مطالعه نانوكامپوزیتهای پلیمری و خواص ضدخوردگی آنها

[P O U R I A]

واژه نانوكامپوزیت، محدوده وسیعی از موادی كه در مقیاس نانومتری میكس شده اند را در بر می گیرد. كامپوزیتها دارای ساختار و خواصی میباشند كه میتوانند بهترین خواص هریك از اجزاء و یا حتی یك خاصیت جدید و بی همتایی را به وجود آورند.امروزه استفاده از نانوكامپوزیتها به علت خواص بسیار خوب آنها، به طور گسترده ای رواج یافته استو یكی از این نانوكامپوزیتها كه به علت خواص بسیار عالی از قبیل: خواص ضدخوردگی، مقاومت در برابر آتش گیری و بهبود خواص مكانیكی، توجه بسیاری را به خود جلب كرده است، نانوكامپوزیت پلیمر- كلی میباشد. این مقاله مروری بر پیشرفت های نانوكامپوزیت ها با تاكید بر روی روشهای مختلف تهیه نانوكامپوزیت های پلیمر- كلی و بررسی اثر این فیلتر بر خواص مقاومت به خوردگی پوششهای نانو كامپوزیتی میباشد. موارد مرتبط دیگری كه برروی آنها نیز بحث شده است، عبارتند از: ساختار و خواص سیلیكاتها لایه ای، مورفولوژیهای مختلفی كه حین ساخت نانوكامپوزیت ممكن است ایجاد شود و همچنین پلیمرهای مختلفی كه در آنها از این فیلر استفاده میشود.

خوردگی فولاد مشكل اقتصادی بسیار بزرگی است. در نتیجه در قرن حاضر تلاشهای زیادی جهت گسترش روشهایی با كارآیی بالا و دوستدار محیط زیست برای محافظت از خوردگی سازه های فلزی انجام شده است. برخی از روشهای استاندارد صنعتی جهت محافظت از خوردگی فلز، پوشش دادن سطح فلز با فسفاتها، كرماتها و اكسیدها كه شامل انواع كاتیونهای فلزی می شوند میباشد.
تركیبات كرم بازدارنده های خوردگی بسیار عالی هستند اما به عنوانعامل سرطانزا و مخرب محیط زیست شناخته شده اند. به منظور حذف كرم از محیط زیست و حفظ سلامت بشر، امروزه از پوششهای آلی جهت حفاظت از سازه های فلزی، استفاده میشود.

با این وجود هیچكدام از این پوششها ایده آل عمل نمی كنند و همه آنها به علت حضور حفره در آنها نهایتاً تخریب میشوند در نتیجه پوششهای آلی محافظ عموماً همراه پیگمنتها و فیلرهای ضدخوردگی جهت افزایش توانایی محافظت در برابر خوردگی آنها استفاده میشوند.
این افزودنیها شامل سرب قرمز، كرمات روی، تالك، گرافیت، میكا و امروزه نانوذراتی از قبیل سیلیكاتهای لایه ای و غیره میشوند. با اضافه كردن این فیلرها داخل پلیمرها كامپوزیت ها بوجود آمدند. سه نیروی محركه اصلی باعث به وجود آمدن كامپوزیت ها و انجام تحقیقات برروی آنها شد:

- نیاز به سازه های با وزن پایین و استحكام بالا
- نیاز به مواد با مقاومتهای بالا مانند قدرت كششی و مدول الاستیك
- از همه مهم تر دارای جنبه اقتصادی مناسب​

ماده كامپوزیتی، ماده ای است كه دو یا چند ماده مختلف برای تشكیل یك ساختار مجرد با هم تركیب میشوند. خواص این ساختار جدید بستگی به خواص مواد سازنده و همچنین خواص سطح مشترك دارد. امروزه وقتی كه از كامپوزیت ها صحبت می كنیم منظور ما تركیب رزینهای پلیمری با مواد تقویت كننده ای مانند لیفهای شیشه ای و كلی ها میباشد. مواد كامپوزیتی به طور پیوسته در حال پیشرفت میباشند و هم اكنون اطراف ما را مواد كامپوزیتی پوشانده اند.
درحین پیشرفت این كامپوزیتها بود كه مواد نانو مطرح شدند و به دنبال آنها نیز نانو كامپوزیتهایی با خواص عالی فیزیكی، مكانیكی و شیمیایی ساخته شدند. امروزه نانوكامپوزیتهای آلی- معدنی توجه بسیاری را به خود جلب كرده اند. خواص بی نظیر آنها منجرب ه سنتز و مطالعه انواع نانوكامپوزیتها شده است.
نانوكامپوزیتهای پلیمری تهیه شده با استفاده از ذرات صفحه ای شكل، دارای خواص ممانعت در برابر گازها و یونهای خورنده، پایداری حرارتی و خواص مكانیكی بسیار خوبی در مقایسه با پلیمرهای خالص میباشند.

