نانو ذرات اکسید روی و تاثیر آنها بر خواص فیزیکوشیمیایی پلیمر ها

نانو ذرات اکسید روی از خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر بفردی برخوردار هستند و می توانند به عنوان عامل پر کننده (Filler – پر کننده به ماده اتلاق می شود که به سایر مواد یا محصولات و به مقدار مشخض اضافه شده تا خواص ویژه ای به آنها ببخشد) در سایر مواد مانند پلیمر ها مورد استفاده قرار گیرند.

پلیمر ها در تولید محصولات گوناگون نظیر قطعات و پوشش ها مصرف زیادی داشته و بکارگیری نانو ذرات در پلیمر ها منجر به بهبود و تقویت خواص آنها می شود و این امر در رابطه با صنایعی که نیازمند پلیمر ها با خواص پیشرفته هستند حائز اهمیت می گردد. در این مقاله با استناد به مطالعات اخیر به بررسی تاثیر نانو ذرات اکسید روی بعنوان یکی از پر کاربردترین مواد در صنعت، بر خواص فیزیکوشیمیایی سه ترکیب رایج از پلیمر ها می پردازیم.

اپوکسی (Epoxy)

استحکام، دوام و خواص حرارتی ویژه رزین اپوکسی باعث شده است تا این پلیمر بعنوان ماده چسبنده و پوشش دهنده در صنایع هوا – فضا، ساختمان سازی و خودروسازی مورد توجهات زیادی قرار گیرد. با این وجود، اپوکسی از محدودیتی نیز برخوردار می باشد که عبارتست از: شکنندگی و مقاومت پایین آن در برابر شکست.

کاربرد وسیع این پلیمر باعث شده است تا محققین مطالعات خود را بر بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی این پلیمر متمرکز کنند. در پژوهشی که در سال 2020 انجام شد، محققین با استفاده از نانو ذرات اکسید روی رزین اپوکسی را تقویت کرده و سپس تحت آنالیز های مکانیکی و حرارتی قرار دادند. مقادیر استفاده شده از نانو ذرات اکسید روی در رزین اپوکسی برابر با 1، 2.5 و 5 درصد وزنی بوده است. نتایج بدست آمده از آنالیز کشش نشان دادند که استحکام کششی نمونه اپوکسی خالص برابر با MPa 38.5 می باشد درحالیکه نمونه اپوکسی تقویت شده با نانو اکسید روی دارای استحکام کششی بیشتر و برابر با MPa 50.86 است (افزایش 32.14% در استحکام کششی اپوکسی تقویت شده با نانو اکسید روی). با توجه به نتایج آنالیز سختی (Toughness) مشخص شد زمانی که اپوکسی توسط نانو ذرات اکسید روی تقویت می گردد سختی آن 2.39% افزایش می یابد بدین معنی که مقاومت پلیمر در برابر رشد ترک ها و در نهایت شکست آن افزایش می یابد. نتایج آنالیزهای حرارتی نشان دادند که تقویت اپوکسی با نانو اکسید روی منجر به افزایش 7.31 درجه سانتی گراد در دمای تخریب (T_d – Degradation Temperature) پلیمر و در نتیجه بهبود مقاومت حرارتی آن شده است. علاوه بر این، مشخص شد که نانو ذرات اکسید روی دمای انتقال شیشه ای (T_g – Glass Transition Temperature) اپوکسی را 11.4درجه سانتی گراد افزایش داده اند.

پلی وینیل کلراید (PVC)

پی وی سی یکی دیگر از رایج ترین مواد پلیمری می باشد که در صنایع گوناگون مخصوصا تولید انواع لوله و اتصالات مورد استفاده قرار می گیرد. اما مطالعات اخیر نشان داده اند که با تقویت این پلیمر توسط نانو ذرات اکسید روی می توان علاوه بر بهبود خواص پلیمر کاربرد های نوین و پیشرفته تری برای آن ایجاد نمود. در ابتدای سال 2023 پژوهشی در رابطه با تقویت پی وی سی با استفاده از نانو اکسید روی انجام شد و خواص ترمو – مکانیکی و اپتو – الکتریکی این پلیمر بررسی گردید.

در این تحقیق، از نانو ذرات اکسید روی در پلیمر برابر با 1، 3 و 5 درصد وزنی استفاده شده است. نتایج آنالیز حرارتی نشان داد که حضور نانو ذرات اکسید روی در پی وی سی (3% وزنی) منجر به افزایش 43 درجه ای پایداری حرارتی این پلیمر می شود.

