خواندن این مطلب ۱۰ دقیقه زمان میبرد
با پیشرفتهای کنونی صنعت نانو، میتوان ادعا کرد که موج نانو در تمام صنایع جهان و بویژه صنعت خودرو، جایگاهی ویژه یافته است. حدود ۱۷۰۰ کارخانه در ۳۴ کشور دنیا، مشغول تحقیقات در زمینه کاربردهای احتمالی این فناوری در خودروسازی هستند. نانوفناوری، این امکان را فراهم آورده است که قطعاتی با خواص بهتر، زیبایی ظاهری بیشتر، سبکی و از همه مهمتر قیمت پایینتر برای خودروهای امروزی تولید کنیم. این توسعه، در زمینه رنگ خودرو چشمگیرتر وعملیتر بهنظر میرسد.
در این مقاله، با تشریح علل توسعه نانو کامپوزیتهای پلیپروپیلن، بحث را آغاز کرده و در ادامه، روشهای تولید نانو ذرات SiO2 را معرفی و در پایان اثر نانو ذرات تقویتکننده SiO2 را بر روی کامپوزیتهای SiO2 – PP/nano بررسی میکنیم.
نانوکامپوزیتها
برای کامپوزیتها، هیچ تعریف ثبتشده پایدار و مورد قبول همگان وجود ندارد. میتوان گفت که مواد کامپوزیتی، موادی مهندسی متشکل از دو یا چند جزء با ابعادی در محدوده میکرو و ماکرو هستند که از نظر شکل و ترکیب شیمیایی، با هم تفاوت دارند.
کامپوزیت، از دو قسمت اصلی ماتریکس (زمینه) و تقویتکننده (پرکننده) تشکیل شده است. ماتریکس با احاطه کردن تقویتکننده، آن را در محل نسبی خود نگه میدارد و تقویتکننده، موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار میشود.
یکی از گستردهترین کاربردهای نانوفناوری در صنعت خودرو، ساخت نانوکامپوزیتها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزیتها، ذرات بسیار ریز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزین را بسیار بالا میبرند و مشکل نفوذپذیری بالای پلیمرها را برطرف میکنند، میتوانند جایگزین مواد مرسوم مانند میکا و تالک شوند، اما علاوهبر ویژگیهای فیزیکی بهتر، این کامپوزیتها دارای برتریهای دیگری بهشرح ذیل هستند:
۱ . با نانو کردن ذرات، میتوان به ازای یک مدول الاستیک مشخص، چقرمگی بیشتری نسبت به همان ذره با ابعاد میکرو گرفت.
۲ . نانوذرات با ایجاد ماتریکس (زمینه) یکنواخت و هموار، بهطوری قابلتوجه، زیبایی بیشتری را فراهم میکنند. نانو کامپوزیتها، سطحی زیباتر و رنگهایی شفافتر دارند.
۳ . نانوکامپوزیتها بهدلیل نیاز به مواد تقویتکننده کمتر، تا حدود ۲۰ درصد نسبت به کامپوزیتهای رایج، سبکترند.
۴ . با کم شدن درصد وزنی تقویتکنندهها، میتوان بیان کرد که فرایندپذیری کامپوزیتها بهتر میشود.
پلیپروپیلن (PP)
پلیپروپیلن (PP) پلیمر ترموپلاست است که در یک بازه گسترده از کاربردها شامل فیلم و ورق، قالبگیری دمشی، قالبگیری تزریقی، بستهبندی غذایی، نساجی، تجهیزات آزمایشگاهی و پزشکی، لوله، کاربردهای صنعتی و ساختمانی و اجزای خودرو، مورد استفاده قرار میگیرد. پلیپروپیلن، مهمترین ماده از گروه مشتقات پروپیلن است که حدود ۶۱ درصد از کل تولید پروپیلن، برای تولید آن بهکار میرود. رزینهای پلیپروپیلن، بهطور گسترده در تولید رزینهای ترموپلاستیک بهکار برده میشوند. پلیپروپیلن در بیشتر اوقات بهصورت هموپلیمر بهکار میرود، اما بتازگی محصولات کوپلیمر آن نیز در حال توسعهاند. علاوه بر این، پلیمر تولید شده از منومر پروپیلن، بهطور معمول در برابر حلالهای شیمیایی، بازها و اسیدها مقاوم است.
