نانوکامپوزیت های پلیمری بر پایه گرافنی - ایران گرافن

نانوکامپوزیت های پلیمری دسته جدیدی از مواد کامپوزیت حاوی نانوذرات معدنی هستند که در ماتریس پلیمری آلی پراکنده شده اند تا خواص عملکردی آن را بهبود بخشند. نانوکامپوزیت های پلیمری دو جزء دارند: پلیمر پایه و نانو مواد پرکننده. معرفی نانو پرکننده‌ها به ماتریس پلیمری، مزایای هر دو ماده را با هم ترکیب می‌کند. نانوکامپوزیت های پلیمری را می توان بر اساس مورفولوژی نانوکامپوزیت های پلیمری به دست آمده، ابعاد نانومواد، پاسخ حرارتی و کلاس پلیمرها طبقه بندی کرد.

نانوکامپوزیت‌های پلیمری را می‌توان با روش‌های زیادی تهیه کرد، اما رایج‌ترین روش‌ها عبارت اند از: پراکندگی محلول، پلیمریزاسیون درجا و اکستروژن مذاب. نانوکامپوزیت های پلیمری خواص بسیار خوبی مانند بازده مغناطیسی، خواص الکتریکی و مقاومت در برابر سد را نشان می دهند.

از مزایای مهم نانوکامپوزیت های پلیمری می توان به افزایش سختی، افزایش مقاومت در برابر آتش، افزایش پایداری حرارتی و ابعادی، خواص نوری خوب و بهبود اثر مانع اشاره کرد. به دلیل خواص فوق العاده و کاربردهای بالقوه، نانوکامپوزیت های پلیمری در زمینه های نوظهور مختلف مانند پزشکی، الکتریکی، کاتالیزوری، حسگرها و زمینه های زیست محیطی مورد استفاده قرار می گیرند.

یکی از معایب اصلی نانوکامپوزیت های پلیمری مقاومت مکانیکی و سختی محدود آن هاست که می تواند کاربردهای بالقوه آن ها را محدود کند. علاوه بر آن، نانوکامپوزیت های پلیمری می توانند هدایت حرارتی و الکتریکی ضعیفی داشته باشند که می تواند استفاده از آن ها را در صنایع خاص محدودتر کند. از این رو استفاده از نانو مواد دیگری همچون گرافن برای بهبود خواص نانومواد پلیمری مورد توجه قرار گرفته است.

گرافن که یک ماده بسیار قوی و رسانا است، می تواند با بهبود خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی مواد کامپوزیت به رفع این محدودیت ها کمک کند. با این حال، افزودن گرافن همچنین می تواند هزینه تولید را افزایش دهد و ممکن است به تکنیک های پردازش تخصصی نیاز داشته باشد که می تواند برای برخی از تولید کنندگان یک نقطه ضعف باشد.

نانو کامپوزیت های پلیمری مبتنی بر گرافن

نانوکامپوزیت های مبتنی بر گرافن، نانو کامپوزیت های پلیمری هستند که گرافن در یک ماتریس پلمیری پراکنده یا جاسازی شده است. با ترکیب گرافن در پلیمرها، نانوکامپوزیت های به دست آمده خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و مانعی در مقایسه با پلیمرهای دست نخورده از خود نشان می دهند. در اینجا برخی از جنبه های کلیدی و کاربردهای بالقوه نانو کامپوزیت های پلیمری مبتنی بر گرافن آورده شده است:

1. تقویت مکانیکی: افزودن گرافن به پلیمرها می تواند به طور قابل توجهی خواص مکانیکی آن ها مانند استحکام کششی، سفتی و چقرمگی را بهبود بخشد. ساختار دو بعدی گرافن امکان انتقال بار و تقویت کارآمد در ماتریس پلیمری را فراهم می کند.
2. رسانایی الکتریکی: رسانایی الکتریکی عالی گرافن می تواند رسانایی یا خواص الکتریکی را به پلیمرها افزایش دهد. این ویژگی به ویژه در کاربردهای انعطاف پذیر، سنسورها، پوشش های رسانا و حفاظت از تخلیه الکترواستاتیک مفید است.
3. رسانایی حرارتی: رسانایی حرارتی استثنایی گرافن، نانو کامپوزیت های پلیمری را قادر می سازد تا خواص انتقال حرارت عالی از خود نشان دهند. این ویژگی در مواد مدیریت حرارتی، سینک های حرارتی و عایق های الکتریکی کاربرد دارد.
4. ویژگی های سد گاز: نانو کامپوزیت های مبتنی بر گرافن می توانند خواص مانع پلیمرها را در برابر گازهایی مانند اکسیژن و بخار آب افزایش دهند. این ویژگی در بسته بندی مواد غذایی، ظروف سوخت و محصور کردن مواد حساس مفید است.
5. بازدارندگی شعله: گرافن می تواند با عمل به عنوان یک مانع فیزیکی و با اتلاف انرژی گرمایی، بازدارندگی شعله پلیمرها را بهبود بخشد. نانوکامپوزیت های مبتنی بر گرافن می توانند در مواد مقاوم در برابر آتش و پوشش های محافظ کاربرد داشته باشند.
6. سنجش محیطی: حساسیت استثنایی گرافن به محرک های مختلف ،آن را برای ادغام در نانو کامپوزیت های پلیمری برای کاربردهای سنجش محیطی مناسب می کند. این کامپوزیت ها می توانند گازها، رطوبت، کرنش و سایر عوامل محیطی را شناسایی کنند.
7. ذخیره انرژی: نانوکامپوزیت های مبتنی بر گرافن در دستگاه های ذخیره سازی انرژی، مانند باتری ها و ابر خازن ها، مورد بررسی قرار گرفته اند تا عملکرد آن ها را از طریق بهبود هدایت الکتریکی و افزایش سطح برای واکنش های الکتروشیمیایی افزایش دهند.
8. کاربردهای زیست پزشکی: نانو کامپوزیت های پلیمری مبتنی بر گرافن به دلیل خواص منحصر به فرد و ویژگی های زیست سازگاری، دارای پتانسیل در زمینه زیست پزشکی از جمله سیستم های دارورسانی، تصویربرداری زیستی، داربست های مهندسی بافت و حسگرهای زیستی هستند.
9. خودرو: نانوکامپوزیت های پلیمری مبتنی بر گرافن را می توان برای تولید قطعات سبک وزن و با دوام برای وسایل نقلیه، بهبود کارایی سوخت و کاهش انتشار دی اکسید کربن استفاده کرد.
10. هوافظا: نانوکامپوزیت های پلیمری مبتنی بر گرافن را می توان برای ساخت مواد سبک وزن و قوی برای اجزای هواپیما، کاهش مصرف سوخت و افزایش کارایی استفاده کرد.

روش های تولید نانوکامپوزیت های پلیمری بر پایه گرافن

روش هایی که برای تولید کاپوزیت های پلیمری بر پایه گرافن استفاده می شوند، شامل موارد زیر می باشند:

1. روش اول شامل مخلوط کردن محلول است. گرافن در یک حلال پراکنده می شود و پلیمر به محلول اضافه می شود تا از پراکندگی یکنواخت گرافن در پلیمر اطمینان حاصل شود. سپس حلال تبخیر می شود و یک ماده کامپوزیت باقی می ماند.
2. روش دوم از طریق اختلاط مذاب است که در آن پلیمر و گرافن در دماهای بالا با هم مخلوط می شوند تا کاملا ذوب و مخلوط شوند. سپس مخلوط سرد شده و جامد می شود تا یک ماده مرکب تشکیل شود.
3. روش سوم از طریق پلیمریزاسیون درجا است که در آن پلیمر در حضور گرافن سنتز می شود. این روش امکان کنترل بهتر پراکندگی گرافن در ماتریس پلیمر را فراهم می کند.

توجه به این نکته مهم است که تکنیک های ساخت و پراکندگی گرافن در ماتریس نانوکامپوزیت های پلیمری و همچنین نسبت گرافن به پلیمر، نقش مهمی در تعیین خواص و عملکرد این نانوکامپوزیت ها دارند. ولی به طور کلی صرف نظر از روش مورد استفاده، ماده کامپوزیتی حاصل می تواند خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی را به دلیل افزودن گرافن بهبود بخشد.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386110010372#:~:text=Graphene%2Dbased%20composites%20with%20covalent,filler)%20may%20be%20quite%20challenging.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.5b00491