برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۰۰۱
  • بازدید این ماه ۸۳
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 2

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

کاربرد فناوری نانو در تولید الیاف کامپوزیتی

در سال‌های اخیر استفاده از الیاف کامپوزیتی در صنایع مختلف از جمله نساجی، هوافضا، خودروسازی، عمران و ... افزایش یافته است. مهم‌ترین عامل افزایش کاربرد این دسته از مواد، خواص شیمیایی، نوری، مکانیکی و فیزیکی بهبودیافته آن‌ها در مقایسه با الیاف معمولی می‌باشد. امروزه با استفاده از فناوری نانو امکان تولید انواع الیاف کامپوزیتی با استفاده از نانوذرات مختلف وجود دارد. بدین ترتیب می‌توان با استفاده از نانومواد با خصوصیات منحصربه فرد ابعاد نانومتری، مساحت سطح به حجم بالا و ...، الیاف معمول را با خواصی بهتر و کاربردی‌تر تولید نمود.
1- مقدمه
الیاف کامپوزیتی الیافی هستند که از ترکیب دو یا چند ماده به منظور دستیابی به الیافی با خواص بهتر تهیه می‌شوند. برای بهبــود خواص الیاف از روش‌های متعددی مانند اصلاح شیمیایی، اختلاط با سایر پلیمرها یا نانوذرات مختلف استفاده می‌شود. به طور معمول با اصلاح ساختار فیزیکی الیاف توسط بهبود روش‌های ریسندگی و شرایط کشش، و یا با تقویت الیاف با استفاده از انواع مواد پرکننده با خواص قابل توجه، می‌توان الیافی با ویژگی‌های مورد نظر تولید کرد. خوشبختانه با ظهور فناوری نانو در قرن بیستم، امکان تولید انواع الیاف کامپوزیتی با خواص بهبودیافته به وجود آمده است [1].
به طور کلی دو رویکرد در زمینه کاربرد فناوری نانو در تولید الیاف کامپوزیتی وجود دارد که در شکل 1 نشان داده شده است:


filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1- کاربرد فناوری نانو در تولید الیاف کامپوزیتی


2- الیاف کامپوزیتی بر پایه نانوذرات
الیاف کامپوزیتی نانوساختار نوعی از الیاف هستند که در تهیه آن‌ها از پرکننده‌های نانومقیاس مانند انواع نانوذرات استفاده می‌شود. در واقع نانومواد به دلیل خواص ذاتی منحصربه‌فرد از جمله مساحت سطح زیاد، تخلخل، پایداری، نفوذپذیری و ...، فرصت ویژه‌ای جهت تولید الیاف چندسازه‌ای با عملکرد بخصوص فراهم می‌کنند. این‌گونه مواد در زمینه‌های مختلف از جمله فناوری زیستی، حسگرها، مواد هوشمند، فیلتراسیون و ... مورد استفاده قرار می‌گیرند [2]. نانومواد مورد استفاده جهت تولید الیاف کامپوزیتی می‌توانند دارای منشاء آلی (مانند نانوسلولز‌ و نانولوله‌های کربنی)، غیر آلی (مانند نانوسیلیکا، نانوذرات نقره، تیتانیوم دی‌اکسید) و یا ترکیبی از هر دو باشند [3]. در هر حال استفاده از ساختارهای نانو با منشاء آلی یا معدنی یا حتی ترکیبی از هر دو در تولید الیاف، منجر به ایجاد خواص چندمنظوره در آن‌‎ها شده و کاربردشان را افزایش می‎دهد.

2-1- انواع الیاف کامپوزیتی بر پایه نانو ذرات
مهم‌ترین نانوساختارهای مورد استفاده جهت تولید الیاف کامپوزیتی نانو عبارتند از:

2-1-1- الیاف کامپوزیتی بر پایه نانوسلولز
سلولز یکی از فراوان‌ترین منابع طبیعی و تجدیدپذیر زیستی است که به طور گسترده‌ای در اشکال مختلف مانند درختان، گیاهان، باکتری‌ها و سخت‌پوستان وجود دارد. این پلیمر بی‏رنگ، بی‏بو و غیرسمی بوده و دارای خواصی از جمله مدول و استحکام مخصوص بالا، سازگاری زیستی، ثبات حرارتی نسبی، آب‌دوستی، ظرفیت جذب بالا و ... می‌باشد. نانوکریستال‌ها و نانوفیبریل‌های سلولزی از جمله نانوساختارهای سلولزی می‌باشند که به منظور تقویت انواع الیاف مصنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به طور کلی نانوسلولزها به دلیل مساحت سطح زیاد، استحکام و مدول بالا، وزن سبک، زیست تخریب‌پذیری، تجدیدپذیری و عدم سمیت به عنوان یک تقویت‌کننده مناسب جهت تولید الیاف کامپوزیتی تلقی می‌گردند [4].

