کامپوزيت هاي پليمري
 

اصلاح پليمرهاي آلي بوسيله ي اضافه کردن افزودني به آنها انجام مي شود. به جز چند استثناء در بيشتر اين مواد از يک سيستم چند جزئي که شامل افزودني ها دريک زمينه ي پليمري است، تشکيل شده است. مخلوط هاي حاصله به خاطر ميکروساختار يا ماکروساختار بي همتا شاخص هستند. در واقع اين خصوصيات بي همتا باعث پديد آمدن خواص ممتاز در پليمر مي شوند. دلايل عمده براي استفاده از افزودني ها عبارتست از:
1)اصلاح خواص و بهبود آنها
2)کاهش هزينه ي کل
3) بهبود و کنترل ويژگي هاي مربوطه به توليد قطعه ي پليمري
علاوه بر کامپوزيت هاي پليمري (Polymer composites) که در اين مقاله معرفي مي شوند، انواع مهم سيستم هاي پليمري اصلاح شده شامل آميزه هاي پليمر- پليمروفوم هاي پليمري نيز وجود دارند. که بررسي مطالعه ي آنها خارج از لطف نيست.

نوع و اجزا کامپوزيت هاي پليمري
 

کامپوزيت هاي پليمري مخلوط هايي از پليمرها به همراه افزودني هاي آلي و غير آلي است. در واقع اين افزودني ها داراي هندسه ي معني مانند الياف، فلس مانند (Flakes)، کره مانند و ذره اي هستند. بنابراين آنها داراي دو يا چند جزء و يا دو يا چند فاز هستند. افزودني ها ممکن است مداوم باشند (مانند الياف بلند يا نوار) که در زمينه ي پليمري و با نظم هندسي منظم قرار گرفته اند. اين قرارگيري منظم در کل محصول وجود دارد. مثال هايي آشنا از اين نوع کامپوزيت ها، ورقه هاي تقويت شده با الياف هستند که معمولا به عنوان کامپوزيت هاي پليمري با کارايي بالا (high-performanu polymer composites) يا ماکروکامپوزيت هاي بر پايه ي الياف يا نوارهاي طويل طبقه بندي مي شوند. به عبارت ديگر افزودني ها ممکن است غير مداوم باشند. براي مثال الياف کوتاه (داراي طولي کمتر از 3 سانتيمتر)، فلس مانندها، پليت لت ها (Platelets)، کره مانندها يا اشکال غير منظم (در ابعاد ميکرومترو ميلي متر). الياف و فلس مانندها معمولا در جهات مختلف پخش مي شوند و داراي الگوهاي هندسي چندگانه در ميان زمينه ي ترموپلاست تشکيل شده اند و کا ربرد کمتري نسبت به کامپوزيت هاي با افزودني هاي مداوم دارند. هنگامي که الياف، پليت لت ها و يا کره مانندها به عنوان فاز پخش شونده داراي ابعادي در حد نانومتر باشد، کامپوزيت هاي بوجود آمده به عنوان نانوکامپوزيت شناخته مي شوند (شکل 1 نشان دهنده ي نانوپليت لت هاي هيدروتالکيت است) تفاوت نانوکامپوزيت هاي با ميکروکامپوزيت ها در اين است که آنها داراي سطح تماس بسيار بيشتري بين فازهاي تشکيل دهنده ي خود هستند. به خاطر خواص منحصر به فرد، نانوکامپوزيت ها داراي پتانسيل استفاده شدن در کاربردهاي پيشرفته را دارند.

کامپوزيت ها همچنين براساس منشأ (طبيعي يا مصنوعي) زمينه يا پر کننده نيز طبقه بندي مي شوند. طبيعت از کامپوزيت ها در مواد سخت استفاده کرده است. اين مواد سخت داراي ساختار پيچيده اي از مواد فيبري يا ذره اي هستند که در زمينه اي آلي قرار گرفته اند (اين زمينه مانند چسب عمل مي کند) چوب يک کامپوزيت است که از الياف سلولز به همراه ليگنين (lignin) تشکيل شده است. استخوان يک ماده ي کامپوزيت از کلاژن (collagen) و ساير پروتئين ها به همراه نمک هاي کلسيم فسفات است. ابريشم توليدي از عنکبوت شامل نانوکريستال هاي آلي در يک زمينه ي آمورف و آلي است. پوسته ي حلزون (شکل 2) از لايه هاي يک ماده ي مينرالي سخت تشکيل شده است که بوسيله ي يک بايندر پروتئيني از همديگر مجزا شده اند. يک ساختار صفحه اي مشابه توليد شده است که بوسيله ي قرارگيري فلس هاي ميکا در يک زمينه ي پليمر مصنوعي به دست مي آيد. اين پليمر مصنوعي ترموست به همراه ميکاي فلس مانند تشکيل مجراهاي عبور بخار و مايع در يک ميکروکامپوزيت مي دهد. (شکل 3)

