نانوکامپوزیت پلیمر- سیلیس

سنتز نانوکامپوزیت های پلیمر- سیلیس بینابینی

نانوکامپوزیت های پلیمری با ترکیب مزایای نانو فیلرهای معدنی و پلیمرهای آلی خواص منحصر به فردی از خود نشان می دهند. نانو فیلرهای بینابینی به دلیل ساختار مرتب، داشتن سطح وسیع و سهولت عملکرد نانو حفره ها بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. برای تطبیق ماکرومولکول ها، نانو حفره ها منجر به فعل و انفعالات بسیار غیرعادی بین پلیمر و فاز معدنی می شوند؛ درصورت مقایسه با فیلرهای غیرمتخلخل، برخی از این خواص غیر معمول را می توان مشاهده کرد. علیرغم اینکه بسیاری از مقالات مروری به نانوکامپوزیت پلیمری/ نانو فیلرها اختصاص داده شده اند، تعداد کمی از آنها به بررسی نانوکامپوزیت های پلیمری/ سیلیس بینابینی پرداخته است. این مطالعه پیشرفت های اخیر در روش های سنتز نانوکامپوزیت های پلیمر/ سیلیس بینابینی را براساس مقالات منتشر شده از 1998 تا 2009 خلاصه کرده و خواص منحصر به فرد آنها را تفسیر می کند.

نانوکامپوزیت های پلیمری یک دسته از مواد ترکیبی متشکل از یک ماتریس پلیمری آلی با نانو فیلرهای معدنی پراکنده هستند. این نانوکامپوزیت ها با ترکیب مزایای نانو فیلرهای معدنی (برای مثال سفتی و پایداری حرارتی) و پلیمرهای آلی (برای مثال انعطاف پذیری، دی الکتریک، دوام، قابلیت پردازش) خواص منحصر به فردی از خود نشان می دهند. نانو فیلرهای معدنی دارای سطح وسیعی هستند که منجر به افزایش قابل ملاحظه ای در مقیاس سطحی می شود. این نانو فیلرها، حتی در غلظت های بسیار پایین، می توانند خواص ماکروسکوپی پلیمر را به شدت تغییر دهند. نانو فیلرهای معدنی شامل نانو لوله ها، اکسیدهای فلزی (برای مثال SiO₂، TiO₂، Al₂O₃، Fe₃O₄)، سیلیکات های لایه ای (بعنوان مثال مونت موریلونیت، ساپونیت)، نانوذرات فلزی (بعنوان مثال Au و Cu)، نیمه رساناها (برای مثال PbS و CdS) و سیلیس بینابینی می شوند. علیرغم اینکه بسیاری از مقالات مروری به نانوکامپوزیت پلیمری/ نانو فیلرها اختصاص داده شده اند، تعداد کمی از آنها به بررسی نانوکامپوزیت های پلیمری/ سیلیس بینابینی پرداخته است. این نانو فیلرها به دلیل ساختار مرتب، داشتن سطح وسیع و سهولت عملکرد نانو حفره ها بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. نانو حفره ها به اندازه کافی متخلخل هستند تا ماکرومولکول ها را در خود جای دهند که منجر به فعل و انفعالات غیر معمول بین پلیمر و فاز معدنی می شوند؛ درصورت مقایسه با فیلرهای غیرمتخلخل، برخی از این خواص غیر معمول را می توان مشاهده کرد. علیرغم اینکه بسیاری از مقالات مروری به نانوکامپوزیت پلیمری/ نانو فیلرها اختصاص داده شده اند، تعداد کمی از آنها به بررسی نانوکامپوزیت های پلیمری/ سیلیس بینابینی پرداخته است. این مطالعه پیشرفت های اخیر در روش های سنتز این نانوکامپوزیت ها را براساس مقالات منتشر شده از 1998 تا 2009 خلاصه کرده و خواص منحصر به فرد آنها را تفسیر می کند.

