکنش اکسایش بوده و قابلیت آلوده‌شدن با هوا، رطوبت و سولفوراکسید را دارد [۷].

با ادامه‌ی مطالعات در زمینه‌ی نانوفیلرهای فلزی این نکته قابل ذکر است که با کاهش اندازه‌ی فلزات، تغییرات قابل‌توجهی در خواص آن‌ها به وجود می‌آید. نانوذرات فلزی، همانند الکترون‌ها اثرات ابعاد کوانتومی از خود نشان می‌دهند که تنها با کنترل اندازه‌ی ذرات می‌توان آن‌ها را تنظیم کرد. افزون بر‌این، فیلرهای فلزی در اندازه‌های کوچک‌تر عایق‌های حرارتی و الکتریکی و سوپرجاذب‌های بهتری می‌باشند و از نقطه نظر شیمیایی، فعال‌ترند و در دماهای پایین‌تری ذوب می‌شوند.

توسعه‌ی تجاری بازار نانوکامپوزیت‌های پلیمری در دهه‌ی گذشته فرایند کندی داشته است؛ به طوری‌که حتی پیشرفت آن با توجه به ناتوانی صنعت در به عقب برگرداندن برنامه‌های پایلوت متوقف شد. بر خلاف تکنولوژی، به دلیل قیمت و متغیربودن کیفیت‌ها که کم‌شده‌است، ادامه‌ی تحقیق و توسعه و اختراعات جدید در بازار قابل مشاهده است. هم‌چنان می‌توان گفت که صنعت‌های بسته‌بندی و خودروسازی پیشروی مصرف‌کنندگان نانوکامپوزیت‌ها می‌باشند، اما انتظار می‌رود که تا سال ۲۰۲۵ کاربردهای الکتریکی و انرژی به دلیل ضرورت مواد کامپوزیتی بر پایه‌ی نانولوله‌های کربنی، و نانوفیلرهای فلزی در تحقیق و توسعه‌ی حاضر به آن‌ها افزوده شود.

۱٫ Freedonia Group, “US polymer nanocomposites demand to exceed 7 billion pounds in 2020,” All Business, May 5, 2006.

2. “Polymer nanocomposite market to grow well globally, particularly in USA,” Plastemart, 2003.

3. A.L. Brody, “Nanocomposite Technology in Food Packaging,” Food Technology, October 2007, pp. 80–۸۳٫

۴٫ R.A. Hule and D.J. Pochan, “Polymer Nanocomposites for Biomedical Applications,” MRS Bulletin, 32, 354–۵۸ (April 2007).

5. A. Okada and A. Usuki, “Twenty Years of Polymer-Clay Nanocomposites,” Macromolecular Materials and Engineering, 291, 1449–۷۶ (۲۰۰۶).

۶٫ M. Moniruzzaman and K.I. Winey, “Polymer Nanocomposites Containing Carbon Nanotubes,” Macromolecules, 39, 5194–۵۲۰۵ (۲۰۰۶).

۷٫ L. Nicolais and G. Carotenuto, eds., Metal-Polymer Nanocomposites, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, N.J. (2005).