کامپوزیت و نانو کامپوزیت

مشخصات کتاب

سرشناسه: کریمیان، ماهان، 1384-

عنوان و نام پدیدآور: کامپوزیت و نانو کامپوزیت/گردآورندگان ماهان کریمیان، آرمان علیخانی.

مشخصات نشر: اصفهان: امیرفدک، 1397.

مشخصات ظاهری: 70 ص.

شابک: 978-622-6521-59-8

وضعیت فهرست نویسی: فیپا

موضوع: مواد چندسازه

موضوع: (Nanocomposites (Materials

موضوع: نانوچندسازه ای ها

موضوع: Composite materials

شناسه افزوده: علیخانی، آرمان، 1384-

رده بندی کنگره: TA418/9/ک37ک2 1397

رده بندی دیویی: 620/118

شماره کتابشناسی ملی: 5549233

خیراندیش دیجیتالی: کانون فرهنگی اندیشه اصفهان

ویراستار کتاب: شهناز محققیان

اشاره

سرشناسه: کریمیان، ماهان، 1384-

عنوان و نام پدیدآور: کامپوزیت و نانو کامپوزیت/گردآورندگان ماهان کریمیان، آرمان علیخانی.

مشخصات نشر: اصفهان: امیرفدک، 1397.

مشخصات ظاهری: 70 ص.

شابک: 978-622-6521-59-8

وضعیت فهرست نویسی: فیپا

موضوع: مواد چندسازه

موضوع: (Nanocomposites (Materials

موضوع: نانوچندسازه ای ها

موضوع: Composite materials

شناسه افزوده: علیخانی، آرمان، 1384-

رده بندی کنگره: TA418/9/ک37ک2 1397

رده بندی دیویی: 620/118

شماره کتابشناسی ملی: 5549233

کامپوزیت و نانوکامپوزیت

گردآورندگان:

ماهان کریمیان

دانش آموز پایه ی هشتم دبیرستان دکتر محمدشفیعی

آرمان علیخانی

دانش آموز پایه ی هشتم دبیرستان دکتر محمدشفیعی

انتشارات امیرفدک: اصفهان- خیابان هشت بهشت غربی نبش تقاطع ملک ساختمان فدک

تلفن: 32730360-031 - همراه: 09133135694کد پستی: 43151-81546Fadak.mansori@gmail.com

کامپوزیت و نانوکامپوزیت

ماهان کریمیان 84- آرمان علیخانی 84

آماده سازی: انتشارات امیرفدک

مدیر مسئول: دکتر محمدرضا محمد شفیعی

مدیر تولید: سید محمدرضا منصوری تهرانی

مدیر فنی: صالحیان - مظفری

ویراستار ادبی: جوهریان

ویراستار علمی: مظفری- نادر سلطانی- بهنام حیدری

صفحه آرا: عابدی- کاویانی

طراح جلد: کاویانی

● لیتوگرافی: طاها ● چاپ: ملت ● صحافی: ملت

● چاپ اول: 1397 ● تعداد:1000 ● قیمت: 40000 تومان

© حق چاپ: 1397، انتشارات امیر فدک

شابک: 8-59-6521-622-978 ISBN: 978-622-6521-59-8

هر گونه استفاده از مطالب این کتاب اعم از بازنویسی، خلاصه سازی، نقل مطالب آموزشی، برداشت به صورت دست نویس، کپی، تکثیر و هر گونه چاپ سنتی و دیجیتال، استفاده به صورت کتاب الکترونیکی، لوح فشرده، قرار دادن مطالب بر روی اینترنت و وبسایت ها و هر گونه شبکه ی کامپیوتری دیگر و به طور کل هر گونه استفاده ی اشخاص حقیقی و حقوقی در جهت منافع مادی و معنوی خود، بدون اجازه ی کتبی ناشر ممنوع و بر اساس بند 5 ماده ی 23 قانون حمایت از حقوق مؤلفان و مصنفان و قوانین مربوط به جرایم رایانه ای کشور قابل پیگیری در محاکم قضایی است.

تقدیم به:

پدر و مادر عزیز و مهربانم

که در سختی ها و دشواری های زندگی همواره یاوری دلسوز و فداکار

و پشتیبانی محکم و مطمئن برایم بوده اند.

ماهان کریمیان

تقدیم به:

پدر و مادرم

که از نگاهشان صلابت

از رفتارشان محبت

و از صبرشان ایستادگی را آموختم

آرمان علیخانی

پیش گفتار

در مرکز تحقیقات و فن آوری های نوین دمش سپاهان (دکتر محمد شفیعی) آموزش پژوهش محور را نهادینه کردیم، چرا که ایمان داریم گسترش مرز های علم و فن آوری در جهت پیشرفت کشور در گرو کوشش پژوهشگران است و پژوهشگر با ذهن پرسشگرش از لایه های ابر گرفته آسمان دانش می گذرد، تا به افق های جدیدی دست یابد. روح پژوهشگر، پویا و جوینده است و پوسته های جهل را شکافته، به قنات جاری علم دست می یابد و تا چشمه ی جوشان آن را بر کویر تشنه خویش جاری نسازد، آرام نمی گیرد. در مراکز پژوهش محور دکتر محمد شفیعی اعتقاد داریم؛ پژوهش هزینه نیست، سرمایه است. در اقدامات پژوهشی این مراکز پژوهشی، پژوهشگران کوچک ما تلاش می کنند وضعیت نامطلوب را به وضعیت مطلوب تغییر دهند و یاد می گیرند درست توجه کنند و بدان چه که آموخته اند عمل کنند.

دانش آموزان پژوهنده ی ما می فهمند که هیچ گاه شکست در مسیر کسب دانش وجود ندارد، لذا از ناملایمات علمی و بن بست های مقطعی هراسی نداشته و راه غلبه بر سد های مجازی پیش روی کسب دانش و ارتقای علمی را خوب یاد بگیرند. علاوه براین اصول و مبنای کار گروهی را فرا گرفته تا بتوانند بر اساس خرد جمعی کار کنند. با بیش از 25 سال سابقه آموزشی - پژوهشی و مدیریتی دریافته ایم که پژوهش و تحقیق مثل حروف الفبا باید از سال های نخست آموزش شروع شده و نهادینه شود، و این امر مهم را در طرح آموزش پژوهش محور انجام داده و به نتایج شگرفی دست یافته ایم و با علم به این که می دانستیم دانش آموزان در مقاطع پایین تر توانایی های بزرگی دارند و در عمل تجربه نمودیم و نهادینه کردیم و مصمم هستیم که این امر مهم در کل کشور اجرایی شود. ان شا ا...

محمد رضا محمد شفیعی

مدیر مجتمع فرهنگی آموزشی تحقیقاتی دکتر محمد شفیعی

فهرست مطالب

فصل اول...8

کامپوزیت و نانوکامپوزیت ها...9

طبقه بندی نانوکامپوزیت ها...11

نانوکامپوزیت و فردا...16

کامپوزیت دندان...25

تولید نانوکامپوزیت پلیمری دوکاره برای تصویربرداری MRI و درمان سرطان...31

خودروسازی...37

فصل دوم...39

تعریف کامپوزیت یا ماده مرکب...40

مراحل طراحی کامپوزیت ها...40

کامپوزیت های تقویت شده توسط ذرات...41

انواع نانوکامپوزیت...42

مشخصات ابعادی ورق های...43

فایبرگلاس...44

سختی کامپوزیت های تک جهته...45

سه مرحله از تنش روی کامپوزیت ها...45

فصل سوم...49

فرایند تصفیه آب با غشای نانوکامپوزیت...50

حذف آلاینده های نفتی از محلول آبی...56

رفع آلودگی محیط زیست با نانوذرات فلز آهن...58

منابع...59

فصل اول: تعریف کامپوزیت ها و نانوکامپوزیت ها

اشاره

تصویر

کامپوزیت و نانوکامپوزیت ها

کامپوزیت ترکیبی است که از لحاظ ماکروسکوپی از چند ماده متمایز ساخته شده باشد، به طوری که این اجزا به آسانی از یکدیگر قابل تشخیص باشند. به طور نمونه، یکی از کامپوزیت های آشنا بتن است که از دو جز سیمان و ماسه ساخته شده است. برای ایجاد تغییر و بهینه کردن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، آن ها را ترکیب یا کامپوزیت می کنیم.

