قوانين ترکيبات براي کامپوزيت ها
 

عموما قوانين مربوط به اختلاط آميزه ها (که دراغلب موارد با توجه به نوع، شکل و جهت تقويت کننده/پرکننده اصلاح مي گردند) براي توصيف خواص مشخصي از کامپوزيت ها استفاده مي شود مثلا:
1) غلظت : غلظت معمولا در حالت حجمي بيان مي گردد. در واقع اين غلظت ها عبارتند از نسبت حجمي پرکننده Vf و نسبت حجمي Vm اين نسبت ها بوسيله ي حجم پرکننده Vf و حجم زمينه Vm اجزاي کامپوزيت به دست مي آيند. در شکل 1 فرمول هاي مربوطه ديده مي شوند.

2)کسر حجمي براي پيش بيني دانسيته ي تئوريک کامپوزيت استفاده مي شود. اين کسر حجمي براساس دانسيته ي نسبي اجزاي کامپوزيت محاسبه مي گردد. در شکل 2 فرمول مربوطه ديده مي شود.

3)قيمت کل بر واحد وزن کامپوزيت (C) : اين عدد را مي توان از کسر حجمي و قيمت هاي تک تک اجزا و قيمت اجزا بر واحد حجم کامپوزيت (Ci) محاسبه نمود (شکل 3)

پس از قراردهي قيمت ها در فرمول، قيمت کامپوزيت ممکن است بالاتر يا پايين تر از قيمت پليمر بدون پرکننده باشد. براي پلاستيک هاي ارزان قميت مورد استفاده در توليد کالا واژه ي پرکننده به ماده اي دلالت دارد که قميت را کاهش مي دهد از اين رو استفاده از پرکننده هاي معدني در اين نوع مواد مي تواند قيمت توليد را کاهش دهد. براي ترموپلاست هاي دما بالا که درمحصولات گران بها کاربرد دارند، قيمت نهايي کامپوزيت از قميت پليمر بدون پرکننده کمتر است. (مثلا پلي اتر ايميد تقويت شده با الياف شيشه اي).

پرکننده هاي کاربردي
 

طبقه بندي و انواع
 

واژه ي پرکننده واژه اي عمومي است و شامل گستره ي وسيعي از مواد است.
تنوع گسترده اي در ساختار شيميايي، شکل، حالت، اندازه و خواص ذاتي ترکيبات مورد استفاده به عنوان پرکننده وجود دارد. اين مواد آلي يا غير آلي معمولا موادي صلب هستند که در حالت جامد و مذاب در زمينه حلاليت ندارند و معمولا ساختاري دارند که بيشترين پراکنده شدن را در زمينه داشته باشند. ويژگي عمومي پرکننده ها اين است که اين مواد معمولا در غلظت هاي نسبتا بالا (بيش از 5% حجمي) استفاده مي شوند. اين در حالي است که اکثر اصلاح کننده هاي سطحي و مواد افزودني معمولا در غلظت هاي پايين مصرف مي شوند. پرکننده ها ممکن است براساس آلي يا غير آلي بودن طبقه بندي شوند. طبقه بندي هاي ديگر براي آنها براساس خانواده ي شيميايي (جدول1) يا براساس اشکال آنها و اندازه و نسبت ظاهري (جدول 2) انجام مي شود.

بيش از 70 نوع ذره ي فلس و بيش از 15 نوع فيبر طبيعي يا مصنوعي وجود دارند که به عنوان پرکننده در پليمرهاي ترموپلاست و ترموست کاربرد دارند. معمولي ترين پرکننده هاي ذره اي مورد استفاده مينرال هاي صنعتي مانند تالک، کلسيم کربنات، ميکا، کائولن، ولاستونيت، فلدسپار و هيدروکسيد آلومينيوم است. معمولي ترين پرکننده ي فيبري الياف شيشه اي و الياف طبيعي هستند. کربن بلک ساليان درازي است که به عنوان نانوپرکننده مصرف مي شود. افزودني هاي جديد به سرعت به صورت تجاري درمي آيند. از جمله ي اين پرکننده ها مي توان نانورس هايي مانند مونت موري لونيت و هيدروتالکيت و انواع متنوعي از اکسيدها و نانو اليافي مانند نانوتيوپ هاي کربن را نام برد. نانوتيوپ هاي کربني هالوسايت و صفحات گرافيتي پتانسيل استفاده شدن در نانوکامپوزيت هاي پيشرفته را دارند. (صفحات گرافيتي لايه هاي تکي از اتم هاي کربن هستند که در حالت لانه زنبوري قرار دارند همچنين نانوتيوپ هاي کربني هالوسايت نانوتيوپ هاي طبيعي هستند که بوسيله ي هوازدگي سطحي مينرال هاي آلومينوسيليکاتي بوجود مي آيند)
يک روش مرسوم در طبقه بندي افزودني هاي پلاستيک اين گونه است که پرکننده ها را براساس عملکرد ويژه ي آنها طبقه بندي مي کنند مثلا قابليت اصلاح خواص مکانيکي، الکتريکي، گرمايي، عدم آتش گرفتن، خواص توليد، نفوذ حلال يا قيمت توليد و... به هر حال پرکننده ها داراي عملکردي چندگانه اند و ممکن است چنين عملکرد يک پليمر را تحت تأثير قرار دهند. البته در اکثر موارد برخي از عملکردها به صورت افراطي افزايش مي يابند. (جدول 3)

