بررسی دینامیک سگمنتال پلیمری، زنجیره های پلیمری و نانوذرات در مذاب های نانوکامپوزیت پلیمری
افزودن نانوذرات (NP) به ماتریس پلیمری به منظور تشکیل یک نانوکامپوزیت پلیمری (PNC) فرآیندهای دینامیکی میکروسکوپی هر دو گونه را تغییر می دهد که منجر به تقویت خواص ماکروسکوپی مواد PNC می شود. از آنجا که نانوذرات و پلیمرها دارای همپوشانی و مقیاس زمانی و انرژی هستند، برهمکنش های این مواد پیچیده بوده و دینامیک نیز با هم مرتبط هستند. در اینجا به بررسی نتایج تجربی، شبیه سازی و تئوری دینامیک پلیمری و نانوذرات چند مقیاسی در نانوکامپوزیت های پلیمری پرداخته می شود و همچنین فضای پارامتر متراکم ارائه شده توسط این سیستم های چند جزئی را بررسی می کند. اگرچه به تنوع سیستم های PNC اشاره شده است، اما ما این بحث را بر روی ترموپلاستیک های خطی پر شده با نانو ذرات کروی و استوانه ای سخت در حالت مذاب متمرکز کردیم. ما همچنین با معرفی PNC ها، فرآیندهای دینامیک درون آنها و ضرورت آنها برای خواص و پردازش را بررسی می کنیم. در کوچکترین طول و مقیاس های زمانی، ما دینامیک های سگمنتال در PNC ها من جمله نقش خواص پلیمر، خواص NP و برهمکنش های NP-پلیمر را مورد بحث قرار دادیم. در ادامه، اندازه گیری های حرکات تجمعی و دینامیک های اینترمدییت (Rouse) در مواد PNC مختلف را نیز مطالعه می کنیم. از لحاظ مقیاس های زمانی و طولانی تر، در مورد انتشار مرکز به جرم پلیمر در PNC ها با نانوذرات کروی یا ناهمسانگرد صحبت می کنیم. سپس دینامیک های نانوذرات در PNC ها و مذاب های پلیمری مانند پیش بینی های نظری، نتایج شبیه سازی و مشاهدات تجربی را بررسی می کنیم. در نهایت، به برخی چالش های باقی مانده در بررسی دینامیک های PNC و مطالعه جامع تر آنها نیز اشاره می شود.
نانوکامپوزیت های پلیمری (PNC) یا مواد متشکل از فیلرهایی با اندازه نانو که در یک ماتریس پلیمر تعبیه شده اند، در دهه های اخیر بسیار مورد توجه دانشگاه و صنعت قرار گرفته اند. در مقایسه با کامپوزیت های حاوی فیلرهای میکرون، وجود نانوذرات به طور چشمگیری خواص سطحی پلیمر نانوذرات را افزایش داده و جداسازی NP-NP را در همان غلظت فیلر کاهش می دهد. با این حال، PNC می تواند در مقایسه با ماتریس میزبان یا کامپوزیت های سنتی خواص بسیار متفاوتی داشته باشد. در واقع، این خواص مختلف را می توان با استفاده از پارامترهای گسترده ای که این مواد هیبریدی ارائه می دهند تغییر، کنترل و یا تنظیم کرد. این پارامترها شامل موارد مرتبط با نانوذرات (اندازه، شکل و سطح)، پلیمر (وزن مولکولی، شیمی و معماری) و PNC (غلظت، برهمکنش پلیمر و نانوذرات، و حالت پراکندگی نانوذرات) می شوند. علاوه بر این، گنجاندن نانوذرات می تواند عملکردی همچون خواص الکتریکی، پلاسمونیکی، مانع یا پاسخگوی محرک را به ماتریس پلیمری که خالی از این خواص است، اضافه کند. نکته مهم این است که بسیاری از PNC ها همچنان خواص مطلوب پلیمر مانند پردازش پذیری و چگالی جرمی کم را حفظ می کنند. نانوکامپوزیت های پلیمری انتخاب های هیجان انگیزی در صنایع مختلف هستند که توسط دیگر محققان بررسی شده اند. ابتدا، پلیمرهای پر شده با نانوذرات در تولید لاستیک‌های خودرو بسیار پرطرفدار بودند چون که با افزودن نانوذرات به لاستیک استحکام، مقاومت سایشی و کششی آن با حفظ هزینه کم تقویت می شد. PNC ها به دلیل دارا بودن خواص مشابه در بخش های مختلف همچون حمل و نقل زمینی و هوایی و تجهیزات ورزشی کاربرد دارند. علاوه براین، PNC ها از خواص مانع مطلوب، نفوذپذیری و گزینش پذیری برخوردار هستند که آنها را به گزینه ای ایده آل برای فناوری های غشاء و جداسازی مانند جداسازی گاز، تصفیه آب و بسته بندی مواد غذایی تبدیل می کند. برای مثال، افزودن نانوذرات سیلیس فوم دار با پلی (4-متیل-2-پنتین) (PMP) منجر به افزایش قابل توجهی در نفوذپذیری بوتان و گزینش پذیری بوتان/متان-ان، دو پارامتر که اغلب با هم رقابت می کنند، می شود. همچنین، افزودن نانوذرات می تواند خواص عملکردی، به ویژه خواص نوری و الکترونیکی، را به ماتریس های پلیمری اضافه کند. رایج ترین مثال تقویت رسانش الکتریکی در ماتریس پلیمری عایق از طریق گنجاندن یک شبکه نفوذ نانوسیم های نقره، نانولوله های کربنی یا سایر فیلرهای رسانا است. به طور مشابه، افزودن نانوذرات پلاسمونیک یا انعطاف پذیر به ماتریس پلیمری برای تحقق کاربردهای اپتوالکترونیکی و یا افزایش کارایی سلول های خورشیدی استفاده شده است.