کامپوزيت ها را همچنين مي توان براساس کاربرد آنها طبقه بندي کرد. براي مثال شخصي مي تواند مابين دو بيوکامپوزيت تفاوت قائل شود مثلا بيوکامپوزيت هاي مورد مصرف براي کاربردهاي اکولوژي (ecological applications) که از ترکيب الياف يا ذرات طبيعي به همراه زمينه اي پليمري تشکيل شده اند. (اين پلميرها از منابع بازگشت پذير و غير قابل بازگشت پذير تهيه مي شوند). اين نوع بيوکامپوزيت ها به خاطر داشتن خاصيت تخريب پذيري بوسيله محيط طبيعي، ممتاز هستند. بيوکامپوزيت هاي مورد استفاده در بيوپزشکي از پليمرهاي تخريب پذير يا مقاوم در برابر عوامل بيولوژيک تشکيل شده اند که بوسيله ي پر کننده هاي با سطح فعال يا خنثي اصلاح شده اند. اين نوع بيوکامپوزيت ها در شکسته بندي (orthopedics)، ترميم استخواني (bone regeneration) يا کاربردهاي مهندسي بافت کاربرد دارند.
افزودني هاي مورد استفاده در کامپوزيت هاي پليمري به صورت هاي مختلفي طبقه بندي مي شوند مثلا برخي از آنها تقويت کننده، برخي پرکننده و برخي ترکيبي از خاصيت پرکنندگي و تقويت کنندگي را پديد مي آورند. تقويت کننده ها داراي سفتي و استحکام بيشتري نسبت به پليمرها هستند. و معمولا اين مواد باعث افزايش مدول و استحکام پليمري مي شوند. علاوه بر خواص مکانيکي ساير خواص يک پليمر نيز تحت تأثير اين مواد افزودني هاست. در واقع فرآيندهاي اصلاح کننده ي خواص مکانيکي مي تواند بر روي ساير خواص و عملکردهاي پليمر تأثير گذارد. مثلا خواصي همچون انبساط حرارتي، ترانسپارنتي، پايداري حرارتي و... را تغيير دهد. کامپوزيت هاي مداوم از الياف و نوارهاي تقويت کننده در يک زمينه که معمولا ماده اي ترموست است، تشکيل شده است.
در اين کامپوزيت ها تقويت کننده در حالت هاي خاصي قرار مي گيرد که در صورتي که اين قرارگيري به صورت مشخصي باشد، تقويت کننده به عنوان فاز اصلي (مثلا در کامپوزيت هاي جهت دار تا 70 درصد کامپوزيت را تقويت کننده تشکيل داده است) کامپوزيت مي شود. در کامپوزيت هاي غير مداوم، عوامل تقويت کننده (الياف کوتاه يا فلس ها) در جهات مختلف و الگوهاي هندسي چندگانه قرار دارند که اين الگوها بوسيله ي فرآيند توليد و شکل دهي که معمولا قالب گيري تزريقي يا اکسترون است، تعيين مي گردد. در اين مورد، ميزان افزودني معمولا از 30-40 درصد حجمي بيشتر نمي شود. اين مسئله بايد مورد توجه قرار گيرد که به هر حال، روش توليد براي کامپوزيت هاي ترموپلاست تقويت شده با الياف مداوم به گونه اي است که مي توان درصد بالاتري از الياف را در آنها بکار برد.
در اين مقاله از واژه ي تقويت کننده براي بيان الياف کوتاه، مداوم يا نوارها استفاده نمي کنيم بلکه از واژه ي پرکننده (Filler) يا پرکننده ي ساختاري (Functional Filler) استفاده مي کنيم که منظور از آن در اغلب موارد الياف کوتاه يا بلند، فلس ها، پليت لت ها و ذرات است.