جذابیتهای پلیپروپیلن
- از ویژگیهای کلی پلاستیک پلیپروپیلن، میتوان موارد ذیل را برشمرد:
- مقاومت بالا در برابر اسیدها، بازها و چربیها
- قیمت مناسب
- سهولت قالبسازی برای تولید به شیوه تزریق و سیالیت قابلقبول در قالب
- قابلیت مخلوط شدن با پرکنندههایی همچون خاک اره و ایجاد کامپوزیت
- غیرسمی بودن نسبی و مناسب بودن برای ساخت اسباببازی و لوازم مربوط به کودکان
- در دسترس بودن و غیراستراتژیک بودن محصول
- تولید ماده اولیه توسط کارخانجات داخلی
- رنگپذیری عالی توسط مستربچهای مختلف
- قابلیت جوش حرارتی (این پلاستیک، بهصورت معمول، از توانایی تحمل حرارت تا ۱۱۰ درجه سانتیگراد برخورداراست)
- قابلیت بازیافت
- قابلیت تلفیق با هسته و بوشهای فلزی در زمان تزریق
جایگاه پلیپروپیلن در صنعت خودرو
توسعه تکنولوژی جدیدی که همسو با کاهش قیمت تمامشده محصول، جلوگیری از بهوجود آمدن مشکلات زیستمحیطی و نیز تطابق با استانداردهای ایمنی باشد، لازم و ضروری بهنظر میرسد. صنعت خودروسازی نیز از این قاعده مستثنی نبوده و خودروسازان کنونی برای دستیابی به این سطح از تکنولوژی، تلاش میکنند. یکی از گامهای برداشته شده در این راه، استفاده از مواد پلیپروپیلن (PP) با قیمت و خواص فیزیکی و شیمیایی مناسب است. با توجه به آمار بهدست آمده در سالهای اخیر، میتوان پی برد که توسعه استفاده از پلیپروپیلن روبه افزایش است. بهخصوص تولید قطعات وسایل نقلیه از جمله قطعات داخلی و خارجی با استفاده از پلیپروپیلن رو به گسترش است. از جمله این قطعات میتوان به قالپاق اشاره کرد. با توجه به نمودار۱ میتوان توسعه این خانواده از پلیمرها را در یکی از صنایع خودروسازی مشاهده کرد.
نمودار ۱: چقرمگی (محور عمودی) – مدول الاستیک (محور افقی)
علل گرایش به نانوکامپوزیتهای پلیپروپیلن
پلیپروپیلن یکی از پلاستیکهای پرمصرف در صنعت خودرو است، اما خراشپذیری، ضعف خواص مکانیکی و حرارتی، از جمله چالشهای این پلاستیک برای خودروسازان و دیگر صنایع است. امروزه نانوکامپوزیتها راهحلی مناسب برای رفع این ضعفها ارائه کردهاند.
نمودار ۲: توسعه PP در صنعت خودروسازی
نانوذرات سیلیس
سیلیس یا اکسیدسیلیسیم با فرمول شیمیایی SiO2 فراوانترین ترکیب اکسیدی موجود در پوسته زمین است. سیلیس در طبیعت به صورت آزاد و یا به صورت ترکیب با سایر اکسیدها وجود دارد. سیلیس در ایران نیز بهوفور یافت میشود. این ماده از ۲ عنصر سیلیسیم و اکسیژن تشکیل شده و از لحاظ ساختاری شبیه ساختار مولکول آب است.
ذرات سیلیس در صنایع الکترونیک، کاتالیزورها، پوششها و رنگدانهها کاربردی وسیع دارند، اما استفاده بسیار از این ماده خطرناک بوده و برای کسانی که در معرض آن قرار میگیرند، مشکلات تنفسی بهوجود میآورد. سیستم کلوئیدی پراکندهها، یعنی محلول حاوی ذرات پراکنده سیلیس، در صنایع مختلف از جمله رنگدانهها و کاتالیزورها کاربرد دارد. همچنین، از نانوذرات سیلیس میتوان برای سختی و استحکام پوششهای صنعتی استفاده کرد.
