معرفی انواع افزودنی های پی وی سی

پی وی سی از پایداری حرارتی پایینی برخوردار بوده و همچنین پلیمری سخت است، برای فرآیند پذیر شدن آن و همچنین اصلاح خواص محصول نهایی نیاز به استفاده از افزودنی‌هایی در فرمولاسیون پی وی سی است. به ترکیب پی وی سی با افزودنی‌ها کامپاند (compound) و به فرآیند تهیه آن کامپاندینگ(compounding) گفته می‌شود.

نکته: کامپاندینگ پی وی سی به دو حالت کامپاندگ-مذاب و کامپاند جامد انجام می‌شود. در کامپاندیگ- جامد مواد با یکدیگر در میکسر مناسب مخلوط می‌شوند که به صورت ترکیب مایع ( در پی وی سی خمیر- حلال و لاتکس) و یا به صورت ترکیب جامد است که در آن صورت به آن dry blend  نیز گفته می‌شود که به صورت ترکیب یکنواخت و اصطلاحا free-flowing درمی‌آید.

در کامپاندیگ مذاب پی وی سی و افزودنی بعد از میکس توسط تجهیزات مختلف ( معمولا اکسترودر دو ماردون پی وی سی) به صورت گرانول درآمده و برای فرآیند شدن در مرحله بعد استفاده می‌شود. در واقع گرانول پی وی سی نیز مانند کامپاند پی وی سی یک محصول میانی است.

کامپاند تولید شده در مرحله بعد وارد فرآیند اصلی شده ( اکستروژن-تزریق- کلندرینگ- اکستروژن دمشی و...) و در نهایت محصول نهایی از آن ساخته می‌شود.( لوله – پروفیل- ورق- دیوارپوش-کابل- چرم پی وی سی و...) در مواردی ممکن است این محصول به عنوان یک محصول میانی باشد و توسط یک فرآیند دیگر به محصول نهایی تبدیل شود به طور مثال فیلم و ورق‌های تولید شده در فرآیند کلندرینگ ممکن است در مراحل بعد ( به طور مثال با فرآیند ترموفرمینگ) به محصول نهایی تبدیل شوند.

 

اجزای ترکیب پی وی سی:

روان کننده

نرم کننده

پایدار کننده حرارتی

پایدار کننده نوری

آنتی اکسیدان

براق کننده

کمک فرآیند

اصلاح کننده ضربه

رنگدانه ها

 

 

در شکل زیر نسبت استفاده اجزای مختلف فرمولاسیون پی وی سی نشان داده شده است:

سایر افزودنی های پی وی سی:

1-ضد شعله:

مواد با پایه پلیمر و پی وی سی اغلب خاصیت اشتعال داشته که می‌تواند باعث آتش سوزی شود؛ به همین دلیل از ترکیباتی که این خاصیت را خنثی کند، استفاده می‌کنند. ضد شعله ماده‌ای است که برای جلوگیری از آتش سوزی و پراکنده شدن آن استفاده می‌کنند.

انتخاب نوع ضد شعله برای دفع صحیح احتراق نکته‌ای حائز اهمیت است که در ادامه این مقاله بیشتر به آن پرداخته می‌شود.

ضد شعله پی وی سی چیست؟

پی وی سی به علت وجود کلر در ساختمان خود ذاتا دارای تمایل شعله پذیری کمتری نسبت به سایر پلاستیک‌ها می‌باشد. دلیل این موضوع آزاد شدن گاز HCl در اثر تخریب حرارتی پی وی سی است.

 HCl خود ماده‌ای غیر قابل احتراق است و به دو طریق باعث جلوگیری از شعله ور شدن پی وی سی می‌شود.

1. جلوگیری از رسیدن اکسیژن(یا کاهش ورود اکسیژن) به محلی که سوختن اتفاق افتاده است.
2. جلوگیری از طریق اختلال در واکنش‌های انتشار شعله.

در شکل زیر قدرت شعله ور شدن پی وی سی با سایر پلیمرها مقایسه شده است.

 

با وجود اینکه پی وی سی ذاتا تمایل به شعله‌وری پایینی دارد، اما در پی وی سی نرم به علت استفاده برخی نرم کننده‌های پی وی سی تمایل به شعله وری پی وی سی افزایش می‌یابد.

با توجه به آن که پی وی سی نرم در کاربردهای حساسی مثل سیم و کابل پی وی سی، کفپوش ساختمانی، رنگ پی وی سی و... استفاده می‌شود در نتیجه ایجاد مقاومت در برابر شعله در پی وی سی نرم اهمیت بالایی دارد.

مراحل مکانیزم تاخیرانداز شعله در پی وی سی و پلاستیک 

• مهار فاز بخار

در این مرحله تاخیر انداز شعله تولید رادیکال‌های آزاد را مختل کرده و فرآیند احتراق را از بین می‌برند. این مکانیزم معمولا با سیستم‌های تاخیرانداز شعله هالوژنه استفاده می‌شود.

