نانو کامپوزیت های دیر سوز

مقدمه                         

 یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو بهبود خواص مواد پلیمری از نظر آتش‌گیری و بالابردن مقاومت این مواد در برابر آتش است. این مواد عموماً در دماهای بالا ایمن نیستند؛ اما با استفاده از فناوری نانو امکان دیرسوز نمودن آنها وجود دارد.

نانوکامپوزیت‌های دیرسوز

با توجه به این که امروزه حجم وسیعی از کالاهای مصرفی هر جامعه‌ای را پلیمرهایی تشکیل می‌دهند که به‌راحتی می‌سوزند یا گاهی در مقابل شعله فاجعه می‌آفرینند، لزوم تحقیق در خصوص مواد دیرسوز احساس می‌شود. بر همین اساس، در کشورهای صنعتی، تلاش گسترده‌ای برای ساخت موادی با ایمنی بیشتر در برابر شعله آغاز شده است و در این زمینه نتایج مطلوبی هم به دست آمده است.

بر همین اساس و با توجه به تدوین استانداردهای جدید ایمنی، به نظر می‌رسد استانداردهای ساخت مربوط به پلیمرهای مورد استفاده در خودروسازی، صنایع الکترونیک،‌ صنایع نظامی و تجهیزات حفاظتی و حتی لوازم خانگی، در حال تغییر به سوی مواد دیرسوز است.

از طرف دیگر مدتی است که نانوکامپوزیت‌های پلیمر – خاک­رس به عنوان موادی با خواص مناسب مثل تأخیر در شعله­وری، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. بنابراین به­نظر می‌رسد که نانوکامپوزیت‌های پلیمر – خاک­رس می‌توانند جایگزین مناسبی برای مواد پلیمری معمولی باشند؛

برای تهیه پلیمرهای دیرسوز، علاوه بر رفتار آتش‌گیری، عوامل زیادی باید مورد توجه واقع شوند؛ از جمله اینکه:

از افزودنی‌هایی استفاده شود که قیمت تمام­شده محصول را خیلی افزایش ندهد. (مواد افزودنی باید ارزان قیمت باشند.)

مواد افزودنی به پلیمرها باید به آسانی با پلیمر فرآیند شود.

مواد افزوده‌شده به پلیمر نباید در خواص کاربردی پلیمر تغییر قابل ملاحظه ایجاد کند.

زباله‌های این مواد نباید مشکلات زیست­محیطی ایجاد کند.

با توجه به این موارد، خاک­رس از جمله بهترین مواد افزودنی به پلیمرها محسوب می‌شود که می‌تواند آتش‌گیری آنها را به تأخیر بیندازد و سبب ایمنی بیشتر وسایل و لوازم ‌شود. مزیت دیگر خاک‌ رس فراوانی آن است که استفاده از این منبع خدادادی را آسان می‌کند.

ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌های پلیمر – خاک­رس

خواص مکانیکی نانوکامپوزیت‌های پلیمر-نایلون6 که از نظر حجمی فقط حاوی پنج درصد سیلیکات است، بهبود فوق‌العاده­ای را نسبت به نایلون خالص از خود نشان می‌دهد. مقاومت کششی این نانوکامپوزیت 40 درصد بیشتر، مدول کششی آن 68 درصد بیشتر، انعطاف‌پذیری آن 60 درصد بیشتر و مدول انعطاف آن 126 درصد بیشتر از پلیمر اصلی است. دمای تغییر شکل گرمایی آن نیز از 65 درجه سانتی­گراد به 152 درجه سانتی­گراد افزایش یافته است. در حالیکه در برابر همة این تغییرات مناسب، فقط 10درصد از مقاومت ضربه آن کاسته شده است.

نتایج تحقیقات حاکی از آن است که میزان آتشگیری در این نانو کامپوزیت پلیمری حدود 70 درصد نسبت به پلیمر خالص کاهش نشان می­دهد و این در حالی است که اغلب خواص کاربردی پلیمر نیز تقویت می­شود. البته کاهش در میزان آتشگیری پلیمرها از قدیم مورد بررسی بوده است. بشر با ترکیب مواد افزودنی به پلیمر میزان آتشگیری آنرا کاهش داد ولی متاسفانه خواص کاربردی پلیمر هم متناسب با آن کاهش می­یافته است. در واقع کاهش در آتشگیری همزمان با بهبود خواص کاربری پلیمرها ویژگی منحصر به فرد فناوری نانو است، خصوصاً اینکه تنها با افزودن 6 درصد ماده افزودنی به پلیمر تا 70 درصد آتشگیری آن کاهش می­یابد.

برخی نانوکامپوزیت‌های پلیمر – خاک­رس پایداری حرارتی بیشتری از خود نشان می‌دهند که اهمیت ویژه‌ای برای بهبود مقاومت در برابر آتش­گیری دارد. این مواد همچنین نفوذپذیری کمتری در برابر گاز و مقاومت بیشتری در برابر حلال‌ها از خود نشان می‌دهند.