کاربردها ، زمينه ها و چالش ها
 

تقاضاي جهاني براي پرکننده ها/ الياف تقويت کننده مانند کلسيم کربنات، آلومينيوم تري هيدرات، تالک، کائولن، ميکا، ولاستونيت، الياف شيشه، الياف آراميد، الياف کربن و کربن بلک براي صنعت پلاستيک تقريبا پانزده ميليون تن تخمين زده شده است. بازار عمده ي مصرف اين مواد صنعت ساختمان و حمل و نقل است. صنعت مبلمان، ماشين آلات، الکترونيک، بسته بندي ساير بازارهاي مصرف اين مواد هستند که به نسبت دو بازار ديگر ميزان مصرف آنها کمتر است. مدول خمشي و مقاومت گرمايي دو ويژگي بحراني براي پلاستيک هاست که بوسيله ي افزايش مينرال هاي کاربردي ايجاد مي گردد. بخش هاي بيروني خودرو، مواد ساختماني، مبلمان صحرايي و اجزاي بيروني تجهيزات مثال هايي از کاربردهايي هستند که از افزايش مدول خمشي پليمرها نفع مي برند. بخش هاي داخلي اتومبيل و بخش هاي داخلي هود آشپزخانه، اتصالات الکتريکي، اجاق هاي ماکروويو، مثال هايي از کاربردهايي هستند که نيازمند مقاومت در برابر دماهاي بالا هستند. تحت شرايط محيطي و بهبود تحمل بخش هاي اتومبيل به خاطر استفاده از کامپوزيت هاي اليافت طبيعي است. آماري که اخيرا (سال 2007) منتشر شده است نشان مي دهد که نياز ايالات متحده ي آمريکا براي پرکننده ها و مينرال هاي کمکي براي رنگرزي 3.2 ميليون تن در سال است. که ميزان اين رشد براي پرکننده هاي کنترل کننده ي آتش گرفتن مانند آلومينيوم هيدروکسيد بسيار بيشتر از اين مقدار است (5.5-7%). اين اطلاعات نشان مي دهد که بيشترين نياز در مورد کلسيم کربنات ديده مي شود و پس از کلسيم کربنات، Tio2 و آلومينيوم تري هيدرات قرار دارند.
تالک، کائولن، ميکا، ولاستونيت، سيليس، باريت و آرگانورس ها سهم بسيار کمتري از بازار را دارند.
پيشرفت هاي فني زيادي در زمينه ي توليد پرکننده ها پديد آمده است که توانسته رشد فزاينده اي در استفاده از پرکننده هاي ساختاري پديد آورد. براي مثال توليد پلاستيک هاي اصلاح شده با چوب بوسيله ي اکسترودرهاي خاص ومنافذ خروج رطوبت انجام مي شود. براي ميکا و تالک روش هاي آسياب کردن خاصي توسعه يافته است، تا خاصيت ورقه اي بودن آنها و نسبت ظاهري اين پرکننده هاي صفحه اي حفظ گردد. همچنين در مورد ساير پرکننده ها، توليد ذرات بسيار ريز بوسيله ي روش هاي آسياب کردن خاص انجام شده است. براي جلوگيري از کلوخه شدن، پراکندگي و پوسته شدن نانورس هاي کلوخه اي شده (شکل 4) مخصوصا در دماهاي بالاي مواد ترموپلاست، اصلاح کننده هاي رس استفاد مي شود. اين مواد همراه با افزودني هايي همچون مايع هاي يوني (ionic liquids) استفاده مي شود. اين مواد پايداري گرمايي بالاتري نسبت به اصلاح کننده هاي آلکيلو آمونيوم موجود دارند. علاوه بر اين ترکيبات، مذاب پليمري بوسيله ي تيغه هاي اکسترودر بهبود يافته (از لحاظ شکل) و با مساعدت نورالتراسونيک و يا استفاده از مايعات فوق بحراني، خواص بين سطحي بهتري پيدا کرده و پراکندگي و چسبندگي بهتري پيدا مي کنند و ميزان کلوخه اي شدن پرکننده ها در آنها به حداقل ممکنه مي رسد. همچنين اصلاح فرآيند و ادوات باعث مي گردد تا جهت گيري مطلوب زنجيره هاي پليمري تضمين گردد و نسبت ظاهري بالاتري به دست آيد.

تعدادي از کاربردهاي جديدي که براي کامپوزيت هاي داراي نانورس هاي کاتيوني-آنيوني، نانواکسيدها، نانوتيوپ هاي کربني و Tio2 بسيار ريز، تالک و هيدروکسي آپاتيت مصنوعي به وجود آمده عبارتست از:
1)مواد ساختاري با خواص مکانيکي، گرمايي و ممانعتي بهبود يافته
2)مواد با کارايي بالا با جذب فرابنفش بهتر و مقاومت به خراش بهتر
3)بسته بندي هاي مانع براي تخريب اکسيژن
4)پرکننده هاي چند عملکردي که مي توانند به روش کنترل شده آزاد شوند. اين پرکننده ها مي توانند خوردگي را آشکار کرده، از خوردگي جلوگيري کنند، ضد حشره باشند و به عنوان يک جزء دارويي مصرف شوند.
5)مواد بيواکتيو براي کاربردهاي مهندسي بافت
منبع انگليسي مقاله : functional filler for plastics /marino xanthos.
/ن