نقش برهمکنش های آنتالپی نانوذرات-پلیمر
شبیه سازی های MD (مانند آنچه در شکل زیر ارائه شده است) نشان داده اند که تعامل پلیمر-نانوذرات یک پارامتر حیاتی است که نشان دهنده کاهش سرعت دینامیک سگمنتال است.
شکل 1:
هنوز به تحقق و مشاهدات تجربی کامل و دقیق تری از این مفهوم نیاز است. برای جداسازی نقش برهمکنش های نانوذرات-پلیمر، باید مجموعه ای از PNC ها برای به حداکثر رساندن تفاوت در تعامل نانوذرات-پلیمر توسعه یابد در حالی که تفاوت در دیگر پارامترها مانند ساختار سطحی نانوذرات، خواص پلیمری مختلف و پراکندگی نانوذرات به حداقل می رسد. این هدف تجربی نشان دهنده پارادوکسی است که در آن بررسی نقش برهمکنش های نانوذرات-پلیمر بر رفتار سطحی ضرورت مساحت سطحی نانوذرات-پلیمر را بیان می کند، در حالی که سیستم های فاقد برهمکنش مطلوب تمایل به تجمع دارند که باعث کاهش مساحت سطحی نانوذرات-پلیمر می شود. اگرچه تغییرات در حالت پراکندگی ممکن است هنوز وجود داشته باشد، برهمکنش نانوذرات-پلیمر را می توان با عملکرد سطح نانوذرات، شیمی ماتریس یا پلیمر براش تنظیم کرد. مطالعات آینده بایستی اثرات برهمکنش نانوذرات-پلیمر، مساحت سطحی قابل دسترسی نانوذرات و سایر خواص در مجموعه ای از PNC های سیستماتیک را با هدف ارائه یک نمای یکپارچه از دینامیک های پلیمری در مجاورت سطوح مختلف مدنظر قرار دهند. در یک رویکرد بالقوه دیگر، مطالعات سیستماتیک پلیمر که به نانوحفره ها با شیمی سطحی کاملاً مشخص نفوذ کرده اند، راهی برای مطالعه دینامیک های چند مقیاسی در رابط ها با برهمکنش های مختلف را بیان می کنند. این رویکرد ممکن است بینش ارزشمندی از دینامیک های PNC ارائه دهد در حالی که نگرانی ها از وضعیت پراکندگی نانوذرات را نادیده می گیرد.
درک سلسله مراتب دینامیک در PNCها
اکثر مقالات تحقیقاتی بر روی یک فرآیند دینامیک واحد در یک سیستم PNC خاص متمرکز شده اند. برای توصیف کامل سلسله مراتب دینامیکی پلیمر و نانوذرات، به طور کلی به یک رویکرد فراگیرتر و چند وجهی نیاز است. گزارشات تجربی که فرایندهای چندگانه پلیمری یا دینامیک پلیمر و نانوذرات با هم را مورد مطالعه قرار دادند، درک خاصی از دینامیک جفت شده در سیستم های PNC را ارتقا داده اند. در مقابل، بررسی فرآیند دینامیک در یک سیستم PNC منحصر به فرد یا پس از شرایط پردازش منحصر به فرد قادر به توسعه درک مکانیکی از PNC ها نیست. در بسیاری از سیستم های PNC، به ویژه آنهایی که حاوی نانوذرات کوچک و پلیمرهای با Mw بالا یا برهمکنش های نانوذرات-پلیمر قوی هستند، دینامیک نانوذرات و پلیمر با هم همپوشانی دارند و جداسازی این فرآیندها اغلب دشوار است. گزارشات اخیر به رفتارهای پویای منحصر به فردی در زمانی که نانوذرات در پلیمر نسبتاً متحرک هستند، اشاره می کنند: تغییرات شدید در دمای انتقال شیشه، دینامیک سگمنتال همگن کند در حالت ذوب، و کاهش متناسب دینامیک زنجیره. در اینجا این سؤال مطرح می شود که آیا این اثرات صرفاً نتیجه رابط بزرگ نانوذرات-پلیمر ناشی از نانوذرات کوچک هستند یا اگر مکانیسم انتقال انتشار نانوذرات به طور اساسی و منحصر به فرد دینامیک دیگر فرایندها را تغییر دهد. به طور کلی، درک ما از حرکت نانوذرات و چگونگی تأثیر آنها بر دینامیک پلیمر در مقیاس های طولی مختلف به منظور طراحی مواد و پیش بینی عملکرد آنها در خواص مختلف بسیار مهم است.
