نانو رس ( نانو Clay) چیست + کاربرد آن در پلیمر

09 خرداد 1403 ساعت 19:30

نانو ذرات رس از جمله نانو ذرات پر طرفداری هستند که در سال های اخیر به عنوان یک افزودنی نیز در صنعت پلاستیک و پلیمر مورد استفاده قرار می‌گیرد.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. در این مقاله از سایت پلینو به بررسی نانو رس و کاربرد آن در پلیمر پرداخته شده است.

 

نانوکلی

نانو رس چیست؟

 

نانو رس در واقع یک نوع سیلیکات ورقه ای از نوع مونت مونتموریلونیت (montmorillonite) است که از خانواد اسمکتیت دو وجهی (dioctahedral smectites) می‌باشند. این ترکیبات دارای بار پایین تا متوسط بوده و فرمول شیمیایی آنها (Al1.67Mg0.33) VI(Si4) IVO10(OH)2M+ 0..33.nH2O می‌باشد. صفحات مونتموریلونیت یا رس در زیر میکروسکوپ دیده می‌شود و اندازه ای در محدوده 1 تا 100 نانومتر دارند.

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. 

نانورس ها درداروها می توانند:یک دارو را از تخریب محافظت کنند،جذب دارو را ازطریق تسهیل توزیع آن از غشای روده افزایش دهند،باعث تعدیل اثربدن برداروشده وتوزیع بافتی راتغییردهند.

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 پروپیلن 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.


 

ویژگی مهم نانو رس 

 

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.

جمع بندی:

نانو رس به عنوان یک افزودنی جدید و همچنین ماده اولیه برای تولید انواع نانوکامپوزیت پلیمری در سال‌های اخیر مطرح شده است. از جمله خواصی که با نانو رس قابل بهبود است، مقاومت مکانیکی و مقاومت در برابر عبور گاز می‎‌باشد.

 

نویسنده: سید شایان خاموشی

 

ثبت نظر


( نظر خود را درباره این مقاله ثبت نمایید )

هفت روز هفته، 24 ساعت شبانه روز پاسخگوی شما هستیم.
© 2024 polyno All Right Reserved