کاربردهای نانوذرات سیلیس
یکی از کاربردهای این ذرات در عایقهای حرارتی و عایقهای الکتریکی است. با اعمال شرایط خاص، میتوان از این ذرات که بهصورت پودر هستند، ساختارهایی متخلخل بهدست آورد. ساختار متخلخل کاربردهای جالبی دارد و از جمله میتوان از آنها بهعنوان تصفیهکننده استفاده کرد.
۱ . استفاده از نانوذرات سیلیس در ساخت لوازم آرایشی و بهداشتی
۲ . نانوذرات سیلیس قادر به درمان آسیبهای نخاعی هستند
مثالی عملی در صنعت خودرو
یکی از مواردی که میتوان از نانوذرات سیلیس بهره برد، تولید تایر خودروهای سبک و سنگین است. افزایش استحکام لاستیک از اهمیتی ویژه در صنایع خودرو برخوردار است. از دیرباز دوده بهعنوان کاربردیترین تقویتکننده در آمیزههای لاستیکی مطرح بوده است. پژوهشگران با بهکار بردن نانوکامپوزیتهای تقویتشده با ذرات سیلیس در فرایند تولید لاستیکها موجب افزایش طول عمر و کاهش وزن لاستیک شدند.
محققان، رنگ همواره مشکی، وابستگی به منابع نفتی و افزایش چگالی ماده را از معایب استفاده از دوده برای تقویت لاستیک ذکر میکنند و ادعا دارند که استفاده از نانوذرات سیلیس بهعنوان تقویتکنندههای قدرتمند و چندمنظوره برای تهیه نانوکامپوزیتهای پلیمری در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است.
استفاده از تقویتکنندههای نانوسیلیس در آمیزه لاستیکی برای ساخت تایر کامیون را از اهداف این پژوهش نام برد و ادامه داد: استفاده از نانوذرات سیلیس، منجر به کاهش مقدار دوده مصرفی در آمیزه لاستیک میشود و چگالی آمیزه را کاهش میدهد و به این طریق میتوان فرآوردههایی با وزن کمتر تولید کرد.
از طرفی با کاهش وزن تایرها، مصرف سوخت در وسیله نقلیه کاهش مییابد و موجب کاهش آلودگی محیط و صرفهجویی در مصرف انرژی میشود. سایر ویژگیها و خواص نهایی آمیزه هم بهبود مییابد و موجب افزایش طول عمر تایر میشود.
روشهای تولید
۱ . سنتز نانوذرات سیلیس به روش سُل- ژل
فرایند سل- ژل روش جدیدی نیست. «ابلمن» در ۱۸۰۰، بهطور اتفاقی مشاهده کرد که تتراکلرید سیلیکون- که در ظرف رها شده بود – ابتدا هیدرولیز و سپس به ژل تبدیل شد. در ۱۹۵۰ با استفاده از این روش، مطالعاتی گسترده در سنتز سرامیکها و ساختارهای شیشهای آغاز شد. گفتنی است که با این روش، بسیاری از اکسیدهای غیرآلی مانند SiO2 ZrO2 ،TiO2،… سنتز شدند.