• تشکیل شار فاز جامد

در این مرحله تاخیر انداز شعله پلیمر را عایق کرده، سرعت پیرولیز را کاهش داده و یک لایه محافظتی ایجاد کرده که منجر به جلوگیری از آزاد شدن گازهای اضافی به عنوان سوخت احتراق می‌شود. این روش معمولا در سیستم‌های غیرهالوژنه با استفاده از ساختار شیمیایی فسفر و نیتروژن انجام می‌شود.

• اطفاء و خنک کاری

در این مرحله تاخیرانداز شعله در اثر واکنش گرماگی در حضور آتش، مولکول‌های آب ایجاد می‌کنند که پلیمر را خنک کرده و فرآیند احتراق پلیمر را ضعیف می‌کنند.

 

2-فیلر یا پر کننده:

بسیاری از مواد صنعتی از هزینه‌های بالای برخوردار هستند که این به یکی از مشکلات مصرف کنندگان تبدیل شده است. به همین دلیل تولیدکنندگان ذراتی را به محصولات با پایه پلیمری اضافه می‌کنند که از افزایش قیمت و از طرفی و کاهش کیفیت آن‌ها جلوگیری شود.

با ما تا انتهای این مقاله همراه باشید تا از انواع فیلرها و ویژگی‌های آن‌ها آشنا شوید.

فیلر چیست؟

فیلرها به طور کلی با عنوان ذارت یا فیبر جامد تعریف می‌شوند که به از نظر شیمیایی اکثر خنثی بوده و با هدف کاهش قیمت و یا بهبود برخی خواص به پی وی سی اضافه می‌شوند.

فیلرها در درجه اول به منظور کاهش قیمت تمام شده در پی وی سی ( و به طور کلی پلیمر) شناخته می‌شوند و به همین خاطر به عنوان پرکننده و کاهش دهنده قیمت در نظر گرفته می‌شوند. با این وجود اکثر فیلرها در صورت استفاده مقدار قابل توجه در پی وی سی، بر روی خواص محصول و حتی ویژگی‌های فرآیند تاثیر می‌گذارند.

به طور مثال به فیلر الیاف شیشه برای خواص تقویت کننده در پی وی سی، فیلر آنتیموان تری اکسید و آلومینیوم‌ ‌تر هیدروکسید برای خواص تاخیر انداز شعله اشاره کرد.

چه خواصی در پی وی سی  تحت تاثیر فیلر قرار می‌گیرد؟

• استحکام کششی
• مقاومت سایشی
• استحکام فشاری
• مقاومت شیمیایی
• مقاومت در برابر uv
• پایداری حرارتی
• مقاومت در برابر شعله

در حالت ایده‌آل یک فیلر پی وی سی باید در کنار کاهش هزینه سبب بهبود فرآیند پذیری و همچنین تاثیر مثبت در خواص محصول نهایی و حتی ظاهر محصول شود، اما در عمل یک فیلر قادر به اعمال تاثیر مثبت در برخی از موارد ذکر شده می‌باشد.

در شکل زیر اثر فیلرهای مختلف بر استحکام کششی پی وی سی نشان داده شده است.

نکته قابل توجه این است که اگر تنها کاهش قیمت مورد نظر باشد در اثر استفاده بیش از حد یک فیلر(دوز مصرف بالا) فیلرها در بیشتر موارد ویژگی بهبود خواص خود را از دست می‌دهند. در نتیجه اگر هدف رسیدن به توازنی از کاهش قیمت و تاثیر مثبت بر خواص است باید در انتخاب میزان مصرف پرکننده دقت شود.

به طور مثال اگر چه استفاده از سنگ آهک آسیاب شده در پی وی سی سبب کاهش قیمت می‌شود اما استفاده بیش از حد آن سبب افت خواص محصول و کاهش فرآیند پذیری مطلوب می‌شود. در حالت تئوری فیلرهای مختلفی برای PVC قابل استفاده هستند ولی عملا در صنعت بیشتر از فیلر کربنات کلسیم، فیلر آزبست، فیلر خاک رس بیشتر استفاده می‌شود.

در شکل زیر دسته بندی فیلرهای پلیمر نمایش داده شده است.

بررسی فیلرهای پی وی سی

• فیلر pvc  بر پایه سیلیس یا سیلیکات

دو فیلر مهم بر پایه سیلیکات که در پی وی سی به شکل گسترده استفاده می‌شوند خاک رس و آزبست هستند، از دیگر فیلرهای پایه سیلیکاتی که در پی وی سی کمتر متداول هستند می‌توان به میکا، ولاستونیت، تالک، خاک سنگ و... اشاره کرد.

نکته: خاک سنگ دارای مقداری منیزیم سیلکات می‌باشد که برخی تحقیقات نشان از خواص روان کنندگی این ماده دارند.

فیلرهای بر پایه سیلیس از جمله شن، کوارتز و.. کمتر در پی وی سی به متداول هستند. تنها برخی از گریدهای سیلیس به عنوان افزودنی مات کننده ( matting agents) و یا آنتی بلاک در پی وی سی استفاده می‌شوند.

