תוספי פולימר משופרים עם חלקיקים ננו עבור כוח מכני עליון

מבוא ל-Nanoparticle-Enhanced Polymer Additives

השילוב של חלקיקים לתוך מטבוליות פולימר התפתח כאחד ההתקדמות הטרנספורמציה ביותר במדעי החומרים בשני העשורים האחרונים.על ידי פיזור ננומטריים - בגודל חד משמעי בין 1 ל -100 ננומטרים - עם פולימר בסיסי, מהנדסים יכולים לשפר באופן דרמטי תכונות מכני כגון חוזק רב-ממדי, מודולים גמישים, קשיחות, והתנגדות.

תעשיות החל ממרחב למכשירים ביו-רפואיים מסתמכות כעת על פולימרים nanoparticle-enhanced לייצר רכיבים קלים, חזקים יותר, עמידים יותר, בניגוד לרכיבים פולימרים מסורתיים המשתמשים בסיבים זכוכית או בסיבים פחמן, nanocomposites מציעים את הפוטנציאל לשיפורי רכוש ללא יכולת תהליך הקרבה או הוספת משקל משמעותי.

מה הם חלקיקים-Enhanced Polymer Additives?

תוספי פולימרים ננו- חלקיקים מתייחסים לשיעור של חומרים מורכבים שבהם חלקיקים ננומטריים משולבים לתוך ממטריקס פולימרי כדי לשנות את המאפיינים הפיזיים והמכניים שלה.פולימרים הבסיס יכול להיות תרמופלסט (למשל, פוליפרופילן, ניילון, פוליקרבונט), a thermoset (למשל, epoxy, פוליאורטן), או elastomer.

יעילותם של תוספים אלה תלויה באופן ביקורתי בשלושה גורמים: התכונות הפנימיות של חלקיקים (גודל, צורה, כימיה פני השטח), איכות הפיזור (uniformity והיעדר של agglomeration), ואת הדבקות הבין-גזעית בין הממלא לבין הפולימר.אפילו כמויות קטנות של חלקיקים מפוסקים היטב - לעתים רחוקות מ-5% על ידי משקל - לייצר שיפורים משמעותיים בחוזק, ויציבות תרמית, ותפקודים נוקשים.

באופן מכניסטי, כאשר עומס מוחל על nanocomposite, חלקיקים לשאת חלק של עומס זה ולהעביר מתח באמצעות אג"ח חזק בין-גזעי.הם גם מגבילים את הניידות של רשתות פולימרים, להגדיל את ההתנגדות של החומר לעיוות.בנוסף, חלקיקים יכולים deflect או לעצור סדקים, בעצם יצירת מנגנון קשיח כי הוא חסר בפולימר טהור.

מכניזם של חיזוק מכני

השיפורים בחוזק מכני שנצפו בפולימרים nanoparticle-enhanced נובעים ממספר מנגנונים הקשורים.הבנת מנגנונים אלה חיונית לתכנון nanocomposites אופטימיזציה עבור יישומים ספציפיים.

העברה מתח וחלוקת מטען

כאשר כוח חיצוני מוחל על nanocomposite, ממתק פולימר ודוחק מתח nanoparticles מוטבע. כי חלקיקים יש הרבה יותר גמישים מודולים מאשר פולימר שמסביב, הם נושאים נתח לא פרופורציונלי של העומס.יעילות של הלחץ הזה העברה מוקדמת תלוי כוח hepacial בין פני השטח חלקיקים לבין השרשראות פולימר חזק.

פסקול: ccrele Deting and Bridging

חלקיקים פועלים כחסמים פיזיים אשר מעכבים את צמיחת הסדקים.כאשר סדק נתקל חלקיקים מחוסנים היטב, זה חייב להיות מרתיע סביב החלקיק או מנסה לעבור דרכו. Deהשתקפות מגבירה את אורך הסדקים, סופג יותר אנרגיה.במקרים מסוימים, במיוחד עם חלקיקים מוארכים מוארכים כגון צינורות פחמן או ננופי, את החלקיקים יכולים לגשר על שני הצדדים של סדקים, במיוחד למנוע סדקים זה הוא יעיל.

שרשרת ותיקון: Crystallinity Modification

חלקיקים יכולים להגביל את הניידות של רשתות פולימרים בסביבתם, יצירת אזור של פולימרים מאומנים הידוע בשם הבין-phase. זה לעתים קרובות מציג נוקשות גבוהה יותר וטמפרטורת מעבר זכוכית מאשר פולימר הרוב. ב פולימרים סמיקלקטיים, חלקיקים יכולים לפעול גם כסוכני ניקוי, קידום היווצרות של גבישים קטנים יותר, יותר רבים יותר.

