عملکرد مانع گاز در نانوکامپوزیت های گرافن - پلیمر
گرافن به دلیل خواص الکتریکی، مکانیکی و حرارتی فوق العاده ای که دارد از کاربردهای متنوع و گسترده ای نیز برخوردار بوده و توجه حوزه های دانشگاهی و صنعتی را به خود جلب کرده است. گرافن و مشتقات آن بعنوان فیلرهای امیدوارکننده در مقیاس نانو برای کاربرد مانع گاز نانوکامپوزیت های پلیمری (PNCs) در نظر گرفته شده اند. در این مقاله، به بررسی تحقیقات و توسعه اخیر در زمینه استفاده از گرافن و مشتقات آن در ساخت نانوکامپوزیت ها با ماتریس های پلیمری مختلف پرداخته شده است. اکثر روش های سنتز PNC های مبتنی بر گرافن من جمله اختلاط محلول و مذاب، پلیمریزاسیون درجا و فرایند لایه لایه نیز بررسی می شوند. لایه های گرافن در ماتریس پلیمری قادر به ایجاد یک مسیر پیچیده هستند که بعنوان یک ساختار مانع برای گازها عمل می کند. دشواری و پیچیدگی بیشتر منجر به خواص مانع بالاتر و نفوذپذیری کمتر PNC ها می شود. تأثیر خواص ذاتی این فیلرها (گرافن و مشتقات آن) و وضعیت پراکندگی آنها در ماتریس پلیمری بر روی خواص مانع گازی گرافن/ PNC مورد بحث قرار می گیرد. جنبه های مدلسازی تحلیلی عملکرد مانع گرافن/ PNC ها نیز در اینجا مطرح شده است. همچنین برخی از کارهای مربوط به غشاهای ماتریس مخلوط برای جداسازی گاز را مورد بحث و بررسی قرار می دهیم.
پلیمرها به دلیل عملکرد، وزن سبک، سهولت در پردازش و هزینه کم در 20 سال گذشته جایگزین مناسبی برای مواد معمولی بکار رفته در صنعت بسته بندی بوده اند. بسیاری از پلیمرها همچون پلی اتیلن (PE)، پلی استایرن (PS)، پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی وینیل کلراید (PVC) در این حوزه کاربرد دارند. مواد پلیمری مورد استفاده در صنعت بسته بندی با وجود تطبیق پذیری بسیار بالایی که دارند، نفوذپذیری ذاتی آنها در برابر گازها و بخار من جمله اکسیژن، دی اکسید کربن و بخارهای آلی محدود است. نفوذ گاز به لایه های پلیمری اثرات مهمی بر عملکرد آنها دارد. خواص بازدارندگی پلیمرها را می توان با کمک فیلرهای لایه ای غیرقابل نفوذ مانند خاک رس و گرافن با نسبت ابعاد کافی برای تغییر مسیر انتشار مولکول های نافذ گاز به حد قابل ملاحظه ای افزایش داد. همانطور که در شکل زیر ارائه شده است، این نانوفیلرها باعث می شوند مولکول های منتشرکننده مسیرهای طولانی تر و پر پیچ و خم تری را برای عبور از لایه نانوکامپوزیت دنبال کنند.
شکل 1:
در نتیجه، کاهش قابل ملاحظه ای در میزان نفوذپذیری مشاهده می شود. عملکرد مانع گاز PNC ها عمدتآ توسط سه عامل تعیین می شود: خواص فیلر (مقاومت در برابر انتشار گاز، نسبت ابعاد و کسر حجمی)، خواص مانع ذاتی ماتریس پلیمری، و کیفیت پراکندگی (تراکم، رابط، حجم آزاد به وجود آمده از رابط میانی و بافت پلاکت های فیلر). محور توسعه روزافزون و موفقیت آمیز PNC ها با سطوح لایه برداری نانوفیلرهای لایه ای در ماتریس پلیمری همراه است. از میان نانوفیلرها، خاک رس به دلیل سازگاری بالایی که با سایر پلیمرها، کاربرد گسترده ای در زمینه مانع PNC ها دارند. با این حال، لایه های خاک رس آبدوست به دلیل ثباتی که در برهمکنش رو در رو ناشی از نیروهای واندروالس دارند، به راحتی جمع می شوند. با این حال، چنین تجمعی خواص مانع PNC های حاصل شده را به حداقل می رساند. پلیمرهای ترکیب شده با گرافن در مقایسه با خاک رس، نه تنها ارائه دهندۀ خواص بهبود یافتۀ مانع گاز هستند؛ بلکه اگر به درستی در یک ماتریس پلیمری پراکنده شوند، استحکام