پارامترهاي موثر بر خواص کامپوزيت ها
 

عموما پارامترهاي موثر بر خواص کامپوزيت هاي پليمري – خواه مداوم خواه غير مداوم- عبارتند از:
1)خواص افزودني (خواص ذاتي، اندازه و شکل)
2)ترکيب آنها
3)ميانکنش اجزاي موجود در فاز مرز دانه. اين ميانکنش همچنين به حضور يک ميان لايه ي نازک که به فاز (inter phase) معروف است، مربوط مي شود. البته اين فاز مياني در اغلب موارد به عنوان يک فاز مجزا درنظر گرفته مي شود. اين فاز کنترل کننده ي چسبندگي ميان اجزاي کامپوزيت است.
4)روش ساخت
با توجه به روش ساخت، تمام فرآيندهاي موجود در جدول 1 که براي ترموپلاست هاي اصلاح نشده (بدون پرکننده) قابل استفاده اند براي کامپوزيت هاي غيرمداوم نيز قابل استفاده اند (به استثناء روش قالب گيري مهره اي انبساطي (expandable bead molding). علاوه بر فرم دهي گرمايي عمدتاً، استمپينگ گرم (hot stamping) صفحات ترموپلاست تقويت شده براي توليد بخش هاي نيمه ساختاري بزرگ استفاده مي شوند (اين صفحات داري الياف مداوم يا غيرمداوم است که به صورت اندوم قرار گرفته اند)

پرکننده ها همچنين در فرآيندهاي ساخت ترموست ها در جدول 1 استفاده کرد. در واقع اين فرآيندهاي توليد ترموست ها در اغلب موارد از تقويت کننده هاي فيبري مداوم بهره مي گيرد. درصد و خواص ذاتي افزودني ها به همراه ميانکنش هاي فيزيکي /شيميايي آنها با زمينه، پارامترهاي مهم کنترل کننده ي توليد مي باشند.

تأثيرات تقويت کننده/پرکننده
 

اکثر پرکننده ها به عنوان افزودني در نظر گرفته مي شوند که به دليل خصوصيات هندسي نامنظم، مساحت سطح يا ترکيب شيميايي سطح نامناسب تنها مي توانند مدول پليمرها را به طور متوسط افزايش دهند. اين در حالي است که استحکام فشاري و پيچشي آنها ثابت مانده و حتي در مواردي کاهش مي يابد. عمده ترين نقش پرکننده ها، کاهش قيمت ماده بوسيله ي جايگزيني بخشي از پليمر گران بها با اين مواد است.
مزيت هاي اقتصادي ديگر که از استفاده از پرکننده ها به دست مي آيد عبارتند از افزايش سيکل قالب گيري به خاطر افزايش هدايت حرارتي ماده و کاهش توليد قطعات تاب دار مي گردد. بسته به نوع پرکننده، ساير خواص پليمرها نيز مي تواند تحت تأثير قرار گيرد براي مثال ويسکوزيته ي مذاب پليمري مي تواند به طور قابل توجهي افزايش يابد. (اين خاصيت به دليل پديد آمدن پيوستگي حاصل از پرکننده هاي اليافي در پليمر پديد مي آيد). به عبارت ديگر انقباض پس از قالب گيري و انبساط گرمايي مي تواند کاهش يابد که اين يک اثر معمولي حاصل از اکثر پرکننده هاي غير آلي است.

واژه ي پرکننده ي تقويت کننده (reinforcing filler) براي توصيف افزودني هاي غيرمداوم استفاده مي شود. اين افزودني ها که داراي فرم، شکل و شيمي سطح خاصي هستند، به طور مناسب خواص مکانيکي پليمر را اصلاح مي کند (به خصوص استحکام آن را). پرکننده هاي تقويت کننده ي غير آلي از زمينه سفت ترند و دفورمگي کمتري دارند. اين مسئله باعث مي شود تا کرنش زمينه مخصوصا در مجاورت ذرات کاهش کلي داشته باشد. اين مسئله نتيجه اي از ميانکنش زمينه- ذرات است. همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است. فيبر پليمر را در نزديکي خود تحت تنش قرار داده، کرنش را کاهش مي دهد و سفتي را افزايش مي دهد. پرکننده هاي تقويت کننده بوسيله ي نسبت α به صورت نسبت طول بر قطر الياف يا نسبت قطر به ضخامت پليت لت و فلس تعريف مي گردد. اين نسبت ثابت است. يک پارامتر مفيد براي مشخص نمودن تأثير يک پرکننده نسبت مساحت (A) به حجم (V) آن است. هر چه اين نسبت بيشتر باشد اثر تقويت کنندگي آن بيشتر است. شکل 5 نشان مي دهد که براي حداکثر کردن نسبت A به V و ميانکنش زمينه ذرات بايد α براي الياف بسيار بزرگتر از يک باشد. در مورد پليت لت ها يک به α بايد بسيار کوچکتر از يک باشد.