2-1-2- الیاف کامپوزیتی بر پایه نانولوله‌های کربنی (CNT)
عملکرد مکانیکی الیاف به عنوان مهم‌ترین عامل کلیدی در کاربرد این مواد تلقی می‌گردد. از میان انواع نانومواد، نانولوله‌های کربنی به دلیل خواص ویژه مکانیکی و هدایت الکتریکی و گرمایی به عنوان یک ماده تقویت‌کننده جهت تولید الیاف کامپوزیتی کاربرد دارند. همچنین نسبت سطح به حجم بالای CNT، آن‌ها را به یک گزینه ایده‌آل برای تقویت الیاف تبدیل می‌کند. این مواد دارای مدول کشسانی بین GPa 270 تا 950 و استحکامی در حدود GPa 11 تا 63 هستند. بدین ترتیب با استفاده از نانولوله‌های کربنی می‌توان استحکام کششی و مدول الیاف پلیمری را تقویت کرد. استفاده از CNT در الیاف پلیمری بر خواص فیزیکی الیاف اثر گذاشته و منجر به بهبود خواص کششی، کاهش تغییرشکل حرارتی، بهبود مقاومت شیمیایی، افزایش هدایت الکتریکی و گرمایی و ... می‌گردد. این الیاف با استفاده از روش‌های ذوب‌ریسی، محلول‌ریسی و الکتروریسی تولید می‌شوند [1]. در زمینه‌ استفاده از نانولوله‌های کربنی در تولید الیاف کامپوزیتی، مطالعات بسیاری انجام شده است. برای مثال صفایی و همکاران در سال 1391 رفتار مکانیکی الیاف کامپوزیتی پلی‌پروپیلن/نانولوله‌های کربنی را مورد بررسی قرار دادند. در این پژوهش الیاف کامپوزیتی با استفاده از روش ذوب‌ریسی تهیه شده و نتایج حاصل نشان‌دهنده بهبود خواص مکانیکی الیاف تهیه شده می‌‌باشد. Kearn و همکاران نیز تقویت الیاف پلی‌پروپیلن را با نانولوله‌های کربنی تک دیواره به روش اختلاط در حلال و ذوب‌ریسی مطالعه کرده و 40% افزایش در استحکام کششی و 55% افزایش در مدول را گزارش کرده‌اند. در مطالعه‌ای دیگر، Jose و همکاران ساختار و خواص الیاف پلی‌پروپیلن حاوی 5/1 درصد نانولوله کربنی چنددیواره را مطالعه کرده و تغییر در ساختار و بلورینگی پلیمر را گزارش کرده‌اند [5].