مکانیکی را همراه با هدایت الکتریکی و خواص حرارتی بهبود می بخشند. برای مثال گرافن از استحکام مکانیکی، رسانایی حرارتی، رسانایی الکتریکی و شفافیت بالایی برخوردار است. در مقالات بررسی شده، گرافن بعنوان یکی دیگر از جایگزین های مناسب برای مواد با مانع گاز مطرح شده است زیرا لایه های گرافن اجازۀ انتشار گازهای جزئی در سطح آن را نمی دهند. بسیاری از مقالات به بررسی پتانسیل گرافن به منظور بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و مانع گاز پلیمرها پرداخته اند. در چند سال اخیر، گرافن به دلیل خواص منحصر به فردی که دارد بسیار مورد توجه قرار گرفته است. اخیرآ یکی از محققان به نام بِری یک بررسی جامع از نفوذپذیری گرافن و کاربرد آن در محفظه سیال برای میکروسکوپ الکترونی مرطوب، نفوذ گاز انتخابی، انتشار زیستی نانو حفره، و عایق مانع در برابر زنگ زدگی و خطرات محیطی ارائه داده است. با این وجود، یک روند نوظهور در مورد استفاده از PNC های ساخته شده از گرافن و مشتقات آن برای کاربردهای مانع گاز وجود دارد. اکسید گرافن و اکسید گرافیت مشتقات گرافن هستند. اکسید گرافیت با لایه برداری و کاهش اکسید گرافن ایجاد می شود. با این حال، این مقاله بر بررسی عملکرد مانع گازی PNC های متشکل از گرافن و مشتقات آن با تأکید بر روش های فرمولاسیون آنها متمرکز است. در اینجا، یک مطالعۀ دقیق از جنبه های مدلسازی عملکرد مانع گازی در این PNC ها نیز ارائه شده است. ابتدا، پیشرفت های فعلی در تولید گرافن/ PNC را بررسی می کنیم. سپس، نفوذپذیری گاز PNC ها را در رابطه با ساختار و روش های پردازش آنها مورد بحث قرار می دهیم. در آخر، تکنیک های مدلسازی نظری را برای تعیین عملکرد مانع PNC ها بیان می کنیم.
گرافن و مشتقات آن بعنوان یک گزینۀ قدرتمند برای جایگزینی مواد دارای مانع گاز شناخته شده اند زیرا گرفان اجازه انتشار گازهای جزئی را به سطح خود نمی دهد. پلیمرهای ترکیب شده با گرافن نه تنها می توانند خواص مانع گاز را افزایش دهند، بلکه استحکم مکانیکی را بالا برده و هدایت الکتریکی و حرارتی را نیز در صورت پراکندگی در ماتریس پلیمری، بهبود بخشند. در این مقاله به بررسی روش های تولید و خواص مانع گاز PNC های متشکل از ماتریس های پلیمری مختلف و گرافن پرداخته شده است. از روشهای زیادی برای تهیه گرافن/ PNC استفاده می شود من جمله اختلاط مذاب و محلول، پلیمریزاسین درجا، انعقاد لایه به لایه، لاتکس و غیره. ماتریس مهم ترین عاملی است که بر خواص مانع گاز در نانوکامپوزیت ها حاکم است. در مقایسه با ماتریس های پلیمری خالص، عملکرد مانع گاز گرافن/ PNC اغلب با 3-1 مرتبه بهبود می یابد. برای دستیابی به عملکرد برتر این مانع در گرافن/ PNC، روابط بین ساختار-خواص آنها بایستی به خوبی درک شود. بهبود بیشتر این خواص در نانوکامپوزیت های گرافن/پلیمر را می توان از توسعه سیستم های گرافن/پلیمر سازگارتر، لایه برداری کامل، پراکندگی همگن لایه های گرافن در زمینه پلیمری، روش هایی برای جلوگیری از تجمع نانو صفحات گرافن در ماتریس پلیمری وبهبود ثبات ساختاری آنها در دمای بالا انتظار داشت. در نهایت، جنبه های مدلسازی آماری و خواص مانع گاز گرافن/PNC در اینجا به طور کامل مورد بررسی قرار می گیرند. این مدل های انتشار برای ارزیابی عملکرد مانع گاز PNC ها قبل از ساخت آنها و شناسایی مجموعه پارامترهای هندسی ایده آل، مواد نانوفیلرها و بارگذاری بهینه آنها در یک ماتریس معین مفید هستند که منجر به عملکرد بهینۀ مانع گاز در PNC ها می شوند.