تصویر

به طور مثال پلی اتیلن (PE) که در ساخت چمن های مصنوعی از آن استفاده می گردد، رنگ پذیر نیست و به همین سبب رنگ این چمن ها اغلب مات است. برای برطرف نمودن این نقص به آن وینیل استات می افزایند، تا خواص پلاستیکی، نرمیت و رنگ پذیری آن اصلاح شود. در واقع، هدف از ایجاد کامپوزیت، به دست آوردن ماده ای ترکیبی با خواص مورد انتظار می باشد. نانوکامپوزیت نیز همان کامپوزیت است که یک یا چند جز از آن ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد.

تصویر

نانوکامپوزیت ها از دو فاز تشکیل شده اند. فاز اول یک ساختار بلوری است، که در واقع پایه یا ماتریس نانوکامپوزیت محسوب می شود و ممکن است، از جنس پلیمر، فلز یا سرامیک باشد. فاز دوم نیز ذراتی در مقیاس نانومتر می باشند که به عنوان تقویت کننده مواد پرکننده (Filler) به منظور اهداف خاص از قبیل استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی و خواص مغناطیسی در درون فاز اول (ماده پایه) توزیع می شوند.

تصویر

ساختار بلوری

تصویر

ذرات در مقیاس نانومتر

بحث نانومواد و نانوکامپوزیت ها از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند. حضور ذرات و الیاف در ساختار نانوکامپوزیت ها معمولا باعث ایجاد استحکام در ماده ی پایه می شود. در واقع هنگامی که ذرات یا الیاف درون یک ماده ی پایه توزیع شوند، نیروهای اعمال شده به کامپوزیت به طور یکنواختی به ذرات یا الیاف منتقل می شود. با توزیع مواد

پرکننده درون ماده پایه خصوصیاتی نظیر استحکام، سختی، خواص تربیولوژیکی و تخلخل تغییر می کند. ماده ی پایه می تواند ذرات را به گونه ای از هم جدا نگه دارد که رشد ترک به تاخیر افتد. به علاوه اجزا نانوکامپوزیت ها بر اثر برهمکنش سطحی بین ماده ی پایه و مواد پرکننده، از خواص بهتری برخوردار می شوند. نوع و میزان برهمکنش ها نقش مهمی در خواص مختلف نانوکامپوزیت ها همچون حلالیت، خواص نوری، خواص الکتریکی و مکانیکی آن ها دارد.

تصویر

طبقه بندی نانوکامپوزیت ها

اشاره

انواع نانوکامپوزیت را می توان بر اساس ماده پایه آن ها به شرح زیر طبقه بندی کرد.

نانوکامپوزیت های پایه پلیمری (PMNCs)

تصویر

نانوکامپوزیت های پایه سرامیکی (CMNCs)

تصویر

نانوکامپوزیت های پایه فلزی (MMNCs)

تصویر

در ادامه به بررسی خواص و کاربرد هریک از این نانوکامپوزیت ها پرداخته می شود.

تصویر

نانوکامپوزیت های پایه پلیمری

در بین نانوکامپوزیت ها بیشترین توجه به نانوکامپوزیت های پایه پلیمری معطوف است. یکی از دلایل گسترش نانوکامپوزیت های پلیمری، خواص بی نظیر مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی آن است. نانوکامپوزیت های پلیمری عموما دارای استحکام بالا، وزن کم، پایداری حرارتی بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت شیمیایی بالایی هستند. تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی و معدنی بسیار مرسوم می باشد. بر خلاف تقویت کننده های مرسوم که در مقیاس میکرون می باشند، در نانوکامپوزیت ها تقویت کننده ها ذراتی در ابعاد نانومتر می باشند. با افزودن درصد کمی از نانوذرات به یک پلیمر خالص، استحکام کششی، استحکام تسلیم و مدولیانگ افزایش چشمگیری می یابد. به عنوان مثال، با افزودن تنها 0/04 درصد حجمی میکا (یک نوع سیلیکات) با ابعاد 50 نانومتر به اپوکسی(Epoxy)، مدولیانگ این ماده 58 درصد افزایش خواهد یافت.

تصویر

دلیل دوم توسعه نانوکامپوزیت های پایه پلیمری و افزایش تحقیقات در این زمینه، کشف نانولوله های کربنی در سال 1991 میلادی است. استحکام و خواص الکتریکی نانولوله های کربنی به طور قابل ملاحظه ای با نانولایه های گرافیت و دیگر مواد پرکننده تفاوت دارد. نانولوله های کربنی موجب رسانایی و استحکام فوق العاده ای در پلیمرها می شوند، به طوری که کاربردهای حیرت انگیزی همچون آسانسور فضایی را برای آن می توان متصور شد. از نظر نظامی نیز فراهم کردن هدایت الکتریکی در پلیمرها فرصت های انقلابی را به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوسته های الکتریکی مغناطیسی گرفته تا کامپوزیت های رسانای گرما و لباس های سربازان آینده این دسته از کامپوزیت ها به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند به طور

گسترده ای در صنایع خودرو، هوا فضا و بسته بندی مواد غذایی گسترش یافته اند. از دیگر کاربردهای نانوکامپوزیت های پلیمری پوشش های مقاوم به سایش، پوشش های مقاوم به خوردگی، پلاستیک های رسانا و حسگرها می باشند. به عنوان مثال می توان به نوعی غشا نانوکامپوزیتی ساخته شده از یک نوع پلیمر و نانولایه های سیلیکا اشاره کرد که توسط محققان دانشگاه کارولینای شمالی ساخته شده است. این غشا توانایی فوق العاده ای در جداسازی مولکول های آلی از گازها دارد.

تصویر

نانوکامپوزیت های پایه سرامیکی

به موادی که (معمولا جامد) بخش عمده ی تشکیل دهنده آن ها غیرفلزی و غیرآلی باشد، سرامیک گفته می شود. سرامیک ها خواص بسیار خوبی نظیر مقاومت حرارتی بالا، پایداری شیمیایی خوب و استحکام مکانیکی مناسبی دارند، اما به دلیل پیوندهای یونی و کووالانس موجود در سرامیک ها چقرمگی شکست آن ها پایین است و تغییر شکل پلاستیک این مواد محدود می باشد. به منظور رفع این مشکل با اضافه کردن و جداسازی الیاف و ذرات مناسب، می توان چقرمگی شکست را بالا برد. اگر این تقویت کننده ها ابعاد نانومتری داشته باشند بالاترین چقرمگی شکست به دست می آید.

