هم افزایی فوق العاده در خواص مکانیکی کامپوزیت های ماتریس پلیمری تقویت شده با 2 نانو کربن
یکی از کاربردهای نانومواد، تقویت کردن نانو کامپوزیت ها است؛ بطوری که در اضافات کوچک از نانومواد منجر به افزایش چشمگیری در خواص مکانیکی می شود. مطالعات گسترده ای در زمینه نانوکامپوزیت ها صورت گرفته است که در آنها ماتریس پلیمری توسط یک مادۀ نانو مانند نانولوله های کربنی تقویت می شود. در اینجا، ما اثرات مهم هم افزایی مشاهده شده را در زمان ترکیب 2 نوع نانوکربن مختلف در ماتریس پلیمر بررسی می کنیم. بنابراین، ترکیبات دودویی نانوالماس، گرافن چند لایه و نانولوله های تک جداره برای تقویت الکل پلی وینیل استفاده شده است. خواص مکانیکی کامپوزیت های حاصل که با استفاده از روش تورفتگی نانو ارزیابی می شوند، هم افزایی فوق العاده ایی را نشان داده و در مقایسه با آنچه که با تقویت کننده های نانو کربن منفرد بدست می آید، سفتی و سختی را تا 400 درصد بهبود می بخشد. این نتایج روشی را برای طراحی مواد پیشرفته با خواص مکانیکی منحصر به فرد با ترکیب مقدار کمی از 2 نوع نانومواد من جمله گرافن با نانوالماس و یا نانوالماس با نانو لوله کربن پیشنهاد می دهند.
از میان بسیاری از خواص منحصر به فرد در نانومواد، داشتن سطح بزرگ برای نسبت های حجم و همچنین خواص مکانیکی خاص بیشتر مورد توجه است. این خواص زمینه را انجام تحقیقات جالب و گسترده و همچنین نوآوری های فناوری فراهم می کنند. بنابراین مهمترین کاربرد نانومواد در تقویت ماتریس های پلیمری با استفاده از سختی و سفتی فوق العاده زیاد آنها است. در تحقیقات اخیر مشخص شده است که با افزودن اندکی از نانوذرات خاص (تا 1 درصد وزنی) مانند نانولوله های کربن، خواص مکانیکی بطور قابل توجهی افزایش می یابند که گاهی اوقات این میزان تا 100 درصد وزنی می رسد. اگرچه عملکرد دقیق این افزایش چشمگیر همچنان اثبات نشده است، اما بطور کلی اعتقاد بر این است که برهم کنش های سطح مولکولی بین نانومواد و ماتریس پلیمری نقش اصلی را برعهده دارند. کاملآ واضح است که سطح وسیع رابط موجود باعث افزایش خواص مکانیکی می شود. از میان انواع نانومواد ساخته شده و مشخص شده در سال های اخیر، نانوکربن های دارای ابعاد مختلف از اهمیت بالایی برخوردار هستند؛ برای مثال نانوالماس، نانولوله و گرافن به ترتیب دارای ابعاد 0، 1 و 2 هستند. تحقیقات گسترده ای درمورد خواص مکانیکی کامپوزیت های ساخته شده از ماتریس های پلیمری با 1نانوکربن در تقویت فازانجام شده است. ما انتظار داریم ماهیت برهم کنش مادۀ تشکیل دهندۀ نانوکربن با ماتریس دارای ابعاد متفاوتی باشد؛ برای مثال نانولوله های کربنی اضافه شده به یک پلیمر می توانند درطول زنجیرۀ پلیمری برهم کنش داشته باشند، در حالی که بعنوان یک ذرۀ نانوالماس می تواند در یک نقطه، احتمالآ در انتهای یک زنجیره پلیمری تعامل داشته باشد. اگرچه هر یک از نانوکربن ها خواص مکانیکی ماتریس پلیمری را بهبود می بخشند، اما بطور شهودی احساس کردیم که ترکیب 2 نانوکربن می تواند منجر به اثرات هم افزایی در خواص مکانیکی شود زیرا هر یک از آنها دارای تعامل متفاوتی با ماتریس هستند. بنابراین، تأثیر ترکیب مختلف دودویی در نانوکربن ها، نانوالماس (ND)، نانولولۀ تک جداره (SWNT) و گرافن چند لایه (FG) بر خواص مکانیکی کامپوزیت های ماتریس پلیمری (PMC) متشکل از الکل پلی وینیل (PVA) را مورد بررسی قرار دادیم. همچنین 3 ترکیب احتمالی تقویت کنندۀ ND+FG، FG+SWNT و ND+SWNT را بررسی کردیم. نتایج بدست آمده واقعآ حیرت آور بودند چرا که دور از انتظار بود.
