נאנוקום פולימרים מייצגים התפתחות טרנספורמטיבית במדעי החומרים, המציע שיפורים חסרי תקדים בחוזק ובעמידות של חומרים מהונדסים. על ידי שילוב ננומטרי למלאת פולימרים מסורתיים, אלה מתרכובות מתקדמות להשיג תכונות מכניות כי הרבה יותר על אלה של עמיתיהם שאינם מלאים.זה של פולימרים וננוטכנולוגיה פתח גבולות חדשים על פני תעשיות מרובות, מאווירה ועד לאלקטרוניקה, שם הם חומרים חיוניים.

מה הם תוספת ננוקום פולימרים?

נאנוקום תוספת פולימרים הם סוג מסוים של חומרים מורכבים שנוצרו על ידי פיזור חלקיקים - באופן חד פעמי עם לפחות ממד אחד פחות מ 100 ננומטרים - עם ממטריקס פולימר שמקורו תוספת פולימריזציה. Addition פולימרים, כגון פוליאתילן, פוליפרן, פוליצרן, ופולי (methyl methaclate), מיוצרים באמצעות שרשרת-gthrowth שבו חומרים פעילים כדי להוסיף חומרים ננומטרים ללא חומרים אלה.

העיקרון הבסיסי מאחורי המדפים האלה הוא היחס השטח גבוה לנפח של חלקיקים.זה מאפשר אינטראקציה נרחבת בין הממלא לבין ממטריקס פולימר, אפילו בעומסי מילוי נמוכים.לדוגמה, הוספת רק 1-5 אחוזים של ננו-שכבות ננו-חמריות exfoliated יכול להכפיל את מודולי הפחמן 6, תוספת פולימרית של המונח "nanopo" היה מקיף את השדות השחורות שלו, אבל עכשיו עם מגנטיות השחורות שלה, כולל גלימות מתכתי מתכת, אבל עכשיו, 000, אבל עכשיו, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מוקדם יותר, 000 מוקדם יותר מדי היום, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 רחב של פחמן היום, 000, 000, 000, 000, 000 רחב של פחמן היום, 000, 000, 000, 000, 000 של פחמן, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000,

הבחירה של ממטריקס פולימרי היא קריטית.הוספת פולימרים לטובת להקלת העיבוד, עלות נמוכה, ולהיפך. פוליאתילן, למשל, משמשת נרחב באריזות וניתן לחזק אותם עם ננוקליות כדי לשפר את תכונות המחסום. Polypropylene, הידוע ההתנגדות הכימית שלה, הטבות מ CNT תוספת להגנה על פריקה אלקטרוסטטית.

התקדמות חדשה בחוזק חומרי

מחקרים אחרונים התמקדו בקידוד סוגים של חלקיקים, גדלים, כימיה פני השטח, ופיזור אחידות בתוך תוספת פולימרים.שיטות מסורתיות הביאו לעתים קרובות להפחתה, אשר פגע ביצועים מכניים.התקדמות בפונקציונליזציה משטח וטכניקות עיבוד להתגבר על מגבלות אלה.

(FLT:0) פונקציונל של הידרופובי (FLT:1) כולל מולקולות אורגניות מחוספס על משטחים חלקיקים כדי לשפר תאימות עם מזחלות פולימרים הידרופוביות. לדוגמה, סוכני הפיכה סילניים משמשים בדרך כלל עם silica nanoparticles כדי לשפר את הדבקות בין-גזעית. גישה זו הוכח להגדיל את חוזקם על ידי עד 40% בהשוואה למילויים לא מטופלים.

(FLT:0) ב-itu פולימיזציה של ה- 1FLT (אנ') התפתחה כטכניקה רבת עוצמה להשגת פיזור מולקולרי ברמת הפיזור. בשיטה זו, חלקיקים מפוזרים במונותמר לפני שהפולימר מתחיל.כפי שרשתות פולימרים צומחות, הם מטביעים את חלקיקים nanoparticles, ויוצרים הפצה אחידה.טכניקה זו יעילה במיוחד לייצור פולי-ד-ד-דובליטים, שבו גדלים שכבות משמעותיות ועיוותים.

פריצת דרך נוספת היא השימוש של קרינת FLT:0 [הגרף] תחמוצת הפחמן (Gatephene oxide) כבשר ודם (Gerphene oxide) ניתן מפוזר במים ולאחר מכן מופחת לגרף בתוך ממטריקס פולימר, יצירת רשת התנהגותית שמשמשת גם כחיזוק מכני.

