پلیمرهای خود ترمیم

پلیمرهای خود ترمیمی به چه موادی گفته می‌شود و چه خواصی دارند؟

پلیمرهای خود ترمیمی انواعی از پلیمرها هستند که دارای توانایی تبدیل انرژی فیزیکی به پاسخ های شیمیایی و فیزیکی به منظور التیام آسیب دیدگی می باشند. این دسته از مواد پلیمری به محرک های خارجی پاسخ می گویند تا بتوانند خواص داخلی ماده را بهبود بخشند.

مقدمه

موجودات زنده از سیستم دفاع شخصی فوق العاده ای برخوردارند که در واقع نوعی مکانیزم خود ایمنی به منظور حفاظت از آنها در برابر باکتری، ویروس و سایر موجودات می باشد. این مکانیسم خود ترمیمی میباشد و از بروز تخریب و آسیب ها، موجود زنده را حفاظت می کند. در صورتی که مواد صنعتی هم همانند موجودات زنده از خواص خود ترمیمی برخوردار باشند، بازده و امنیت بیشتری خواهند داشت واحتمال بروزحوادث ناگهانی برای جامعه انسانی نیز کاهش پیدا خواهد کرد مانند حوادث هواپیمایی و یا فجایع ناشی از راکتورهای هسته ای. از آنجایی که مواد تجدید پذیر به خوبی می توانند از محیط زیست حفاظت کنند و از منابع طبیعی نیز به درستی استفاده می کنند به تازگی به مقدار فراوانی مورد توجه قرار گرفتند. با هدف دستیابی به این آرزو، مواد خود ترمیمی به مقدار فراوان مورد مطالعه قرار گرفته اند تا بتوان از طریق ترکیبات خود ترمیمی بتن، سرامیک و یا سایر مواد را تولید کرد. همانطور که پیش از این نیز زیاد شد این مواد به تازگی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند و در دهه پیش نیز به میزان بیشتری تولید شدند. این موضوع می‌تواند ناشی از آن باشد که افزایش طول عمر مواد به دلیل نگرانی‌های حول موضوع انرژی و نگرانی‌هایی مرتبط با محیط های مدرن می‌تواند برای انسان‌ها بسیار مطلوب باشد. اگرچه مواد پلیمری خود هم می توانند به منظور تولید محصولات مختلفی مورد استفاده قرار بگیرند اما از طرف دیگر پلیمرها به عنوان مواد تقویت کننده به کار برده می شوند و یک بار مصرف هستند و در تولید آنها احتمال هرگونه آسیب دیدگی و یا تخریب در نظر گرفته نشده است. این موضوع از آنجایی ناشی می‌شود که مواد پلیمری توسط پیوندهای کووالانسی ساخته شده‌اند و پس از آن که آسیب ببینند نمیتوانند به ساختار اولیه و استحکام خود بازگردند. خود ترمیمی برای پلیمر های سنتی با دشواری بسیار بیشتری صورت می‌گیرد زیرا آنها نمی‌توانند پیوند های کووالانسی را ترمیم کنند و سطوح بریده شده آنها نیز قابلیت بازگشت به حالت اولیه را ندارد مگر اینکه از مواد خاصی در طی تولید آنها استفاده شود. به منظور تولید مواد خود ترمیمی می توان از سه رویکرد متفاوت استفاده کرد: ذخیره عامل های ترمیمی, ایجاد پیوندهای کووالانسی برگشت ‌پذیر توسط عامل های خارجی و ایجاد مواد خود ترمیمی به کمک پیوندهای غیر کووالانسی.