• فیلر پی وی سی بر پایه رس یا Clay

انواع بسیار متنوعی از خاک رس وجود دارد که ترکیبی از آلومینو-سیلیکات هیدراته به همراه مقادیر متفاوتی از اکسید آهن،  پتاسیم و تیتانیوم هستند. از بین انواع مختلف خاک رس تنها کائولین که با نام خاک رس چینی نیز شناخته می‌شود، کاربرد گسترده‌تری در پی وی سی دارد که به صورت کائولین آسیاب شده یا کائولین کلسیته شده استفاده می‌شود.

در فرآیند کلیسته شدن ناخالصی خاک رس بویژه ترکیبات آهن دار حذف شده که سبب بهبود مقاوت الکتریکی و سفیدی بیشتر کائولین می‌شود.

مقاله پیشنهادی: بررسی انواع روان کننده پی وی سی + سازگاری با PVC

کاربرد خاک رس چینی در پی وی سی

• پی وی سی نرم : از جمله شلنگ پی وی سی و چکمه پی وی سی
• پی وی سی سخت: از جمله لوله و اتصالات upvc
• پی وی سی خمیر یا paste

نکته: خاک رس بنتونیت (Bentonite) نیز از انواع متداول خاک رس در پی وی سی است که بخصوص در پی وی سی لاتکس کاربرد زیادی دارد.

با وجود کاربردهای خوب خاک رس چینی در اغلب کاربردهای پی وی سی از فیلر کربنات کلسیم استفاده می‌شوند به این دلیل که هم قیمت پایین تری دارد و هم خواص مورد نظر را به جزء مواردی همچون تاثیر در شفافیت محصول دارد. کائولین کلیسنه شده تنها در موارد خاصی از جمله کابل پی وی سی به کلسیم کربنات ترجیه داده شده است.

• فیلر پی وی سی بر پایه آزبست

تنها فرم از آزبست که در پی وی سی کابرد دارد آزبست سفید یا chrysotile می‌باشد. ساختار شیمیایی آزبست سفید بر پایه منیزیم سیلیکات هیدارته (3MgO·2SiO·2H20) است. فیبرهای آزبست سفید طولی در حدود ۱ تا ۴۰ میلیمتر و قطری در حدود  ۰.۰۱ تا ۱ میکرون دارند.

کاربرد آزبست سفید در پی وی سی

 

3-عامل فوم زا:

عامل فوم زا ترکیباتی هستند که در اثر حرارت در یک بازه دمایی تجزیه شده و مقدار مشخصی گاز آزاد می‌کنند. سرعت و مقدار گاز آزاد شده باید برای شرایط فرآیندی محصول پی وی سی مناسب باشد. عوامل فوم زا می‌توانند به شکل جامد یا مایع و از ترکیبات آلی و یا معدنی باشند. درجه حرارت تجزیه افزودنی فوم زا و یا آزاد شدن گاز، بایستی به اندازه‌ای باشد که موجب انبساط کامل و تشکیل سلول‌های یکنواخت شود.

امروزه ترکیبات آلی فوم زا که پرکاربرد ترین آنها آزو دی کربن آمید می باشد بیشترین کاربرد را در صنعت پی وی سی دارند اما گفتنی است که ترکیبات معدنی از جمله بر پایه بی کربنات نیز در صنعت پی وی سی در حال استفاده هستند.

 

عامل فوم زا بر پایه سدیم بی کربنات:

استفاده از عامل فوم زا بر پایه سدیم بی کربنات در پی وی سی با چالش‌هایی همراه است. ابتدا باید توجه کرد که به علت غلظت بالا این مواد حجم بالایی گاز در مقدار کم از ماده آزاد شده و در نتیجه امکان پخش یکنواخت آن در  پی وی سی برای ایجاد فوم یک دست را سخت می‌کند. همچنین چرخه و زمان آزاد شدن گاز در سیستم  بی کربنات سدیم سریع اتفاق می‌افتد و این امر باعث می‌شود در فرايند تولید قالبگیری فوم پی وی سی نسبت به آزو دی کربن آمید به فشار کمتری نیاز باشد.

عامل فوم زا بر پایه سدیم بی کربنات در بر خلاف آزودی کربن آمید گرماگیر بوده و همچنین گاز آزاد شده CO2 می‌باشد.(مقداری آب نیز در فرآیند تولید می شود که برای برخی فرآیندهای پی وی سی مضر است)

گرید فوم زا پی وی سی بر پایه سدیم بی کربنات

Hydrocerol BIH 70

 

عامل فوم زا بر پایه آزو دی کربن آمید:

افزودنی azodicarbonamide  متداول ترین عامل فوم زا در محصولات پی وی سی می‌باشد این افزودنی با پی وی سی سازگاری خوبی دارد و سبب ایجاد فوم یک دست می‌ شود. همچنین برخلاف عامل فوم زا بر پایه سدیم بی کربنات رنج دمای تجزیه این ماده محدوده کوچکتری است و در نتیجه کنترل آن راحت تر است.  گازهای ایجاد شده CO2 – N2-CO می‌باشند.