سیلیس بینابینی و عملکردی سازی سطح

اولین سیلیس بینابینی معروف به فاز M41S، توسط شرکت Mobil Oil در سال 1992 توسعه یافت. برخلاف زئولیت، مواد M41S علاوه بر داشتن قطر منافذ تقریبآ 2-10 نانومتر، دارای خواصی همچون سطوح بسیار وسیع، سیستم منافذ مرتب و توزیع مناسب شعاع منافذ هستند. جامدات سیلیکا MCM-41 (با آرایه شش ضلعی مزوحفره و گروه فضایی p6mm)، MCM-48 (با ساختار مکعبی مزوحفره و گروه فضایی Ia3 d) و MCM-50 (با ساختار لامینار و گروه فضایی p2) را میتوان بعنوان شناخته شده ترین نمونه های این مواد نام برد. استفاده از کوپلیمرهای آمفیفیلیک تریبلوک بعنوان عوامل هدایت کنندۀ ساختار منجر به آماده سازی آرایه های شش ضلعی سیلیس بینابینی با اندازه منافذ یکنواخت تا حدود 30 نانومتر شده است. طبق تعریف IUPAC، مواد مزوحفره بعنوان موادی توصیف می شوند که قطر منافذ آنها بین 2-50 نانومتر است. کامپوزیت ها با پایه سیلیکا ریز حفره با اندازه منافذ کوچکتر از 2 نانومتر و سیلیکا ماکرو حفره با اندازه منافذ بالای 50 نانومتر از مطالعه ما حذف شده اند. سیلیس بینابینی ازطریق تراکم چند گونه سیلیس سنتز می شود که از منابع مختلف سیلیس (مانند سیلیکات سدیم، تترا اتیل (TEOS) یا تترا متیل ارتوسیلیکات (TMOS)) در حضور سورفکتانت ها بعنوان عوامل هدایت کنندۀ ساختار منشأ می گیرد. بسیاری از انواع یونی (بعنوان مثال هگزادیکل تری متیل آمونیوم برومید (CTAB)) و سورفکتانت های غیر یونی (برای مثال کوپلیمرهای آمفیفیلیک تریبلوک) برای تولید سیلیس بینابینی با ساختار منفذ و خواص مورفولوژیکی مختلف بکار رفته اند. ارتباط تنگاتنگی بین پراکندگی نانوفیلرها در ماتریس پلیمر و تعامل بین این نانوفیلرها با پلیمرهای دارای خواص کامپوزیتی وجود دارد. برای تولید یک کامپوزیت با پراکندگی خوب و چسبندگی سطحی افزایش یافته، اصلاح سطح نانوذرات بسیار ضروری است. در جدول زیر، برخی از عوامل اتصال معمولی سیلان که برای عملکردی سازی سطح سیلیس بینابینی استفاده می شوند ارائه شده است.

جدول 1:

دو مسیر اصلی (عملکردی شدن پس از سنتز و روش تراکم) برای اصلاح سطح بینابینی در دسترس هستند که مکانیسم آنها در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 1:

آماده سازی نانوکامپوزیت های پلیمر/ سیلیس بینابینی

مخلوط کردن مستقیم سیلیس بینابینی با پلیمر ساده ترین روش برای تهیه نانوکامپوزیت های پلیمر/ سیلیس بینابینی است، که آن را میتوان با ذوب یا حل ترکیب (پلیمر و سیلیس بینابینی) انجام داد. با این حال، پراکندگی کامل نانوذرات در ماتریس پلیمری به دلیل تمایل قوی نانوذرات به تجمع مشکل ساز است. اصلاح سطحی نانوفیلرها یک روش کلی برای افزایش پراکندگی نانوفیلرها و ایجاد تعامل سطحی قوی بین پلیمر و نانوفیلرهای معدنی محسوب می شود. مخلوط مذاب با مخلوط کردن سیلیس بینابینی و پلیمر در دمای ذوب یا دمای بالاتر از دمای انتقال شیشه (Tg) در پلیمرها حاصل می شود. این روش بسیار کارآمد و عملی است. پیرز و همکارانش نانوکامپوزیت های سیلیس بینابینی/ لاستیک استایرن- بوتادین (SBR) سنتز شده با مخلوط SBR و سیلیس بینابینی را گزارش کردند. افزودناین سیلیس به SBR منجر به افزایش میزان تورم، مدول الاستیک و Tg در نمونه ها شد. مشاهده شد که ولکانیزاسیون در لاستیک پر شده با سیلیس بینابینی بیشتر است که میتواند با تعامل شیمیایی بین فیلرها و لاستیک ها و همچنین نفوذ زنجیره های لاستیکی به مزوحفره ها تفسیر شود. ونگ و همکارانش مخلوطی از پلی پروپیلن (PP) با مونت موریلونیت -Na (Na-MMT) و MCM-41 به منظور تولید نانوکامپوزیت پر شده با دو نوع نانوذره مختلف گزارش کردند. در این نوع نانوکامپوزیت، لایه های Na-MMT لایه برداری شده و آرایه شش ضلعی MCM-41 حفظ شد. آزمایشات مکانیکی نشان داد که با بارگذاری همزمان نانوفیلرها، ترکیب Na-MMT و MCM-41 در ماتریس PP باعث ایجاد اثرات بسیار بیشتری از ذرات جداگانۀ Na-MMT و MCM-41 به دلیل ساختار سطحی متفاوت بین فیلرها و ماتریس در کامپوزیت PP شد. مخلوط محلول با مخلوط سیلیس بینابینی و پلیمر در یک محلول حاصل می شود. پس از حذف حلال، کامپوزیت ها تولید می شوند. این روش سطح مولکولی خوبی از اختلاط را ایجاد می کند و می تواند بر محدودیت های اختلاط مذاب غلبه کند. بسیاری از پلیمرها با کمک این روش مخلوط خوبی با سیلیس بینابینی ارائه می دهند. با این حال، دارای معایبی نیز هست؛ برای مثال، حلال خوب به راحتی حاصل نمی شود و لازم است پس از پردازش، حل (حذف) شود. بیشتر نانوکامپوزیت های سیلیس بینابینی/ PEO با استفاده از مخلوط محلول تهیه می شوند. بطور کلی، این سیلیس ابتدا در حلال (برای مثال استونیتریل، استون یا متانول) پراکنده شده و سپس یون های PEO و Li+ به محلول اضافه می شوند. پس از هم زدن مخلوط و حل شدن حلال، نانوکامپوزیت های پر شده با سیلیکا بدست می آیند.

این مطالعه پیشرفت های اخیر در روش های سنتز نانوکامپوزیت های پلیمر/ سیلیس بینابینی را بطور خلاصه بیان می کند. اکثر کامپوزیت ها ازطریق ترکیب و روش های پلیمریزاسیون درجا سنتز شدند. اگرچه این روشها بطور گسترده مورد بررسی قرار گرفته اند، اما توسعه روش جدید برای ساخت نانوکامپوزیت ها با پایۀ سیلیس بینابینی همچنان یک موضوع قابل توجه است. این نانوکامپوزیت ها مواد نسبتآ جدیدی هستند که تنها در چندین سال اخیر مورد بررسی قرار گرفته اند و بسیاری از خواص آنها هنوز کشف نشده است. همچنین میتوان گفت که نانوسفرهای پلیمر کلوئیدی/ سیلیس بینابینی میتوانند داروها را بارگیری کرده و به راحتی از سلول های زنده عبور کنند؛ برهمین اساس، میتواند پلیمر پیوندی را برای دارورسانی کنترل شده در سلول ها در نظر گرفت. این خواص باعث می شود تا این نانوسفرها گزینه های عالی برای نسل بعدی حامل های دارویی باشند.