סוגים של חלקיקים בשימוש

  • (FLT:0)Graphene תחמוצת הפחמןFLT:1, חומר דו-ממדי עם קבוצות פונקציונליות חמצן המאפשרות פיזור בפולימרים קוטבים.
  • (FLT:0)Carbon nanotubesFLT:1 - שניהם חד-קירה ורב-בסיס CNTs מציעים יחסים היבט גבוה וחוזקות Tenile מעל 50 GPa. הם משמשים תרכובות מבוסס epoxy עבור רכיבי אווירו-מרחב.
  • (FLT:0)Silica ננו-חלקיקים (NV) 1 (Amorphous silica עם קוטרים של 10-50 nm משפר את ההתנגדות ואת המודולולים בציפויים אקריליים.
  • (FLT:0Clay ננוסטריםFLT:1) - Montmorillonite חימר, כאשר exfoliated לתוך גליונות בודדים 1-nm-thick, יוצר נתיבים מתפתלים אשר משפרים את מאפייני מחסום הגז ואת חיזוק מכני.
  • (FLT:0) מטל תחמוצת חלקיקים ננו-פריטל 1 (Alumina, titania, ו תחמוצת אבץ משמשים לחוסמת UV, פעילות מיקרוביאלית, וקשות מוגברת.

שיטות של שילוב

  • (FLT:0) Solution ערבוב תערובת FLT:1 - חלקיקים מפוזרים בפתירת יחד עם פולימר מומס, ואחריו evaporation מעצורים. שיטה זו מאפשרת פיזור טוב אבל דורש הסרת תרכובות אורגניות תנודתיות, הגבלת יכולת הסקאלה.
  • (FLT:0) החלפת פולימיזציה של פולימיזציה 1FLT - חלקיקים מעורבים עם מונומרנים, ופולימריזציה היא יזמה. שיטה זו משיגה את הפיזור המשובח ביותר, במיוחד עבור אחליקטים שכבתיים, כמו שרשראות פולימרים בין השכבות.
  • (FLT:0) שילוב של ננופיל:1 - חלקיקים מעורבים מכני לתוך פולימר מלוטש באמצעות extruders רב-הקרבה-הקודמים. גישה זו היא לטובת תעשייתית עבור הפשטות שלה ואת תאימות עם קווי עיבוד קיימים.עם זאת, השגת פיזור עבור ננו-שכבות לעתים קרובות דורשות איברים משתנים.

לכל שיטה יש עצירות סחר בין איכות פיזור, עלויות עיבוד, והשפעה סביבתית.ההתפתחויות האחרונות בתערובת ממוקדת קול-אסד ופיזור גבוה שיפרו את הפיזור של CNTs ו גרפן במתחים מחוספסים.

מכניזם מפתח מאחורי חיזוק

השיפור הדרמטי בכוח החומרי שנצפה בפולימרים נוספים ננו-פוטאיים נובע ממספר מנגנונים נפרדים הפועלים ב- nanoscale.הבנת המנגנונים הללו בעיצוב מסובכים ליישומים ספציפיים.

העברה והפצת מתח

כאשר ננוקום נתון ללחץ רב-גזעי, הננו-חלקיקים המקיפים נושאים חלק משמעותי מהעומס.עבורת עומס יעילה, חיבור בין-גזעי חזק בין הפולימר וננו-חלקיק הוא חיוני.קישורים כימיים באמצעות קבוצות פונקציונליות יוצרים ממשק חזק המונע debonding. לדוגמה, ננוtubes פחמן פונקציונליים עם קבוצות חומצה קרוגנית יכול להתחבר באופן שווה עם משככי-מין עם משככי-ידיים, 000, רק ב- 90%, וכתוצאה מכך, רק ב- 90%, וכתוצאה מכך, רק בחזקות של פחמן, רק ב- 90%, וכתוצאה מכך, רק ב- 90%, רק ב- 90%, כתוצאה מכך, כתוצאה מכך, 000 גרם שיפור של פחמן מתוומטמים מופעלים ב- 1.6%.

האזור הגבוה של חלקיקים גם אומר כי הלחץ מחולק על נפח גדול יותר, צמצום ריכוזי מתח מקומיים אשר עשויים ליזום סדקים.אפקט זה בולט במיוחד עם ממלאים דו-ממדיים כמו גרפן, אשר יכול לפענוח סדקים באזורים גדולים.