تصویر

به طور مثال در شکل بالا نانوکامپوزیت نیترید سیلیسیم حاوی نانولوله های کربنی چند دیواره، نشان داده شده است. برای ساخت این نانوکامپوزیت از پرس ایزواستاتیک گرم استفاده می شود. از خواص مکانیکی قابل توجه این نانوکامپوزیت ها می توان به استحکام خمشی و مدول الاستیک قابل توجه آن ها اشاره کرد.

تصویر

نانوکامپوزیت های پایه فلزی

کامپوزیت های پایه فلزی، کم وزن و سبک بوده و به علت استحکام و سختی بالا کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو و هوا فضا پیدا کرده اند. اما این کاربردها به لحاظ کم بودن قابلیت کشش در این کامپوزیت ها محدود شده است. تبدیل کامپوزیت به نانوکامپوزیت سبب افزایش استحکام و رفع محدودیت های مذکور می شود. نانوکامپوزیت های پایه فلزی اصولا مشابه روش های متالوژی پودر تولید می شوند. این نانوکامپوزیته ا کاربردهای متفاوتی دارند خصوصا نانوکامپوزیت های پایه منیزیم که در سال های اخیر به دلیل چگالی کم، استحکام بالا، مقاومت به خزش

بالا و پایداری حرارتی مناسب، گسترش چشمگیری داشته اند. نانوکامپوزیت های پایه منیزیم کاربردهای گسترده ای در صنایع هوایی و خودروسازی دارند. نانوکامپوزیت های پایه فلزی حاوی نانولوله های کربنی نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند. نانولوله ها می توانند سبب افزایش و بهبود خواصی نظیر رسانایی، استحکام و مقاومت در فلزات شوند.

تصویر

نانوکامپوزیت و فردا

اشاره

مهمترین تاثیر نانوکامپوزیت ها در آینده از طریق کاهش وزن خواهد بود. اخیرا کامپوزیت های نانوذره سیلیکاتی به بازار خودروها وارد شده اند. در سال 2001 هم جنرال موتور و هم تویوتا شروع تولید محصول با این مواد را اعلام کردند. مزیت این مواد استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه جویی در سوخت را نیز به همراه خواهد داشت. علاوه بر این نانوکامپوزیت ها به صنعت بسته بندی مواد غذایی نیز راه یافته اند، تا سدی بزرگ تر در برابر نفوذ گازها و کاهش فساد باشند. محققان معتقدند که افزودن دو درصد نانوذره رس به بسته بندی، 75 درصد تبادل اکسیژن به دی اکسیدکربن را کاهش می دهد که این امر به افزایش طول مدت نگهداری مواد غذایی کمک می کند. در مورد ضدباکتری هایی نظیر نانوذرات نقره، این نانوذرات از رشد عوامل زنده فاسد کننده مواد غذایی مانند باکتری ها و قارچ ها جلوگیری می کنند. خواص تعویق آتش گیری نانوکامپوزیت های حاوی نانوذرات سیلیکا، می تواند به خوبی در سرویس خواب، پرده ها و محصولاتی از این دست مصرف شود.

تصویر

پژوهشگران قصد دارند نوع جدیدی از بتن تقویت شده با الیاف را با قابلیت خمش برای بازسازی پلی در میشیگان به کار گیرند. در برخی از نانوکامپوزیت های پلیمری از پلیمرهای زیست تخریب پذیر و زیست سازگار برای استفاده در مصارف پزشکی نیز استفاده می شود. این بتن جدید از نظر ظاهری مشابه بتن معمولی است، ولی پژوهشگران ادعا می کنند که در برابر ترک 500 برابر مقاوم تر و از نظر وزنی40 درصد سبک تر است.

تصویر

کارایی این بتن تاحدی به دلیل وجود الیاف (حدود 2 درصد) است. ضمن این که مواد به کار رفته در خود بتن نیز به گونه ای طراحی شده است، که بتن بیشترین انعطاف پذیری را داشته باشد. به گفته پروفسور ویکتور لی که گروهش روی این کامپوزیت سیمانی مهندسی ECC کار می کنند، فناوری کامپوزیت سیمانی پیشازاین در پروژه هایی در ژاپن، کره، سوییس و استرالیا به کار گرفته شده ولی با وجود این که بتنهای معمولی دارای مشکلات زیادی از جمله نداشتن دوام و تحمل، شکست تحت بارهای شدید و گرانی تعمیر و ترمیم هستند، این فناوری با شرایط ایالات متحده

تطابق نسبتا کمی داشته است. پروفسور لی عقیده دارد که این کامپوزیت بسیاری از این مشکلات را حل خواهد کرد. به گفته وی این بتن نرم با قابلیت خم شدن عمدتا از همان اجزای بتن معمولی منهای ذرات درشت ساخته می شود. از نظر ظاهری نیز این ماده همانند بتن معمولی است، ولی در کنش های زیاد، به علت وجود شبکه ای از الیاف با پوشش ویژه، انعطاف پذیری حاصله از تردی و شکست آن جلوگیری می کند. بتن تقویت شده با الیاف، ماده جدیدی نیست ولی به عقیده پروفسور لی این کامپوزیت سیمانی که سال ها روی آن کار شده است نسبت به سایر بتنهای تقویت شده با الیاف امروزی متفاوت است و برتری های فراوانی دارد.

تصویر

به گفته وی، نکته کلیدی این است که EC یک کامپوزیت مهندسی است، یعنی علاوه بر تقویت بتن با الیافی که به عنوان لیگامان عمل کرده و استحکام بتن را فراهم می کنند، دانشمندان اجزای خود بتن را هم طوری طراحی کرده اند که انعطاف پذیرتر باشند. به گفته ویکتور لی الیاف مورد استفاده، پلیمری از جنس پلی وینیل کلراید هستند. این الیاف دارای پوشش سطحی با ضخامت نانومتری برای تنظیم اتصال مشترک بین الیاف و زمینه سیمانی است، که به طور ویژه برای ECC طراحی شده است. گروه حمل و نقل دانشگاه میشیگان، از ECC برای تعمیر بخشی از یک پل استفاده کرد. تختال ECC جایگزین اتصال انبساطی شده و به تختال های بتنی مجاور متصل می شود تا یک سطح پیوسته به دست آید. اتصال انبساطی بخشی از پل با دندانه های فولادی درهم قفل شونده است، که اجازه می دهد سطح بتنی پل در اثر تغییرات حرارتی حرکت کند.

تصویر

مشکل اصلی هنگامی رخ می دهد که این اتصالات گیر کنند. دانشمندان انتظار دارند با استفاده از ECC صرفه جویی های قابل توجهی به دست آید. در حال حاضر تامین کنندگان ایالتی آموزش می بینند تا بتوانند بتن ECC را تولید کنند. انتظار می رود ECC بعضی از مشکلات دوام سطح پل ها همانند ترک های زودرس را حل کند.

تصویر

پژوهشگران امیدوارند ECC به خوبی کارکند و با تولید انبوه، قیمت آن نیز کاهش یابد بررسی کارایی درازمدت ECC از اکتبر 2002 با ترمیم بخشی از پل کرتیس رد شروع شده است. وصله ترمیمی به کار گرفته شده که سه زمستان، چرخه های یخ زدن و آب شدن را تجربه کرده است، از وصله های بتنی معمولی که یک روز جلوتر در مجاورت ECC به کار گرفته شده اند، کنترل ترک بهتری داشته است. در نظر است، تا در پیاده رو و مسیر دوچرخه سواری ساحل دریاچه مونونا Monona نیز از ECC استفاده شود. حسگرهایی را در مسیر ECC قرار خواهند داد تا کارایی این ماده را تحت بارهای محیطی ثبت و کنترل کنند. پل جدید میهارا در هوکایدوی ژاپن دارای سطحی نازک 5 سانتیمتر از جنس ECC است. این پل 40 درصد سبک تر از پل بتنی معمولی است و

انتظار می رود عمر کاری آن حدود 100 سال باشد.