PVA یک پلیمر محلول در آب است و به همین دلیل، سنتز کامپوزیت ها را با توزیع یکنواخت نانوذرات تسهیل می کند. ND، FG و SWNT ها با استفاده از تیمار اسیدی برای تشکیل گروه های کربوکسیل و هیدروکسیل سطحی به خوبی با ماتریس PVA در تعامل هستند. حداکثر محتوای تقویت کنندۀ نانوکربن 0.6 درصد وزنی بود زیرا میزان بالای آن ممکن است باعث تجمع نانومواد در ماتریس شود. با نسبت های مختلف از اضافات اصلی (0.4) و جزئی (0.2) نانوکربن، مدول الاستیک (E)، سختی (H) در PMC ها با استفاده از تکنیک تورفتگی نانو ارزیابی شد. در شکل زیر، انواع H و E را در PMC های حاوی تقویت کنندۀ نانوکربن منفرد را بعنوان تابعی از محتوای نانوکربن ارائه می دهیم.
شکل 1: خواص مکانیکی H و E همراه با انواع محتوای نانوکربن
این داده ها مرجعی برای مقایسه کامپوزیت های تقویت شدۀ چند برابر محسوب می شوند که ما خودمان آنها را بررسی کردیم. همه 3 نوع نانوکربن بطور قابل توجهی خواص مکانیکی PVA را بهبود می بخشند؛ علاوه براین، SWNT نیز H را تقریبآ 7 برابر و E را تا رسیدن به دامنه تقویت می کند. این پیشرفت ها حتی با افزودن 0.2 درصد وزنی SWNT مشاهده می شود؛ رسیدن به فلات برای افزایش بیشتر محتوای SWNT احتمالآ به دلیل باندینگ آن در بالاترین سطح تقویت کننده قرار دارد. چنین باندینگی میتواند میزان برهم کنش های مؤثر را کاهش دهد. برخلاف کامپوزیت های SWNT-PVA، کامپوزیت های ND-PVA و FG-PVA افزایش تدریجی در E و H را با افزایش محتوای نانوکربن نشان می دهند؛ میزان افزایش در ماده قبلی بیشتر است. افزایش خواص مکانیکی PVA به دلیل القای تبلور پلیمر با افزودن نانومواد همراه است. کالریمتری اسکن دیفرانسیل هیچ تغییری در نقطۀ ذوبِ (Tm) PVA در کامپوزیت های بررسی شده نشان نمی دهد اما تبلور افزایش می یابد. مقادیر درجه تبلور کامپوزیت ها بعنوان نسبت گرمای موردنیاز برای ذوب 1 گرم PMC خشک به انتالپی استاندارد کریستالی خالص تعریف شده است که در جدول زیر همراه با خواص مکانیکی خلاصه شده است.
جدول 1: خواص مکانیکی PVA و نانوکربن کامپوزیت های PVA
باتوجه به داده های بدست آمده، افزودن نانوکربن به PVA افزایش می یابد. برای بررسی اینکه آیا افزایش خواص مکانیکی را تعیین می کند یا نه، ما H و E را با تغییر نسبی در شکل زیر رسم کردیم.
شکل 2: درصدهای مختلف از تغییر نسبی در E و H با تغییر نسبی در تبلور
مقادیر PVA خالص پردازش شده و در شرایط یکسان همانند PMC ها ارزیابی می شوند. تبلور و خواص مکانیکی مرتبط با ND و FG حاوی PMC ها نیز همین شکل ارائه شده اند. به نظر می رسد خواص مکانیکی SWNT حاوی PMC ها مستقل از تبلور باشد. مطالعات محدودی در زمینه کامپوزیت های نانولوله - پلیمر وجود دارد که معمولآ دارای محتوای مفیدی هستند. علاوه براین، بسیاری از آنها به کامپوزیت های تقویت شده توسط نانولوله های کربنی چند جداره اختصاص یافته اند. لیو و همکارانش که کامپوزیت های PVA - 0.8 SWNT را بررسی کردند، افزایش 78 درصدی در E و 48 درصدی در مقاومت کششی را گزارش می دهند؛ مقادیر بسیار کمتر از مقادیر بدست آمدۀ ما در این مطالعه هستند. همچنین آنها هیچ افزایش در تبلور مشاهده نکرده و حتی افزایش خواص مکانیکی را به توزیع همگن فیلرها در ماتریس نسبت دادند. همچنین ژانگ و همکارانش کامپوزیت های PVA با SWNT های تیمار شده با KOH را بررسی کرده و گزارش کردند که H و E به ترتیب 78 و 110 درصد افزایش یافته اند؛ در حالی که لی و همکارانش افزایش 30 و 75 درصدی برای 5 درصد وزنی از کامپوزیت اپوکسی گزارش کردند. علاوه بر این، مشاهده کردند که در هم آمیختگی نانولوله ها می تواند دلیلی برای افزایش نسبتآ ضعیف خواص مکانیکی باشد. کادک و همکارانش نیز افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت ها را به پیوند سطحی ماتریس و نانولوله ها نسبت داده اند که با افزایش تبلور منعکس شده است. همچنین اعتقاد دارند که این خواص به شدت به نسبت ابعاد نانولوله ها بستگی دارد که برای آنها تقریبآ100 است. در اینجا، SWNT ها دارای نسبت های 700 تا 1400 بودند. علاوه براین، عملکرد اسیدی آنها می تواند به دلیل وجود گروه های کربوکسیل و هیدروکسیل به پیوند بهتر با پلیمر کمک کند. در شکل زیر H و E در 2 نوع کامپوزیت حاوی 2 نانوکربن با تبلور متفاوت به ترتیب PVA - 0.4ND - xSWNT و PVA - 0.4FG - xND نشان داده شده است.