شکل ۲: روش سل- ژل
ماده اولیهای که در این روش مورد استفاده قرار میگیرد، الکوکسی سیلان نام دارد. این ماده از تأثیر شبهفلزات بر الکل تهیه میشود. تهیه این ماده بسیار مشکل است و در دنیا ۲ کمپانی صنایع شیمیایی قادر به تهیه آن هستند. الکوکسی سیلان مادهای گرانقیمت بهشمار میرود، اما با استفاده از آن میتوان به محصولاتی با خلوص بالا در مدت زمانی کوتاه دست یافت. از سیلیسیلت سدیم نیز میتوان برای تهیه ذرات نانومتری سیلیس استفاده کرد. مشکل این است که خلوص محصولات حاصل از این ماده اولیه بالا نیست و نیاز به شستوشوی طولانیمدت دارد تا ناخالصیها از محصول نهایی خارج شود. برای سنتز نانوذرات سیلیس، به الکوکسی سیلان، آب و الکل نیاز است. از آنجا که الکوکسی سیلان در آب حل نمیشود، باید از مادهای استفاده کرد که هم الکوکسی سیلان در آن حل شود و هم خود این ماده، محلول در آب باشد. به این منظور، از الکل استفاده میکنیم. از سوی دیگر، واکنش دو ماده آب و الکوکسی سیلان، بسیار کُند بوده و با افزودن الکل، سیستم رقیقتر هم میشود. در نتیجه، سرعت واکنش باز هم کاهش مییابد. برای افزایش سرعت واکنش، میتوان از کاتالیزور استفاده کرد. کاتالیزوری را که برای انجام سریع این واکنش مورد استفاده قرار میدهیم باید بهگونهای باشد که بعد از انجام واکنش بتوان آن را براحتی از سیستم خارج کرد. در گزارش محققان، هم از اسیدها و هم از بازها بهعنوان کاتالیزور در سنتز ذرات سیلیس استفاده شده است که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند.
در محیطی با خاصیت بازی، ذرات تا اندازه ۱۰۰ تا ۲۰۰ نانومتر به سرعت رشد میکنند و نیروی دافعه جرمی باعث میشود که ذرات جدا از هم باقی بمانند. در محیط اسیدی ذرات در اندازه ۲ تا ۴ نانومتر متوقف میشوند، اما در ادامه فرایند به سرعت به هم میپیوندند و ذرات بزرگتر را تشکیل میدهند.
برای سنتز نانوذرات سیلیس، از کاتالیزور آمونیاک استفاده میشود. از مزایای آمونیاک این است که نقطه جوش پایینی دارد و به سرعت از سیستم بیرون میرود. البته میتوان از اسیدهایی نظیر اسید کلریدریک، نیتریک و استیک نیز استفاده کرد که چون نقطه جوش بالایی دارند، خارج کردن آنها از سیستم کار راحتی نیست. از دیگر معایب این کاتالیزورها این است که باعث ایجاد لیگاندهایی با محصولات میشوند که دیگر نمیتوان محصول را با همان پیوندهای شیمیایی مورد نظر تهیه کرد.
۲ . روشهای شیمیایی سنتز نانوذرات سیلیس
این روشها پرهزینهاند، زیرا مواد مورد نیاز در این روشها گرانقیمتاند. بنابراین، دانشمندان تلاش میکنند تا روشها و منابع مقرون به صرفه بیابند. «زونگ هرنگ لیو»۱ در سال ۲۰۰۴ ، پژوهشگر تایوانی، برای اولین بار این ذرات را از شلتوک برنج سنتز کرد که از روشهای بسیار ارزانقیمت به شمار میرود.
همانطور که گفته شد، در ایران معادن متعددی وجود دارند که کلوخههای سیلیس را میتوان از آنها استخراج کرد. برای تبدیل این کلوخهها به ذرات ریز چه میتوان کرد؟ شاید تصور کنید که با آسیابهای پرقدرت میشود این کلوخهها را آنقدر ریز کرد تا به اندازه نانومتری برسند. گرچه این روش به نظر معقول و مقبول میآید، اما تا به حال آسیابی ساخته نشده است که بتواند پیوندهای کووالانسی بسیار قوی سیلیس را بشکند. بنابراین، برای ریز کردن کلوخه سیلیس باید چاره دیگری کرد.
تحقیقات آزمایشگاهی
برای بررسی تأثیر نوع نانوذرات SiO2 در زیر سه نوع مختلف از این ذرات را به یک نوع پلیپروپیلن میافزاییم و خواص کامپوزیت تولید شده را مورد بررسی قرار میدهیم که تفاوت این ذرات در عملیاتی است که در حین تولید بر روی سطح آنها صورت گرفته است.
