کاربرد گرافن در پلاستیک و پلیمر - ایران گرافن

گرافن در پلاستیک سازی از چند سال گذشته توجه زیادی را به خود جلب کرده است. گرافن را می توان به راحتی با پلاستیک مخلوط کرد و با استحکام درون ورقه ای باورنکردنی که به ماتریس پلاستیکی می بخشد، محصولات پلاستیکی قوی­تر و بادوام­تر را با کسری از هزینه و با نفت بسیار کمتر و مواد خام کمتر تولید کرد. افزودن گرافن علاوه بر استحکام، مقاومت در برابر تخریب شیمیایی یا حرارتی را نیز بهبود می بخشد. این ویژگی­ها موجب الهام بخشی برای ایجاد محصولات جدید و همینطور بهبود محصولات موجود شده است.

در حال حاضر، استفاده مجدد و بازیافت مواد پلاستیکی در مسیر گذار به سمت اقتصاد دایره ای از اهمیت حیاتی برخوردار است. در این راستا شستشوی مداوم، گلوله‌سازی و پردازش مجدد می‌تواند باعث از بین رفتن خواص فیزیکی و مکانیکی پلاستیک‌های بازیافتی شود، استفاده از افزودنی‌های حاوی گرافن می‌تواند این خواص را احیا یا بهبود بخشد و از تخریب پلیمر در حین پردازش جلوگیری کند که منجر به پلاستیک‌های بازیافتی با خواص بیشتر می‌شود. از این جهت پلاستیک ­های بازیافتی پایداری بالاتر و کاربردهای بیشتری دارند.

پلیمرهایی که گرافن در ترکیب آن­ها قابل بازیافت هستند، را می ­توان با پلیمرهای طبیعی یا بازیافتی مخلوط کرد و مورد استفاده قرار داد. از آنجایی که لایه پلی اتیلن تقویت شده با گرافن، مقاوم­تر از نمونه های معمولی پلی اتیلن خالص است، استفاده از افزودنی های حاوی گرافن می تواند موجب کاهش ضخامت شود، به این معنی که پلاستیک کمتری برای همان کاربرد نهایی مورد استفاده قرار می­گیرد، به علاوه وزن کمتری دارد. این عوامل منجر به کاهش هزینه های ساخت و حمل و نقل می شود.

همچنین از آنجای که پلاستیک کمتری برای محصولات نهایی مورد نیاز است، پلاستیک کمتری تبدیل به زباله پس از مصرف می شود. همچنین اثرات پایین دستی از جمله کاهش ضایعات تولید، مصرف انرژی و حمل و نقل وجود دارد. درنهایت به‌طور دایره‌ای، پلاستیک‌ها را می‌توان به گرافن بازیافت کرد و سپس دوباره مورد استفاده قرار داد.

پلاستیک و لاستیک­هایی که با گرافن بهبود یافته­اند علاوه بر دوام، ویژگی­های زیر را دارا هستند:

• بهبود خواص مکانیکی و ساختاری (قوی تر و سبک تر)
• افزایش هدایت حرارتی و پایداری ابعادی
• افزایش رسانایی الکتریکی
• کاهش جرم پلاستیک
• افزایش مقاومت در برابر کشش، تغییر شکل و ضربه
• ضد خراش و دافع لکه
• سپر الکترومغناطیسی (از عبور امواج الکترومغناطیسی جلوگیری می کند)
• بازدارنده شعله با دو اثر: (از چکیدن پلیمر در هنگام سوختن جلوگیری می کند و لایه های متورم ایجاد می کند)
• مقاومت در برابر الکتریسیته ساکن
• پراکندگی عالی

برای مثال گرافن در تشکیل لوله­های پلاستیکی که در مبدل های حرارتی برای کاربردهای مختلف مانند نمک زدایی آب، نیروگاه ها، دستگاه های برودتی و موتورهای احتراقی استفاده می شود، کاربرد دارد.

کاربردهای ضد میکروبی کامپوزیت های پلیمری مبتنی بر گرافن، از دیگر کاربردهای گرافن می­باشد. کامپوزیت های مبتنی بر پلیمر/گرافن به عنوان یک جزء ضد میکروبی در مناطق مختلف برای کنترل رشد پاتوژن های میکروبی مانند پانسمان زخم، دارورسانی، بسته بندی انعطاف پذیر، هیدروژل­ها، فیلم­ها و پوشش­های ضد میکروبی و تصفیه آب استفاده می­شود.

نظرات محققان

در تحقیقات زیادی محققان در خصوص چگونگی تاثیر گرافن بر ویژگی های مواد لاستیکی مطالعه کردند، آنها به ترکیب انواع و مقادیر مختلف گرافن، با یک نوع طبیعی از لاستیک حاوی پلی‌ایزوپرن و همچنین نوع مصنوعی موسوم به پلی‌اورتان دست یافتند. در بسیاری از موارد، مواد کامپوزیت شده با گرافن توانست نیروی بیشتری را تحمل کنند و حتی در درجه بسیار زیادی نسبت به یک لاستیک معمولی حالت کشسانی پیدا کند. آن‌ها متوجه شدند که افزودن حتی مقدار جزیی گرافن به لاستیک برای افزایش 50 درصدی استحکام و کشسانی کافی است.

کامپوزیت پلاستیک و گرافن به ترکیب ویژگی‌های نرم و سبک یک ماده با قدرت ماده دیگر می‌پردازد و منجر به تولید ماده جدیدی می‌شود که محکم و همچنین سبک است. این اصل بطور رایجی در ساخت کامپوزیت‌های کولار موجود در جلیقه‌های ضدگلوله و کامپوزیت‌های فیبرکربن مورد استفاده در خودروهای مسابقه امروزه دیده می‌ شود.

در تحقیق دیگری، محققان توانستند لاستیک نازک را پس از افزودن گرافن به آن، محکمتر و کشسان‌تر کنند. آن‌ها از اکسیدگرافن استفاده کردند زیرا در زمان پراکنده شدن در آب نسبت به گرافن معمولی ثبات بیشتری دارد. این ویژگی ها به محققان اجازه داد هر دو ماده را با استفاده از فرآیند قالب‌گیری غوطه‌وری با هم ترکیب کنند.

بطور کلی گرافن تولید انبوه انواع پلیمرها و لاستیک های با کارایی بالا را امکان پذیر کرده است. گرافن در پلاستیک و لاستیک در انواع زیادی از صنایع استفاده می شود که در آنها دوام عملکردی نکته بسیار مهم است. به لطف این ماده، دوام محصول افزایش یافته و قطعات سیستم های مکانیکی که از پلاستیک استفاده می کنند را بسیار بادوام تر کرده است.

منبع

Graphene: A review of applications in the petroleum industry

https://doi.org/10.1016/j.petrol.2018.04.016