در توسعه ي پرکننده هاي تقويت کننده، رسيدن به توليد يا اصلاح مواد باعث افزايش نسبت ظاهري ذرات مي شود و قابليت چسبندگي بين ذرات و زمينه ي پليمري را زياد مي کند. يک چنين اصلاحي ممکن است نه تنها باعث افزايش و بهينه سازي عملکرد اوليه ي پرکننده (مانند اصلاح خواص مکانيکي) گردد اما همچنين باعث افزايش عملکردهاي ديگر آن نيز مي گردد. با افزوده شدن پرکننده و اصلاح پليمرها بوسيله ي پرکننده هاي موجود، عملکردهاي جديد در آنها بوجود مي آيد بنابراين کاربردهاي اين پليمرهاي بهبود يافته توسعه مي يابد. در زير مثال هايي از اين موارد آورده شده است:
همانگونه که هينولد (Heinold) توضيح داده است، اولين استفاده از پرکننده ها به سرعت پس از تجاري سازي پلي اتيلن انجام شد. در آن زمان پرکننده هايي مانند پليت لت هاي تالک و الياف آزبست (پنبه نسوز) استفاده مي شده است که اين پرکننده ها تأثيرات مثبتي بر روي سفتي (stiffness) و مقاومت گرمايي پليمر دارند. پرکننده ي آزبستي به خاطر مسائل سلامتي و به دليل آنکه ماده اي سرطان زا است، بوسيله ي ذرات کلسيم کربنات و فلس هاي ميکا جايگزين گشت. اين مسأله فهميده شد که افزودن ميکا نسبت به تالک تأثير بيشتري بر روي سختي و مقاومت حرارتي داشته و ميزان اين دو پارامتر را بيشتر افزايش مي دهد. اين در حالي است که کلسيم کربنات تأثير کمتري بر روي افزايش سختي دارد اما مقاومت به ضربه ي هموپليمر پلي پروپيلن (pp) را افزايش مي دهد. اصلاح سطحي ميکا با عوامل اتصال دهنده (Coupling agents) براي افزايش چسبندگي انجام مي شود. همچنين کلسيم کربنات بوسيله ي استريت (Stearate) اصلاح مي گردد. اين اصلاح پرکننده ها کمک مي کند يکنواختي و عملکرد اين عوامل افزايش يابد و مزايايي همچون بهبود کارپذيري (مانند کنترل رنگ و کاهش زمان ايجينگ گرمايي) دارد. ساير پرکننده ها عملکردهاي مختلفي به پليمر مي دهند براي مثال برليم سولفات جذب صدا را افزايش مي دهد. ولاستونيت (wellastonite) مقاومت به ايجاد خزش را بالا مي برد. کره هاي شيشه اي جامد باعث پايداري ابعادي و افزايش سختي مي شوند. کره هاي شيشه اي توخالي دانسيته ي پليمر را کاهش مي دهند و ترکيباتي از الياف شيشه اي به همراه الياف ذره اي باعث پديد آمدن خواص ممتازي در قطعه مي شوند که بوسيله ي افزودن يک پرکننده ايجاد نمي شوند. افزودن بر مثال هايي که گفته شد، يکي ازخانواده هاي پرکننده ها که خواص جديد و ممتازي به پليمر مي دهند، رنگ دانه هاي پيرلسنت (pearleseent pigments) هستند. که بوسيله ي تکنيک پوسته- هسته ساخته شده اند. اين رنگ دانه ها از پليت لت هاي ميکا، سيليس، آلومينا يا مواد شيشه اي توليد شده اند که بوسيله ي يک فيلم از نانوذرات اکسيدي (مانند:cr2o3, Fe2o3, Tio2 پوشش داده مي شوند. (شکل 6). علاوه بر کاربردهاي تزئيني متداول، کاربردهاي جديدي همچون انعکاس دهنده هاي گرماي خورشيد، نشان گذاري ليزر بر روي پلاستيک و رسانايي الکتريکي بوسيله ي انتخاب ترکيبات مناسب از زمينه/ امکان پذير است.

منبع انگليسي مقاله : functional filler for plastics /marino xanthos.
/ن