از چالش های عامل فوم زا آزو دی کربن آمید فعال شدن آن در دمای ۲۰۰ تا ۲۵۰ درجه سانتی گراد می‌باشد. این دما برای پی وی سی دمای مناسبی نیست با این وجود دمای فعال شدن آزو دی کربن آمید را می توان تا دمای حدود ۱۶۵ درجه سانتی گراد کاهش داد این کار به کمک فعال کننده فوم که با نام کیکر(kickers) نیز شناخته می‌شوند انجام می‌شود.

فعال کننده‌های آزو دی کربن آمید:

استفاده حدود ۰.۵ phr  از فعال کننده‌های فوم که معمولا شامل ترکیبات روی-کادمیم-سرب و... هستند سبب کاهش دمای فعال‌سازی آزو دی کربن آمید به میزان مطلوب برای فرآیند پی وی سی می‌شود.

 

تاثیر اندازه ذرات آزود دی کربن آمید:

هرچه اندازه ذرات آزو دی کربن آمید کوچکتر باشد سرعت تجزیه و آزاد شدن گاز در پی وی سی بیشتر خواهد بود در نتیجه کنترل فوم در برای ذرات درشت‌تر راحت‌تر است اگرچه برای ذرات ریز تر در صورت کنترل مناسب امکان ایجاد سلول های یکنواخت‌تر بیشتر است.

 

گریدهای آزو دی کربن آمید متداول:

AZNP 130

AZ760

AZ3990

AZ754

AZRV

 

بروز plate-out  هنگام استفاده از آزو دی کربن آمید. (plate-out  چیست؟)

در اثر ایجاد سیانوریک اسید به عنوان محصول جانبی تجزیه آزو دی کربن آمید امکان بروز مشکل plate-out  در تجهیزات فرآیند تولید پی وی سی وجود دارد برای حل این مشکل از افزودنی ضد پلیت اوت می‌توان استفاده کرد.(برای اطلاعات بیشتر مقاله plate-out  در پی وی سی  را بخوانید.)

 

عامل فوم زا پی وی سی بر پایه هیدرازین:

از متداول ترین افزودنی فوم زا پایه هیدرازین 4,4'-Oxybis(benzene sulphonylhydrazide)  می‌باشد که با نام اختصاری  OBBS  یا  OBSH نیز شناخته می‌شود. این افزودنی فوم زا در محدوده دمایی ۱۳۰ تا ۱۷۰ درجه سانتی گراد فعال می‌شود.

این عامل فوم زا برای محصولاتی چون ورق و پروفیل -قطعات تزریقی و خمیر فوم پی وی سی استفاده می شود.

گریدهای متداول فوم زا OBSH

Nitropore OBSH

Genitron OB

Celogen OT

 

عامل فوم زا پی وی سی بر پایه ایزوبوتیرو نیتریل:

عامل فوم زا Azobisisobutyronitrile با نام مخفف AZDN نیز شناخته می‌شود این افزودنی فوم زا در دمای بین ۸۰ تا ۱۰۰ درجه تجزیه می‌شود.گاز آزاد شده از این عامل فوم زا معمولا نیتروژن است ولی گاهی ممکن است شامل گازهای سمی نیز باشد این عامل فوم بخصوص برای خمیرفوم پی وی سی کاربرد دارند.

گریدهای رایج فوم زا AZDN

Porofor N

Poly-Zole AZDN

 

عامل فوم زا پی وی سی بر پایه فتالیمید

 

4-افزودنی نانو:

نانو چیست؟

نانو مواد به موادی گفته می شود که یکی از ابعاد یا مشخصات ظاهری آنها در مقیاس نانو باشد.( معمولا ۱ تا ۱۰۰ نانومتر) در این ابعاد بسیاری از خواص شیمیایی- فیزیکی و بیولوژیکی مواد بهبود می یابد. به طور مثال در بسیاری از کاتالیست ها با کوچک شدن تا ابعاد نانو، سطح ویژه کاتالیست افزایش یافته و سبب بهبود عملکرد نهایی می شود به طور مثال طلا در ابعاد معملی خواص کاتالیستی ندارد ولی در ابعاد نانو، نانوطلا با خواص کاتالیستی مهم تولید می شود.

نانو ذرات چه خواصی را بهبود می دهند:

به طور کلی کوچک شدن ماده تا ابعاد نانو می تواند خواص مختلفی از جمله خواص الکترونیکی- خواص مغناطیسی- کوانتومی- خواص انتشار رنگ-خواص سایشی-نقطه ذوب-دانسیته-خواص مکانیکی و...را بهبود دهد.

 

انواع نانو مواد مورد استفاده در پلیمر:

به طور کلی نانو مواد مختلفی برای استفاده در پلیمرها توسعه داده شده اند از جمله می توان به موارد ذیل اشاره کرد:

نانوکربنات کلسیم

نانورس (نانوکلی)

نانونقره

نانولوله‌های کربنی

نانو اکسیدروی

 

کاربرد نانولوله‌های کربنی در پلیمر:

از سال 1990تحقیقات گسترده ای بر روی نانولوله‌های کربنی صورت گرفت و در سال 2006 ظرفیت تولید جهانی این ماه حداقل 10 برابر شده و کاربردهای آن در حال گسترش می باشد.

