نانو مواد با تغییر در خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی، حرارتی و الکتریکی مواد، در سطح اتمی، به عنوان نسل جدیدی از عوامل تقویت‌کننده به حوزه کامپوزیت‌های پلیمری نفوذ کرده‌اند .

از آنجایی که این عوامل تقویت کننده در مقیاس نانو هستند، این دسته از کامپوزیت هایی که با افزودن این نانومواد بوجود می آیند، به معنای واقعی کلمه نانوکامپوزیت نامیده می شوند

 یکی از این نانومواد ، خاک رس های معدنی متشکل از سیلیکات های لایه ای هستند. نانوکامپوزیت‌های رسی پلیمری ، در مقایسه با همتایان ماکرو خود، خواص مکانیکی، نفوذ پذیری، مقاومت در برابر آتش و مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش بهتری از خودشان نشان می‌دهند.

در خواص مکانیکی و عملکردی نانوکامپوزیت‌های پلیمری، خاک رس، به عنوان یک گزینه قابل قبول برای طیف وسیعی از کاربردها از جمله بسته بندی، خودروسازی، هوافضا، الکترونیک و بخش های پزشکی مشخص شده است.

نانوکامپوزیت های پلیمری به سیستم های چند فازی گفته می شود که در آن نانوذرات با حداقل یک بعد در مقیاس نانو در ماتریس پلیمری پراکنده می شوند.

اصطلاح نانوکامپوزیت ها ابتدا توسط آزمایشگاه تحقیقاتی مرکزی تویوتا در پایان سال 1985 معرفی شد، در حالی که آنها موفقیت در ساخت نانوکامپوزیت های خاک رس نایلونمونت موریلونیت (MMT) را برای تولید پوشش تسمه برای اتومبیل ها تضمین کردند.

پس از آن فعالیت های تحقیقاتی گسترده ای در سراسر جهان در زمینه نانوکامپوزیت های پلیمری انجام شده است.

در مقیاس نانو، نانوذرات سطح بالایی از خود نشان می‌دهند و بنابراین احتمالاً در تحرک زنجیره‌های پلیمری اختلال ایجاد می‌کنند که به نوبه خود منجر به تغییر و بهبود خواص می‌شود.

از میان چندین نانوپرکننده (نانولوله‌های کربنی، گرافن، نانوسلولز و نانو سیلیس) که برای توانایی تقویت‌کننده ای، مورد آزمایش قرار میگیرند، مواد رسی از قرن گذشته به‌عنوان پرکننده در ماتریس‌های پلیمری به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

نانوساختار خاک رس

نانو رس ها دسته ای از مواد حاوی سیلیکات های لایه ای یا کانی های رسی با ردپایی از اکسیدهای فلزی و مواد آلی به عنوان “رس” شناخته می شوند.

خاک رس از هوازدگی و فرسایش سنگ‌های فلدسپات در طی یک دوره زمانی بوجود می آیند و معمولاً از مقادیر متغیر آهن، منیزیم، فلزات قلیایی، خاک قلیایی و سایر کاتیون‌ها تشکیل می‌شوند.

چندین کلاس از خاک رس از نظر ترکیب شیمیایی و ساختار بلوری وجود دارد. رس های طبیعی از نظر نسبت های 1:1 (کائولینیت)، 2:1 (مونتموریلونیت و ورمیکولیت) و 2:2 (کلریت).

طبقه بندی خاک رس طبیعی در شکل ارائه شده است.

به دلیل وجود پیوندهای کووالانسی بین لایه های رسی ، پراکندگی خاک رس در ماتریس های پلیمری مشکل است.برای غلبه بر این مشکل، ذرات خاک رس قبل از پراکندگی در ماتریس‌های پلیمری در معرض اصلاح قرار می‌گیرند.

اصلاح ذرات رس

دو روش اصلی برای اصلاح ذرات رس استفاده می شود: (1) روش های اصلاح فیزیکی و (2) روش های اصلاح شیمیایی.

در روش اصلاح فیزیکی، تنها جذب عوامل اصلاح کننده روی سطوح رسی صورت می گیرد. در این روش هیچ گونه تغییری در ساختار خاک رس ایجاد نمی شود این مورد به افزایش خواص کامپوزیت های پلیمری حاصل کمک می کند.

بهبود جزئی در خواص ممکن است ناشی از این امر باشد که فقط نیروهای فیزیکی ضعیفی بین خاک رس و عوامل اصلاح کننده وجود دارد.

از ویژگی های روش اصلاح شیمیایی این است که پلیمرهایی با گروه های عاملی یا ترکیبات ارگانوسیلانی معمولاً روی سطح خاک رس چسبانده می شوند. علاوه بر این، اصلاح توسط یک فرآیند تبادل یونی با کمک گروه های عاملی کاتیونی یا آنیونی انجام می شود.