אנרגיה דיסipation באמצעות דיון ו-Put-Out

בתנאים מתח גבוה, חלקיקים עשויים להימחק ממטריקס פולימר או, במקרה של ננופיבר, למשוך את המריצה. בעוד שזה מייצג צורה של נזק, זה גם מקטין כמויות משמעותיות של אנרגיה, לתרום לשבר הכולל של החומר.האנרגיה מתפוררת במהלך debonding ו-משיכת ערך יכול להיות פקודות של מספר גדול יותר מאשר אנרגיה הנדרשת כדי לשבור את הקשר.

סוגים מרכזיים של חלקיקים בשימוש בפולימר Additives

מגוון רחב של חלקיקים נחקרו לשימוש כמו תוספי פולימרים, כל אחד מציע פרופילים שונים של רכוש ואתגרי עיבוד.השולחן להלן מסכם את הסוגים הנפוצים ביותר, המאפיינים העיקריים שלהם, ויישומים טיפוסיים.

Silica Nanoparticles (SiO2)

amorphous silica חלקיקים הם בין הממלאים הנפוצים ביותר.הם זולים, זמין מסחרית בכמויות גדולות, וניתן להיות מתועצמם עם silanes כדי לשפר תאימות עם פולימרים אורגניים. Silica ננוקומבטים להציג משופרת Tenile, Modulus, ו-Ratch Resistance, מה שהופך אותם פופולריים בציפויים, adhsive, רכב, ו-Creperiasposites הוא גם כדי ליצור עדשות גלויות.com.

צינורות פחמן (CNTs)

יחיד-קיר (SWCNT) ורב-בסיס (MWCNT) פחמן ננו-בוטיקים יש כוח רב-עוצמה עצום - עד 100 פעמים של פלדה באחת-ששת את המשקל - לצד של שחרור חשמלי מעולה ותרמיות תרמית.יחס היבט גבוה שלהם (יחס אולטרה-דפס) הופך אותם יוצאי דופן בסדקים וספק חיזוק מבני בעומסים נמוכים מאוד.

קליי ננו-חלקיקים (Layered Silicates)

Montmorillonite ו- אחרים שכבתי ניתן exfoliated לתוך משטחים ננומטריים עם עוביים של בערך 1 nm ומדמים מאוחר יותר של כמה מאות ננומטרים. כאשר מפוזרים כראוי, אלה לוחות יוצרים נתיב מתפתל עבור מולקולות גז, שיפור דרמטי תכונות מחסום.הם גם להגדיל כוח מכני ויציבות תרמית.

Metal Oxide Nanoparticles (TiO2, Al2O3, ZnO)

חלקיקים דו-חמצני טיטניום הם פרס על היכולת חוסמת UV שלהם ופעילות פוטו-קטקטית, בנוסף אפקט השיקום שלהם. Alumina nanoparticles לשפר את הקשידות, ללבוש התנגדות ו מוליכות תרמית. Zinc oxide חלקיקים לספק הגנה UV ותכונות אנטי-בקטריאליות.

גרפן וגרפן Oxide

Graphene - שכבת פחמן אטומית יחידה מסודרים בלחיצת hexagonal - offers כוח מכני יוצא דופן (כ 130 GPa), מוליכות חשמלית, ו מוליכות תרמית. Graphene oxide (GO) הוא גרף שונה מבחינה כימית כי מתפזר יותר בקלות בחיות מים ופתרונות קוטביים.

Cellulose ננוקריסטלs (CNCs) ו-NFC (NFC)

דרבירד מביומסה מתחדשת, חלקיקים צלולוז הם biodegradable, נמוך-density, ומציגים כוח רב-ile גבוה ומודולולים. קבוצות הידרוקסיל הפנים שלהם להפוך אותם תואמים עם הרבה מים סולמות פולימרים הקוטביים. CNCs ו- NFC משמשים יותר ויותר באריזה, פיגומים ביו-רפואיים, ורכיבי רכב בר-קיימא כמו חלופות חלקיקים אורגניים חלקיקים - הם מתחילים להגביל את הטמפרטורות הראשי שלהם - 250 מעלות צלזיוס - הם מעל לטמפרטורה גבוהה.

