خواص رئولوژیکی پلیمرهای مرکب و نانوکامپوزیت های ترکیبی
این مقاله بطور خلاصه خواص ویسکوزیمتری، ویسکوالاستیک و رئولوژیکی پلیمرهای مرکب و نانوکامپوزیت های ترکیبی را مرور می کند. نانوکامپوزیت های ترکیبی را میتوان از مواد طبیعی یا ترکیبات مصنوعی و یا هر دو ترکیب کرد. پلیمر ترکیبی نانوکامپوزیت این فرصت را برای طراح فراهم میکند تا بتواند با انتخاب الیاف یا مواد مناسب و معماری پلیمر بطور قابل توجهی به خواص موردنیاز دست یابد. رفتار رئولوژیکی این نانوکامپوزیت ها علاوه بر مواد، به ترکیب الیاف، طول، جهت گیری، اتصال به ماتریکس و پیکربندی آن بستگی دارد. علاوه براین، خواص رئولوژیکی پلیمرهای نانوکامپوزیت ترکیبی با معرفی بارهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت.
پلیمرهای نانوکامپوزیت ترکیبی نسبت به پلیمرهای نانوکامپوزیت تقویت شدۀ الیافی بیشتر توسعه یافته اند. این نانوکامپوزیت های تقویت شده حاوی یک فاز تقویت کننده در ماتریس پلیمری منفرد هستند اما کامپوزیت های ترکیبی ممکن است بیش از یک فاز تقویت کننده، یک فاز ماتریس منفرد و یا یک فاز تقویت کنندۀ منفرد با چند فاز ماتریس داشته باشند. بعلاوه، این نانوکامپوزیت ها میتوانند فیلرهایی با منشأ طبیعی یا مصنوعی داشته باشند؛ الیاف طبیعی از خواص رئولوژیکی برتر من جمله استحکام، قابلیت انعطاف پذیری و غیره برخوردار هستند که مزایای اصلی آنها نیز میتوان کم هزینه بودن، سبک وزن بودن، تولید آسان و زیست سازگاری را نام برد. با این حال، افزودن الیاف مصنوعی در مقیاس نانو به شکل نانوذرات میتواند خواص مکانیکی پلیمر همانند استحکام و مقاومت فشاری را بهبود بخشد. همچنین، این امر میتواند باعث بهبود خواص ویسکوزیمتری، ویسکوالاستیک و رئولوژیکی پلیمر و نانوکامپوزیت های آن شود. مواد نانوکامپوزیت ترکیبی نیز میتوانند خواص رئولوژیکی بالایی همچون استحکام ویژۀ بالا، سختی و کارایی بسیار خوب ایجاد کنند. ازطرفی با داشتن کارایی بالا میتوانند در کاربردهای مختلفی همانند طراحی هواپیما، پره های توربین بادی، خودرو، حافظۀ هوشمند، طراحی سازۀ کشتی و ساخت پل استفاده شوند. نانوکامپوزیت های پلیمری تقویت شده با بارهای مختلف من جمله سیلیس با پوشش نانوسیم های آرگون، سیلیس با پوشش نانولوله های کربن، نانولوله های کربن چند جداره، لاستیک سیلیکون و نانو ورق های نیترید بور دارای خواث رئولوژیکی و حرارتی بسیار خوبی هستند. هدف از این مطالعه، بررسی دقیق رفتارهای ویسکوزیمتری، ویسکوالاستیک و رئولوژیکی در پلیمرها و پلیمرهای نانوکامپوزیت ترکیبی است.
خواص ویسکوزیمتری
ویسکوزیته پلیمرها:
همانطور که در شکل یک نشان داده شده است، زیروئی و همکاران توانسته اند رفتار ویسکوزیمتری را در دماهای مختلف پلیمرهای اپوکسی هگزار و تترا همچون تترا گلیسیدیل اتر ترفتالیدین بیسپارافسفریک استر TGETPE و هگزا گلیسیدیل اتر ترفتالیدین بیسپارافسفریک استر HGETPE مورد بررسی و سنتز قرار دهند.
شکل 1: ساختارهای TGETPE و HGETPE
این رفتارهای ویسکوزیته میتوانند به ساختار ماکرومولکولی سیستم واکنش دهنده متصل شوند. این دو پلیمر اپوکسی رقیق شده در کلروفرم ازلحاظ درجه حرارت سیستم (پلیمر/حلال) تقریبآ رفتار ویسکوزیمتری یکسانی دارند. همچنین نشان دادند که رفتار ویسکوزیمتری با افزایش درصد جرم پلیمر مورد مطالعه، به دلیل پیشرفت واکنش هموپلیمریزاسیون، افزایش می یابد؛ در حالیکه ذخیره سازی بقایای پلیمر اپوکسی هگزا و تترا در دمای بالاتر از 45 درجه سانتیگراد انجام میشود.
ویسکوزیتۀ سیستم های (پلیمر/حلال):
همانطور که در شکل زیر بیان شده است، الگوری و همکاران رفتار ویسکوزیمتری را بعنوان تابعی از دمای پیش پلیمرهای اپوکسی مختلف مانند دیگلیسیدیل اتر بیسفنول آ DGEBA، دیگلیسیدیل اتر دیفنیل سولفون DGEDDS، دیگلیسیدیل اتر دیفنیل DGEDDP، تترا گلیسیدیل متیلن دیانیلین TGMDA، تترا گلیسیدیل اتیلن دیانیلین TGEDA، و تترا گلیسیدیل بنزل سولفونامید 4 آمینو TGABSA را مطالعه و بررسی کردند.