نانولوله چند‌دیواره در ابتدا به عنوان فیلر‌های رسانای الکتریکی در پلاستیک‌ها استفاده می‌شدند که از مزیت نسبت ظاهری (Aspect ratio) بالای آنها برای تشکیل یک شبکه توزیع شده در غلظت‌های کم در حد 0.01 درصد وزنی (W%) بهره می‌بردند. کامپوزیت‌های پلیمری پرشده با نانولوله چند‌دیواره بی‌نظم به رسانایی‌های بالایی به اندازه10000 SM^-1 در 10 درصد وزنی پرشدگی می‌رسند. استفاده از پلاستیک‌های نانولوله‌ای رسانا در صنعت خودرو، امکان رنگ‌کردن الکترواستاتیکی قاب‌های آینه‌ای و همچنین امکان دستیابی به خطوط انتقال سوخت و فیلترهایی که بار الکترواستاتیک را از بین می‌برند را فراهم آورده است. محصولات دیگر شامل بسته‌های محافظ الکترومغناطیسی و حامل‌های ویفر برای صنعت میکروالکترونیک است.
برای کاربردهایی که با تحمل‌بار سر و کار دارند، پودر نانولوله با پلیمرها یا رزین‌های پیش‌ماده می‌تواند سختی، استحکام، یا چقرمگی را بالا ببرد. افزودن یک درصد وزنی نانولوله چند‌دیواره به رزین اپوکسی، سختی و چقرمگی شکست را به ترتیب به میزان 6 و 23 درصد بالا می‌برد، بدون اینکه بقیه خواص مکانیکی را دچار اختلال کند. این ارتقا به قطر نانولوله، نسبت ظاهری، جهت‌گیری، توزیع، و تعامل‌های فصل مشترک نانولوله و ماتریس بستگی دارد. بسیاری از سازندگان نانولوله‌های کربنی، اقدام به فروش مخلوط رزین‌ها یا مستربچ‌هایی حاوی 0.1 تا 20 درصد نانولوله کربنی می‌کنند. افزون بر این، لغزش (stick-slip) نانومتری و مهندسی‌شده بین نانولوله‌ها و اتصالات نانولوله کربنی-پلیمر می‌تواند جذب انرژی مواد را افزایش دهد که برای افزایش کارایی کالا‌های ورزشی مثل راکت تنیس، چوب بیس‌بال و شاسی دوچرخه استفاده شده است .
نانولوله‌های کربنی در ابعاد حجیم، کامپوزیت‌هایی ساخته شده است که در آنها، توده نانولوله‌های کربنی منظم روی الیاف مختلف مثل شیشه، کاربید سیلیسیوم، آلومینا و الیاف کربن رشد داده شده‌اند. این الیاف را الیاف کرکی (fuzzy) نامیده‌اند.
در بلند‌مدت، این امکان هست که نخ‌ها و صفحات نانولوله‌ای که با روش CVD مستقیم یا ریسندگی توده منظم نانولوله یا روش‌های کشش تولید شده‌اند، بتوانند با الیاف کربن در کاربرد‌های سطح بالا به ویژه در کاربرد‌های حساس به وزن که عملکرد مکانیکی و الکتریکی را با هم می‌طلبند، رقابت کنند
به دلیل آنکه با افزایش حجم، احتمال وجود نقص ساختاری بالا می‌رود، نخ‌های نانولوله ماکرومتری هرگز نمی‌توانند به استحکام نانولوله‌های سازنده‌ی خود برسند. با این حال سطح تماس بالای نانولوله‌ها می‌تواند اتصال سطحی محکمی را ایجاد کند که این کاهش بازدهی استحکام را جبران نماید. بر خلاف الیاف کربن که ترد و شکننده‌اند، نخ‌های نانولوله‌ای می‌توانند بدون اینکه استحکام خود را از دست بدهند، حلقوی بافت شوند. افزون بر این، پوشش‌دهی ورقه‌هایی از توده منظم نانولوله با پودر‌های عامل‌دار، قبل از تاباندن نخ تولیدی، نخ‌هایی قابل پوشیدن، قیطان‌باف شدن و قابل دوخت و دوز ایجاد می‌کند که تا 95 درصد وزن‌شان پودر است و می‌توان از آنها به عنوان سیم‌های ابررسانا، باتری و الکترود‌های پیل سوختی و منسوجات خود تمیز شونده استفاده کرد.
 

کاربرد نانو رس در پلیمرها:

نانورسهایی که به خوبی آماده شده و با مقادیر کم (کمتر از 5%) به یک ترکیب پلیمری اضافه شود، می توانند نانوکامپوزیت های پلیمری (بدون تفاوت خیلی زیاد در ظاهر پلاستیک) تولید کنند که خصوصیات بسیار برجسته ای مانند وزن سبک تر، خواص ضدخش و خواص عبورناپذیری در برابر گازها و اشتعال پذیری کمتر ایجاد کنند.