تصویر

آیا این ماده در اروپا نیز به کار گرفته خواهد شد؟ سازمان همکاری (OEDC) در حال بررسی ECC برای روکش کردن پیاده روها در اروپا است. یک گروه دانمارکی DTU نیز برای ساخت کف پل های کامپوزیتی اقدام نموده است.

تصویر

ECC می تواند در پل ها، ساختمان ها، ترمیم های سازهای، ساخت عناصر معماری، خطوط لوله و پیاده روها به کار گرفته شود. اگرچه هنوز بررسی های دراز مدت لازم است، تا کارایی این ماده به طور کامل مشخص شود، ولی مطالعات مقایسه ای انجام شده به وسیله پژوهشگران نشان می دهد که کار روی کف یک پل ECC پس از 60 سال، 37 درصد ارزانتر است، 40 درصد انرژی کمتری مصرف می کند و 39 درصد دی اکسیدکربن کمتری تولید می کند. یافته های این مطالعه بر این فرض بنا شده اند، که ECC دو برابر بتن معمولی عمر می کند. کامپوزیت های سبک وزن و تجهیزات الکترونیکی کوچک تر و سبک تر در ماهواره های فضایی، هدف پژوهشگران در تولید نانوکامپوزیت ها در آینده است.

تصویر

نانوکامپوزیت تحول بزرگ در مقیاس کوچک

مواد و توسعه آن ها از پایه های تمدن به شمار می روند. به طوری که دوره های تاریخی را با مواد نامگذاری کرده اند، (عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سیلیکون و عصر کربن). ما اکنون در عصر کربن به سر می بریم. عصر جدید با شناخت یک ماد هی جدید به وجود نمی آید، بلکه با بهینه کردن و ترکیب چند ماده می توان پا در عصر نوین گذاشت. دنیای نانومواد، فرصتی استثنایی برای انقلاب در مواد کامپوزیتی است.

تصویر

کامپوزیت ها

به ماده ای اطلاق می شود که از دو یا چند جز تشکیل شده است، به طوری که این اجزا در مقیاس ماکروسکوپی با هم خصوصیتی را ایجاد کنند که به تنهایی در هیچ یک از آن اجزا موجود نباشد. در صورتی که حداقل ابعاد یکی از اجزا تشکیل دهنده در

مقیاس نانومتری قرار گیرد به چنین ماده ای نانوکامپوزیت گفته می شود. مشابه مواد کامپوزیتی نانوکامپوزیت ها نیز بر حسب جنس زمینه به سه گروه نانوکامپوزیت های زمینه فلزی، زمینه سرامیکی و زمینه پلیمری دسته بندی می شوند.

تصویر

از خصوصیات متنوع نانوکامپوزیت ها می توان به بالا بودن نسبت سطح به حجم، انعطاف پذیری بالا بدون کاهش استحکام و مقاومت در برابر خراشیدگی و همچنین خواص نوری مطلوب مانند شفافیت که به اندازه ذرات بستگی دارد اشاره نمود. از منظر ساختاری ذرات و الیاف معمولاً باعث ایجاد استحکام در بستر می شود و بستر پلیمری می تواند با چسبیدن به مواد معدنی نیروهای اعمال شده به کامپوزیت را به نحو یکنواختی به ماده تقویت کننده منتقل می کند. در این حالت خصوصیاتی چون سختی شفافیت و تخلخل بستر کامپوزیت تغییر می کند. بستر پلیمری همچنین می تواند سطح تقویت کننده را از آسیب ها حفظ کند. طبیعت و درجه این تعاملات نقشی محوری بر خصوصیات مختلف نانوکامپوزیت همچون حلالیت خواص نوری، جنبه های الکتریکی مکانیکی و غیره دارد.

تصویر

نانوکامپوزیت های نانوذره ای

در این کامپوزیت ها از نانوذراتی همچون (خاک رس و فلزات) به عنوان تقویت کننده استفاده می شود. برای مثال، در نانوکامپوزیت های پلیمری از مقادیر کمی (کمتر از 10درصد وزنی) ذرات نانومتری استفاده می شود. این ذرات علاوه بر افزایش استحکام پلیمرها، وزن آن ها را نیز کاهش می دهند. مهم ترین کامپوزیت های نانوذره ای، سبک ترین آن ها هستند.

تصویر

نانوکامپوزیت های نانولول های کربنی

اتصال پلیمرها به نانو لوله باعث افزایش حلالیت نانولوله ها و در نتیجه گسترش کاربرد آن ها می شود، علاوه بر آن خواص فیزیکی پلیمر ازقبیل استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی آن با اتصال به نانولوله بهبود می یابد و در نتیجه می توان با این روش نانوکامپوزیت هایی با ویژگی های قابل کنترل و مناسب کاربرد خاص آن تولید نمود.

تصویر

کامپوزیت های دارای ذرات ریز

این نوع کامپوزیت ها ذراتی از عنصر یا ترکیبی غیر از عنصر یا ترکیب فاز زمینه هستند. ذرات فاز تقویت کننده می تواند به صورت غیر یکنواخت در مرز دانه ها یا تقریبا یکنواخت در تمامی زمینه پراکنده و توزیع شود. به این صورت توزیع ذرات ماده تقویت کننده در ماده زمینه می تواند به گونه ای باشد که خواص ایجاد شده به صورت همسانگرد و یا ناهمسان گرد باشد. توزیع غیریکنواخت و جهت دار ماده تقویت کننده در کامپوزیت ها اهمیت صنعتی ویژه ای دارد.

تصویر

تصویر

کامپوزیت های لایه ای

کامپوزیت های لایه ای از لایه های با مواد مختلف ساخته می شوند. کامپوزیت های لایه ای برای بهبود استحکام مقاومت سایشی، مقاومت در مقابل خوردگی و کاهش وزن طراحی می شوند. کامپوزیت های لایه ای از لحاظ خواص مکانیکی و فیزیکی بسیار ناهمسان گرد هستند.

تصویر

اما بسیاری از خواص مهم مانند خوردگی و مقاومت سایشی عمدتا فقط به خواص یکی از اجزای کامپوزیت بستگی دارد به طوری که نمی توان از روابط فوق برای آن ها استقاده کرد.

تصویر

کامپوزیت دندان

اشاره

یکی از موادی که امروزه در دنیای دندانپزشکی بسیار پر کاربرد است، کامپوزیت ها هستند. کامپوزیت دندان به موادی خمیر مانند می گویند که پزشک با استفاده از آن دندان را ترمیم می کند. داشتن دندان های زیبا تاثیر فوق العاده ای در چهره ما دارد و لبخند زیبای ما سبب جذابیت چهره مان می شود. امروزه بسیاری از افراد برای

زیباتر شدن یکدست شدن رنگ و فرم دندان هایشان از کامپوزیت دندان استفاده می کنند.

تصویر

کامپوزیت دندان از روش های درمانی بدون عوارض جانبی برای زیبایی لبخند است و دندانپزشک می تواند با استفاده از این روش دندان های پوسیده، شکسته، ترک خورده یا سیاه شده ترمیم می کند و زیباسازی دندان ها را برای فرد تامین می نماید.

