معرفی ، خواص و کاربرد نانورس ها

نانورس ها مواد منحصر به فردی هستند که به عنوان مواد افزودنی برای ساخت نانوکامپوزیت ها و بهبود قابل توجه خواص مواد پلیمری به کار می روند.

درزیرمیکروسکوپ الکترونی با قدرت تفکیک بالا مشاهده می شود که نانورس ها شامل صفحات کوچک ونا منظم رسی هستند که درحدود 1نانومتر ضخامت و100 نانومترقطردارند.رس های رایج به صورت طبیعی به عنوان مواد معدنی به شمار می آیند.بسیاری از آن ها سیلیکات های آلومینیم می با شند که ساختار ورقه ای دارند.شایع ترین نانو رس مونت موریلنت (ازخانواده اسمکتیت)می باشد.انواع دیگر نانو رس ها هکتوریت ها ورس های سنتزی (برای مثال هیدروتالکیت)می باشد.

نانورس‌ها سطح ویژه‌ای در حدود 750 مترمربع بر گرم دارند. غالباً برای اصلاح خواص مکانیکی مواد پلیمری،‌آنها را با پرکننده‌ها تقویت می‌کنند. خالص بودن و ظرفیت تبادل کاتیونی، دو خصوصیت مهم برای موفقیت نانورس‌ها ـ به‌عنوان عامل استحکام در پلیمر‌هاـ به شمار می‌رود. خالص بودن رس خصوصیات مکانیکی پلیمر را افزایش می‌دهد که این به افزایش تبادل کاتیونی رس در ترکیب شدن رس با پلیمر کمک می‌کند. رس‌ها موادی ارزان هستند که می‌توان با تغییر یون‌ها، اشباع کردنشان با عناصر فلزی و تیمار کردنشان با اسیدها، آنها را به کاتالیزور مناسب تبدیل کرد.

درواقع امکان به کارگیری رس ها در مقادیر بسیار کم باعث کاهش وزن، استحکام بالاتر و کاهش خارق العاده عبور گازها در موادی مثل پلیمرها می شوند. مشکلات اصلی در زمینه نانورس ها، جداسازی و توزیع یکنواخت صفحه های کوچک رسی و تبدیل رسهای آبدوست به آبگریز به منظور افزایش تعامل با پلیمرها است. پلیمرها در صنعت پلاستیک و بسته بندی مواد غذایی به کار می روند و این بازاری بزرگ برای آنها به شمار می رود.

نانورسهایی که به خوبی آماده شده و با مقادیر کم(کمتر از 5%) به یک ترکیب پلیمری اضافه شده و می توانند نانوکامپوزیت های پلیمری (بدون تفاوت خیلی زیاد در ظاهر پلاستیک) تولید کنند که خصوصیات بسیار برجسته ای مانند وزن سبک تر، خواص ضدخش و خواص عبورناپذیری در برابر گازها و اشتعال پذیری کمتر ایجاد کنند.

نانو رس ها به دلیل ویژگی های خاصشان،درصنعت داروسازی وپزشکی موردتوجه بسیاری قرارگرفته اند.این رس ها در ساخت انواع داروها به عنوان ماده خام و مواد کمکی در سنتزدارو مورد استفاده قرار می گیرند.

ازمونت موریلنت به دلیل داشتن خصوصیات تعلیق ،انتشاروپراکندگی خوب وقالب دار شدن به عنوان مکملی خوب درپزشکی بسیار مورداستفاده قرارمی گیرد.قرارگرفتن مولکول های دارودربین فضای بین لایه ای رس ها،می تواندکارایی آن را برای استفاده های بیولوژیکی تغییردهد.

نانورس ها درداروها می توانند:یک دارو را از تخریب محافظت کنند،جذب داروراازطریق تسهیل توزیع آن از غشای روده افزایش دهند،باعث تعدیل اثربدن برداروشده وتوزیع بافتی راتغییردهند.

زمینه های مختلف استفاده ازنانورس ها

*به عنوان فازتقویتی ماتریکس پلیمرهابرای تهیه نانوکامپوزیت ها

*تهیه رنگ وجوهر

*تهیه گریس ها

*پزشکی وداروسازی

*وسایل آرایشی

*تصفیه فاضلاب های شهری وصنعتی

*کشاورزی

خواص نانورس ها

یکی از مهمترین خصوصیات نانورس ها نسبت طول به ضخامت بسیار بالای تک تک صفحات (از 300 به 1 و1500 به 1 است) است. مساحت سطح صفحات جدا و پراکنده می تواند به m2/g 1000 برسد.به علت ساختار صفحه ای، نانورس ها مواد پلیمری معمول را تقویت می کنند ، یعنی خواص مکانیکی آنها را بهتر می کنند، افزایش استحکام،‌ مدول و ثبات ابعادی از این موارد است. صفحات نانورس به عنوان محافظ در برابر رطوبت و مواد شیمیایی به خوبی به عنوان حائلی برای جلوگیری از نفوذ یا عبور گازها عمل می کنند.

پلیمرهایی که با نانورس ها ترکیب شده اند در مقایسه با مواد پلیمری رایج خاصیت ضدگرمایی و ضدآتش بالاتری نشان می دهند و کارایی بیشتری در خاموش کردن شعله دارند و تغییر شکل آنها در معرض دماهای بسیار بالا یا مواد شیمیایی کمتر است. نانوکامپوزیت هایی که با استفاده از نانورس ها ساخته می شوند، رسانایی الکتریکی و تمیزی نوری بهتری نیز نشان می دهد. یکی از نتایج مهم باردار بودن نانورس ها (یعنی توانایی عوض کردن یونها) امکان سازگار کردن خصلت متضاد آنها یعنی ذات کاملاً آبدوست با پلیمرها است. چرا که خیلی از پلیمرها آبگریزند. عملکرد ضروری برای تشکیل نانوکامپوزیتهای پلیمر رس، تغییر قطبیت رس و تبدیل آن به مواد آلی دوست (آبگریز) می باشد.