Synthesis and Processing of Nanoparticle-Enhanced Polymers

הביצועים של ננוקום תלוי לא רק בבחירת חלקיקים ופולימרים, אלא גם על שיטת העיבוד המשמשת לשלב אותם.פיזור מסכן מוביל ל agglomerates שפועלת כמצמי לחץ ולמעשה מקלקל תכונות מכניות.

ב-Situ Polymerization

בגישה זו, חלקיקים מפוזרים בתוך המונומר או prepolymer לפני פולימריזציה הוא יזם. שיטה זו יכולה להשיג פיזור מעולה כי רשתות פולימרים הגוברת מפרידים ו exfoliate את חלקיקים. זה יעיל במיוחד עבור אחמס שכבתי וננו-בוכי פחמן. עם זאת, נוכחות של חלקיקים יכול להשפיע על הקינטיקה פולימרון חייב להיות מבוקר בקפידה.

פתרון ערבוב

הפולימרים מומסים במפתור מתאים, וננו-חלקיקים מפוזרים בנפרד לפני שילוב.אולטרסאונד, שילוב גבוה-שר, או כדור מילימטר ניתן להשתמש כדי לפרק חלקיקים חלקיקים חלקיקים.לאחר ערבוב, המפת מתבהלת כדי להניב את ננוקום. שיטה זו משמשת באופן נרחב במחקר אך פחות מדרגי לייצור בשל טיפול ועלות.

מלת מיקס

חלקיקים מתווספים ישירות לפולימר מלוטן בתערובת חיצונית או פנימית. גישה חופשית זו היא הגישה המסחרית ביותר עבור thermoplastics. האתגרים המרכזיים הם השגת פיזור אחיד בתוך זמן המגורים הקצר ולמנוע השפלה תרמית של פולימר או משטח פונקציונליזציה. Twinscrewators עם אלמנטים מיוחדים משמשים לעתים קרובות כדי לשפר את הפיזור.

המונחים: Surface Functionalization

ללא קשר לתוואי העיבוד, פונקציונליות פני השטח של חלקיקים הוא לעתים קרובות הכרחי כדי להשיג קשר בין-גזעי חזק ופיזור טוב. אסטרטגיות נפוצות כוללות שרשראות פולימרים מחוסנים על פני השטח nanoparticle (יצירת חלקיק "שיער"), הצמדה באופן שווה סוכנים הפיכה טובה (למשל, silanes או titanates), או פרסומות של מטבוליזם יכול להיות מותאם אישית כדי למלא את ההבדל בין מטריצה, בין ממטרסטיקה, לבין המטרה של חומר פוליגרפית.

יישומים בתעשיות

תוספי פולימרים ננו- חלקיקים מצאו את דרכם למוצרים מסחריים רבים.הבאים הם אזורי יישום מרכזיים, עם דוגמאות ספציפיות.

חללי תעופה

בחלל, הפחתת משקל תוך שמירה על שלמות מבנית היא רבת ערך. nanoparticle-reinforced epoxies ופוליimides משמשים עבור לוחות פנים מטוסים, radomes, ו ducting. פחמן nanotube-epoxy nanocomposites נבדקים עבור רכיבים מבניים ראשוניים, כגון משטחים כנף וקטעי זנב, המציע ירידה של 20-30% במשקל בהשוואה לציפוי פחמן-fakamed, בנוסף לציפוי חומצה מורכבים.

רכב

תעשיית הרכב משתמשת בפולימרים nanoparticle-enhanced כדי לשפר את ההתרסקות, להפחית במשקל, ולהרחיב את חיי הרכיב. Polypropylene התחזק עם חלקיקים חימר משמש עבור fasciascias ו מחוונים, המציעים נוקשות משופרת ויציבות ממדית. nanotubes מוסיפים ל thermoplasticurethane (TPU) עבור קווי דלק ולוע כי מתנגדים ללחץ תרמילאי גבוה ונומטרדבנים מופעלים.

מוצרי אלקטרוניקה וצרכנים

אלקטרוניקה גמישה דורשת תת-סטריטים שיכולים להיות מכופים ללא הפסקה תוך הגנה על רכיבים רגישים.פולימנייד ננוקומביטים המכילים כריות חימר או גרפן לספק את הקשיחות המכנית הנדרשת ותכונות מחסום.בסמארטפונים ומחשבים ניידים, פלסטיקים המופעלים על ידי פחמן ננו-רומנים משמשים לדיור וסדקים פנימיים שמתנגדים לחום ביעילות.

