تاثیر نانومواد بر خواص مکانیکی پلیمرها

در سال های اخیر، کامپوزیت های پلیمری به دلیل سبکی و مقاومت و خواص مکانیکی عالی، به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار گرفته اند.

این خصوصیات باعث شده است که آنها بیشتر از فلزات قابل استفاده باشند. پلی پروپیلن (PP) یک ترموپلاستیک مهم و پرکاربرد است که به دلیل وزن سبک، هزینه تولید کمتر، دمای انحراف حرارتی خوب و قابلیت تجدید مورد استفاده قرار میگیرد.

هنگامی که این پلیمر در دمای اتاق استفاده می شود، خواص مکانیکی، حرارتی و فیزیکی بسیار خوبی از خود نشان می دهد.

اختلاط پلیمرها اغلب یک روش مناسب برای به دست آوردن مواد پلیمری بهبودیافته است که بدست آوردن آنها با فرآیندهای پلیمریزاسیون مستقیم دشوار است.

امروزه استفاده از نانومواد در صنایع مختلف از اهمیت بالایی برخوردار هستند. از نانومواد در نانوکامپوزیت ها برای تقویت آنها استفاده می شود.

نمونه هایی از این نانومواد عبارتند از: نانوگرافن، نانولوله های کربنی، نانولوله های رسی و نانو سیلیس.

گرافن یک لایه منفرد از اتم های کربن است که محکم به هم متصل شده اند و ظاهری شبیه لانه زنبوری به صفحات گرافن می دهند.

خواص منحصر به فرد گرافن، از جمله سطح ویژه بالا، مدول جوان بالا، رابط پرکننده-ماتریس قوی، و پیوند بهتر ماتریس پلیمری و ذرات پرکننده، استفاده از این ماده را افزایش داده است.

 به نظر می رسد که افزودن 0.5 درصد وزنی گرافن به  پلی پروپیلن، مدول الاستیسیته آن را بهبود می بخشد.  نانوکامپوزیت‌های تقویت‌شده با گرافن با استحکام بالا به شکل خالص برای ساختارهای پیچیده سه‌بعدی با پردازش نور دیجیتال ساخته میشوند.

پس از آزمایشات مکرر این نتیجه حاصل شد که با افزودن 5 درصد وزنی گرافن به PP، مدول الاستیسیته به طور قابل توجهی بهبود می یابد.

خواص مکانیکی و حرارتی کامپوزیت های پلی پروپیلن تحت بارگذاری اکسیدگرافن ارزیابی شد، نتیجه این بود که افزودن اکسید گرافن به PP منجر به بهبود چشمگیری در استحکام کششی و مدول یانگ به ترتیب 42 و 71 درصد شد.

همچنین نمونه ها از نظر خواص کششی، مورفولوژیکی و حرارتی آزمایش شدند و دریافتند که افزودن مقدار کم گرافن به PP باعث بهبود خواص کششی می شود.

یکی از رایج ترین نانوپرکننده ها در پلیمرها سیلیکات های لایه ای است. به دلیل فاز معدنی پایین تر، نانوکامپوزیت های سیلیکات، وزن کمتری نسبت به کامپوزیت های معمولی دارند و بنابراین می توانند به عنوان جایگزینی برای این کامپوزیت ها در کاربردهای مختلف استفاده شوند .

گنجاندن 1 درصد وزنی نانورس به پلی اوری منجر به افزایش مدول الاستیسیته تا حدود 60 درصد میشود.

امروزه از الیاف در بسیاری از مواد کامپوزیتی برای تقویت آنها در برابر بارهای مختلف استفاده می شود و این کامپوزیت های تقویت شده با الیاف در کاربردهای زیادی، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از الیاف بی خطر برای محیط زیست بازالت است.

الیاف بازالت دارای انعطاف پذیری  بالا، تحمل حرارت زیاد و مقاومت در برابر خوردگی مناسبی هستند.  الیاف بازالت کاربردهای مختلفی دارند .

به عنوان مثال، در اصلاح و تقویت پس از زلزله، کامپوزیت های تقویت شده با بازالت به عنوان صفحات اتصال خارجی استفاده می شود .

خواص مکانیکی پلاستیک تقویت شده با بازالت توسط لوپرستو و همکاران مورد مطالعه قرار گرفت. آنها از فناوری خلاء برای آماده سازی نمونه های خود و انجام آزمایش کشش استفاده کردند. آنها دریافتند که تقویت با بازالت خواص مکانیکی بهتری نسبت به تقویت با الیاف جایگزین دارد.

مقاومت و رفتار فرسودگی کامپوزیت های تقویت شده با الیاف کربن، الیاف شیشه و الیاف بازالت مورد بررسی قرار گرفتند.و نتیجه این بود: کامپوزیت های کربن/بازالت پتانسیل تحمل فرسودگی را افزایش می دهند. خصوصیات کامپوزیت های تقویت شده با بازالت مدرن نیز مورد مطالعه قرار گرفت.

استدلال این بود که کامپوزیت های تقویت شده با رزین اپوکسی دارای خواص مکانیکی قوی تری نسبت به کامپوزیت های تقویت شده با وینیل استر هستند.

از بازالت برای تقویت بتن استفاده می شود. به نظر می رسد که ساختار خمشی بتن تولید شده با بازالت استحکام فشاری بالا و قابلیت سرویس دهی قابل قبولی را فراهم می کند.

یکی دیگر از مزایای قابل توجه الیاف بازالت، ساخت آنها است که از منابع کمتری استفاده می کند و از الیاف شیشه یا کربن ارزان تر است. رفتار مکانیکی نانوکامپوزیت های PP/رس تقویت شده با بازالت را بررسی کرد.

آنها استدلال کردند که به دلیل انعطاف پذیری بالای بازالت، استحکام نهایی و مدول الاستیسیته به طور چشمگیری افزایش یافته است.

خواص مکانیکی پلیمرهای تقویت شده با بازالت نیز مورد بررسی قرار گرفت. یافته‌ها نشان داد که نمونه‌ها تنش کششی، کرنش شکست و مدول الاستیسیته به ترتیب 2/1642 مگاپاسکال، 021/0 و 9/77 گیگا پاسکال داشتند.