شکل ۳: نمونه با PP خالص
به همین منظور پودر ذرات SiO2 مربوط به شرکت چینی Zhejiang Zhoushan Shengxing خریداری شد. قطر میانگین این ذرات در حدود ۲۰ نانومتر است و پلیپروپیلن انتخابی نیز از شرکت چینی دیگری با نام Shanghai Petrochemical و با نام تجاری T300 خریداری شده است. MFI این پلیمر در دمای ۱۹۰ درجه سانتیگراد در حدود ۳ g/10 min است.
سه نوع عملیات سطحی مختلف در حین تولید این نانو ذرات صورت گرفت و منجر به تولید سه نوع ذرات تقویتکننده شد:
۱ . نانوذرات #۱-SiO2: این ذرات بدون هیچگونه عملیات سطحی تولید شدند، و تنها عملیات خشک شدن روی آنها انجام گرفت.
شکل ۴: نمونه با نانو ذرات #۱-SiO2
۲ . نانوذرات #۲-SiO2: برای تولید این ذرات، همان ذرات نوع اول، برای چند ساعت در محلول دیاتیل بنزن پراکنده شدند. در نهایت با تبخیر این محلول توسط گرمکنهایی که تحت خلأ کار میکنند، به ذرات نوع دوم رسیدیم.
شکل ۵ (a,b): نمونه با نانو ذرات #۲-SiO2
۳ . نانوذرات #۳-SiO2: در این حالت همانند حالت دوم عمل کردیم و پس از افزودن نانوذرات نوع اول به محلول دیاتیل بنزن و گذشت چند ساعت، ذرات PP نیز افزوده شدند و در نهایت با تبخیر محلول مورد نظر به ذرات نوع سوم رسیدیم.
شکل ۶ (a,b): نمونه با نانو ذرات #۳-SiO2
نتایج آزمایشگاهی
با تولید این ۳ نوع پودر، شروع به ساخت نانوکامپوزیتهایی با زمینه PP میکنیم. ۳ درصد وزنی از هر یک از پودرها را در مراحلی جداگانه وارد میکسری با سرعت بالا کرده و همراه با آنها ، پلیمر PP را نیز اضافه میکنیم. پس از اختلاط کامل، آنها را وارد یک اکسترودر دوپیچه میکنیم و از گرانولهای تولیدی برای ساخت قطعاتی بهمنظور تستهای مختلف استفاده میکنیم.
جدول ۱
روش تولید این قطعات تزریق است و پس از تزریق آنها، عملیات خشک کردن را به مدت ۲ ساعت تحت دمای ۸۰ درجه سانتیگراد انجام میدهیم.
در جدول ۲ زیر نتایج برخی تستهایی که روی نمونههای تولیدی صورت گرفته است را مشاهده میکنید.
جدول ۲: برخی خواص مکانیکی کامپوزیت تولید شده با ۳ نوع نانو ذره نانوذرات SiO2
تستهای کامپوزیت تولیدی عبارتند از:
۱ . تست ضربه به منظور محاسبه استحکام ضربه صورت گرفت. این تست در دمای ۳۰- درجه سانتیگراد و بدون ایجاد ناچ روی نمونه ضربه انجام شد ((ISO179 (DIN53453).
۲ . تست کشش به منظور محاسبه مدول الاستیک کامپوزیت در دمای ۲۳ درجه سانتیگراد و با رطوبتی در حدود ۵۰ درصد صورت گرفت. این تست با دو سرعت متفاوت ۱mm/min و ۵۰mm/min صورت گرفت ((ISO527 -(DIN53455)
۳ . تست خمش بهمنظور محاسبه مدول خمشی تحت با همان دما و رطوبت تست بالا صورت گرفت. این تست با دو سرعت ۲ و ۲۰ mm/min صورت گرفت (ISO178 (DIN53452)
یکی از مشکلات ذرات میکرونی SiO2 که به PP افزوده میشود، استحکام باند پایینی است که این ذرات با پلیمر زمینه برقرار میکند و با نانو کردن ذرات و همچنین عملیات حرارتی که در حین تولید ذرات صورت گرفت، این مشکل برطرف شد.