بنابراین اصلاح شیمیایی به دستیابی به برهمکنش قوی‌تر بین ذرات رس و عامل اصلاح‌کننده کمک می‌کند و این به نوبه خود منجر به بهبود توانایی پراکندگی ذرات رس در ماتریس‌های پلیمری می‌شود.

روش های آماده سازی خاک رس پلیمری

آماده سازی نانوکامپوزیت ها از سه طریق مختلف انجام میشود.

 1. روش اختلاط محلول: در این روش معمولاً در ابتدا  پلیمر در یک حلال مناسب حل میشود. به طور همزمان، مواد رسی نیز به طور جداگانه در همان حلال پراکنده می شوند. پس از آن پراکندگی خاک رس / حلال به محلول پلیمر / حلال منتقل می شود. در نهایت، به محلول پلیمر/رس/حلال اجازه داده می شود تا برای یک دوره زمانی همگن شوند و سپس روی یک تکیه گاه صاف ریخته و حلال با تبخیر حذف میشود.

2- قالب‌گیری Sol-Gel یا اختلاط مذاب:  این روش امکان اختلاط بهتر مواد پلیمری و رسی را در مقایسه با روش مخلوط کردن محلول فراهم می کند. در اینجا، ذرات رس به طور مستقیم در ماتریس پلیمری با رویکرد یکپارچه سازی مذاب تقویت می شوند.

در تکنیک قالب‌بندی Sol-Gel، نانورس‌ها با محلولی حاوی پلیمر و بلوک‌های ساختمانی سیلیکات مخلوط می‌شوند. در طول فرآیند، پلیمر به هسته‌زایی و رشد ژل کمک می‌کند و بین لایه‌های رس به دام می‌افتد.این روش در بین روش های دیگر به دلیل سرعت بالای تولید بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

3 . روش پلیمریزاسیون درجا: این روش به افزایش سازگاری بین ذرات پلیمر و خاک رس کمک می کند. پراکندگی یکنواخت ذرات خاک رس در زمینه پلیمری را می توان با این تکنیک به دست آورد. ذرات رس در ابتدا در محلول حاوی مونومر پراکنده می شوند، سپس در معرض پلیمریزاسیون قرار می گیرند.

در نهایت، ذرات خاک رس پیوندشده با یک لایه نازک از پلیمر به عنوان تقویت کننده به ماتریس پلیمری اضافه می شوند که برای تکنیک های پردازش ثانویه مانند قالب گیری اکستروژن و فشرده سازی مناسب هستند.

ساختارهای احتمالی نانوکامپوزیت های خاک رس پلیمری

به طور کلی، پیشرفت‌های واقعی در خواص نانوکامپوزیت پلیمر رس قطعاً به سطحی که ذرات رس در ماتریس پلیمری پراکنده می‌شوند، بستگی دارد. میزان توزیع نانوذرات خاک رس در زمینه پلیمری به دو عامل بستگی دارد: (1) توانایی برهمکنش فیزیکی یا شیمیایی بین ماده خاک رس و ماتریس پلیمری و (2) تکنیک مورد استفاده برای تهیه نانوکامپوزیت پلیمر رس.

از این رو با توجه به سطح تفاوت در توانایی برهمکنش بین زمینه پلیمری و ذرات خاک رس، سه نوع ساختار کامپوزیتی پلیمررسی وجود دارد  که در ادامه توضیح داده میشود.

ساختار فاز جدا شده: این نوع ساختار کامپوزیتی پلیمررسی در صورتی بوجود می آید  که میل ترکیبی بین پلیمر و ماده رسی بسیار ضعیف باشد. به این دلیل که دستیابی به ترکیب مواد پلیمری در لایه های رسی غیرممکن است.

ساختار کامپوزیتی که به دلیل جداسازی فاز در این مورد ایجاد شده است، میکروکامپوزیت نامیده می شود نه نانوکامپوزیت.

ساختار بینابینی: در طول ساخت نانوکامپوزیت پلیمررسی، اگر زنجیره‌های پلیمری فقط تا حدی در بین لایه‌های رسی قرار گیرند، منجر به تشکیل ساختاربینابینی می‌شود.

ساختار لایه‌برداری شده: ساختار لایه‌برداری ‌شده در نتیجه لایه‌برداری کامل لایه‌های رسی به‌عنوان ورقه‌های منفرد ایجاد می‌شود و  به طور همگن در فاز پلیمری پراکنده می‌شوند.

انتظار می‌رود که پراکندگی یکنواخت ورق‌های رسی لایه‌برداری شده در زمینه پلیمری بتواند نقش مهمی در بهبود ویژگی‌های مکانیکی و حرارتی  نانوکامپوزیت رسی حاصل، داشته باشد.