تصویر

کامپوزیت ونیر دندان

امروزه نوعی از این کامپوزیت دندانی به نام کامپوزیت ونیر وجود دارد، که کاربرد زیبایی آن فراوان است و اکثرا برای قسمت جلویی دندان های که دچار فاصله شده اند یا دچار لب پریدگی شده اند به کار می رود و چهره افراد با این ابزار زیبایی، تغییر قابل ملاحظه ای می کند.

تصویر

اجزای کامپوزیت از ترکیب ذرات فیلر به وجود آمده و دارای مقاومت بالایی است. کامپوزیت ونیر از ترکیبی خمیری مانند تشکیل شده که با امواج نوری با طول موج خاص سفت می شوند و ظاهری زیبا به فرد می بخشند. استفاده از نسل جدید کامپوزیت های زیبایی به دلیل این که استحکام بالایی دارند، فاقد تخلخل بوده و بسیار عالی پولیش می شوند، افزایش یافته است. ونیرها ساخته شده، از مواد همرنگ دندان هستند، که رنگ دندان های تغییر رنگ یافته را اصلاح می کنند و ایرادهای دندان را برطرف می کنند.

تصویر

بهترین زمان استفاده از کامپوزیت دندان

همان طور که گفتیم از کامپوزیت دندان برای ترمیم پوسیدگی های دندانی و یک دست شدن رنگ و فرم دندان ها استفاده می کنند.

تصویر

منع استفاده از کامپوزیت دندان

اگر انجام کامپوزیت از نظر اکلوژن (طرز قرار گرفتن دو فک و دندان برروی یکدیگر) برای فرد صلاح نباشد روش ارتودنسی به او پیشنهاد می شود.

تصویر

بهره گیری از کامپوزیت برای زیبایی

برخی مواقع امکان دارد که ما نتوانیم به خوبی از دندان هایمان مراقبت کنیم و باعث از بین رفتن زیبایی دندان های خود می شویم به گونه ای که رنگ و فرم دندان هایمان تغییر کند، در این گونه موارد پزشک با روش کامپوزیت ایرادهای دندانی را برطرف می سازد و رنگ دندان، اندازه و فاصله نامناسب آن ها را درست می کند و در کل زیباسازی دندان ها را برای فرد تامین می کند.

تصویر

بهترین مارک کامپوزیت دندان

بهترین برند کامپوزیت به ترتیب کامپوزیت ایویکولارای پیاس، کامپوزیت کازمادنت و اولترادنت می باشند و بهترین دیسک های پرداخت و پالیش که در استحکام و رنگ پذیری دندان بسیار پراهمیت هستند، دیسک کازمادنت در رنگ های مختلف و بیسکو است.

دوام کامپوزیت های دندان

دوام و ماندگاری کامپوزیت های دندان بالا است، اما احتیاج به مراقبت های لازم دارد و فرد باید موارد بهداشتی و نیز اصول تغذیه ای را رعایت کند تا عمر کامپوزی تها را به بیشاز 10 سال برساند.

معایب کامپوزیت دندان

در کامپوزیت دندان اگر دندان ها تراشیده شوند مینای دندان آسیب می بیند پس بهتر است سلامت دندان هایمان را به زیبایی دندان هایمان ترجیح دهیم.

تصویر

از اصلی ترین عوارض کامپوزیت دندان تورم و آسیب لثه است، که در هنگامی اتفاق می افتد که کامپوزیت خوب برروی دندان قرار نگیرد.

تصویر

آیا کامپوزیت دندان درد دارد؟

این روش معمولا بدون ناراحتی انجام می شود و دندانپزشک ابتدا یک ژل بی حسی را در ناحیه تزریق اعمال می کند تا شما سوزن را احساس نکنید.

تصویر

مراحل کامپوزیت دندان

برای روکش ونیر کامپوزیت، دندانپزشک ابتدا دندان ها را تمیز می کند و آن ها را جرم گیری می نماید تا سطحی تمیز برای کار گذاشتن روکش ونیر داشته باشد؛ سپس دندان ها را خشک کرده و از هر گونه رطوبت یا بزاق پاک می کند تا عملکرد مواد باندینگ مختل نشود.

تصویر

بعد سطح جلوی دندان ها به وسیله مواد اسیدی متخلخل می شود تا به چسبیدن ونیر کامپوزیت به سطح دندان کمک کند و در آخر مواد باندینگ مخصوص (چسب) را بر روی سطح دندان زده می شود و مواد کامپوزیت روی دندان قرار می گیرد. نتیجه به دست آمده بستگی به تجربه دندانپزشک و توانایی های او دارد.

تصویر

هزینه کامپوزیت و ونیر

هزینه کامپوزیت و ونیر بستگی به کیفیت مواد مورد استفاده، تجربه و مهارت دندانپزشک و میزان ضخامت دارند.

تصویر

تولید نانوکامپوزیت پلیمری دوکاره برای تصویربرداری MRI و درمان سرطان

محققان دانشگاه صنعتی اصفهان در تحقیقات آزمایشگاهی خود نوعی نانوذره کامپوزیتی پلیمری دوکاره تولید کردند، که استفاده از آن در تصویربرداری MRI موجب افزایش وضوح این تصاویر می شود، ضمن آن که در درمان سرطان نیز به کار می رود.

تصویر

MR یا Magnetic Resonance Imaging تصویربرداری تشدید مغناطیسی و یکی از بهترین روش های تشخیصی در دنیای پزشکی است، که بدون تابش پرتو ایکس، تصاویر دقیق و واضحی از بافت های مختلف بدن ارائه می دهد.

تصویر

امواج مورد استفاده در تصویربرداری MRI از جنس امواج رادیویی و مغناطیسی هستند که ضرری برای بدن ندارند و بیمار دردی را متحمل نمی شود، ولی موضوع دریافت تصاویر با وضوح بالا در این تصویربرداری مطرح است که در این راستا محققان دانشگاه صنعتی اصفهان مطالعاتی را اجرایی کردند.

تصویر

این نانوکامپوزیت می تواند در آینده به عنوان یک عامل کنتراست در تصویربرداری MRI مطرح شود. نانوذرات سنتز شده در این پژوهش کارایی بالایی به عنوان یک عامل کنتراست در تصاویر MRI از خود به نمایش می گذارند و تصاویر واضح تری را می توان از تصویربرداری MRI دریافت کرد.

تصویر

به علاوه این نانو ذرات این قابلیت را دارند که با استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی به یک مکان هدف هدایت شوند. از این رو دوز کمتری از عامل کنتراست به بدن بیمار تزریق می شود و اثرات جانبی ناشی از تزریق نیز کاهش خواهد یافت.

تصویر

در خصوص مزایای استفاده از نانوذرات اکسید آهن مغناطیسی خاطر نشان می کنیم در مقایسه با عوامل کنتراست پارامغناطیس متداول که بر پایه کمپلکس های گادولینیم هستند، نانوذرات اکسید آهن سوپر پارامغناطیس به ویژه مگنتیت، مغناطیس عالی و زمان گردش طولانی تری دارند.

تصویر

این عوامل نانویی برتری هایی از لحاظ زیست سازگاری، جذب انتخابی، رهایش هدفمند و حذف از بدن را دارند که به طور نسبتا آسانی با تغییر اندازه و ماهیت پوشش نانوذرات قابل تنظیم بوده و این پارامترها برای کاربردهای پزشکی درون تنی بسیار مهم هستند.

یکی از ویژگی های بسیار بارز و جذاب نانوذرات سوپر پارامغناطیس اکسید آهن این است، که می توان آن ها را به آسانی با مولکول های آلی و عامل دار ترکیب کرد ویژگی های جدیدی را برای نانوذره ایجاد کرد.

