کامپوزیت های حافظه دار

مروری بر کامپوزیت های حافظه دار واکنش پذیر - محرک

در دهه های گذشته شاهد پیشرفت های چشمگیری در پلیمرهای حافظه دار واکنش پذیر محرک (SMP) با کاربردهای بالقوه در حوزه های زیست پزشکی، هوافضا، منسوجات، مهندسی عمران، مهندسی بیونیک، انرژی، مهندسی الکترونیک و محصولات خانگی بوده ایم. این نوع کامپوزیت های پلیمری (SMPC) میتوانند کاربردهای پلیمر خافظه دار را تقویت کرده و گسترش دهند. همچنین میتوانند اثر فعال - محرک آترومال، اثرات حافظۀ جدید و عملکردهای جدید را نیز تقویت کنند. بسیاری از این اثرات آترومال همچون الکترواکتیو، مغناطیسی فعال، آب فعال و فتواکتیو مشاهده شده اند. علاوه بر این اثر حافظه چندشکلی، حافظه کنترل شدۀ فضایی و حافظۀ دو وجهی را میتوان بعنوان نمونه های معمولی بدست آمده از اثرات حافظۀ جدید نام برد. عملکردهای جدید این نوع کامپوزیت ها مانند اثر حافظه - محرک و خود ترمیمی نیز بصورت سیستماتیک مورد بررسی قرار گرفته اند. در این مقاله، روش های مختلف ساخت این نوع کامپوزیت ها و عملکردها بررسی شده و جهات بالقوۀ پیشرفت در آینده نیز مطرح شده اند.

پلیمرهای واکنش پذیر محرک خواصی همچون شکل، خواص مکانیکی، جداسازی فاز، سطح، نفوذ پذیری، خواص نوری و خواص الکتریکی به وجود آمده از اثرات تغییرات جزئی محیطی همانند دما، میدان الکتریکی، پ هاش، نور، میدان مغناطیسی، میدان الکتریکی، میدان صوتی، حلال، یون ها، آنزیم ها و گلوکز بطور قابل توجهی تغییر می دهند. از سال 2010 تاکنون سه موضوع خاص و مضمون به این کامپوزیت های هوشمند اختصاص داده شده است: "مواد واکنش پذیر - محرک" در پیشرفت علم پلیمر، "پلیمرهای حساس - محرک" در مواد پیشرفته و "پلیمرهای فعال - درحال حرکت" در ژورنال شیمی مواد. SMP همچنین بعنوان نوعی از پلیمرهای مهم واکنش پذیر محرک میتوانند با قرار گرفتن در معرض  محرک های خارجی شکل اصلی (یا دائمی) خود را بازیابی کنند. مقالات بسیاری درمورد این پلیمرها بویژه پلیمرهای واکنش پذیر - حرارتی منتشر شده است. از زمان ارائه پلی نوبورنن حافظه دار (وزن ماکرو مولکولی بالا با پیوند متقابل فیزیکی فراوان) بعنوان اولین نمونه، SMP های زیادی و چندین نمونه معمولی در مقیاس های بزرگ همچون پلی اورتان، SMP با پایۀ پلی استایرن، پلی اورتان آلیفاتیک، SMP با پایۀ اپوکسی و پلی اورتان قابل درمان با UV براساس ساختارهای مختلف در لابراتوارها ساخته شده اند. همانطور که در شکل یک نشان داده شده است، یک شبکه پلیمری پایدار و یک انتقال سوئیچینگ برگشت پذیر پلیمر بعنوان دو پیش نیاز برای اثر حافظه محسوب میشوند.