סדקים ודהיטה

חלקיקים יכולים לגשר על סדקים גדלים, מתן התנגדות נוספת להפצת שבר.Elongated חלקיקים כמו CNTs וננוורודים לפעול כמו סיבים ננומטריים המשתרעים על פני מחסומים, הדורשים אנרגיה נוספת כדי למשוך אותם או לשבור אותם. בדומה, nanoclays כמו ננוקליות לגרום סדקים כדי לטשטש לאורך ממשק הנפץ-ממטריקס, להגדיל את הנתיב והאנרגיה הנדרשת עבור שבר.

מנגנון זה קריטי לשיפור הקשידות השבורות בפולימרים של גרד כמו פוליסטרון ופולי (methyl methacrylate) מחקרים הראו כי הוספת 3 וולט של חלקיקים ל-epoxy יכול להגדיל את הקשידות השבעה על ידי ארבע פעמים בשל ריצוף ושחיקה.

Interfacial Bonding and Hydrogen Bonding

האזור הגדול בין-גזעי ב nanocomposites יוצר הזדמנויות רבות עבור אג"ח משני, כגון אג"ח מימן וכוחות ואן דר Waals, בין פולימר למלא.לדוגמה, פולימידים (nylons) יוצרים אג"ח מימן עם קבוצות הידרוקסיל על פני השטח, המוביל לאזור בין phase עם ניידות שרשרת פולימרים שינוי.

בנוסף, חלקיקים יכולים לנקות קריסטליזציה בפולימרים סמיקלקטיים כמו פוליפרופילן.החומרים וכתוצאה מכך הם קטנים יותר ויותר, שיפור הנוקשות וכוח התשואות.הדרגה של גבישי יכול להגדיל עד 10-20% כאשר סוכנים מניקה כמו טלק או CNTs משמשים.

יישומים בתעשיות

נאנוקום פולימרים הם מציאת שימוש גדל ביישומים תובעניים שבו ירידה במשקל, כוח, ורב פונקציונליות נדרשים.היכולת שלהם לשלב שלמות מבנית עם תכונות נוספות כגון מוליכות חשמלית או עמידות UV הופכת אותם אטרקטיביים עבור מגזרים מגוונים.

חללי תעופה

בחלל, הפחתת משקל היא חשובה עבור יעילות דלק וקיבולת מטען. פחמן nanotube-reinforced epoxy מכווצים משמשים בחוד החנית של מטוסים, לוחות מתפתלים, ורכיבים פנימיים. חומרים אלה מציעים ירידה במשקל 20-30% על פני אלומיניום תוך שמירה על כוח דומה., בנוסף, CNT מסובבים מספקים הגנה מפני מוליכות חשמל שלהם, צמצום הצורך עבור נחושת נוספת.

חוקרים מאוניברסיטת בריסטול פיתחו דבקים ננו-פוביים עבור חלקי מטוסים, באמצעות תוספי גרפן כדי לשפר את הכוח המשותף ב-100%.הדבקים הללו נבדקים כעת לשימוש בתיקון מטוסים מסחריים וברכבה.

רכב

תעשיית הרכב משתמשת בפולימרים תוספת nanocomposite עבור לוחות גוף חיצוני, טריאם פנים, ותחת רכיבי מתחת ל-the-hood. Polypropylene התחזק עם ננוקליות משמש עבור מכים ופאנלים לוחצים, המציעים משקל עם נוקשות משופרת.ננו-סיליקה תוספים לשפר את ההתנגדות שריטות במעילים ברורים, שמירה על אסתטיקה של כלי רכב יותר.

לאחסון אנרגיה, מפרידי סוללות שנעשו פוליאתילן עם silica nanoparticles לספק יציבות תרמית גבוהה וביצועים הסגורים, שיפור הבטיחות בכלי רכב חשמליים.בנוסף, גומי CNT-reinforced משמשים בצמיגים כדי להפחית את ההתנגדות מתגלגלת, לתרום לכלכלת דלק טובה יותר.

אלקטרוניקה

ננוקום הם קריטיים עבור מיני מרכיבים אלקטרוניים תוך ניהול פיזור חום. סרטי פולימידי עם אלומיניום מוטבע או בורון ננו חלקיקים משמשים כמוליכים מאוד אך מבחינה תרמית אך חשמלית מבודדת עבור מעגלים גמישים.חומרים אלה יכולים להתמודד עם גלי חום עד 10 / mK, בהשוואה ל -2 / WmK עבור פולימרים לא מלא.

nanocomposites מוליכים באמצעות nanowires כסף או CNTs בפוליאורתטן מטריקים מועסקים בהתערבות אלקטרומגנטית (EMI) מגן על מכשירים ניידים. ציפויים אלה יכולים להשיג הגנה על יעילות של 60 dB או יותר על רק 10 מיקרומטר עובי.

