کامپوزیت پلیمری با نانوفیلر دوگانه

کامپوزیت های پلیمری با پیوند متقاطع غیرکووالانسی تقویت شده با نانوفیلرهای دوگانه با استحکام مکانیکی بی سابقه

مواد پلیمری با پیوند متقاطع غیرکووالانسی از طریق روش های بهبود، بازیافت و پردازش مجدد مصرف مواد را کاهش داده و آلودگی زیست محیطی را کاهش می دهند. با این حال، ساخت مواد پلیمری غیرکووالانسی بسیار قوی با پیوند متقاطع در مقایسه با نمونه های مهندسی با کارایی بالا همچنان یک چالش بزرگ است. در اینجا، کامپوزیت های پلیمری متقاطع غیرکووالانسی قابل پردازش با استحکام مکانیکی بی سابقه ازطریق ترکیب اسید پلی اکریلیک (PAA)، پلی وینیل پیرولیدون (PVPON) و نقاط پلیمری کربنی (CPD) (PAA-PVPON-CPDs) ساخته می شوند. با ترکیب 15 درصد وزنی CPD کامپوزیت های  PAA-PVPON-CDPرا با استحکام کششی 158 مگاپاسکال و مدول یانگ 8.2 گیگاپاسکال حاصل می شوند. CPD ها با افزودن نانوفیلر نشان دهنده برهمکنش قوی با پلیمرها در کامپوزیت های PAA-PVPON هستند. همچنین CPD و نانوذرات PAAPVPON تشکیل شده درجا کامپوزیت های PAA-PVPON-CPD را تقویت می کنند. این کامپوزیت ها به دلیل استحکام مکانیکی بالا کامپوزیت ها و اتلاف انرژی مکانیسم نانوذرات CPD و PAA-PVPON از مقاومت ضربه ای و تحمل بالایی برخوردار هستند. علاوه براین، کامپوزیت های PAA-PVPON-CPD شکسته شده را می توان برای بازیابی قدرت مکانیکی شان ترمیم کرد.

مواد پلیمری به دلیل کم هزینه بودن، وزن سبک و خواص مکانیکی خوب تقریباً در هر جنبه ای از فعالیت های انسانی در جامعه مدرن وجود دارند. از میان آنها، مواد پلیمری فوق العاده قوی با مدول و استحکام کششی بسیار بالا برای جایگزینی مواد فلزی و سرامیکی بسیار مطلوب هستند. پلیمرهای مهندسی با کارایی بالا مانند پلی آریل اتر کتون، پلی اتر سولفون و پلی آمید بدون ترکیب نانوفیلرها یا جهت کشش معمولاً استحکام کششی حدود 100 مگاپاسکال دارند. موثرترین روش برای ساخت مواد پلیمری فوق قوی، ترکیب همگن نانوفیلرهای سخت مانند نانو ذرات سیلیس، رس، نانولوله های کربنی (CNT)، اکسید گرافن  و نانوکریستال های سلولز در ماتریس های پلیمری است که در این ترکیب، این نانوفیلرها می توانند تحرک زنجیره پلیمری را به شدت محدود کرده و در نتیجه، استحکام مکانیکی آنها را افزایش دهند. مطالعات قبلی نشان می‌ دهند که نانوفیلرها به طور موثری می‌ توانند مواد پلیمری با استحکام کم را تقویت کنند اما اثر تقویتی آنها در پلیمرهایی با استحکام بالا بسیار کاهش می یابد. به طور کلی، این اثر تقویت کنندگی توسط پارامترهای کلیدی مانند انواع، ابعاد و اندازه نانوفیلرها، پراکندگی و برهمکنش آنها با ماتریس پلیمری کنترل می شود.  پراکندگی همگن و برهمکنش قوی نانوفیلرها با ماتریس های پلیمری پیش نیازی برای افزایش بازدهی مواد پلیمری است. علاوه براین، هدف بلند مدت این مطالعه استفاده از تاثیر هم‌ افزایی انواع مختلف نانوفیلرها در بهبود استحکام مواد پلیمری است. اما با افزودن نوع دوم نانوفیلرها معمولا تقویت استحکام مکانیکی کامپوزیت ‌های پلیمری در مقایسه با پلیمرهای مشابه تنها با یک نوع از نانوفیلرها محدود می شود. این نتایج نشان داد که هم افزایی انواع مختلف نانوفیلرها در بیشتر کامپوزیت های پلیمری چندان رضایت بخش نبودند. مشاهده شد کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با نانوفیلرهای دوگانه باید ویژگی های زیر را داشته باشد تا به به طور قابل توجهی کامپوزیت های پلیمری تقویت کنند:

1- این نانوفیلرهای دوگانه بایستی از چگالی بالایی از گروه های اتصال برخوردار باشند تا بتوانند برهمکنش قوی با ماتریس های پلیمری داشته باشند.

2- همزیستی این نانوفیلرهای دوگانه نباید باعث تجمع نانو فیلر شود.

3- این نانوفیلرهای دوگانه باید متفاوت باشند یا حتی دارای خواص مکمل برای تقویت هم افزایی کامپوزیت های پلیمری باشند.

پلیمرهای غیرکووالانسی با پیوند متقاطع که با برهمکنش های غیرکووالانسی به هم پیوند خورده ‌اند، از خواص بازپخت، بازفرآوری و بازیافت برخوردار بوده و جایگزین امیدوار کننده ای برای پلیمرهای معمولی هستند. با این حال، پلیمرهای غیر کووالانسی با پیوند متقاطع معمولاً استحکام مکانیکی پایینی دارند و باید با تقویت نانوفیلرها به بازار وارد شوند. تلاش‌ های مستمری برای طراحی انواع جدیدی از نانوفیلرها صورت گرفته است که می ‌توانند استحکام مکانیکی و عملکرد کامپوزیت های پلیمری غیرکووالانسی با پیوند متقاطع را ارتقاء دهند. به عنوان مثال، نانوفیلرهای دینامیکی با پیوند متقابل درجا می توانند الاستومرهای پلیمری غیرکووالانسی با پیوند متقاطع و مقاومت بالا ایجاد کنند. نقاط پلیمری کربنی (CPD) دارای هسته‌ های سفت کربنی و پوسته‌ های نرم هستند و همچنین گروه های اتصال فراوانی مانند آمینو، هیدروکسیل و اسید کربوکسیل بر روی سطوح آنها دارند که آنها را به نانوفیلرهای ایده آلی برای تقویت مواد پلیمری تبدیل می کند. کمپلکس کردن پلیمرها با برهمکنش های غیر کووالانسی مکمل از لحاظ فنی ساده هستند اما روشی مناسب برای ساخت کامپوزیت های پلیمری غیرکووالانسی متقاطع با خواص مکانیکی خوب محسوب می شود. در اینجا، کامپوزیت‌ های پلیمری غیرکووالانسی متقاطع با مقاومت کششی 158 مگاپاسکال و مدول یانگ 8.2 گیگا پاسکال ازطریق کمپلکس اسید پلی اکریلیک (PAA) با ترکیبات CPD حاوی پلی وینیل پیرولیدون (PVPON) ساخته می شوند. با بررسی دقیق شبیه سازی دینامیک مولکولی درشت دانه (CG-MD) نشان می دهد که CPD ها و نانوذرات PAA/PVPON درجا تشکیل به عنوان نانوفیلرهای دوگانه برای بهبود مقاومت مکانیکی کامپوزیت های پلیمری در برابر ضربه عمل می کنند. مواد کامپوزیت شکسته به دلیل دارا بودن ماهیت دینامیک برهمکنش های پیوند هیدروژنی PAA، PVPON و CPD می توانند در آب 45 درجه خود را ترمیم کنند.