استانداردسازی؛ ابزار قدرت در دست کشورهای پیشروی صنعتی

تطابق با استانداردهای جدید موضوعی است که همواره کشورهای پیشرو بر کشورهای پیرو دیکته کرده‌اند. در کشورهای پیشرو صنعتی،‌ استانداردها همواره رو به بهبود است. در این کشورها براساس جدیدترین نتایج تحقیقات و مطالعات متخصصان، هر چند وقت یکبار، استانداردها دستخوش تغییر می‌شوند و دیگر کشورها ناچار خواهند بود در مراودات تجاری خود با آنها این استانداردها را رعایت کنند و به این ترتیب، مجبور می‌شوند که نتایج تحقیقات آنها را خریداری کنند. مطلب زیر مثالی از این موارد است:

چندی پیش در جراید اعلام شد که بنا بر تصمیم جدید اتحادیه اروپا، هواپیماهایی که مجهز به سیستم جدید ناوبری (مطابق با استاندارد جدید پرواز)‌ نباشند، اجازه پرواز بر فراز آسمان اروپا را ندارند. در آن زمان در کشور ما فقط تعداد معدودی از هواپیماهای مجهز به این سیستم وجود داشت. اخیراً هم اتحادیه مزبور اعلام کرده است که ورود کامیون‌های فاقد استاندارد زیست­محیطی به خاک اروپا ممنوع است. در پی این اعلام، خودروسازان ایرانی به ناچار استانداردهای خود را با شرایط جدید تطبیق دادند.

نکتة پایانی؛ نتیجه­گیری

هر چند ممکن است استفاده از برخی فناوری­ها در کشور ما در حال حاضر موضوعیت نداشته و یا اینکه مقرون به صرفه نباشد. ولی اگر جهت­گیری تحقیقات و پژوهش­ها در جهان را مد نظر قرار دهیم متوجه می­شویم که در آینده نزدیک ناگزیر به استفاده از این فناوری­ها خواهیم بود. بنابراین لازم است از فرصت­های موجود برای ایجاد این توانمندی­ها بهره بگیریم تا در زمان مناسب از این پتانسیل­ها استفاده کنیم.

به­عبارت دیگر لازم است مراکز پژوهشی و تحقیقاتی همواره لااقل یک نسل از صنعت جلوتر باشند. در این صورت ضمن امکان هدایت بخش صنعت به سمت و سوی معین، پاسخ به مشکلات صنعت نیز همواره قابل پیش­بینی بوده و در این مراکز در دسترس خواهد بود.