2-1-3- الیاف کامپوزیتی بر پایه نانو ذرات فلزی و اکسید فلزی

همان‌طور که توضیح داده شد، با بکارگیری نانومواد در تولید الیاف می‌توان الیافی کامپوزیتی با عملکردهای مختلف تولید کرد. اخیراً استفاده از نانوذرات فلزی به دلیل خواص ویژه آن‌ها از جمله خواص نوری، مغناطیسی، الکترونیکی، کاتالیستی و ضدمیکروب در تهیه نانوالیاف کامپوزیتی مورد توجه قرار گرفته است [6]. برای مثال فلزاتی مانند نقره و اکسیدهای فلزی از جمله نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2)، اکسید روی (ZnO)، اکسید کلسیم (CaO) و اکسید منیزیم (MgO) به منظور دستیابی هم‌زمان به خواص ضدمیکروب، خودتمیزشوندگی، و ضد اشعه فرابنفش در تهیه الیاف مورد استفاده قرار می‌گیرند [7].
نانوذرات نقره به دلیل خواص کاتالیستی، هدایت الکتریکی و خواص ضدمیکروب عالی به طور گسترده در تهیه الیاف کامپوزیتی استفاده می‌شوند. به عنوان مثال در مطالعات اخیر تولید نانوالیاف کامپوزیتی پلی‌وینیل پیرولیدن، پلی‌وینیل استات و پلی‌اکریلونیتریل بر پایه نانو نقره مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در تحقیقی که توسط هو و همکارانش در سال 2012 انجام شده است، الیاف کامپوزیتی لاستیک/نانونقره به روش الکتروریسی تهیه شده و خاصیت ضدباکتری الیاف حاصل، 9/99% گزارش شده است [6]. همچنین در مطالعه‌ای که توسط تلی و همکاران در سال 2011 انجام شده است، از نانوذرات اکسید روی به عنوان یک پرکننده نانو مقیاس ضدمیکروب جهت تولید الیاف کامپوزیتی پلی‌استر/نانو اکسید روی استفاده شده است. بدین ترتیب الیاف کامپوزیتی حاصل، هم خواص الیاف پلی‌استر را دارا بوده و هم خاصیت ضدمیکروب اکسید روی نیز به آن اضافه شده است [7]. استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2) نیز به دلیل خواص فوتوکاتالیستی ویژه در مطالعات بسیاری مورد توجه قرار گرفته است. برای مثال، کیم و همکارانش نانوالیاف کامپوزیتی پلی‌دی‌متیل سیلوکسان/نانوذرات اکسید تیتانیوم را تولید کرده و مشاهده کردند که الیاف کامپوزیتی حاصل دارای استحکام کششی و مدول بالا بوده و از طرفی به دلیل حضور TiO2خواص فوتوکاتالسیتی ویژه‌ای دارند. همچنین حضور نانو ذرات TiO2 در محلول الکتروریسی نانوالیاف پلی‌اکریلو نیتریل در پژوهش لم و همکارانش نیز منجر به ایجاد خواص فوتوکاتالیستی و ضد پرتو فرابنفش در الیاف کامپوزیتی حاصل شده است [2].

2-1-4- الیاف کامپوزیتی بر پایه نانوذرات رس (nanoclay)
نانورس‌ها مواد منحصر به فردی هستند که به عنوان افزودنی به منظور بهبود خواص مواد پلیمری و تهیه الیاف کامپوزیتی به کار می‌روند. بکارگیری نانورس‌ها در مقادیر بسیار کم باعث کاهش وزن، استحکام بالاتر و کاهش قابل توجه عبور گازها در پلیمرها می‌گردد. به علت ساختار صفحه‌ای، نانورس‌ها مواد پلیمری معمول را تقویت کرده و خواص مکانیکی آنها را از قبیل استحکام،‌ مدول و ثبات ابعادی بهبود می‌بخشد. همچنین پلیمرهایی که با نانورس‌ها ترکیب می‌شوند، در مقایسه با مواد پلیمری رایج خاصیت ضدآتش بهتری از خود نشان می‌دهند و تغییر شکل آنها در معرض دماهای بسیار بالا یا مواد شیمیایی کمتر است [8]. به عنوان مثال، در مطالعه‌ای که توسط تلی و همکارش در سال 2012 انجام شده است، الیاف کامپوزیتی پلی‌استر/پلی‌اتیلن/نانورس ریسندگی شده و طبق نتایج هرچه میزان نانورس در محلول ریسندگی بیشتر شده، الیاف حاصل مقاومت گرمایی و خواص ضد شعله بهتری از خود نشان دادند [9]. همچنین در تحقیقی دیگر که توسط ریچارد هوروکس و همکارانش در سال 2007 انجام شده شده است، از نانورس به عنوان یک تقویت‎کننده در تولید الیاف کامپوزیتی پلی‌پروپیلن/نانورس استفاده گردیده است. الیاف تولیدشده به دلیل حضور نانورس دارای مدول بالایی بوده و از طرفی باعث تأخیر در ایجاد شعله می‌گردد [10].

2-2- تولید الیاف کامپوزیتی بر پایه نانوذرات
مهم‌ترین چالش نانو ذرات در فرایندهای تولید الیاف به ویژه ذوب‌ریسی، تجمع نانوذرات و پراکنش کم آنها در بستر پلیمر اصلی الیاف است و اکسترودرهای متداول فرایند ذوب‌ریسی بطور مستقیم قادر به ایجاد این نوع اختلاط نیست. بنابراین فرایند اختلاط نانوذرات با بستر پلیمر به منظور تهیه نانوکامپوزیت‌ها باید در یک مرحله مجزا انجام شود. پراکنش در حالت مذاب، پراکنش در حالت محلول و پلیمریزاسیون درجا از جمله روش‌های ساخت نانوکامپوزیت‌های ذره‌ای جهت فرآیند ذوب‌ریسی می‌باشد [11].