تصویر

در تحقیقی که محققان انجام دادند نانوذرات فریتی با اندازه 14 نانومتر به روش هیدروترمال، سنتز کردند و پس از آن به منظور بهبود ویژگی های کلوئیدی ذرات در pH فیزیولوژیکی، ذرات با سه نوع پلیمر زیست سازگار پلی اتیلن گلیکول، دکستران و کیتوسان پوشش دادند.

تصویر

پلی اتیلن

تصویر

گلایکون

تصویر

دکستران

تصویر

کیتوسان

دو روش مختلف برای پوشش دهی استفاده شد که یکی براساس پیوند آمیدی و دیگری بر اساس کپسوله کردن است، سپس از روش های مشخصه یابی به منظور تائید ساختار به دست آمده استفاده و در نهایت آزمون های مربوط به زیست سازگاری

نانوذرات مغناطیسی پوشش داده شده، در شرایط برون تنی انجام شد.

تصویر

نانوذرات مغناطیسی دارای پوشش دکستران و کیتوسان در حضور میدان مغناطیسی متناوب، اثرات گرمایی قابل توجهی نشان دادند که آن ها را برای کاربردهای زیست پزشکی مانند فراگرمایی مغناطیسی در درمان سرطان مفید می سازد.

تصویر

نانوذرات کامپوزیتی تولید شده هم برای افزایش وضوح تصاویر MRI کاربرد دارد و هم از آن می توان در جهت درمان سرطان نیز بهره برداری کرد. سمیت سلولی این نانوذرات هم اکنون در دست بررسی است، که در صورت مطلوب بودن نتایج، تجاری سازی آن ها دور از دسترس نخواهد بود.

تصویر

تصویر

خودروسازی

می توان گفت صنعت خودروسازی، پیشرو در استفاده از نانوکامپوزیت های پلیمری می باشد. تقریبا 80 درصد از نانوکامپوزیت های پلیمری در صنعت های خودروسازی، هوافضا و بسته بندی مورد استفاده قرار می گیرند که این به دلیل کاهش وزن قطعات و به نوبه ی خود، کاهش مصرف انرژی می باشد. همچنین قطعات نانوکامپوزیتی از سختی و استحکام لازم برخوردار بوده و پایداری حرارتی بالاتری نسبت به نمونه های مشابه فلزی دارند. بخش های کامپوزیت پلیمری، قابلیت رنگ پذیری در کنار سایر بخش های بدنه ی اتومبیل را دارند و فرایندهای مورد استفاده برای مواد فلزی را برای آن ها نیز می توان به کار برد.

تصویر

اولین محصول تجاری از نانوکامپوزیت های پلیمری، در صنعت خودروسازی به عنوان پوشش یک تسمه در موتور با آمیختن تنها 4 درصد وزنی نانوسیلیکات با یک ماتریس پلی آمید6 با سختی و پایداری حرارتی اصلاح شده در محصول، مورد استفاده قرار گرفت. پس از آن، کاربردهای دیگر نانوکامپوزیت ها برای صنعت خودروسازی و سایر صنایع، به خصوص نانوکامپوزیت های با پایه ی ترموپلاستیک گسترش یافته است. در

دهه ی گذشته، شرکت های General Motors و Montell نانوکامپوزیت های ترموپلاستیک الفینی (TPO) را عرضه داشته اند که با کاهش وزن و بهبود مقاومت ضربه در دماهای پایین همراه بوده و برای قطعات داخلی و خارجی خودرو مورد استفاده قرار می گیرد. شرکت Ashland Specialty Chemical ، از نانوخاکرس (nanoclay) به عنوان افزودنی برای سفت کردن رزین مورد استفاده در آمیزه قالب گیری ورق های (SMC) در عین حفظ خواص فیزیکی آن ها، استفاده کرده است.

در صنعت بسته بندی، خواص حفاظتی و عبور ناپذیری بالای نانوخاکرس ها در برابر اکسیژن و دی اکسیدکربن، برای تولید بطری های PET چند لایه و بسته بندی غذاها و نوشیدنی ها مورد استفاده قرار گرفته است. محصولات تجاری در اروپا و آمریکا مثل بطری های نوشیدنی های گازدار و ظرف های مخصوص گوشت و پنیر، از تکنولوژی نانوکامپوزیت ها برای افزایش انعطاف پذیری در بسته بندی و افزایش مقاومت پارگی و سوراخ شدن و همچنین کنترل رطوبت بهره گرفته اند. همچنین به کارگیری نانوکامپوزیت ها برای بسته بندی، عمر نگهداری مواد را نیز افزایش می دهد شرکت Nanocor تولید کننده ی پلاستیک، Imperm را که یک نوع نانوکامپوزیت نایلون/خاکرس می باشد، تولید می کند. به کارگیری 5٪ Imperm در بطری های آبجو از جنس PET، عمر نگهداری را تا شش ماه افزایش می دهد و منجر به از دست دادن کمتر از 10٪ دی اکسیدکربن می گردد.

فصل دوم: دسته بندی کامپوزیت و نانوکامپوزیت از جنبه های مختلف

اشاره

تصویر

تعریف کامپوزیت یا ماده مرکب

ترکیب دویا چند ماده با یکدیگر به طوری که به صورت شیمیایی مجزا و غیر محلول در یکدیگر باشند و بازده و خواص سازه این ترکیب نسبت به هر یک از اجزا تشکیل دهنده آن به تنهایی، در موقعیت برتری قرار بگیرد را کامپوزیت می نامند. به عبارت دیگر کامپوزیت به دست های از مواد اطلاق می شود که آمیزه ای از مواد مختلف و متفاوت در فرم و ترکیب باشند و اجزاء تشکیل دهنده آن ها هویت خود را حفظ کرده و در یکدیگر حل نمی شوند. با توجه به این امر کامپوزیت از آلیاژ فلزی متفاوت می باشد. بنابراین کامپوزیت ترکیبی است، از حداقل دو ماده مجزا با فصل مشترک مشخص بین هر جز تشکیل دهنده.

تصویر

مراحل طراحی کامپوزیت ها

اشاره

کامپوزیت های تقویت شده با فیبر

کامپوزیت به موادی گفته می شود که از یک فاز زمینه (ماتریس) و یک تقویت کننده (پرکننده) تشکیل شده باشند. تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می گردد. به طور کلی تقویت کننده می تواند به صورت فیبرهای کوتاه یا بلند و پیوسته باشد. مهم ترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها، می توان خواص آن ها را کنترل کرد.

تصویر

کامپوزیت های تقویت شده توسط ذرات

تصویر

در این گونه کامپوزیت ها، فاز زمینه و تقویت کننده، از موادی که در طبیعت تجزیه می شوند، ساخته می شوند. در کامپوزیت های سبز، معمولا فاز زمینه از پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی و تقویت کننده ها از فیبرهای گیاهی ساخته می شوند.

مهم ترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها می توان، خواص آن ها را کنترل کرد. به طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند.

تصویر

انواع نانوکامپوزیت

نانوکامپوزیت های نانوذره ای

تصویر

نانوکامپوزیت های نانولوله ای

تصویر

نانوکامپوزیت های خاک رس پلیمر

تصویر

نانوکامپوزیت های الماس نانولوله

تصویر

مشخصات ابعادی ورق های کامپوزیت

دارای عرض استاندارد 1220 میلیمتر و عرض حداکثر 1550 میلیمتر، طول استاندارد 2440 میلیمتر و طول حداکثر 6000 میلیمتر ضخامت از 3 تا 6 میلیمتر، می باشد. هر متر مربع از پانل آلومینیوم فقط 5/3 تا 5/5 کیلوگرم وزن دارد که در

خصوص ایمنی در مقابل زلزله و حمل و نقل آسان موثر است.