מכשירים רפואיים

ביו-קומופטיות ועמידות מכנית הן קריטיות בשתלים רפואיים, מכשירים כירורגיים ומערכות אספקת תרופות. Polye Theretherketone (PEEK) מתחזקות עם hydroxyapatite nanoparticles או צינורות פחמן משמש עבור שתלים ספיןאלים ומברגים אורתיים אוטופודיים כי הוא מחק את המאפיינים המכניים של עצמות ומקדם אוסוינטציה.

ספורט וכיף

ציוד ספורט ביצועים גבוהים מ מ מ מכווצים טניס למסגרות אופניים משלב פולימרים nanoparticle-reinforced. טניס מכווץ עם פחמן nanotube-reinforced ניילון מציעים נוקשות גדולה יותר וכוח ללא עלייה במשקל. מועדוני גולף פירים שנעשו מ גרפן-enhanced epoxys מורכבים לספק עמידות גמישה והשפעה מעולה.

אריזה

תכונות גדר ההפרדה הן עיקריות באריזות מזון ותרופות. ⁇ nanocomposites עם פוליפרופילן או פוליאתילן terephthalate (PET) להפחית חמצן ולחות לחות על ידי עד 10fold בהשוואה לפולימרפולימר טהור.זה מרחיב את חיי המדף ומאפשר עבור חומרי אריזה דקים, צמצום ציפויי פסולת פלסטיק. ננוסיליקה החלים לספק עמידות לפולימרים ולשפר את יכולת ההדפסה.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות המרשימה, יש להתגבר על כמה מכשולים כדי לשיווק מלא של פולימרים חלקיקים-enhanced:

דיספרסיון אחיד

חלקיקים יש נטייה חזקה ל agglomerate בשל כוחות ואן דר ואינטראקציות אלקטרוסטטי. Agglomerates לפעול כמצמי הלחץ כי יוזמים סדקים ולהפחית תכונות מכניות. Achieving מדינה יציבה, מחוספס היטב הוא אחד האתגרים המתמשכים ביותר.גם עם טכניקות ערבוב מתקדמות, כמה חלקיקים עשויים להישאר מקובצים, במיוחד על ידי טעינה גבוהה יותר עוזר, אך עלות, אך עלות, אך היא מוסיפה מורכבות.

סקלאלה ועלויות

שיטות ייצור חלקיקים רבות, כגון דלקת לייזר או זיהום כימי עבור צינורות פחמן, הם יקרים מניבים כמויות מוגבלות.עלות של פונקציונליזציה מעלה את המחיר של ננוקום. עבור יישומים בעלי ערך נמוך כמו אריזה סחורות, העלות הנוספת עשויה לא להיות מוצדקת על ידי הביצועים.מחקר לתוך עיבוד ברת היקף, מתמשך (למשל, שילוב במהלך extrusion), נשאר מתמשך עבור בקבוק ארוך יותר עבור הרבה.

בריאות ובטיחות

הגודל הקטן של חלקיקים חלקיקים מעלה סיכונים בריאותיים פוטנציאליים וסביבתיים.שאיפת חלקיקים באוויר במהלך עיבוד יכול להוביל לבעיות נשימה, וכמה חלקיקים (למשל, צינורות פחמן) הוכח לגרום לדלקת בדומה לאבסטבסט במחקרי בעלי חיים. יצרנים חייבים ליישם פרוטוקולי בטיחות קפדניים, כולל חומרי גלם וציוד הגנתי, ולהבטיח כי יצרני הקצה של חיים עדיין אינם מתפתחים להנחיות של תגמולים.

תאימות בין-גזעית

גם עם פונקציונליות, השגת מודעות בין-גזעית אופטימלית נותרה מאתגרת.דעת עני מובילה להפצה מוקדמת וצמצום העברת העומס.אפיית האזור הבין-גזעי - רק ננומטרים עבה - טכניקות מתקדמות כמו microscopy כוח גרעיני או מיקרוסקופית שידור אלקטרונים, אשר הם יקרים וזמניים חיזוי מודלים להתנהגות בין-גזעית עדיין בפיתוח, כלומר, כי לעתים קרובות נדרש ניסוי אמפיבי ל-מולקולוני נדרש.

