مرجع پلیمر در بازار ایران: شیمیدانان، بمنظور ساخت اولین نوع از الیاف کربنی با ساختار متخلخل و یکنواخت از توده های زنجیره ای پلیمری متشکل از ترکیب دو مونومر یا کوپلیمر (copolymers) استفاده نمودند. گروه آزمایشگاهی لیو (Liu’s lab) از توده زنجیره ای پلی آکریلونیتریل -متیل متاکریلات (PAN-b-PMMA) بمنظور تولید و تهیه الیاف کربنی با منافذ و ساختاری یکنواخت استفاده نمود.
تأمین انرژی موردنیاز برای هواپیما ها و خودرو ها
یکی از اساتید دانشکده علوم فنی ویرجینیا (Virginia Tech’s College of Science) تصمیم به تأمین انرژی موردنیاز برای هواپیما ها و خودرو ها با استفاده از انرژی ذخیره شده در پوسته های بیرونی این وسایل نقلیه دارد.
وی با شکل دهی این دیدگاه، مسیری متفاوت را به دنیای استفاده از الیاف های کربنی متخلخل تهیه شده از توده های زنجیره ای پلیمری متشکل از ترکیب دو مونومر یا کوپلیمر (copolymers) گشود.
همانطوریکه از قبل می دانید، از الیاف کربنی بعنوان یکی از مصالح و مواد مهندسی با عملکرد و کارایی بالا نام برده می شود و این مصالح، بطور گسترده ای در صنایع هوافضا و خودروسازی مورد استفاده قرار می گیرند.
یکی از پرکاربردترین مورد مصرف اینگونه از الیاف، در صنعت خودروسازی می باشد و شرکت های خودروسازی بزرگی همچون مرسدس بنز (Mercedes Benz)، بی-ام-دابلیو (BMW) و لامبورگینی (Lamborghini) از این الیاف کربنی در محصولات لوکس خود بهره می برند.
الیاف کربن یا بهتر بگوییم، دارای خواص مواد اولیه متعددی می باشند که عبارتند از:
دارای قدرت مکانیکی بالا
دارای مقاومت شیمیایی
دارای قابلیت هدایت الکتریکی
دارای مقاومت در برابر آتش و بازدارنده در برابر این محرک
دارای وزنی سبک
سبک بودن وزن این الیاف خاص، مهمترین ویژگی این مصالح بوده و باعث بهبود کارایی در مصرف و بهینه سازی سوخت و انرژی می گردد و در سرعت حرکت وسایل نقلیه فضایی و زمینی نقش بسزایی را ایفاء می نماید.
طراحی ساختار و بررسی عملکرد
گیولیانگ لیو (Guoliang Liu)، استادیار گروه شیمی دانشکده علوم فنی ویرجینیا (Virginia Tech’s College of Science)، ایده ای جالب و منحصربفرد درخصوص تهیه و تولید گونه ای از الیاف کربن ارایه داد و بیان نمود که اینگونه از الیاف، نه تنها از لحاظ ساختاری بهینه می باشند بلکه از لحاظ کاربردی و عملکردی نیز دارای خواص منحصربفردی می باشند.
وی که عضو موسسه نوآوری ماکرومولکول ها (Macromolecules Innovation Institute) می باشد اذعان نمود: تصور نمایید، اگر بتوانیم این الیاف را از منظر عملکردی طوری را طراحی نماییم که بتوانند انرژی را در خود ذخیره سازی نمایند، چه تحولی در جهان رخ خواهد داد؟
در واقع اگر می خواهید انرژی را ذخیره نمایید، نیاز به موقعیت هایی دارید که بتوانید، یون ها (ions) را در آنها قرار دهید. وی افزود، ایده آل ترین الیاف کربن میبایست بگونه ای طراحی شوند تا برروی سطحشان دارای میکرو منافذی باشند که بصورت یکنواخت پراکنده شده است، این ساختار، دقیقاً مانند اسفنج بوده و به این ترتیب می توانیم یون های انرژی را ذخیره نماییم.
تولید الیاف کربنی متخلخل
بعد از بهینه سازی یک روش متداول قدیمی مربوط به تولید الیاف کربنی، گیولیانگ لیو (Guoliang Liu) سرانجام توانست فرآیندی منحصربفرد را بمنظور تولید الیاف کربنی متخلخل با ساختار و فواصل فضایی یکنواخت را توسعه دهد.
وی اذعان نمود که، ساخت و تهیه و تولید اینگونه از الیاف کربنی متخلخل به هیچوجه آسان نبوده و گروه های بسیاری در دهه های متمادی گذشته در تلاش برای دستیابی به آن بوده اند، اما کیفیت و یکنواختی منافذ در الیاف تولیدی اصلاً رضایت بخش نبوده است.