تصویر

فایبرگلا

فایبرگلاس یکی از پرکاربردترین کامپوزیت ها است. فایبرگلاس یک کامپوزیت با زمینه پلیمری است که توسط فیبرهای شیشه تقویت شده است. در ساخت بدنه جنگنده های رادارگریز از این کامپوزیت ها استفاده می شود.

تصویر

هم چنین در ساخت قطعات هواپیما، پره نیروگاه بادی و پره هلیکوپتر از این کامپوزیت ها استفاده می شود. به طور کلی مواد کامپوزیتی (مواد مرکب) به دلیل داشتن جرم بسیار کم و مقاومت بالا نسبت به فلزات، در صنعت هوا و فضا کاربرد وسیعی دارند.

تصویر

هم چنین کامپوزیت های کربن اپوکسی از نوع کامپوزیت های استحکام بالا هستند که در صنایع نظامی کاربرد دارند. از دیگر کاربردهای کامپوزیت می توان دریچه های منهول پلی اتیلن را نام برد که امروزه کاربرد فراوانی در خطوط لوله دارد.

تصویر

سختی کامپوزیت های تک جهته

سختی کامپوزیت های تک جهته مانند دیگر مواد سازهای می تواند توسط روابط مناسب و صحیح تعیین شود. ضرایب یا ثوابت این روابط، می تواند در یک دستگاه ثوابت مهندسی یا کامپلیانس یا مدول های جزئی جمع آوری شود. مقادیر هر یک از دستگاه ها می تواند مستقیما توسط ترم های مقادیر دیگر دستگاه ها تعریف شود. سختی کامپوزیت های تک جهته توسط همان روابط تنش کرنش که در مواد سنتی مهندسی موجود است، محاسبه می شود.

تصویر

سه مرحله از تنش روی کامپوزیت ها

میکرومکانیکال یا تنش منطقه ای که همان محاسبه بر اساس تفاوت های موجود میان فازهای پیوسته الیاف، ماتریس و در برخی از موارد فصل مشترک تقویت کننده و ماتریس حباب های هوا است.

تصویر

تنش لایه ای که محاسبه براساس همگن کردن هر لایه مجزا یا گروهی از لایه ها است. به این ترتیب که الیاف و ماتریس طوری آمیخته می شوند که دیگر فاز مجزایی وجود ندارد.

تصویر

به هنگام کار کردن با کامپوزیت ها باید به علائم توجه شود. چرا که اختلاف بین مقاومت های فشاری و کششی ممکن است، چند برابر باشد. به علاوه اختلاف بیشتری میان مقاومت های برشی منفی و مثبت وجود دارد. علی رغم مواد سنتی که علائم در آن ها از اهمیت کمی برخوردار است، در کامپوزیت ها اشتباه در علائم، نتایج وخیمی دربر خواهد داشت.

تصویر

سه دستگاه از ثوابت مواد وجود دارد که هریک به تنهایی می تواند به طور کامل سختی کامپوزیت های تک جهته روی محوری را روشن کنند. ویژگی این دستگاه ها شامل موارد زیر هستند.

کامپلیانس ها جهت محاسبه کرنش از روی تنش به کار می رود. این دستگاهی است که جهت محاسبه ثوابت مهندسی مورد نیاز است. این دستگاه جهت به دست آوردن سختی لامینیت های چند جهته مورد نیاز نمی باشد.

کامپلیانس های کوپل و مدول های کوپل با هم برابر هستند. به عبارت دیگر از دیدگاه اصطلاح جبر ماتریس، کامپلیانس و مدول قرینه است.

ساده ترین مثال از کامپوزیت ها مربوط به افزودن کاه به گل جهت تقویت گل و ساخت آجری مقاوم جهت استفاده در بناها بوده است. قدمت این کار به4000 سال قبل از میلاد مسیح باز می گردد. در این مورد کاه نقش تقویت کننده و گل نقش زمینه یا ماتریس را دارد. ارگ بم که شاهکار معماری ایرانیان بوده، نمونه بارزی از استفاده از تکنولوژی کامپوزیت ها در قرون گذشته است. مثال دیگر تقویت بتن توسط میله های فولادی می باشد. که قدمت آن به سال 1800 میلادی باز می گردد. در بتن مسلح یا تقویت شده میله های فلزی استحکام کششی لازم را در بتن ایجاد می نمایند چرا که بتن یک ماده ترد می باشد و مقاومت اندکی در برابر بارهای کششی دارد. به این ترتیب بتون وظیفه تحمل بارهای فشاری و میله های فولادی وظیفه تحمل بارهای کششی را برعهده دارند.

تاریخچه مواد پلیمری تقویت شده با الیاف به سال های 1940 در صنایع دفاعی و به خصوص کاربردهای هوا فضا بر می گردد. برای مثال در سال 1945 بیش از 7 میلیون پوند الیاف شیشه به طور خاص برای صنایع نظامی مورد استفاده قرار گرفته و در ادامه با توجه به مزایای آن ها، به صنایع عمومی نیز راه یافتند.

تصویر

تصویر

تصویر

فصل سوم: نقش نانوکامپوزیت ها و کامپوزیت ها در حذف آلودگی های زیستی

تصویر

فرایند تصفیه آب با غشای نانوکامپوزیت

اشاره

چند دستاورد از پژوهشگران ایرانی برای اشاره به روش هایی که می توان از نانوکامپوزیت ها در تصفیه آب بهره برد، معرفی می شود.

تصویر

پژوهشگران ایرانی، در تحقیقات خود به بررسی عملکرد یک نمونه آزمایشگاهی غشای نانوکامپوزیتی در فرایند تصفیه آب و جداسازی ترکیبات رنگی پرداخته اند. هدف این کار تحقیقاتی ساخت غشای نانوکامپوزیت پلیمری و اصلاح عملکرد آن بوده است. این غشا به منظور تصفیه آب و جداسازی مواد رنگی به عنوان یکی از آلودگی های مهم صنایع، مورد آزمایش قرار گرفت. روش های جداسازی غشایی نسبت به دیگر روش های جداسازی از قبیل تقطیر، تبخیر، جذب و تبادلیون از راندمان بالا، هزینه پایین و اثرات جانبی کمتری برخوردار هستند.

تصویر

بنابراین با توجه به این مزایا و هم درصد جداسازی بالای ترکیبات رنگی از آب به کمک این نمونه آزمایشگاهی، انتظار می رود که با تکمیل آزمایش ها بتوان از نتایج این پژوهش در صنایع مرتبط با رنگ مانند رنگ سازی، نساجی، خودروسازی، صنایع غذایی یا هر صنعتی که تولید پساب رنگی می کند، استفاده کرد.

تصویر

نمونه آزمایشگاهی غشا پلیمری ساخته شده از جنس نانوکامپوزیت پلی اترسولفون است که در ساختار آن از نانولوله های کربنی چند دیواره استفاده شده است. نانولوله های کربنی دارای خواص منحصر به فردی هستند و کاربرد زیادی در ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی دارند. نبود توزیع یکنواخت این نانو ذرات در ساختار پلیمر غشا می تواند، به عنوان یک مشکل جدی مطرح شود.