אריזה

באריזות מזון, סרטים ננו-קודש שקוף שנעשו מפוליאתילן עם ננו-שכבות חימר מפגינים שיפור דרמטי בחמצן ובחסומי לחות.זה מרחיב את חיי המדף של סחורות שלא ניתן לגוועות ללא שימוש בנשימות אלומיניום כבדות.הכללה של חלקיקים אנטי-מיקרוביאליים כמו כסף או תחמוצת אבץ יכולה למנוע קלקלות נוספת.

עבור אריזה תעשייתית, CNT-reinforced פוליפרופילן מדביקות יש פי עשרה את הכוח העפיל של קלטות קונבנציונליות, המאפשרת הדבקה בטוחה של עומסים כבדים עם פחות חומר.

כיוונים עתידיים ואתגרים

למרות ההתקדמות המשמעותית, כמה אתגרים נותרו לפני תוספת פולימרים ננוקום להשיג את מלוא הפוטנציאל המסחרי שלהם. סוגיות מפתח כוללות עלויות ייצור גבוהות, קושי בפיזור בקנה מידה גדול, והבנה מוגבלת של עמידות ארוכת טווח.

(FLT:0) סינתזה בלתי ניתנת לחיזוי 1 , הוא עדיפות גוברת. חוקרים חוקרים חוקרים לחקור פולימרים מבוססי תוספת ביולוגית, כגון חומצה פולילאקטית (PLA), מתחזק עם ננוקלוז nanocrystals נגזר משקע עץ.מרכיבים אלה הם ביו-דידידיים ויכולים להיות מעובדים באמצעות שיטות קונבנציונליות.

(FLT:0) פיזור איורים מתקדמים (FLT:1) כמו microscopy אלקטרונים שידור (TEM) ו X-ray פיזור עוזר למדענים לדמיין פיזור חלקיקים וממשק תחת לחץ. ידע זה מנחה את העיצוב של אסטרטגיות פונקציונליות חדשות כדי להבטיח פיזור אחיד אפילו בעומסי מילוי גבוהים.

(הופנה מהדף [[1924]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]] [[[[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[[[1924]]]]]]]] [[[[[[[[[[1924

nanocomposites רב תפקודי המשלב כוח מבני עם healing עצמי, צורה זיכרון, או יכולת רגישה הם אזור גבול.לדוגמה, החוקרים טמעו מיקרו-capsules המכילים סוכני ריפוי לתוך epoxy / CNT מרוכבים. כאשר סדק יוזם, קפסולות קרע, שחרור הסוכן הריפוי כי פולימרים ומשחזר שלמות מכנית חומרים כאלה יכול להאריך את החיים של המרחב קריטי רכיבים מעגליים ותשתיות.

סטנדרטיזציה של פרוטוקולי בדיקה וערכת בטיחות עבור ננו-חומרים תהיה חיונית לאישור רגולטורי והשגת שוק.תקנות ה-REACH של האיחוד האירופי והודעות טרום-הביצועים של EPA כבר מטפלות בכמה היבטים, אך יש צורך בהנחיות ברורות יותר עבור ננוקום בפרט.

מסקנה

נאנוקום פולימרים יש מהפכה עיצוב חומרים על ידי מתן נתיב לחומרים קלים, חזקים ורב-תפקודיים.התקדמות בהנדסת חלקיקים, טכניקות עיבוד וכימיה בין-גזעית אפשרו לחוזקות Tenile, מודולולי וערכים קשים שלא היו זמינים רק לפני עשור.מממבנים חלליים המתנגדים לכות ברקים כדי לשמור על מזון טרי, אלה כבר עושים השפעה מוחשית.

קדימה, המיקוד יהיה על שיטות ייצור רחבות וידידותיות לסביבה וחקר ננופלרים חדשים. כמו ההבנה הבסיסית של אינטראקציות פולימר- האנ חלקיקים מעמיק, הדור הבא של פולימרים תוספת ננוקום ידחוף את הגבולות של מה אפשרי בכוח חומרי ופונקציונליות.

לקריאה נוספת, שקול את הביקורת המקיפה על ננו-קומוצרים על ידי FLT:0 (WikipediaphFLT:1 ).