مواد نانوکامپوزیتی به آن دسته از موادی اطلاق می‌شود که فاز تقویت‌کننده آن دارای ابعادی در مقیاس یک تا 100 نانومتر باشد که شامل نانوکامپوزیت‌های پلیمرـ سرامیک، پلیمر ـ فلز، سرامیک ـ فلز و سرامیک ـ سرامیک هستند.
مواد نانوکامپوزیتی در دهه آخر قرن20 پا به عرصه علم و فن‌آوری گذاشته و پیشرفت‌های قابل‌توجهی در این سال‌ها داشته‌اند.
برحسب مواد تشکیل‌دهنده، می‌توان آن‌ها را به‌صورت نانوکامپوزیت‌های پلیمرـ سرامیک، پلیمر ـ فلز، سرامیک ـ فلز و سرامیک ـ سرامیک دسته‌بندی کرد.
نانوکامپوزیت‌های پلیمری، ترکیباتی از پلیمرها و مقدار 2 تا 10 درصد وزنی از ذرات نانومتری نظیر خاک رس، نانولوله‌های کربنی هستند.
تقویت‌کننده نانومتری به‌دلیل داشتن ابعاد بسیار کوچک و سطح بسیار بالا در مقایسه با تقویت‌کننده‌های معمولی در سطح بارگذاری «Loading» کمتر باعث بهبود خواص مورد نظر شده و مسائل مربوط به تقویت‌کننده‌های رایج نظیر افزایش وزن، نقایص سطحی و مشکلات فرآیندپذیری در آن‌ها کمتر دیده می‌شود.
به‌همین دلیل، نانوکامپوزیت‌ها جایگزین خوبی برای کامپوزیت‌های معمولی هستند؛ چراکه کارآیی بهتر و وزن کمتری ‌دارند.
محصولات تهیه‌شده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری قابلیت استفاده در صنایع شیمیایی، خودروسازی، ساختمان، نظامی، پزشکی، لوازم خانگی، ورزشی، کشاورزی و الکترونیکی را داشته و استفاده از آن‌ها در این صنایع، کاهش مصرف سوخت و انرژی، افزایش مقاومت و ایمنی در برابر زلزله و آتش‌سوزی، افزایش عمر سازه‌ها، کاهش خسارات ناشی از زمان نگهداری مواد غذایی و محصولات کشاورزی‌،‌ کاهش خسارات ناشی از خوردگی و به‌طور خلاصه، استفاده بهینه از منابع موجود را می‌تواند به‌همراه داشته‌باشد.
ضرورت توجه به نانوکامپوزیت‌های پلیمری
با توجه به حجم گسترده استفاده از کامپوزیت‌های معمولی در داخل کشور و با عنایت به حجم بالای تولید پلیمرها در سال‌های آتی از‌سوی شرکت ملی صنایع پتروشیمی و لزوم افزایش کاربری این پلیمرها‌، تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری یکی از مناسب‌ترین راه‌های پاسخ‌گویی به نیاز بازار و بهبود خواص و گسترش دامنه کاربرد پلیمرهای داخلی است.
در‌حال‌حاضر، میزان مصرف کل آمیزه‌های پلیمری در داخل کشور حدود 150 هزار تن در سال است که بخشی از آن، از طریق واردات از کشورهایی مثل هلند‌،‌ ایتالیا‌، تایوان‌، سوئد، آلمان و بخش دیگر به‌وسیله تولیدکنندگان داخلی تامین می‌شود.
این آمیزه‌ها عمدتا در صنایع خودرو‌، لوازم خانگی و اداری‌، لاستیک‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
با توجه به خواص برتر نانوکامپوزیت‌های پلیمری در مقایسه با آمیزه‌های معمولی پلیمری و با عنایت به روند نزولی قیمت جهانی نانوذرات و در نتیجه امکان رقابت این محصولات از نظر قیمت‌،‌ انتظار می‌رود با تولید نانوکامپوزیت‌ها در داخل کشور می‌توان آن‌ها را جایگزین بخش عمده‌ای از آمیزه‌های معمولی پلیمری کرد.
زمینه‌های تحقیقاتی
برخی زمینه‌های تحقیقاتی درباره نانو‌کامپوزیت‌های پلیمری عبارتند از:ساخت نانوکامپوزیت‌ها بر پایه پلیمرهای مختلف با هدف ارتقای کیفیت و ارزش‌افزوده محصولات پلیمری پتروشیمی، توسعه روش‌های شناسایی و شکل‌دهی نانوکامپوزیت‌های پلیمری، ساخت پلیمرهای مقاوم در برابر شعله برای کاربردهای الکتریکی‌، الکترونیکی و لوازم خانگی، افزایش پایداری ابعادی و استحکام مکانیکی پلیمرها برای کاربردهای صنایع خودرو و لوازم خانگی.
دیگر زمینه های تحقیقاتی نانو‌کامپوزیت‌های پلیمری شامل: ساخت پلیمرهای ‌هادی جریان الکتریسیته برای کاربردهای الکتریکی‌، الکترونیکی و صنایع نظامی، ساخت پلیمرهای مقاوم در برابر باکتری‌ها و میکرب‌ها برای کاربردهای بسته‌بندی‌، لوازم خانگی و خودرو، افزایش مقاومت پلیمرها در برابر نفوذ گازها و بخارات برای کاربردهای بسته‌بندی محصولات کشاورزی، ساخت غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری برای فرآیندهای خالص‌سازی و جداسازی گازها، ساخت هیدروژل‌های نانوکامپوزیت پلیمری با هدف افزایش کارآیی آن‌ها در ازدیاد برداشت نفت، می شوند.
در کشورهای پیشرفته، فعالیت‌های تحقیقاتی در زمینه نانوکامپوزیت‌های پلیمری از حدود سال 1990 آغاز شده و در بسیاری از موارد نتایج تحقیقات به صنعت رسیده و کاربردی شده‌است.
به‌عنوان مثال در سال 2005 شرکت جنرال موتورز با به‌کارگیری نانوکامپوزیت‌های پلیمری، خودرویی به بازار عرضه کرد که حدود 7 درصد سبک‌تر از خودروهای مشابه بود.
در داخل کشور نیز فعالیت تحقیقاتی در زمینه نانوکامپوزیت‌های پلیمری از حدود 6 سال پیش آغاز و نتایج خوبی نیز حاصل شده‌است.
این به‌دلیل نبود الزامات قانونی و همچنین اطلاع‌رسانی کم در این زمینه و به‌کارگیری نانو کامپوزیت‌ها در صنایع داخلی رایج نشده‌است. مطبوعات و صدا‌و‌سیما می‌توانند نقش مهمی در این زمینه ایفا کنند.
بازار جهانی نانوکامپوزیت‌های پلیمری
پیش‌بینی شده‌است، بازار جهانی نانوکامپوزیت‌های پلیمری تا سال 2009 به 2/1 میلیارد ‌پوند برسد که یک میلیارد ‌پوند آن مربوط به نانوکامپوزیت‌های حاوی نانو ذرات خاک رس و بقیه شامل نانولوله‌های کربنی خواهد بود.
پیش‌بینی می‌شود، تا آن موقع‌، نانوکامپوزیت‌ها تا حدودی جایگزین کامپوزیت‌های رایج در کاربردهای سازه‌ای مانند لوله و اتصالات، در قطعات، اجزای داخلی موتور و بدنه بیرونی خودرو، بسته‌بندی مواد غذایی و دارویی، کاربردهای ویژه مانند تجهیزات نظامی و فضایی شوند