شکل 1: ساختارهای مختلف مولکولیSMP

این شبکه پایدار شکل اصلی را تعیین می کند که میتواند با درهم آمیختگی مولکول، فازی کریستالی، پیوند متقابل شیمیایی یا شبکۀ نفوذی را ایجاد کند. قفل شبکه نشان دهندۀ انتقال سوئیچینگ برگشت پذیر است که مسئولیت تغییر شکل موقت را بر عهده دارد؛ که میتواند بصورت انتقال تبلور/ ذوب، انتقال گلس/ کاتیون، انتقال ایزوتروپیک/ آنیستروپیک کریستال مایع، پیوند متقابل مولکول برگشت پذیر و اتصال/ جداسازی ابرمولکولی نشان داده شود. واکنش های متقابل مولکول برگشت پذیر معمولی بعنوان انتقال سوئیچینگ محسوب میشوند؛ همچون دیمریزاسیون عکس، واکنش دیلز الدر، واکنش اکسیداسیون/ ردوکس گروه مرکاپتو. انتقال سوئیچینگ معمولی در هر اتصال/ جداسازی ابرمولکولی شامل پیوند هیدروژن، هماهنگی فلز- لیگاند خود مونتاژ، و خودمونتاژ بودن β-CD میشود. علاوه بر انتقال های برگشت پذیر ذکر شده در بالا، محرکهای دیگری وجود دارند که میتوانند بطور قابل توجهی تحرک SMP ها را به SME همچون رطوبت، حلال/ آب، یون ها، فشار، نور، پ هاش و غیره تغییر دهند. SMP ها میتوانند در بسیاری از حوزه ها من جمله ابزار زیست پزشکی، هوافضا، منسوجات، انرژی، مهندسی بیونیک، مهندسی الکترونیک، مهندسی عمران و محصولات خانگی بطور گسترده استفاده شوند. کاربردهای معمولی SMP ها در جدول یک ارائه شده است.

جدول 1: کاربردهای بالقوۀ SMP ها

اولین تحقیق درمورد SMPC ممکن است تقویت کنندۀ SMP ها باشد که دارای مقاومت مکانیکی بالقوۀ کم و فشار بازیابی شکل هستند که تا حد زیادی کاربرد آنها را محدود کرده است. مقدار کمی از فیلرهای تقویت کننده قادر به بهبود عملکرد مکانیکی و فشار بازیابی شکل در SMP ها هستند. علاوه بر این، همانطور که در شکل دو نشان داده شده است، SMPC ها میتوانند شرایط را برای اثرات فعال محرکهای آترومال، SME جدید و عملکردهای جدید فراهم کنند.

شکل 2: علاوه بر پژوهشهای تقویت کننده، تحقیقات SMPC بر SMPC با اثر فعال - محرک آترومال، SME و عملکردهای جدید متمرکز شده است.

نمونه های اثرات واکنش پذیر- محرک های آترومال عبارتند از اثر الکترواکتیو، اثر مغناطیسی فعال، اثر فعال آب و اثر فتواکتیو. SME های جدید نیز شامل اثر حافظه چند شکلی، SME کنترل شدۀ فضایی و SME دو وجهی میشوند. اثر حافظه محرک همچون اثر حافظه میدان مغناطیسی و اثر خود ترمیمی SMPC ها همچون SMP های پر شده با ذرات ترموپلاستیک را میتوان به عنوان دو نمونه از عملکردهای جدید نام برد. هدف از این مقاله ارائۀ یک بررسی جامع از پیشرفت های اخیر از این SMPC های مختلف از لحاظ تقویت، اثر واکنش پذیر-محرک آترومال، SME جدید و عملکردهای جدید است. روش های مختلف و پیشرفت های اخیر برای تولید این نوع کامپوزیت ها نیز ارائه شده است. اگرچه تاکنون محققان قادر به طراحی این نوع کامپوزیت ها با خواص مختلف برای کاربردهای مختلف شده اند، اما هنوز هم چالش های زیادی وجود دارد که بایستی برطرف شوند. با جمع بندی کلی تحقیقات در این زمینه امیدواریم که این مقاله نه تنها به خوانندگان میان رشته ای برای آگاهی از پیشرفت ها در این زمینه کمک کند، بلکه جهت گیری های تحقیقاتی در آینده را نیز بطور شفاف بیان کند.

تقویت پلیمرهای حافظه دار (SMP)

اگرچه SMP ها در بسیاری از جنبه ها با SMA ها مقایسه شده اند، اما دارای مقاومت مکانیکی بالقوۀ کم و فشار بازیابی شکل هستند. این مشکلات کاربردهای SMP را تا حد زیادی محدود کرده اند. فیلرهای تقویت کننده میتوانند ازطریق ترکیب فیزیکی، پلیمریزاسیون در جا و پیوند عرضی شیمیایی عملکرد مکانیکی را بهبود بخشیده و تنش بازیابی شکل را ایجاد کنند.

تقویت توسط میکروالیاف، پارچه و تشک

میکروالیاف ها، پارچه ها و تشک های ساخته شده از الیاف کربن، الیاف گلس و الیاف کولار دارای مدول الاستیک و مقاومت بالایی هستند و همچنین میتوانند مقاومت مکانیکی SMP ها را بطرز چشمگیری افزایش دهند. این کامپوزیت ها در مسیر الیاف (محوری) میتوانند بار مکانیکی بسیار بالاتری راتحمل کنند؛ در حالیکه در جهت عرضی، SME میتواند بیشتر حفظ شود. این کامپوزیت های تقویت شده بیشتر برای استفاده در سازه های خود مستقر در فضاپیماها و ساختارهای کنترل ارتعاش پیشنهاد میشوند. در پنج سال گذشته تحقیقات بروز شدۀ کمتری درمورد این کامپوزیت ها انجام شده است که ممکن است تا حدودی به این دلیل باشد که میکروالیاف، پارچه و تشک میتوانند SME در ماتریس SMP را کاهش دهند؛ بویژه در جهت تقویت.

