نانو کامپوزیت پلیمری با پایه گرافن

دسته: مقالات منتشر شده در 25 ارديبهشت 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 1148

نانوکامپوزیت های پلیمری با پایه گرافن

مواد با پایه گرافن پلاکت های یک یا چند لایه ای هستند که میتوانند به کمک روشهای شیمیایی به مقادیر زیاد تولید شوند. در اینجا، ما به بررسی مقالات مرتبط با نانو کامپوزیت های پلیمری با پایه گرافن از جمله آخرین کاربرد الیاف نانوپلاکت گرافیت می پردازیم. همچنین روشهای مختلف تولید مواد با پایه گرافن، روشهای پراکندگی این موارد در ماتریس های مختلف پلیمری نیز بررسی می شوند. علاوه بر این، خواص رئولوژیکی، الکتریکی، مکانیکی، حرارتی و خواص مانع در این کامپوزیت ها و همچنین نحوه وابستگی هریک از این خواص با خصوصیات ذاتی مواد گرافنی و وضعیت پراکندگی آنها در ماتریس را مورد بحث قرار می دهیم. در ادامه، مروری بر کاربردهای بالقوۀ این کامپوزیت ها و چالش های کنونی به منظور هدایت و پیشبرد پیشرفت های آتی در زمینۀ توسعه این مواد ارائه شده است.

 

مقدمه

گرافن چند لایه از اتم های کربن ترکیبی 2ps است که در یک شبکه دوبعدی مرتب شده اند و در سالهای اخیر به دلیل داشتن خواص حرارتی، مکانیکی و الکتریکی بسیار مورد توجه بوده است. یکی از کاربردهای امیدوارکنندۀ این ماده استفاده از آن در نانوکامپوزیت های پلیمری و کامپوزیت های ماتریس پلیمری است که مواد الیاف نانومقیاس را با هم ترکیب می کند. از اوایل سال 1950 نانوکامپوزیت ها با الیاف سیلیکات لایه ای مورد بررسی قرار گرفته اند اما تقریبآ چهل سال بعد به دنبال گزارشی از محققان شرکت خودروسازی تویوتا، گرایش صنعتی و علمی قابل توجهی به نانوکامپوزیت ها با استفاده از مونتموریلونیت به عنوان الیاف در ماتریس نایلون-6 به منظور استحکام خواص مکانیکی نشان داده شد. نانوکامپوزیت های پلیمری افزایش خواص اساسی را در بارگذاری بسیار کم در مقایسه با کامپوزیت های پلیمری با الیاف میکرومقیاس (همچون فایبرگلس یا کربن) نشان می دهند که در نهایت به وزن کمتر ماده منجر شده و میتواند فرایند پردازش را تسهیل کند؛ علاوه بر این، استحکام خواص چندمنظوره ای که همراه با نانوکامپوزیت ها امکان پذیر است ممکن است کاربردهای جدیدی از پلیمرها ایجاد کند. با توجه به کاربردهای نوظهور از OG برای تهیه مواد گرافنی برای کامپوزیت ها و یا سایر کاربردها، این مطالعه اساسآ بر نانوکامپوزیت های پلیمری با کمک مواد مشتق از OG به عنوان الیاف تأکید می کند.

همچنین بر روابط خواص ساختاری و همچنین روند بهبود خواص در این کامپوزیت ها، مقایسۀ آنها با دیگر نانوالیاف های مناسب تأکید خواهد شد. در ادامه برخی از مطالعات انجام شده در زمینه کامپوزیت های پلیمری همراه با الیاف PNG که معمولا از sCIG مشتق شده اند، نیز ارائه شده و برای ایجاد زمینه های مازاد به کار گرفته خواهند شد. اگرچه اخیرآ نانوکامپوزیت های پلیمری مشتق از OG مورد در یک مطالعه بررسی قرار گرفته اند؛ ما هم در این مطالعه درمورد دیدگاه تاریخی با تأکید بیشتر بر روشهای مقدماتی و پردازش بحث می کنیم.