• پراکنش در حالت مذاب (Melt dispersion)
این روش به عنوان متداول‌ترین و ساده‌ترین روش برای تولید مستربچ نانوکامپوزیت شناخته می‌شود. در این روش نیازی به استفاده از حلال نبوده و قابلیت صنعتی شدن آن بالا می‌باشد [11].

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636

شکل 2- تهیه نانوکامپوزیت با استفاده از روش پراکنش در حالت مذاب [11]


• پراکنش در حالت محلول (Solution dispersion)
در این روش نیاز به استفاده از حلال بوده و از طرفی فرایند تولید نسبت به روش قبل پیچیده‌تر خواهد بود [11].

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2

شکل 3- تهیه نانوکامپوزیت با استفاده از روش پراکنش در حالت محلول [11]


• پلیمریزاسیون درجا (In-situ Polymerization)
این روش پیچیده‌تر بوده و و نیاز به سرمایه‌گذاری بیشتر دارد. همچنین هزینه تولید آن نیز بالا می‌باشد [11].


filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9

شکل 4- تهیه نانوکامپوزیت با استفاده از روش پلیمریزاسیون درجا [11]

پس از تهیه مستربچ نانوکامپوزیت به کمک یکی از سه روش فوق، اختلاط مستربچ تولیدی در عملیات ذوب‌ریسی به منظور تولید الیاف چندساز‌ه‌ای انجام می‌شود.
ویدئوی زیر طرحی از خط ذوب‌ریسی الیاف کامپوزیتی دو/سه جزئی را نشان می‌دهد. بدین ترتیب با اختلاط پلیمرها و نانوذرات، می‌توان الیافی با کارایی بالا مانند الیاف رسانا بر پایه نانولوله‌های کربنی و یا الیاف عطرآگین بر پایه نانوذرات معطر تولید کرد.





3- نانوالیاف کامپوزیتی
ساده‌ترین روش جهت تولید نانوالیاف کامپوزیتی، روش الکتروریسی و الکترواسپری می‌باشد که در شکل 5 نشان داده شده است [2].


filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5- تولید نانوالیاف کامپوزیتی به روش الکتروریسی و الکترواسپری [2]

فرآیندهای مختلفی جهت تولید نانوالیاف کامپوزیتی با استفاده از روش الکتروریسی وجود دارد که عبارتند از:
• بکارگیری دو یا چند محلول از ماده اولیه برای الکتروریسی به منظور دستیابی به نانوالیاف چندسازه‌ای مانند نانوالیاف هسته/پوسته و یا نانوالیاف دو جزئی
• الکتروریسی محلول پلیمری حاوی نانوذرات غیرآلی دیسپرس شده مانند نانولوله‌های کربنی
• اصلاح سطحی نانوالیاف الکتروریسی شده جهت تبدیل به نانوالیاف کامپوزیتی [2].
این فرآیندها به طور خلاصه در شکل 6 نشان داده شده‌اند.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6-فرآیند تولید نانوالیاف کامپوزیتی به روش الکتروریسی [2]

یکی از مهم‌ترین پژوهش‌های انجام شده در زمینه تولید نانوالیاف کامپوزیتی به روش الکتروریسی، تولید نانوالیاف کامپوزیتی پلی‌کاپرولاکتون/هیدروکسی آپاتیت/ژلاتین می‌باشد که به عنوان یک لیف چندسازه‌ای در احیای استخوان در مهندسی پزشکی کاربرد دارد. در این پژوهش، تخلخل زیاد و مساحت سطح به حجم بالای نانوالیاف تولیدی، سبب چسبندگی سلولی بهتر شده و از طرفی الیاف کامپوزیتی تهیه شده انعطاف‌پذیری بالایی دارند. بدین ترتیب ترکیب هیدروکسی آپاتیت و ژلاتین با پلی‌کاپرولاکتون و تولید نانوالیاف کامپوزیتی از آن‌ها، منجر به ایجاد خواص زیست‌سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری، مقاومت در برابر رطوبت، خواص مکانیکی، احیای استخوان و ... به طور هم‌زمان در یک محصول خواهد بود [12].
ویدئوی زیر تولید نانوالیاف کامپوزیتی هسته/پوسته را توسط روش الکتروریسی نشان می‌دهد. در این محصول از پلی‌کاپرولاکتون به عنوان پوسته و از پلی‌وینیلیدن فلوراید/اکسید آهن به عنوان هسته استفاده می‌گردد. بدین ترتیب توسط روش الکتروریسی، نانوالیافی کامپوزیتی با خواص مکانیکی و فیزیکی بهبودیافته، خواص الکتریکی و مقاومت حرارتی حاصل می‌گردد.