نانورس‌ها (Nanoclay)کانی‌هایی هستند که حداقل یکی از ابعاد آنها در حد نانومتر باشد. این مواد به‌دلیل ارزانی و در دسترس بودن ، توجه زیادی در زمینه فناوری‌نانو به خود جلب کرده‌اند، همچنین اندازه کوچک این مواد آنها را قادر ساخته تا بتوانند با مواد دیگر که در این زمینه وجود دارند، رقابت کنند

در سال1980 با تهیه نانوکامپوزیتهای نایلون و رس در صنایع خودروسازی، نانوکامپوزیت های نانورس شناخته شدند. در نانورسهای آلی دو لایه از چهاروجهی های SiO2 مستقر در یک صفحه ساختارهای چهاروجهی ترکیباتی مانند سدیم، آلومینیوم و منگنز را دربرمیگیرند. نانورسها می توانند سختی و استحکام پلیمرها را بالا برده و میزان آتش پذیری الیاف پلیمری و عبوردهی گازهایی مانند اکسیژن را در ظروف پلاستیکی کاهش دهند. قطعات نانوکامپوزیت پلی پروپیلنی که حاوی 2/5 درصد نانورس است با ایجاد یک استحکام قابل قبول موجب 20 درصد صرفه جویی در وزن می شود. این قطعات در بدنه خارجی استیشن ها استفاده شده است. کاربرد نانوکامپوزیت های پلی پروپیلنی در تهیه بدنه خارجی خودرو، در فیلم های بسته بندی نایلونی، در بطری های نگهداری مواد نوشیدنی، در لوله ها و در پوشش های کابل و سیم در حال گسترش است.

برآورد شده که استفاده گسترده نانوکامپوزیتها در خودروها تنها در آمریکا می تواند یک و نیم میلیارد لیتر در سوخت سالیانه صرفه جویی ایجاد کند و باعث کاهش تولید دی اکسیدکربن به میزان پنج میلیارد کیلوگرم در سال شود. باید توجه کرد که تنها با اضافه کردن نانوذرات به یک پلیمر به خواص مورد نظر نمی رسیم بلکه آرایش ذرات در ماتریس پلیمری در خواص نهایی موثر است. نانـوکامپـوزیت های متشکل از نانورس را می توان به نحوی طراحی کرد که عبور مقدار کم گاز را هم غیر ممکن سازد. در لاستیک ها و بطری های نوشابه می توان از این نانوکامپوزیتها استفاده کرد. چنین ساختاری به افزایش کارایی و حفظ حالت در توپ های تنیس نیز منجر شده است. تنها علت ایجاد چنین خاصیتی نحوه استقرار صفحات چند نانومتری قرار گرفته در بین ماده است. استفاده از یک ترکیب نانوکامپوزیت رسی خاص باعث جلوگیری از نفوذ پذیری لایه و افزایش عمر توپ به دو برابر شده است.

از ویژگی های دیگرنانورس ها می توان به موارد زیراشاره کرد:

مقاوم در برابر شعله

ویژگیهای ایستادگی در برابر شعله در نانورس ها به علت تشکیل لایه ای ذغالی در هنگام سوختن نانوکامپوزیت می باشد. ذغال خود به عنوان عایق و یک ماده نسوز عمل کرده و میزان آزاد شدن گازهای فرار در سطح شعله را کاهش می دهد. تشکیل ذغال توجیهی برای بهبود ثبات نانوکامپوزیت در برابر حرارت،‌ جداسازی فیزیکی پلیمر و قسمت سوخته آن است.

ممانعت از عبور گازها

صفحات نانورس می توانند مسیری پر پیچ و خم ایجاد کنند که از نفوذ بخارهای گازی و مایعات به درون پلیمر جلوگیری کرده و علاوه برخواص برجسته در ممانعت عبورگازها سبب بهتر شدن مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر رطوبت نیز می شود.

درون توپ تنیس هوای فشرده قراردارد. لایه بیرونی و پوسته اجزای یک توپ معمولی هستند. درقسمت درونی این توپ ها، یک لایه از جنس نانوکامپوزیت پلیمری قرار دارد و مانع عبور هوا از توپ می شود.

نانوکامپوزیتهای رس را می توان در بطری ها هم استفاده کرد. کارخانه های بسته بندی به دنبال تولید بطری هایی هستند که به محکمی شیشه بوده ولی به راحتی شکسته نمی شوند. بطری های پلاستیکی ذرات نانورس این بطری ها را به محکمی شیشه یا حتی محکم تر کرده است و احتمال شکستن آنها کمتر است.

 ترکیب نانوذرات به نحوی است که مانع فساد مایعات و تغییر رنگ و بوی آنها شده و تاریخ مصرف آنها را به شش ماه افزایش داده است. بعضی از کارخانه های غذایی از جاذب های اکسیژن برای جلوگیری از رشد پاتوژن هاو موجودات زنده هوازی استفاده می کنند که این امر باعث فساد غذا و ناسالم شدنشان می شود.

استحکام مکانیکی

تقویت کننده های نانومتری حدوداً به ابعاد مولکولی پلیمرها می رسند. این امر موجب تقابل نزدیک دو ماده با یکدیگر می شود. وقتی پلیمر به خوبی با نانورس اصلاح می شود، ذرات پرکننده با پلیمرها برخورد می کنند و مناطق محدودی در سطح ذرات ایجاد می کنند. این امر بخشی از زنجیره پلیمری را تثبیت می کند که اثر تقویت کننده ای را در پی دارد.

منبع: تبیان