شکل 2: ساختارهای DGEBA ، DGEDDS ، DGEDDP ، TGMDA ، TGEDA و TGABSA
آنها نشان دادند که پلیمرهای فنلی حل شده در کلروفرم (کلروفرم / DGEBA)، (کلروفرم / DGEDDS)، (کلروفرم / DGEDDP) همگی بدون درنظر گرفتن درجه حرارت سیستم (پلیمر/ حلال) دارای خواص رئولوژیکی یکسانی هستند. در حالیکه در سیستم های (کلروفرم/ TGMDA)، (کلروفرم/ TGEDA) و (کلروفرم/ TGABSA) ویسکوزیته همزمان با افزایش درجه حرارت افزایش می یابد که علت آن را میتون توسعۀ واکنش هموپلیمریزاسیون دانست زیرا رفتار ویسکوزیمتری با افزایش وزن مولکولی حلال افزایش می یابد. براساس شکل سوم میتوان گفت که بختا و همکاران به این نتیجه رسیدند که خواص ویسکوزیمتری نیز با درصد وزنی رزین اپوکسی سه کاره، تری گلیسیدین تریمرکاپتو- اتانول اتر فسفر (TGETMEP) در سیستم (متانول/ TGETMEP) گنجانده شده است.
شکل 3: ساختار TGETMEP
ماتریس TGETMEP نیز توسط بختا و همکارانش شناسایی و سنتز شده است. دیگر محققان رفتارهای ویسکوزیمتری را بعنوان تابعی از درصد جرم و دما بررسی کره اند. خواص ویسکوزیمتری همزمان با افزایش درصد پلیمر در سیستم های (پلیمر/حلال) افزایش می یابد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، دیگر محققان نیز نرخ برش، ویسکوزیتۀ دینامیکی و تنش برشی وابسته به دما را به ترتیب در دو پلیمر اپوکسی تک کاره و دوکاره همانند پلیمر اپوکسی نوولاک (NEP) و DGEBA بررسی کردند.
شکل 4: ساختار NEP
نتایج بدست آمده نشان داد که افزایش نرخ برش و دما منجر به کاهش ویسکوزیته دینامیکی و تنش کرنشی در هر دو ماتریس مولکولی میشود؛ و ازطرفی، ویسکوزیته دینامیکی و فشار برش پلیمرها نیز با افزایش نرخ برش و دما کاهش می یابد. علاوه براین، با مطالعۀ ساختارهای ماکرو و میکرونانو توانستند خواص مکانیکی میکروسکوپی را شناسایی کنند. هسیس و همکاران نیز خواص ویسکوالاستیک پیش پلیمر فسفر بنام پنتاگلیسیدیل اتر پنتافنوکسی فسفر (PGEPPP) را شناسایی کردند و طبق شکل زیر، باتوجه به روش های ارائه شده در مقالات مورد بررسی و سنتز قرار گرفته است.
شکل 5: ساختار PGEPPP
آنها همچنین به این نتیجه رسیدند که با افزایش دما رفتار ویسکوالاستیک کاهش می یابد. نتایج بدست آمده بطور کلی یک الگوی سه مرحله ای را نشان میدهند: حالت شیشه ای، حالت انتقال و جریان مواد؛ که میتوان آن را با گرمای آزاد شده توسط دستگاه تفسیر کرد. این نتایج بدست آمده با داده های بختا و همکاران کاملآ مطابقت دارد.
خواص رئولوژیکی
در اینجا بطور خلاصه چند نمونه از خواص رئولوژیکی را بیان می کنیم:
-رفتار رئولوژیکی کامپوزیت تقویت شده با مواد آلی (HGCP)
- رفتار رئولوژیکی نانوکامپوزیت های تقویت شده با نانولوله های کربن (CNT)
- رفتار رئولوژیکی نانوکامپوزیت های تقویت شده با مواد NP، TiO2 و PTS
- رفتار رئولوژیکی نانوکامپوزیت های تقویت شده با سوسپانسیون مواد پالپ
- رفتار رئولوژیکی نانوکامپوزیت های تقویت شده با نانولوله های چندجداره
- خواص رئولوژیکی سوسپانسیون های کلوئیدی و غیر کلوئیدی
- رفتار رئولوژیکی نانوذرات و PAL
- رفتار رئولوژیکی محلولهای میسلار
- ویسکوالاستیک خطی و غیرخطی نانوکامپوزیت های تقویت شده با خاک رس و سیلیس
- رفتار رئولوژیکی پراکندگی رقیق و نیمه رقیق کلوئیدها
- رفتار رئولوژیکی جریان گرانول بریده
پس از تجزیه و تحلیل بسیاری از مقالات درمورد رفتارهای ویسکوزیمتری و رئولوژیکی در پلیمرها و پلیمرهای نانوکامپوزیت ترکیبی به نکات زیر رسیدیم:
-با افزایش درصد پلیمر در سیستم های (پلیمر/حلال) خواص ویسکوزیته نیز افزایش می یابد.
- ویسکوزیته دینامیک و تنش برشی با افزایش گرادیانت شیب و دما کاهش میدهد.
- مدول ذخیره سازی و مدول افت پلیمرها با افزایش فرکانس افزایش می یابد.
- خواص رئولوژیکی نانوکامپوزیت های ترکیبی با درصد بار مصرفی بصورت خطی افزایش می یابد.
- رفتار رئولوژیکی در پلیمرهای نانوکامپوزیت ترکیبی علاوه بر فیلر به محتوای الیاف، طول، جهت گیری، اتصال به ماتریس و پیکربندی آن بستگی دارد.
- استفاده از پلیمرهای نانوکامپوزیت ترکیبی بعنوان یک مادۀ نانوکامپوزیتی جایگزین، بویژه در فرایندهای فرآوری و پردازش با مقاومت بالا، بسیار کم هزینه و زیست سازگار است.