آماده سازی کامپوزیت های CPD حاوی 15 درصد PAA-PVPON

CPD ها با واکنش هیدروترمال اسید سیتریک و اتیلن دیامین سنتز می شود. باتوجه به بخش اول از شکل زیر، تصاویر میکروسکوپی الکترونی گذرا (TEM) نشان می دهد که CPD ها دارای ساختار کروی با قطر متوسط ​​6 تا 8 نانومتر هستند.

شکل 1:

تصویر TEM با وضوح بالا (HRTEM) نشان می دهد هسته های CPD تا میانگین فاصله خالص 0.21 نانومتر متبلور می شوند که مطابق با بخش دوم از شکل بالا، فاصله نقاط کوانتومی تک گرافن را نشان می دهد. طیف FTIR در CPD ها در بخش سوم از شکل بالا پیک های مشخصه را در 3440، 1561 و 1555 سانتیمتر مربع نشان می دهد که به ترتیب به ارتعاش کششی -OH و –C=O  در گروه های اسید کربوکسیلیک و ارتعاش خمشی گروه‌ های –NH مرتبط هستند. با این حال، تصاویر TEM و طیف FTIR نشان می دهد CPD ها دارای هسته های کاملا متقاطعی با گروه های کربوکسیلیک اسید و آمین فراوانی روی سطوح آنها هستند. ما در کار قبلی مان، کامپوزیت های PAAPVPON متقاطع غیرکووالانسی با استحکام کششی 80 مگاپاسکال با ترکیب PAA و PVPON ساخته شدند. استحکام مکانیکی بسیار بالای کامپوزیت های PAAPVPON ناشی از چگالی بالا پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره های PAA و PVPON و همچنین نانوذرات کمپلکس PAA/PVPON درجا است که به‌ عنوان نانوفیلرهایی برای بهبود استحکام کامپوزیت های PAA/PVPON با پیوند هیدروژنی عمل می کنند.

با توجه به این بررسی انجام شده، کامپوزیت های CPD حاوی 15 درصد PAA-PVPON غیرکووالانسی متقاطع با خواص مکانیکی بسیار قوی و همچنین خواص تیمار و پردازش عالی با ترکیب مخلوط PAA/CPD با PVPON ساخته شدند. هم افزایی CPD های ترکیب شده خارجی و نانوذرات PAA-PVPON درجا کامپوزیت‌ های CPD حاوی 15 درصد PAA-PVPON با استحکام کششی 158 مگاپاسکال و مدول یانگ 8.2 گیگا پاسکال را تشکیل می دهد. تجزیه نانوذرات PAA-PVPON و تغییر شکل CPD ها تحت نیروی خارجی می تواند به طور مؤثر انرژی را از بین ببرد. بنابراین، کامپوزیت های CPD حاوی 15 درصد PAA-PVPON مقاومت ضربه و تحمل آسیب پذیری بالایی از خود نشان دادند. این کامپوزیت ها همچنین قابل تیمار و قابل پردازش بودند. مقاومت مکانیکی فوق العاده قوی و ظرفیت تیمار می تواند تا حد زیادی کاربرد و عمر مفید کامپوزیت های CPD حاوی 15 درصد PAA-PVPON را افزایش دهد. این کامپوزیت های فوق العاده قوی از آنجا که از پتانسیل خوبی برای جایگزینی برخی از پلاستیک های مهندسی برخوردار هستند، را می توان به عنوان پلاستیک های مقاوم به ضربه استفاده کرد. ما معتقدیم که CPD ها نانوفیلرهای ایده آلی برای ساخت کامپوزیت های پلیمری فوق العاده قوی هستند زیرا CPD ها می توانند برهمکنش های قوی با ماتریس های پلیمری برقرار کرده و با اتلاف انرژی ازطریق تغییر شکل، خواص مکانیکی کامپوزیت های پلیمری حاصل را بهبود دهند. برای ما اثبات شد هم افزایی نانوفیلرهای دوگانه می‌ تواند برای توسعه کامپوزیت های پلیمری غیرکووالانسی متقاطع با مقاومت در برابر ضربه و تحمل پذیری بالا مناسب باشد.