تقویت توسط نانو لوله های کربن (CNT) یا نانوالیاف کربن (CNF)

یکی از اهداف اصلی در ترکیب CNT یا CNF در SMP دستیابی به SME الکترواکتیو با گرمایش ژول در SMP های واکنش پذیر- حرارتی است. بزرگترین چالش کامپوزیت های SMP/CNT پراکنده کردن یکنواخت CNT ها در ماتریس SMP است. روش های زیادی همچون اختلاط مذاب و به دنبال آن پلیمریزاسیون درجا، اختلاط بی نظم و به دنبال آن پلیمریزاسیون درجا، اختلاط محلول و سپس ریخته گری، اختلاط محلول با توزیع اولتراسونیک و عملکرد شیمیایی CNT ها و به دنبال آن واکنش پیوند عرضی نیز به کار گرفته شده اند. عملکرد شیمیایی CNT ها یکی از اثربخش ترین روش ها است زیرا عملکرد شیمیایی میتواند سازگاری بین آنها و ماتریس SMP را افزایش دهد. برای مثال امیریان و همکاران، بارتولوم و همکاران، ویری و همکاران CNT ها و پلی کامپوزیت های SMP/MWCNT را تهیه کردند که عملکردشان منجر به بهترین اثرات تقویت کنندگی میشود. علاوه بر این، بعد از تیمار شیمیایی، گروه های فرآوری شد OH- در CNT ها به ماتریس SMP واکنش نشان میدهند. میادت و همکاران از میان تمام دستاوردها به بالاترین تنش بازیابی در کامپوزیت های SMP دست یافته اند. حداکثر تنش ایجاد شده از CNT/ الیاف الکل پلی وینیل به 150 مگاپاسکال رسید که از دامنۀ SMP ها دو برابر بیشتر است. CNT/ الیاف الکل پلی وینیل نیز با استفاده از یک روش انعقادی خاص آماده شده است. CNT تثبیت شدۀ سورفکتانت در جریان پذیرندۀ محلول الکل پلی وینیل انعقادی تزریق شد که باعث میشود محتوای بالای CNT در ترکیبات پلی وینیل الکل گنجانده شود.

کامپوزیت های SMP میتوانند خواص را بهبود بخشیده و قابلیت انعطاف پذیری در SMP های واکنش پذیر- محرک را افزایش دهند. مقدار کمی از میکروپیوند عرضی/ فیلرهای نانوسایز میتوانند بطور قابل توجهی مقاومت مکانیکی و تنش بازیابی شکل را بهبود ببخشند. کامپوزیت های SMP نه تنها بطور چشمگیری خواص حافظه مکانیکی و شکل را بهبود می بخشند، بلکه دارای خواص جدیدی هستند که در همتایان خالص شان مانند SME گرمایشی غیرمستقیم، SME چند وجهی، اثر بازیابی شکل گرادیانت، اثر بازیابی شکل کنترل شدۀ فضایی، SME دو وجهی و SME جنبشی پیچیده مشاهده نشده است. SMP های سنتی معمولآ با گرمایش مستقیم ایجاد میشوند و امروزه کامپوزیت های SMP نیز میتوانند با روش های دیگری همچون غوطه وری در آب، الکتریسیته، میدان مغناطیسی و نور مادون قرمز تحریک شوند. کم بودن فیلر میتواند باعث ایجاد غیرمستقیم SME شود. این مطالعات انجام شده در مورد کامپوزیت های SMP به کاربردهایی همچون ساختار فضایی قابل استقرار، ابزار پزشکی فعال از راه دور، ابزار زیست پزشکی، انرژی، منسوجات، سازه های مهندسی، مهندسی بیونیک، مهندسی الکترونیک، مهندسی عمران، چسب های خشک/ مرطوب و لوازم خانگی دامن می زند. در دهه های گذشته، اختراعات زیادی در زمینه تولیدات SMP ثبت شدند. نویسندگان معتقدند در سال آینده بسیاری از این تولیدات در لابراتوارها تولید شده و وارد چرخۀ تجاری می شوند.