نانوذرات رس نانو ذرات سیلیکات معدنی لایه ای هستند. بسته به ترکیب شیمیایی و مورفولوژی نانوذرات، نانوذرات به چندین طبقه مانند مونتموریلونیت، بنتونیت، کائولینیت، هکتیت و هالوسیت تقسیم می شوند. نانوکامپوزیت های پلیمری رس به طور ویژه مورد مطالعه قرار گرقته اند.  نانو رس ها یک طبقه وسیعی از مواد معدنی غیر طبیعی هستند.نانو رس ها در اپوکسی ها و پلی یورتان ها سرعت پخت ،مدول و مقاومت شیمیایی را نیز افزایش می دهند.در پلی پروپیلن ،پلی اتیلن و پلی وینیل استات باعث افزایش مدول، کاهش نفوذ پذیری گاز و بهبود مقاومت شیمیایی می شوند.نانو کلی در ترکیب با پلی آمید ها مدول را افزایش می دهد، باعث کاهش نفوذ پذیری گاز ها و هم چنین افزایش مقاومت شیمیایی می شود.همچنین زمانی که نانو رس با پلیمرهای هیدرو فیلیک ترکیب میشود،فرایند پذیری و مقاومت شیمیایی را افزایش می دنهد.

تمام غلظت های دیگر نانو رس حاوی ناخالصی های مختلف (سایر مواد معدنی) هستند و این ناخالصی ها هستند که خصوصیات و رنگ های خاص خود را به نانو رس می دهند. سیلیس جزء غالب رس است و آلومینا نیز جز ضروری است. خواص مکانیکی رس توسط اجزای سازنده آن مشخص می شود. با توجه به مشکلات اندازه گیری این داده ها ، به خصوص برای انواع مختلف نانو کلی ها ، میزان افزایش خواص ممکن است تغییر کند. مسائل بهداشتی و زیست محیطی برای نانوذرات قابل کنترل است. محصولات ارگانیک مشابه  برای سالهای زیادی است که  در بسیاری از محصولات صنعتی و مصرفی مورد استفاده قرار گرفته است. این ادعا که نانوکلی ها به دلیل پیشوند "نانو" به نوعی متفاوت هستند ممکن است مشکل باشد. سیلیس بلورین یک مولد طبیعی است که ممکن است در بتونیت آلومینیوم چهار جزیی آمونیوم تجاری وجود داشته باشد،در حالیکه استنشاق آن یک خطر بهداشتی برای انسان ها را ایجاد می کند و محدودیت های بسیار مجاز کمی را تنظیم می کند. نانو رس ها، علاوه بر عملکرد اصلی خود را به عنوان تقویت کنندگی بالا ، همچنین دارای خواص مهم دیگری مانند خواص حرارتی و به بازدارندگی شعله نیز هستند.

نانو ذرات رس از جمله نانو ذرات پر طرفداری هستند که در سال های اخیر کاربرد زیادی را در صنایع مختلف از جمله صنعت پلیمر پیدا کرده اند، از نانو کلی یا همان نانو رس به منظور  بهبود خواص مکانیکی، حرارتی، عبور پذیری گاز و... استفاده می شود. تغییر خواص پلیمر توسط این نانو ذرات معدنی، نه تنها به مقدار و کیفیت نانو ذرات بلکه به اندازه و شکل ذرات، فعالیت سطح و پیوند آن و همچنین نوع پراکنش آن بستگی دارد به همین خاطر گاها دیده می شود که یک تولید کننده بعد از استفاده از نانو ذرات تغییر و تفاوت چندانی در خواص مشاهده نمی کند لذا توصیه می شود برای استفاده از نانو ذرات حتما از متخصص و روش صحیح استفاده شود.

در ادامه به توضیحات بیشتر در مورد نانو رس و کاربرد های آن به عنوان افزودنی منحصر به فرد در پلیمرها پرداخته می شود.

