دیسپارسیون حالت جامد نانومواد/گرانول پلیمر در ساخت نانوکامپوزیت های پلیمری
محور پژوهش
ماشین‌آلات و تجهیزات پیشرفته
پژوهشکده/دانشکده
مهدسی مکانیک
حوزه پژوهش
تجهیزات ساخت و تولید مواد و قطعات فلزی، سرامیکی، پلیمری و كامپوزیتی
عنوان
دیسپارسیون حالت جامد نانومواد/گرانول پلیمر در ساخت نانوکامپوزیت های پلیمری هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه: یکی از مهمترین موضوعات در زمینه نانوکامپوزیت های پلیمری کیفیت دیسپارسیون و یا تفرق ذرات بوده و در تهیه نانوکامپوزیت های پلیمری هنوز هم پس از چند دهه تحقیقات وسیع در این حوزه، مسئله دیسپارسیون و یا تفرق ذرات یک چالش گریبان گیر است. در این طرح با استفاده از ارتعاشات نزدیک به فرکانس طبیعی سامانه، نانوذرات بر روی سطح گرانول پوشش داده شده و سپس در عملیات بعدی مذاب نظیر اکستروژن فرآیند نانوکامپوزیت سازی انجام می گیرد. از مزیت های این طرح حذف مواد واسطه نظیر الکل ها و یا مواد حلال بوده و امکان نیاز به استفاده از اکسترودرهای دو پیچ را کاهش می دهد. تجهیزات فعلی در روش های فرآوری نانوکامپوزیت ها تنها در مقادیر کم نانومواد قابلیت ایجاد دیسپارسیون ذرات را در زمینه پلیمری دارند. استفاده از دستگاه های اکسترودر دومارپیچ اگرچه تا حدی پاسخگو به حل مسئله دیسپارسیون ذرات هستند ولیکن این سامانه ها براحتی یا در اختیار محققین و صنعتگران کشور قرار ندارند و یا با مقادیر کم نانوذرات و مواد فاز زمینه دیسپارسیون قابل قبولی را ارائه می دهند. محور این چالش تفاوت اندازه در ابعاد نانو ذرات نسبت به گرانول های پلیمری است. عمده تحقیقات در زمینه نانوکامپوزیت های پلیمری، قبل از مسئله مشخصه یابی و ساخت و حتی کاربرد آنها، موضوع توزیع و تفرق مناسب نانوذرات است. در واقع بدون این تفرق یک نانوکامپوزیت شاید تنها یک کامپوزیت باشد نه یک نانوکامپوزیت با اثرات نانویی. هنوز هم تحقیقات در این حوزه ادامه دارد اما به نظر می رسد بر روی سیستم های فعلی موجود برای ایجاد تفرق ذرات سرمایه گذاری زمانی و هزینه ای زیادی شده است اما از نظر ماهیتی نیز نیاز به بازبینی و توسعه تجهیزاتی است که نه تنها مسئله دیسپارسیون را بهتر پاسخگو باشد، بلکه دامنه وسیع تری از سیستم های کامپوزیتی (نانوکامپوزیتی) را نیز در بر گیرد. سیستم ها با فناوری"مخلوط کردن بوسیله امواج تشدید شده صوتی" تجهیزاتی هستند که در آن اختلاط بدون تماس و با انرژی کم نانومواد را میسّر ساخته و این در حالتی است که بر عکس سیستم های رایج تفرق ذرات نظیر میکسرهای آلتراسونیک در فرکانس های پائین عملکرد داشته و با ایجاد دامنه نوسانات زیاد در نزدیکی فرکانس تشدید المان های مکانیکی طراحی شده برای سیستم انرژی موضعی با اندازه های کوچک اما تعداد زیاد در سراسر بدنه مخلوط مورد نظر ایجاد می کند. "مخلوط کردن بوسیله امواج تشدید شده صوتی" روشی است که هدف آن ارائه یک راه حل اختلاط مواد نانو و گرانول های پلیمر و یا رزین ها با ویسکوزیته بالا اما درفرکانس های پایین برای همگن سازی مواد است. مزیت اصلی در مکانیسم نسبتاً ملایم تفرق ذرات بر پایه انرژی اکوستیک یعنی ارائه انرژی های خفیف اما موضعی بین ذرات و گرانول پلیمر این تکنیک نهفته است بدون اینکه در این فرآیند از تیغ یا پروانه استفاده شود و یا از آلتراسونیک ها با چگالی انرژی بالا که خود باعث شکسته شدن ذرات می گردد. میزان آسیب ذرات روبرو شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی ارزیابی شده است و نشان داده شده است که برش بسیار کمی در هنگام مخلوط کردن با شتاب کم رخ می دهد. این روند همچنین از نظر حرارتی نسبتاً ملایم است، مسئله گلوگاهی مهمی که در دیسپارسیون ذرات داخل محلول های کلوئیدی و یا الکل ها و یا سورفکتانت ها رخ می دهد. موضوع اصلی و محور کاربرد سیستم های میکسر بر پایه فرکانس تشدید اما مخلوط کردن مواد بصورت پودر خشک و نیز مواد با ویسکوزیته بالا است. ذکر این نکته ضروری است که در تحقیقات فعلی عمده بحث دیسپارسیون ذرات و پلیمر یا توسط میکسرها با انرژی بالا صورت گرفته و یا مستقیما توسط دستگاه های اکسترودر ترکیب شده و یا داخل محلولی توسط سونیکیتور ها به کمک انرژی مافوق صورت این تفرق ذرات صورت گرفته است. تحقیقات فعلی نشان می دهد هیچکدام از این روش های یک ترکیب هموژن کامل را ارائه نمی دهند. بنابراین، از دیگر ویژگیها و مزیتهای این روش نسبت به روشهای معمول دیگر، می‌توان به تفرق (Dispersion) یکنواخت نانو ذرات در ماتریس اشاره نمود که این امر باعث بوجود آمدن محصول همگن با خواص فیزیکی و مکانیکی یکنواخت در کلیه سطوح نانوکامپوزیت می‌گردد. گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها سامانه مذکور طراحی شده است و در حال مراحل ساخت می باشد.