مطالعه نانوكامپوزیتهای پلیمری در زمینه های مختلف و برای كاربردهای مختلف انجام شده است و نه تنها بهبود خواص مكانیكی این مواد پلیمری مشاهده شده است، بلكه حضور این ذرات نانو، حتی در مقادیر بسیار كم اثر بسیار خوبی بر روی خواص هدایتی، غشایی، محافظت در برابر خوردگی و رفتار تاخیر انداز افروختگی نانوكامپوزیتها داشته است.
یكی از این نانوكامپوزیتها كه اخیراًً به علت خواص بسیار عالی از قبیل خواص ضدخوردگی، مقاومت در برابر آتش گیری و بهبود خواص مكانیكی كه از خود نشان داده است، توجه بسیاری را به خود جلب كرده است نانو كامپوزیت پلیمر-كلی میباشد. كلی، از انواع سیلیكاتهای لایه ای میباشد و منشا طبیعی دارد، این مواد معدنی با شكل صفحه ای خود معمولاً برای افزایش مؤثر طول مسیر نفوذ برای اكسیژن و آب و كاهش نفوذ پذیری پوشش و باعث بیشتر شدن مقاومت در برابر خوردگی پوششها، به كار می روند.


ساختار سیلیكاتهای لایه ای
سیلیكاتهای لایه ای یك گروه از فیلرها میباشند. این مواد هم شامل كلی های طبیعی (هكتوریت، ساپونیت، مونت مورلونیت) و هم سنتز شده (مگادیت، لاپونیت، فلوروهكتوریت) میباشند كه هكتوریت و مونت مورلونیت در این گروه بیشترین استفاده را دارند. ساختار لایه ای كلی معدنی مورد استفاده در نانوكامپوزیتهای پلیمری به سه دسته اصلی طبقه بندی میشوند:

- نوع 1:2
- نوع 1:1
- نوع اسیدهای سیلیسیك لایه ای​

تركیب مونت مورلونیت به صورتی میباشد كه ضخامت لایه های هر صفحه از یك فیلتر 1 نانومتر و اندازه جانبی آن 1000-100 نانومتر میباشد. مونت مورلونیت به خاطر اینكه منشل طبیعی دارد و ارزان قیمت است به طور وسیعی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است و همچنین به دلیل سطح ویژه زیاد، ظرفیت تبادل یونی بالا (CEC) و توانایی تشكیل كمپلكسهای بین لایه ای با انواع گسترده ای از ملكولهای آلی، به عنوان یك فیلر پر كاربرد شناخته شده است. به خاطر مزایای بالا، مونت مورلونیت یك گزینه مطلوب برای تقویت مواد پلیمری آلی میباشد.
ساختار كلی به گونه ای است كه در آن، لایه های كلی خود را به صورت موازی با هم، هم تراز كرده اند و با یك نیروی ضعیف واندروالس همدیگر را جذب می كنند. فضای بین لایه ها گالری و فاصله بین آنها d001 خوانده میشوند كه میتواند باتوجه به اندازه كاتیونهای جذب شده در محدوده وسیعی تغییر كند.
طبیعت كلی اصلاح نشده آب دوست است و افزایش فضای بین لایه ها كه هنگام متورم شدن در آب اتفاق می افتد باعث میشود كه این امكان برای ملكول های بزرگ فراهم آید تا به فضای بین لایه ای نفوذ كنند. سطح آبدوست سیلیكات باید به یك سطح آبگریز برای ایجاد سیلیكات های لایه ای قابل پراكنش در سایر پلیمرها تبدیل شود و در این صورت است كه لایه لایه شدن كلی با بسیاری از پلیمرهای مهندسی امكان پذیر خواهد شد.
عموماً این عمل با واكنش تبادل یونی با سورفكتانتهای كاتیونی، شامل كاتیون های آمونیوم یا الكیل فسفونیم اولیه، ثانویه، سومین و چهارمین، اتفاق بیفتد و در نتیجه یكسری گروههای عاملی برروی سطح كلی بوجود می آیند كه میتوانند با پلیمر وارد برهم كنش شوند و در نتیجه فصل مشترك قوی بین پلیمر و جزء معدنی ایجاد می شود.
این كلی های آلی با پلیمرها بسیار سازگار میباشند و در یك حلال قطبی متورم شده و میتوانند در پلیمرها دیسپرس و پخش میشوند.
دو خاصیت ویژه سیلیكاتهای لایه ای كه در تهیه كامپوزیتها بیشتر به آنها توجه میشود عبارتند از:

- توانایی ذرات سیلیكات برای دیسپرس شدن به صورت لایه های مجزا
- توانایی ذرات كلی برای حفظ شیمی سطح خود طی واكنشهای تبادل یونی با كاتیون های آلی و معدنی​

این دو خاصصیت قطعاً وابسته به هم میباشند زیرا میزان دیسپرسیون لایه های سیلیكات لایه ای در یك ماتریس پلیمری خاص وابسته به كاتیونهای بین لایه ای میباشد.


منبع:مجله پوششهای سطحی
تهیه و تنظیم: دكتر علی اصغر سرابی- شبنم اشهری