مواد خود ترمیمی حرارتی

واکنش های حرارتی دیلز ادلر یکی از مهم ترین واکنش ها در متد های خود ترمیمی حرارتی می باشند. مورد یاد شده در واقع یک واکنش حلقه زا بین یک دی ان مزدوج و یک آلکین جایگزین شده است. یکی از مهم‌ترین نکات مرتبط با این واکنش ها قابلیت برگشت پذیری گرمایی آنهاست که با نام دیلز ادلر برگشتی شناخته میشود. دو روش متفاوت برای خلق مواد پلیمری ترمیمی و یا اصلاحی وجود دارد. روش اول ایجاد پیوندهای عرضی به این پلیمرها با گروه‌های آویز از طریق واکنشهای دیلز آدلر میباشد و روش دوم نیز تولید پلیمر توسط واکنش‌های دیلز ادلر بوده که شامل مونومرهای تکمیل کننده چند وظیفه ای می باشد. پلیمرهایی که با استفاده از واکنش یاد شده ساخته می شوند می توانند آسیب ها و ترکهای به وجود آمده را با توجه به محرک های خارجی بهبود بخشند مانند حرارت، نور و یا فشار. این مواد با قرارگیری در معرض حرارت قابلیت خود ترمیمی پیدا میکنند و از طریق استراتژی های واکنش یاد شده عمل میکنند. علاوه بر آن زمانی که این مواد ترک بردارند شبکه پلیمری آنها با قرارگیری در معرض بالای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد بهبود خواهد یافت. در آزمایشی شبکه مواد پلیمری تحت فشار بسیار زیاد قرار گرفت تا کاملاً بشکند و پس از آن در معرض دمای ۹۰ تا ۱۲۰ درجه سانتیگراد قرار گرفت و در مرحله بعد نیز تا دمای اتاق خنک شد. ماده ترمیم یافته تا ۵۷ درصد از استحکام و خواص ماده اولیه را حفظ کرد. پس از آن نیز نسل بعدی از پلیمرهای خود ترکیبی شبکه ای 1,8-bis(maleimido)-1-ethylpropane and a و تترافوران پس از ترک برداری ترمیم پیدا کردند و حدود ۸۳ درصد از استحکام ماده اولیه را مجدداً بازیافتند. واکنشهای دیلز ادلر و واکنش های برگشتی دیلز آدلر روشی ساده و پربازده به منظور ایجاد پلیمرهای خود ترمیمی را به وجود می‌آورند که می تواند در طی دفعات متعددی از ترک برداری و بهبود همان نواحی به کار برده شوند. به عبارت دیگر دمای کارکردی این مواد که بین ۸۵ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد می باشد، با استفاده از واکنش های یاد شده محدود خواهد شد.

ایجاد مواد خود ترمیمی با استفاده از پیوندهای غیر کووالانسی

یکی از موثرترین روش های ممکن برای تولید مواد خود ترمیمی استفاده از واکنش های غیر کووالانسی می باشد که در آن بسپارش و یا ایجاد شبکه توسط واکنش‌های بین مولکولی واحدهای مونومری و یا زنجیره های کناری به صورت می‌گیرد. انواعی از این واکنش ها عبارتند از پیوندهای هیدروژنی و پیوند های ویژه بین لیگاندها و فلز ها و واکنش های یونی. برگشت پذیری پیوندهای غیر کوالانسی باعث می‌شود تا ترمیمی در سطح مولکولی انجام گیرد و خواص ماده اصلی را به صورت کامل بازیابی کند. علاوه بر آن ترک برداری و اتصال و ترمیم ممکن است به صورت مکرر انجام گیرد. مواد پلیمری که از شبکه‌های فرامولکولی پلاستیک ساخته شده‌اند و از پیوندهای هیدروژنی با وزن پایین به وجود آمده‌اند (مانند دی و تری اسیدهای چرب عامل دار شده) خواص خود ترمیمی مناسبی دارند.

ایجاد مواد خود ترمیمی با استفاده از واکنش های مهمان - میزبان

مواد فرامولکولی که شامل پلیمرهای مهمان و میزبان می‌شود خواص بسیار متمایزی دارند که این موضوع نیز ناشی ازبرهم کنش های تکمیل کننده گزینشی آنها می باشد. برهمکنش های مهمان و میزبان انواع متفاوت دارند و می توانند به منظور تولید مواد فرامولکولی به کار برده شوند. دوگانگی مواد فرامولکولی که شامل خواص انتقالی و خود ترمیمی می‌شود باعث شده است تا بسیاری از شیمیدانها و دانشمندان حوزه مواد و مواد فرامولکولی به آنها جذب شوند.