تصویر

در این کار پژوهشی به عنوان یک راهکار جدید در راستای بهبود توزیع یکنواخت نانوذرات در پلیمر، سطح نانوذرات با استفاده از پلی استایرن سولفونات پوشانده شده است. این روش تاثیر قابل توجهی بر نحوه توزیع نانوذرات در پلیمر غشا داشته و باعث بهبود ساختار و در نتیجه عملکرد جداسازی آن شده است.

تصویر

امکان تصفیه و استفاده دوباره از پساب صنعتی یک گام مهم در حفظ منابع آب پس از مصرف بهینه و مقابله با بحران کم آبی است. در این میان، روش تصفیه و جدا سازی غشایی به عنوان یک روش بسیار کارا و بهینه شناخته شده که مورد تایید بسیاری از پژوهشگران نیز قرار گرفته است. در این مطالعات ساختار غشا با استفاده از دستگاه میکروسکوپ الکترونی (SEM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) مورد ارزیابی قرار گرفته است.

تصویر

میکروسکوپ الکترونی (SEM)

تصویر

میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)

همچنین از روش طراحی آزمایشات، روش پاسخ سطحی ( RSM) جهت بهینه سازی تعداد آزمایش ها و پیش بینی عوامل موثر و مهم در عملکرد جداسازی غشاها تحت شرایط محیطی گوناگون، استفاده شده است.

تصویر

پژوهشگران با استفاده از نانوکامپوزیت ها روشی را برای حذف یون های سمی مانند نیترات از آب های آشامیدنی عرضه کرده اند که این نانوکامپوزیت ها قابلیت بازیابی دارند و می توانند چندین بار مورد استفاده قرار گیرند.

تصویر

همچنین سعی شده است، تا خطرات ناشی از تولید محصولات فرعی و حد واسطه ای مضر و سمی برطرف شوند. برای حذف یون نیترات توسط نانوذرات و نانوکامپوزیت ها از سنتز نانوکامپوزیت های پلیمری به دلیل استحکام بالا، استفاده شده است. مزیت این روش آن است که نانوکامپوزیت استفاده شده قابلیت بازیابی دارد و می تواند چندین بار مورد استفاده قرار گیرد.

تصویر

علاوه بر آن ترکیبات مضری همچون نیتریت، آمونیوم و نیتروزاکسیدها که به شدت سرطان زا هستند و در روش های بیولوژیکی و کاتالیتیکی تولید می شدند در این روش تولید نخواهند شد. این روش قادر به حذف یون های سمی و خطرناک از آب آشامیدنی است.

تصویر

نانوکامپوزیتی برای جذب برخی مواد شیمیایی به ویژه آلاینده های رنگی موجود در پساب صنعتی تولید کرده اند. نانوکامپوزیت هیدروژلی نام دارد و بر پایه پروتئین با قابلیت حذف آلاینده های صنعتی به ویژه رنگدانه ها از محیط های آلوده و بررسی میزان تاثیر نانوذرات خاک در این فرایند بوده است. از این کار ابتدا نمونه هایی از هیدروژل پایه و نانوکامپوزیت هیدروژل با استفاده از پروتئین کلاژن به شیوه گرمایی ساخته شدند.

تصویر

پس از جداسازی و خالص سازی نمونه ها، این ترکیبات با استفاده از روش های دستگاهی شامل طیف سنجی زیرقرمز (FTIR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و تجزیه گرما (TGA) مورد شناسایی قرار گرفتند. در مرحله بعد، مطالعات جذب رنگدانه های متیلن سبز (MG) و بلور بنفش (CV) به وسیله نمونه های سنتزی در غلظت های متفاوت رنگدانه و نیز pHهای مختلف به انجام رسید.

تصویر

بر اساس داده های طیف سنجی، نمونه های سنتز شده دارای ساختار پرمنفذی بوده و در نانوکامپوزیت ها لایه های خاک (مونت موریلونیت) کاملا ورقه ورقه شده اند. همچنین مقاومت گرمایی نانوکامپوزیت های سنتز شده نسبت به نمونه فاقد مونت موریلونیت بیشتر است. با توجه به اثرات سمی و زیانبار زیست محیطی رنگدانه های کاتیونی موجود در پساب برخی صنایع و نفوذ آن ها در آب های زیرسطحی و ضرورت حذف آن ها از محیط های مذکور، تهیه و استفاده از مواد جاذب مناسب از اهمیت بالایی برخوردار است.

تصویر

با استفاده از نتایج حاصل از این پژوهش ها مشخص شد که نانوکامپوزیت های تهیه شده از قابلیت بالایی در حذف رنگدانه های کاتیونی برخوردار هستند و با توجه به سرعت مناسب این مواد در برداشتن این آلاینده ها از محلول های آبی می توان از آن ها در فرایندهای پالایش محیط های آلوده استفاده کرد. مواد تولید شده را می توان برای جذب برخی مواد شیمیایی به ویژه آلاینده های رنگی موجود در پساب برخی کارخانه ها به کار برد.

تصویر

حذف آلاینده های نفتی از محلول آبی

حذف آلاینده های نفتی از محلول آب با نانوالیاف کامپوزیت صورت می گیرد. پژوهشگران موفق به تولید نانوالیاف کامپوزیتی جهت حذف ترکیبات آلی شده اند.

تصویر

حذف آلاینده های نفتی با ابر جاذب حاوی کامپوزیت نانویی

پژوهشگران موفق به ساخت ابر جاذب نانویی برای حذف آلودگی های نفتی از آب شدند. این جاذب نانویی قابلیت جذب آلودگی ها را از سطح دریا و تبدیل آن به حالت جامد یا نیمه جامد را دارد. هنر این ابر جاذب این است که در نهایت آلودگی نفتی را به توده مغناطیسی تبدیل می کند. این اختراع به خاطر ایجاد توده مغناطیسی در جهان بدون رقیب است. در موارد دیگر زمانی که نفت به صورت نیمه جامد یا جامد در می آید، هنگام جمع آوری با تور یا توسط نیروی انسانی، آلودگی زیستی ایجاد می کرد.

تصویر

با اختراع این ابر جاذب و ایجاد حالت مغناطیسی دیگر به نیروی انسانی نیازی نیست و از طریق کنترل از یک قایق کوچک یا هلیکوپتر می توان با استفاده از میدان مغناطیسی این آلاینده ها را از سطح دریا جمع آوری کرد. این ابر جاذب حاوی کامپوزیت نانویی است و در ساخت اجزا آن از نانو استفاده شده است. از دیگر مزایای

این ابر جاذب می توان به این مورد اشاره کرد که در تولید این محصول تدوین نامه استاندارد نانو در نظر گرفته شده است و خطرات نانویی را به دنبال ندارد. تمامی مواد اولیه این ابر جاذب از پتروشیمی های داخلی قابل تامین است. پژوهشگران نیز موفق به حذف آلودگی های نفتی با استفاده از جاذب ها شده اند.

رفع آلودگی محیط زیست با نانوذرات فلز آهن

پودر فلزات نقش مهمی در آشکارسازى و رفع آلودگى مواد آلاینده از محیط زیست، به خود اختصاص داده است. در این میان نانوذرات آهن به عنوان ماده اى جدید در رفع آلودگی از محیط زیست به کار گرفته شده اند. به این ترتیب راه حلی به صرفه و اقتصادی براى حل بسیاری از چالش های محیط زیستی در زمینه حذف آلودگی ها ابداع شده است. اکسیدهاى فلزى نظیر در مقیاس نانومترى به عنوان موادى ارزان قیمت، قابلیت شرکت در فرآیندهاى فتوکاتالیستى و رفع آلودگى را دارند.

تصویر

منابع