درزیرمیکروسکوپ الکترونی با قدرت تفکیک بالا مشاهده می شود که نانورس ها شامل صفحات کوچک و نامنظم رسی هستند که درحدود 1نانومتر ضخامت و100 نانومترقطردارند.رس های رایج به صورت طبیعی به عنوان مواد معدنی به شمار می آیند.بسیاری از آن ها سیلیکات های آلومینیم می با شند که ساختار ورقه ای دارند.شایع ترین نانو رس مونت موریلنت (ازخانواده اسمکتیت)می باشد.انواع دیگر نانو رس ها هکتوریت ها ورس های سنتزی (برای مثال هیدروتالکیت)می باشد.
نانورس‌ها سطح ویژه‌ای در حدود 750 مترمربع بر گرم دارند. غالباً برای اصلاح خواص مکانیکی مواد پلیمری،‌آنها را با پرکننده‌ها تقویت می‌كنند. خالص بودن و ظرفیت تبادل کاتیونی، دو خصوصیت مهم برای موفقیت نانورس‌ها ـ به‌عنوان عامل استحکام در پلیمر‌هاـ به شمار می‌رود. خالص بودن رس خصوصیات مکانیکی پلیمر را افزایش می‌دهد كه این به افزایش تبادل کاتیونی رس در ترکیب شدن رس با پلیمر کمک می‌کند. رس‌ها موادی ارزان هستند که می‌توان با تغییر یون‌ها، اشباع کردنشان با عناصر فلزی و تیمار کردنشان با اسیدها، آنها را به کاتالیزور مناسب تبدیل کرد.
درواقع امکان به کارگیری رس ها در مقادیر بسیار کم باعث کاهش وزن، استحکام بالاتر و کاهش خارق العاده عبور گازها در موادی مثل پلیمرها می شوند. مشکلات اصلی در زمینه نانورس ها، جداسازی و توزیع یکنواخت صفحه های کوچک رسی و تبدیل رسهای آبدوست به آبگریز به منظور افزایش تعامل با پلیمرها است. پلیمرها در صنعت پلاستیک و بسته بندی مواد غذایی به کار می روند و این بازاری بزرگ برای آنها به شمار می رود.

نانورسهایی که به خوبی آماده شده و با مقادیر کم(کمتر از 5%) به یک ترکیب پلیمری اضافه شده و می توانند نانوکامپوزیت های پلیمری (بدون تفاوت خیلی زیاد در ظاهر پلاستیک) تولید کنند که خصوصیات بسیار برجسته ای مانند وزن سبک تر، خواص ضدخش و خواص عبورناپذیری در برابر گازها و اشتعال پذیری کمتر ایجاد کنند.
نانو رس ها به دلیل ویژگی های خاصشان،درصنعت داروسازی و پزشکی موردتوجه بسیاری قرارگرفته اند.این رس ها درساخت انواع داروها به عنوان ماده خام وموادکمکی در سنتزدارومورداستفاده قرار می گیرند.
ازمونت موریلنت به دلیل داشتن خصوصیات تعلیق ،انتشار و پراکندگی خوب وقالب دار شدن به عنوان مکملی خوب درپزشکی بسیار مورد استفاده قرارمی گیرد.قرارگرفتن مولکول های دارودربین فضای بین لایه ای رس ها،می تواندکارایی آن را برای استفاده های بیولوژیکی تغییردهد. 

در ادامه به بررسی بیشتر نانو رس (نانوکلی) پرداخته می‌شود.

پلیمرهایی كه با نانورس ها تركیب شده اند در مقایسه با مواد پلیمری رایج خاصیت ضدگرمایی و ضدآتش بالاتری نشان می دهند و کارایی بیشتری در خاموش کردن شعله دارند و تغییر شكل آنها در معرض دماهای بسیار بالا یا مواد شیمیایی کمتر است. نانوكامپوزیت هایی كه با استفاده از نانورس ها ساخته می شوند، رسانایی الكتریكی و تمیزی نوری بهتری نیز نشان می دهد. یكی از نتایج مهم باردار بودن نانورس ها (یعنی توانایی عوض کردن یونها) امکان سازگار کردن خصلت متضاد آنها یعنی ذات کاملاً آبدوست با پلیمرها است. چرا که خیلی از پلیمرها آبگریزند. عملكرد ضروری برای تشكیل نانوکامپوزیتهای پلیمر رس، تغییر قطبیت رس و تبدیل آن به مواد آلی دوست (آبگریز) می باشد.

نانورس‌ها (Nanoclay)کانی‌هایی هستند که حداقل یکی از ابعاد آنها در حد نانومتر باشد. این مواد به‌دلیل ارزانی و در دسترس بودن ، توجه زیادی در زمینه فناوری‌نانو به خود جلب كرده‌اند، همچنین اندازه کوچک این مواد آنها را قادر ساخته تا بتوانند با مواد دیگر که در این زمینه وجود دارند، رقابت کنند
در سال1980 با تهیه نانوكامپوزیتهای نایلون و رس در صنایع خودروسازی، نانوكامپوزیت های نانورس شناخته شدند. در نانورسهای آلی دو لایه از چهاروجهی های SiO2 مستقر در یک صفحه ساختارهای چهاروجهی ترکیباتی مانند سدیم، آلومینیوم و منگنز را دربرمیگیرند. نانورسها می توانند سختی و استحکام پلیمرها را بالا برده و میزان آتش پذیری الیاف پلیمری و عبوردهی گازهایی مانند اکسیژن را در ظروف پلاستیکی کاهش دهند. قطعات نانوكامپوزیت پلی پروپیلنی كه حاوی 2/5 درصد نانورس است با ایجاد یک استحکام قابل قبول موجب 20 درصد صرفه جویی در وزن می شود. این قطعات در بدنه خارجی استیشن ها استفاده شده است. كاربرد نانوكامپوزیت های پلی پروپیلنی در تهیه بدنه خارجی خودرو، در فیلم های بسته بندی نایلونی، در بطری های نگهداری مواد نوشیدنی، در لوله ها و در پوشش های كابل و سیم در حال گسترش است.