ما اینگونه از پلیمرهای خاص را در محیط آزمایشگاهی طراحی، ترکیب و سپس پردازش نمودیم و در نهایت، آنها را رشته های الیاف کربنی متخلخل تبدیل نمودیم.
استفاده از توده های زنجیره ای کوپلیمر (block copolymers ) بمنظور ایجاد الیاف کربن متخلخل
گیولیانگ لیو (Guoliang Liu) از یک فرآیند شیمیایی چند مرحله ای استفاده می نماید که منوط به استفاده از دو گونه پلیمر می باشد، این دو نوع از انواع پلیمر، زنجیره هایی طولانی و تکرارشونده ای با نام های پلی آکریلونیتریل (PAN) و پلی آکریلونیتریل -متیل متاکریلات (PMMA) بودند.
پلی آکریلونیتریل (PAN) در صنعت شیمی بعنوان یک ترکیب اصلی و پیشرو بمنظور تولید الیاف کربنی بوده و پلی آکریلونیتریل -متیل متاکریلات (PMMA) نیز بعنوان ماده نگهدارنده مسیول حفظ و ایجاد حفره های در سطوح الیاف کربنی می باشد.
اما در سال های گذشته، شیمیدان ها معمولاً پلی آکریلونیتریل (PAN) و پلی آکریلونیتریل -متیل متاکریلات (PMMA) را بطور جداگانه در محلول مخلوط می نمودند، این نحوه ترکیب، منافذ متخلخل را برروی الیاف کربن ایجاد نموده ولیکن اندازه این منافذ از نظر شکل و فضای اشغال با هم متفاوت بودند.
ذخیره سازی انرژی در منافذ الیاف
هرچه منافذ ایجاد شده برروی الیاف کوچکتر و یکنواخت تر باشند، ذخیره سازی انرژی در سطح الیاف کربنی می تواند به بیشینه مقدار خود برسد.
گیولیانگ لیو (Guoliang Liu) توانست با مطرح نمودن ایده جدیدش درخصوص ترکیب و پیوند دادن کووالانسی (covalently) دو مونومر پلی آکریلونیتریل (PAN) و پلی آکریلونیتریل -متیل متاکریلات (PMMA) ساختار و توده زنجیره ای را ایجاد نماید که کوپلیمر (copolymer) نام گرفت.
بعد از سنتز کردن توده زنجیره کوپلیمر (block copolymer) در آزمایشگاه، محلول چسبناک تولید و بعد از قرارگرفتن تحت سه فرآیند شیمیایی، منجر به تولید الیاف کربنی متخلخل گردید.
اولین مرحله فرآیند مذکور در فوق، فرآیندی موسوم به اول الکترو اسپینینگ (electrospinning) بود که روشی است که در آن از نیروی الکتریسیته بمنظور سفت شدن محلول و ایجاد رشته های الیافی شکل استفاده می گردد.
بعد از این مرحله، پلیمرها تحت فرآیند اکسیداسیون گرمایشی قرار گرفته و در این مرحله، دو مونومر پلی آکریلونیتریل (PAN) و پلی آکریلونیتریل -متیل متاکریلات (PMMA) بطور کاملاً طبیعی از هم جدا شده و بطور یکنواخت در محل استقرار خود جای می گیرند.
و در گام نهایی که پیرولیز (pyrolysis) نام دارد، پلیمر تحت درجه حرارات بسیار بالا قرار می گیرد. این فرآیند نهایی، پلی آکریلونیتریل (PAN) را برروی سطح الیاف کربنی تثبیت نموده و پلی آکریلونیتریل -متیل متاکریلات (PMMA) را از این سطح می زداید و در واقع، حفراتی با قطر بین 2 تا50 نانومتر (mesopores) را با حفراتی که دارای قطری کمتر از 2 نانومتر (micropores) می باشند را بهم متصل می نماید.
امکانات جدید بمنظور ذخیره سازی انرژی
ساخت و تولید این مصالح مهندسی تحولی عظیم در تولید مصالح با عملکرد و کارایی بالا بحساب می آید و در واقع این پیشرفت خارق العاده توانایی استفاده از زنجیره توده های کوپلیمر (block copolymers) را بمنظور ایجاد ساختارهای متخلخل و یکنواخت را بوجود آورده است که امکان ذخیره سازی انرژی را نیز به همراه دارد.
گیولیانگ لیو (Guoliang Liu) اذعان نمود که این فرآیند تولید و خلق چنین مصالحی، راه را بمنظور طراحی را مصاحی هموار می سازد که قابلیت ذخیره سازی انرژی را دارا باشند. وی افزود، اکنون زمان آن فرارسیده است که این قابلیت های عملکردی را بررسی نماییم.
ما از این الیاف کربنی خاص نه تنها ساختاری استفاده می نماییم بلکه قابلیت های عملکردی آنها را نیز بالفعل خواهیم نمود.
منبع: http://www.stnews.ir