עיבוד: Degradation

חלקיקים מסוימים, במיוחד תחמוצות מתכת וננו-תנו-פחמן, יכולים לזרז את ההשפלה התרמית או החמצן של פולימרים במהלך עיבוד או חיי שירות.זה יכול להוביל לחיסול ושינוי צבע לאורך זמן. Stabilizers ובחירת קפדני של פרמטרים עיבוד (זמן, קצב, הרהר, אטמוספרה) יכול להקטין את זה, אבל זה מוסיף שכבה נוספת של תהליך הייצור.

כיוונים עתידיים

מחקר לתוך תוספי פולימרים ננו-חלקיקים ממשיך להאיץ, עם כמה מגמות סביר להניח לעצב את השדה בעשור הבא.

Multifunctional Nanocomposites

המטרה הסופית היא לעצב nanocomposites כי במקביל לספק פונקציות מבניות, חשמליות, תרמיות ואופטיות. לדוגמה, מרכיב מבני שיכול לשמש גם חיישן או קציר אנרגיה. מערכות מלצר היברידית - שילוב של שני סוגים או יותר של חלקיקים - נחקר כדי להשיג שיפורים בתחום הנדל"ן ופחמן-פחמן ניתן להשתמש יחד כדי ליצור רשת הפעלה מכנית עבור התנהגות מכנית תוך שמירה על קשיחות.

bio-based ו- Sustainable ננופללרים

ככל שהדאגות הסביבתיות צומחות, יש עניין גובר ב nanofillers שמקורם מקורות מתחדשים. cellulose nanocrystals, lignin nanoparticles, וננוסייקה מ-ash אורז מציע חלופות biodegradable ל- פחמן ננוtubes ו- תחמוצת מתכת סינתטית oxides. Advances in Extracting and purification הם עושים את הממלאים האלה יותר עלות.

מודלים מתקדמים ולמידה של מכונות

חיזוי התכונות של nanocomposite מתנאי הרכב והעיבוד שלה הוא בעיה רב-מידה מורכבת. אלגוריתמי למידת מכונה מאומן על מסדי נתונים גדולים של תוצאות ניסיוניות וסימולציה יכול לזהות שילובים אופטימליים של סוג פולימר, סוג מלא, טעינה וטיפול על פני השטח.כלים אלה צפויים להאיץ את מחזור הפיתוח, צמצום ההסתמכות על ניסויים וטרור.

מעקב עצמי ותיקון עצמי

חלקיקים יכולים לשמש כחיישנים בתוך ממטריקס פולימר.לדוגמה, צינורות פחמן שיוצרים רשת התנהגותית יכולים לחשוף מתח או נזק באמצעות שינויים בהתנגדות חשמלית.זה מאפשר ניטור בריאות מבני בזמן אמת.בנוסף, encapsulated ריפוי סוכנים או אג"ח הפיכה יכול להיות מופעל כאשר הנזק מזוהה, המוביל לחומרים לתיקון עצמם.

החידושים של Scalable Manufacturing

תהליכים כגון pulverization של מדינת מוצק, הדפסה תלת-ממדית, ציפוי רול-to-roll הם מותאמים עבור nanocomposites. הדפסה תלת-ממדית עם חלקיקים מלאים חלקיקים מאפשר יצירת של גיאוגרפיות מורכבות עם תכונות מבוקרות מקומי, כגון קשיחות כיתה או מוליכות תרמי כיוון. בינתיים, התכה מתמשכת עם עיצובים מתקדמים הוא עושה גבוה דיסגוניים עבור עלויות נרחב יותר עבור ייצור המוניות.

מסקנה

תוספי פולימרים ננו-חלקיקים כבר שינו את הנוף החומרי, מתן נתיב עוצמתי ליצירת פולימרים בעלי כוח מכני גבוה ויכולות רב תפקודיות.המנגנונים הבסיסיים של העברת מתח, סדקים, הגבלת שרשרת, ופיזור אנרגיה הם עכשיו מובן היטב, המאפשרים לחוקרים לעצב באופן רציונלי nanocomposites עבור יישומים ספציפיים.

לקריאה נוספת על מדע היסוד של ננו-מוסוטים פולימרים, ראה במאמר זה בסקירה של Nature Reviews MaterialsFLT:1 ו-FLT:2 אוסף נרחב של משאבים על ScienceDirecteurFLT 3:0 התפתחויות נוכחיות בפולימרים ננו-reinforced פחמן ניתן למצוא בעמוד nanotube-reinforced של תאגיד ננו-RLT:4Cabots של ננו-FLT5:55555