برآورد شده كه استفاده گسترده نانوكامپوزیتها در خودروها تنها در آمریكا می تواند یك و نیم میلیارد لیتر در سوخت سالیانه صرفه جویی ایجاد كند و باعث كاهش تولید دی اكسیدكربن به میزان پنج میلیارد كیلوگرم در سال شود. باید توجه كرد كه تنها با اضافه كردن نانوذرات به یك پلیمر به خواص مورد نظر نمی رسیم بلكه آرایش ذرات در ماتریس پلیمری در خواص نهایی موثر است. نانـوکامپـوزیت های متشکل از نانورس را می توان به نحوی طراحی کرد که عبور مقدار کم گاز را هم غیر ممکن سازد. در لاستیک ها و بطری های نوشابه می توان از این نانوکامپوزیتها استفاده کرد. چنین ساختاری به افزایش کارایی و حفظ حالت در توپ های تنیس نیز منجر شده است. تنها علت ایجاد چنین خاصیتی نحوه استقرار صفحات چند نانومتری قرار گرفته در بین ماده است. استفاده از یک ترکیب نانوکامپوزیت رسی خاص باعث جلوگیری از نفوذ پذیری لایه و افزایش عمر توپ به دو برابر شده است.

از ویژگی های دیگرنانورس ها می توان به موارد زیراشاره کرد:

مقاوم در برابر شعله
ویژگیهای ایستادگی در برابر شعله در نانورس ها به علت تشكیل لایه ای ذغالی در هنگام سوختن نانوكامپوزیت می باشد. ذغال خود به عنوان عایق و یك ماده نسوز عمل كرده و میزان آزاد شدن گازهای فرار در سطح شعله را كاهش می دهد. تشكیل ذغال توجیهی برای بهبود ثبات نانوکامپوزیت در برابر حرارت،‌ جداسازی فیزیكی پلیمر و قسمت سوخته آن است.

ممانعت از عبور گازها
صفحات نانورس می توانند مسیری پر پیچ و خم ایجاد کنند که از نفوذ بخارهای گازی و مایعات به درون پلیمر جلوگیری كرده و علاوه برخواص برجسته در ممانعت عبورگازها سبب بهتر شدن مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر رطوبت نیز می شود.

درون توپ تنیس هوای فشرده قراردارد. لایه بیرونی و پوسته اجزای یک توپ معمولی هستند. درقسمت درونی این توپ ها، یک لایه از جنس نانوکامپوزیت پلیمری قرار دارد و مانع عبور هوا از توپ می شود.
نانوکامپوزیتهای رس را می توان در بطری ها هم استفاده کرد. کارخانه های بسته بندی به دنبال تولید بطری هایی هستند که به محکمی شیشه بوده ولی به راحتی شکسته نمی شوند. بطری های پلاستیکی ذرات نانورس این بطری ها را به محکمی شیشه یا حتی محکم تر کرده است و احتمال شکستن آنها کمتر است.

 ترکیب نانوذرات به نحوی است که مانع فساد مایعات و تغییر رنگ و بوی آنها شده و تاریخ مصرف آنها را به شش ماه افزایش داده است. بعضی از کارخانه های غذایی از جاذب های اکسیژن برای جلوگیری از رشد پاتوژن هاو موجودات زنده هوازی استفاده می کنند که این امر باعث فساد غذا و ناسالم شدنشان می شود.
استحکام مکانیکی

تقویت کننده های نانومتری حدوداً به ابعاد مولكولی پلیمرها می رسند. این امر موجب تقابل نزدیك دو ماده با یكدیگر می شود. وقتی پلیمر به خوبی با نانورس اصلاح می شود، ذرات پركننده با پلیمرها برخورد می کنند و مناطق محدودی در سطح ذرات ایجاد می كنند. این امر بخشی از زنجیره پلیمری را تثبیت می كند كه اثر تقویت كننده ای را در پی دارد.

نانو اکسید روی:

نانو پودرهای اکسید روی (ZnO) به عنوان پودر و ذرات بسیار ریز در دسترس هستند. این نانوذرات دارای خواص ضد باکتری، ضد خوردگی، ضد قارچ و UV هستند. تهیه نانوکامپوزیتهای پلیمری به کمک نانو ذرات ZnO می تواند خواص نوري و مکانيکي پليمرها را به دلیل بر هم کنش قوي دروني بين پليمر آلي و نانو ذرات معدني، اندازه کوچک نانو ذرات، ناحيه سطحي بزرگ و اثر کوانتومي، بهبود بخشد. از جمله کاربرد های اکسید روی می توان در پلیمرهایی چون پی وی سی - پلی اتیلن (LDPE)-پلی پروپیلن و اپوکسی اشاره کرد.

 

جهت دسترسی به ادامه این مطلب و مطالب تخصصی بیشتر از کتاب ها و پکیج های پلینو استفاده نمایید. (کلیک کنید.)

تهیه و تنظیم: سایت پلینو