شکل 3:E و H در کامپوزیت های دودویی PVA-0.4ND-xSWNT و PVA-0.4FG-xND
همچنین در جدول زیر خواص مکانیکی در کامپوزیت های مختلف متشکل از 2 نانوکربن را خلاصه کرده ایم.
جدول 2: خواص مکانیکی در کامپوزیت های مختلف متشکل از 2 نانوکربن
اثرات هم افزایی ناشی از افزودن 2 نانوکربن مختلف، برای مثال درمورد کامپوزیت های PVA -0.2SWNT- 0.4ND ارزیابی شده اند. با توجه به شکل 1، افزودن – O.2SWNT به تنهایی به PVA منجر به افزایش H می شود که با p نشان داده شده است؛ به همین ترتیب، q نیز نشان دهندۀ تقویت H در PVA به دلیل افزودن 0.4ND به تنهایی است. اثر هم افزایی یا هم افزایی درصدی که با افزودن 0.2SWNT حاصل شد با معادلۀ زیر محاسبه می شود:
در اینجا، به معنای مقداراندازه گیری شده برای کامپوزیت است. این معادله برای مواردی که خواص بصورت خطی با محتوای تقویت کننده افزایش می یابند، بسیار مناسب است. اثرات هم افزایی در کامپوزیت PVA-0.4ND-0.2FG به ترتیب در H و E تا حدودی کمتر از 92 و 71 درصد است. از آنجا که افزودن SWNT به تنهایی به افزایش E و H کمک می کند، هم افزایی در کامپوزیت SWNT+NDبه وضوح مشخص نیست. وجود اختلاف در درصد تبلور در PMC های متشکل از 2 نانوکربن تقریبآ 2 درصد است و نشان می دهد که افزایش تبلور بعنوان دلیل هم افزایی محسوب نمی شود. برای بررسی اینکه آیا اثرات هم افزایی با ترکیب درصد بیشتری از نانوکربن ها می تواند بیشتر شود، ما خواص مکانیکی کامپوزیت PVA-0.4ND-0.6SWNT را بررسی کردیم. مقادیر H و E در این کامپوزیت به ترتیب 534.3 ± 90.6 و 12.96 ± 1.22 مگاپاسکال بودند. یک دلیل احتمالی برای مقادیر بالای H و E در کامپوزیت PVA-0.4ND-0.6SWNT می تواند این باشد که ذرات ND در آن به دلیل برهم کنش های واندر والس از خوشه بندی SWNT جلوگیری می کنند. بطور کلی، سورفاکتانت ها برای تولید SWNT های جدا شده استفاده می شوند اما در اینجا به نظر می رسد ذرات ND قادر به انجام همان کار هستند. دلیل احتمالی دیگر برای این همبستگی قوی می تواند این واقعیت باشد که تقویت کننده های نانوکربن با زنجیره های پلیمری در سطح مولکولی دارای تعامل هستند. چنین تعاملی نه تنها سختی زنجیرۀ پلیمر را افزایش می دهد (درنتیجه مدول جهانی کامپوزیت را افزایش می دهد)، بلکه مقاومت آن را در برابر جریان پلاستیکی نیز افزایش می دهد که آن هم میزان سختی را بالا می برد.
نتیجه گیری
در آخر میتوان گفت تهیه کامپوزیت های الکل پلی وینیل با افزودن 2 نانوکربن امکان پذیر است. در حالی که نانوالماس، نانولوله های تک جداره و گرافن بطور جداگانه باعث بهبود چشمگیری در خواص مکانیکی PVA می شوند؛ ازطرفی ترکیب دودویی در این نانوکربن ها نیز منجر به افزایش بالایی در این خواص می شود. با این حال، بایستی بیان کنیم که این مطالعه به ارزیابی سختی و مدول پلاستیکی محدود شده است و مباحث شکل پذیری و مقاومت را در بر نمی گیرد. در هر حال، یافته های ما نشان می دهند که کاوش کامپوزیت های پلیمری با چنین تقویت کننده های دودویی بسیار مناسب و مقرون به صرفه هستند.