4- کاربرد الیاف کامپوزیتی
الیاف کامپوزیتی به دلیل داشتن خواص چندگانه ناشی از ترکیب الیاف و نانومواد مختلف، نسبت به الیاف معمولی از نظر خواص مکانیکی، الکتریکی، گرمایی و مقاومتی مناسب‌تر می‌باشند. این دسته از الیاف در صنایع مختلف از جمله نساجی، خودروسازی، ساختمان‌سازی، هوافضا، الکترونیک، بسته‌بندی غذایی و صنایع بهداشتی کاربرد دارند. کاربرد الیاف کامپوزیتی به طور مختصر در شکل 7 نشان داده شده است [2].


filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7- کاربرد الیاف کامپوزیتی [2]


5- بحث و نتیجه‌گیری
در این مقاله به بررسی کاربرد فناوری نانو در تولید الیاف کامپوزیتی پرداخته شده است. امروزه با ظهور فناوری نانو، امکان تولید الیاف کامپوزیتی بر پایه ساختارهای نانو با ویژگی‌های منحصربه‌فرد برای کاربرد در انواع زمینه‌ها وجود دارد. استفاده از فناوری مناسب جهت تولید نانوالیاف کامپوزیتی و استفاده از انواع نانوذرات به عنوان پرکننده در تولید الیاف کامپوزیتی، دو رویکرد اصلی کاربرد فناوری نانو در تولید الیاف کامپوزیتی می‌باشد که در این مقاله مورد بحث قرار گرفت.

منابـــع و مراجــــع

[1] Liu.Y, Kumar.S, “Polymer/Carbon Nanotube Nano Composite Fibers−A Review”, Applied materials& interfaces, Vol.6, pp.6069-6087,(2014)

[2] Sahay.R, Suresh Kumar.P, “Electrospun composite nanofibers and their multifaceted applications”, Journal of Materials Chemistry, Vol.22, pp.12953–12971,(2012)

[3] Saba.N, Tahir.P.M, Jawaid.M, “A Review on Potentiality of Nano Filler/Natural Fiber Filled Polymer Hybrid Composites”, Polymers, Vol.6, pp.2247-2273,(2014)

[4] Gilberto Siqueira; Julien Bras; “Cellulose Whiskers versus Microfibrils: Influence of the Nature of the Nanoparticle and its Surface Functionalization on the Thermal and Mechanical Properties of Nanocomposites”, Biomacromolecules, 10, p.p. 425–432, 2009.

[5] بنفشه صفایی، مصطفی یوسفی، " خواص مکانیکی الیاف کامپوزیتی پلی‌پروپیلن و نانولوله کربنی چنددیواره"، مجله علوم و فناوری نساجی، شماره 3، صفحه 150-143، (1391).

[6] Hu.Q, Wu.H, Zhang.L, “Rubber composite fibers containing silver nanoparticles prepared by electrospinning and in-situ chemical crosslinking”, eXPRESS Polymer Letters, Vol.6, pp.258- 265,(2011).

[7] Teli.M, Kale.R, “Polyester Nanocomposite fibers with Antibacterial Properties”, Advances in Applied Science Research, Vol.2, pp.491-502,(2011)

[8] http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=217844

[9] Teli.M, Kale.R, “Polyester nanocomposite fibers with improved flame retardancy and thermal stability”, Polymer Engineering & science, Vol.52, pp. 1148–1154,(2012)

[10] Horrocks.R, Kandola.K, Smart.G; “Polypropylene fibers containing dispersed clays having improved fire performance. I. Effect of nanoclays on processing parameters and fiber properties”, Journal of Applied Polymer Science; Vol.106, pp. 1707–1717,(2007).

[11] nano.ir/papers/attach/1020.pp

[12] Venugopal.J, Low.S, Choon.A, “Nanobioengineered Electrospun Composite Nanofibers and Osteoblasts for Bone Regeneration”, Artificial Organs, Vol.32, pp.388-397,(2008).