سرامیک های خود ترمیمی

معمولاً سرامیکها در مقایسه با فلزات در دمای بالا استحکام بیشتری دارند اگرچه آنها در برابر ضربه حساس تر و شکننده تر هستند و به همین دلیل یکپارچگی و یا قابلیت اطمینان به آنها به عنوان یک ماده ساختاری می تواند مورد سوال قرار گیرد. سرامیک های فازی و یا سرامیک های مکس می‌توانند خود ترکهای به وجود آمده را توسط مکانیسم های ترمیمی درونی بهبود بخشند. ترک های ریزی که به دلیل فرسایش یا فشار های گرمایی به وجود آمده اند توسط اکسید هایی که از مواد تشکیل دهنده در فاز مکس به وجود آمده‌اند پر می‌شوند. ترمیم ترکها اولین بار توسط ماده‌ای با نام Ti3AlC2 و با اکسایش در دمای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد در معرض هوا انجام گرفت. این کار تا جایی انجام می گیرد که ماده به صورت کامل فرسوده شود و همین گزینه باعث می‌شود تا سرامیک های یاد شده از سایر مواد خود ترمیمی متمایز شوند زیرا آنها به عامل های ترمیمی خارجی برای رفع ترک نیاز دارد. می توان خواص اولیه ماده همانند استحکام عمومی آن را با توجه به نوع اکسید لازم برای ترمیم بهبود داد. از طرف دیگر مولایت، آلومین و زیرکونیا از توانایی خود ترمیمی برخوردار نیستند اما می ‌توان در فاز دوم ترکیباتی را به آن‌ها اضافه کرد تا بدین وسیله به خواص یاد شده مجهز شوند. انها پس از ترک برداری در معرض اکسیژن قرار می گیرند و در حضور گرما می توانند واکنش دهند تا مواد جدیدی را تولید کنند که تحت فشار زیاد به راحتی ترک های به وجود آمده را از بین میبرند. در مطالعات دیگری استحکام قطعات ترمیم شده در دمای بالا و همچنین استحکام آنهادر برابر خستگی به خوبی مشخص شده است. استحکام و پیوند بین ماتریس و عامل های ترمیم کننده از اهمیت بالایی برخوردارند و گزینش ذرات ترمیمی را جهت می دهند.

فلزات خود ترمیمی

زمانی که فلزات برای مدتی طولانی در معرض دمای بالا و یا فشارهای متوسط قرار بگیرند، شکستگی‌های زودهنگام و نامحدودی پیدا می‌کنند که در ابتدا به دلیل وجود حفره ها شکل گرفته است. این شکستگی ها با ترک ها یکی شده و در نهایت حفره های میکروسکوپی دیگری را ایجاد می کنند بنابراین خاصیت خودترمیمی در مراحل اولیه می تواند یک رویکرد قابل اطمینان به منظور افزایش طول عمر قطعات فلزی باشد. دستیابی به خاصیت خود ترمیمی در فلزات در مقایسه با سایر مواد با دشواری بیشتری صورت می گیرد زیرا آنها نقطه ذوب بالایی دارند و همچنین میزان تحرکات اتمی در این مواد کم است. به طور کلی بهبود در فلزات با شکل‌گیری رسوباتی در محل شکستگی انجام می گیرد که از رشد بیشتر ترک ها جلوگیری می کند. بهبودی در استحکام آلیاژهای آهن ترمیم شده در برابر خزش و خستگی به وجود آمد که ناشی از به کارگیری رسوباتی در نواحی ترک خورده می باشد. تلاش های اولیه در جهت بهبود استحکام فولاد در برابر خزش با استفاده از رسوبات مس و یا برون نیتراید صورت گرفت. به تازگی مشخص شده است که اتم های طلا می توانند به عنوان یک عامل ترمیم کننده بسیار موثر در آلیاژهای آهنی به کار برده شوند. با استفاده از رسوبات طلا می‌توان این ترک ها و شکستگی ها را برطرف کرد زیرا آنها درصورتی حل می شوند که ترک های به وجود آمده از بین بروند. عامل های ترمیمی به صورت گزینشی بر روی سطح آزاد ترک برداشته شده ریخته می‌شوند و باعث می‌شود تا سوراخ های به وجود آمده پر شوند. در صورتی که ماده در معرض فشاری تا حداکثر ۸۰ درصد قرار بگیرد معمولاً از رسوبات طلا به منظورترمیم این ترکها استفاده می شود و در نهایت طول عمر ماده به میزان زیادی افزایش پیدا کرد.