تحلیل نتایج
با توجه به نتایج مندرج درجدول۲، میتوان ادعا کرد که تمامی خواص مکانیکی مهم این کامپوزیت (به جز مدول یانگ) بهطور متوسط بهبود یافتهاند. یکی دیگر از مواردی که در این جدول میتوان مشاهده کرد این است که به جز مدول خمشی که در نانوذرات نوع اول بیشتر افزایش یافته است، در باقی موارد خواص #۳-SiO2 بهتر از #۲-SiO2 و #۱- SiO2 است. دیگر نکته مهم این است که خواص مکانیکی مورد بحث به مقدار محدودی افزایش یافته و این بحث به درصد وزنی ذرات تقویتکننده ربط پیدا میکند.
در بالا تصاویری از محصول تولیدی با PP خالص و کامپوزیتهای آورده شده است که توسط میکروسکوپ SEM گرفته شده است آوردهایم. شکل شماره ۳ مربوط به نمونهای با PP خالص است و شکلهای بعدی به ترتیب مربوط به #۱-SiO2، #۲-SiO2 و #۳-SiO2 میباشند.
همانطور که در شکل ۴ مشاهده میکنید، بهعلت ساختار تردی که PP خالص دارد، یک سری ترکهایی در نمونه میکروسکوپی وجود دارد و برخی از این ترکها که بزرگترند در نمونههای کامپوزیتی نیز وجود دارند.
از دیگر نتایجی که میتوان از ساختار میکروسکوپی حاصله گرفت، مسئله استحکام باندی است که در بالا توضیح دادیم. مهمترین نتیجهای که میتوان از شکل ۶ گرفت این است که ساختار نمونه سوم گرچه مشابه دو ساختار قبلی است، اما در این شکل، یک سری ترک به وضوح مشخص شده است که علت اصلی آنها، کریستالینیتی بالای PP و سرعت بالای تست کشش است که پیش از گرفتن این عکس روی نمونه صورت گرفته است.
چگونگی و مقدار تقویت پلیپروپیلن توسط نانوذرات را میتوان با تغییر در نوع آمادهسازی و عملیات حرارتی تغییر داد. پلیپروپیلن، پلیمری با کریستالینیتی بالاست و ذرات تقویتکننده، توسط زنجیرههای پلیمر احاطه میشوند. در نوع اول، به این دلیل که ذرات پراکندگی خوبی ندارند، خواص مکانیکی ماده تغییرات خاصی نمیکنند و دلیل افزایش مقاومت خمشی در نوع اول نیز این است که چندین ذره نانومتری بهصورت کلوخه بههم میچسبند و اطراف آنها توسط پلیمر احاطه میشود.
در ۲ نوع دیگر، به این دلیل که ابتدا ذرات تقویتکننده را در محلولی حل میکنیم، پراکندگی بهبود مییابد. در این دو روش نیز اطراف ذرات توسط پلیمر احاطه میشود و از آنجا که این زنجیرههای پلیمری elongation خوبی دارند و معمولاً شکسته نمیشوند، خواص خوبی را به کامپوزیت میبخشند.
نتیجهگیری
مشکلات خواص مکانیکی، حرارتی و خمشی پایین پلیپروپیلن، منجر به ساخت کامپوزیتی با زمینه PP شد. این مشکلات با افزودن نانوذرات تقویتکننده SiO2 تا حد زیادی رفع شد. در این بین، نوعی از ذرات تا حد خوبی توانستند خواص یادشده را بهبود بخشند. قیمت تمام شده ساخت این کامپوزیت در تیراژ بالای تولید نیز پایین بوده و دارای توجیه اقتصادی است.
منابع
۱ . ماهنامه صنعت خودرو، شماره ۱۲۱، موارد و پتانسیلهای استفاده از تکنولوژی در صنعت خودرو (علی فرشیدفر- حمید محمدی امیرآباد)
۲-Wang X, Huang R (1999) Study on nano-CaCO3 reinforced polypropylene. China Plast 13(10):22 – 25
۳-Surface treatment mechanism of nano-SiO2 and the properties of PP/nano-SiO2 compositematerials, wei wu, 2002
۴-www.ides.com
https://polympart.com/?p=2186