 

نتیجه گیری

نانوکامپوزیت های پلیمری با پایه گرافن یکی از امیدوارکننده ترین فناوری ها محسوب میشود که از تداخل مواد گرافنی و مواد پلیمری ایجاد میشود. با این حال، چالش های بسیاری وجود دارد که بایستی برای رسیدن به پتانسیل کامل نانوکامپوزیت ها برطرف شوند. به عنوان مثال، تکنیک های فراصوت و شوک حرارتی که برای لایه بندیOG استفاده میشوند، میتواند نسبت پلاکت های لایه ای را کاهش دهد که حتی ممکن است بر استحکام، خواص الکتریکی و حرارتی اثرات منفی به همراه داشته باشد. نتایج بدست آمده از چسبندگی ضعیف سطحی در کامپوزیت های گرافن/ پلیمر در غیاب پیوند کووالانسی یا فعل و انفعالات غیرکووالانسی اضافی همچون تعاملات π-π یا پیوند هیدروژن نشان دهندۀ اهمیت شیمی سطح پلاکت در استحکام و ضرورت پیشرفت مداوم در این زمینه هستند. با این حال، نواقص بوجود آمده در پلاکت های O-eG هم ازطریق فرایند اکسیداسیون در تبدیل گرافیت به O-G و هم ازطریق فرایند پردازش در تولید پلاکتهای O-G ممکن است درنهایت هدایت الکتریکی و خواص مکانیکی قابل دستیابی با پلاکت های O-GR را نسبت به پلاکتهای گرافن بدون نقص محدود کنند.

بنابراین، روشهای تولید پلاکت گرافن که ساختار منبسط و گستردۀ آن را حفظ میکند ممکن است برای برخی از کاربردهای کامپوزیت های گرافن مطلوب باشد. بهبود بیشتر خواص در کامپوزیت های گرافن با کنترل مورفولوژیکی تحت تأثیر قرار می گیرند. وجود نقص در پلاکتها به احتمال زیاد قابلیت استحکام آنها را تحت تأثیر قرار میدهد و بنابراین، تکنیک های لایه ای و یا پراکندگی که باعث شکل گیری مورفولوژی بادوام میشوند، می توانند خواص مکانیکی این کامپوزیت ها را بهبود ببخشند. همچنین، افزایش کنترل بر هم ترازی و سازماندهی فضایی الیافهای گرافن می تواند برای تمامی خواص کامپوزیت مناسب باشد. بازپخت حرارتی در کامپوزیت های گرافن برای تصادفی سازی پلاکت های PNG و گرافن ممکن است از هدایت الکتریکی کامپوزیت بهره مند نشود؛ در حالیکه ترازبندی بهتر پلاکتها ممکن است تقویت کننده ها را بهبود ببخشد.

تکنیک های مختلفی برای ترازبندی TNC در کامپوزیت های پلیمر گزارش شده است که برخی از آنها ممکن است برای کامپوزیت های گرافن کارآیی داشته باشند. در حالیکه استفاده نهایی از این کامپوزیتها ممکن است خواص مورفولوژیکی خاص آنها را القا کند؛ استفاده از رویکردهای خودآرایی مزوفاز از "بالا به پایین" و یا "پایین به بالا" که کنترل مورفولوژیکی بهتری دارند، میتواند در هدایت و پیشبرد مطالعات آینده در این زمینه و بیان کاربردهای مدرن کامپوزیت ها کمک کننده باشد.

باوجود این چالشها، برخی از آنها فقط مختص به نانوکامپوزیت های گرافن نیستند، نانوکامپوزیت های پلیمری قبلا در صنعت مورد استفاده بوده اند و انتظار می رود در آینده از رشد تجاری چشمگیری برخوردار شوند. از آنجا که در تولید شیمیایی مواد گرافنی پیشرفت های بسیاری صورت گرفته است، کامپوزیت ها هم با استفاده از این مواد به یک واقعیت تجاری تبدیل میشوند. همچنین میتوان گفت که در حال حاضر تلاش و گرایش صنعتی قابل توجهی در تولید گرافیت اکسید مشاهده میشود.

الیاف PNG نیز به همین اندازه مورد توجه هستند. بویژه اینکه در ارتباط با تولیدات در مقیاس بزرگتر و انتقال گرافیت اکسید، موانع قابلیت اشتعال این ماده شناسایی شده و روشهایی نیز برای بررسی آنها نیز در نظر گرفته شده است. گرافیت که یک پیش ماده برای OG و الیاف مشتق از آن است، نسبتآ ارزان قیمت بوده و به وفور در دسترس است؛ و این فاکتور هزینه احتمالآ یکی از مزایای اصلی استفاده از الیاف گرافن نسبت به TNC ها در نانوکامپوزیت ها بویژه در مقیاس بالا محسوب میشود. علاوه براین، در حالیکه TNC ها و گرافن دارای استحکامات خواص الکتریکی و مکانیکی هستند، به نظر می رسد که مواد گرافن باعث افزایش هدایت حرارتی بالا و همچنین بهبود خواص مانع میشوند. استحکامات خواص چندمنظوره ای که قبلا با استفاده از فیلرهای گرافنی تعیین شده اند، همراه با پتانسیل تولید اما در مقیاس بالا ممکن است کاربردهای این نوع نانوکامپوزیت ها و همچنین انتقال آنها به بازار را تسریع کند.