علاوه بر بهبود پایداری حرارتی پی وی سی، دمای انتقال شیشه ای (T_g) این پلیمر نیز تحت تاثیر نانو اکسید روی نیز افزایش یافته است. نتایج بدست آمده از آنالیز ترمو – مکانیکی نشان می دهد که T_g پی وی سی خام برابر با 30 درجه سانتی گراد بوده و با تقویت پلیمر توسط نانو اکسید روی T_g آن افزایش داشته و برابر با 40 درجه سانتی گراد شده است.

پی وی سی به تنهایی بعنوان ماده عایق الکتریکی شناخته می شود که از گذردهی دی الکتریک (Dielectric Permittivity) پایینی برخوردار است. اما نتایج بدست آمده از آنالیز دی الکتریک نمونه شاهد و نمونه های تقویت شده با نانو ذرات نشان دهنده تاثیر فوق العاده نانو اکسید روی در تغییر ماهیت پی وی سی از یک ماده عایق الکتریکی به یک پلیمر با گذردهی دی الکتریک بالا می باشد که می تواند کاربرد های به مراتب پیشرفته تری در زمینه ذخیره سازی انرژی، ابر خازن ها، ترانزیستور ها و خازن ها داشته باشد. بر اساس نتایج بدست آمده مشخص شد که گذردهی دی الکتریک پی وی سی تقویت شده با 1% وزنی نانو ذرات اکسید روی400% افزایش یافته است. اما با افزایش بیشتر مقدار نانو اکسید روی در پلیمر تا 3 و 5 درصد وزنی، گذردهی دی الکتریک پی وی سی به ترتیب 245% و 140% افزایش داشته است.

تحقیقی دیگر در سال 2013 روی تاثیر نانو ذرات اکسید روی بر استحکام کششی پی وی سی صورت گرفت. در این تحقیق نمونه شاهد (پی وی سی خام) و نمونه تقویت شده تحت آزمون کشش قرار گرفتند و نتایج بدست آمده نشان دادند که استحکام کششی نمونه شاهد برابر با MPa 18 بوده درحالیکه نمونه تقویت شده با نانو ذرات اکسید روی استحکام کششی ای برابر با MPa 21 دارد که این امر نشان دهنده افزایش 17% در استحکام پلیمر است.

مقاله پیشنهادی: کاربردهای نانو اکسید روی در صنایع پیشرفته

پلی وینیل الکل (PVA)

پلی وینیل الکل یا پی وی اِی به علت برخورداری از خواصی نظیر سمیت کم، زیست سازگاری بالا، پایداری حرارتی بالا، پایداری شیمیایی بالا و انحلال پذیری در آب کاربردهای وسیعی در صنایع گوناگون نظیر نساجی، ساختمان سازی، آرایشی بهداشتی، بسته بندی و پزشکی پیدا کرده است.

به عنوان مثال در پزشکی از این پلیمر برای تولید لنز های چشم، قطره چشم و غضروف های مصنوعی استفاده می گردد. در ساله ای اخیر تحقیقات مختلفی روی کامپوزیت سازی و تقویت پی وی اِی با استفاده از نانو ذرات اکسید روی صورت گرفته است تا امکان بهبود خواص فیزیکوشیمیایی از پلیمر پر کاربرد را فراهم آورند.

در یک مقاله مروری (Review Article) که در سال 2019 منتشر شد به تاثیر نانو ذرات اکسید روی بر خواص پی وی اِی پرداخته شده است. با توجه به نتایج ارائه شده در این مقاله، تقویت سازی این پلیمر با استفاده از نانو اکسید روی منجر به افزایش 375.9% استحکام کششی پی وی اِی می گردد. بر اساس نتایج آنالیز دی الکتریک گزارش شده مشخص می شود که نانو ذرات اکسید منجر به افزایش ثابت دی الکتریک پی وی اِی می گردد بطوریکه ثابت دی الکتریک این پلیمر در حدود 400 می باشد. چنین رفتار دی الکتریک مطلوبی این ترکیب پلیمری را به گزینه مناسبی برای کاربرد های ویژه نظیر ابر خازن ها و ذخیره سازی انرژی تبدیل می نماید. علاوه بر این موضوع، آنالیز ترمو – مکانیکی صورت گرفته روی پی وی اِی تقویت شده با نانو اکسید روی نشان داد که دمای انتقال شیشه ای این پلیمر بهبود کمی داشته و 6 درجه سانتی گراد افزایش یافته است.

بطور کلی می توان نتیجه گرفت که نانو ذرات اکسید روی تاثیر بسیار مثبتی روی خواص فیزیکوشیمیایی پلیمر ها دارند و قابلیت های این مواد پر کاربرد را تقویت می کنند. لازم به ذکر است که علاوه بر خواصی که به آنها اشاره شد، نانو ذرات اکسید روی می توانند در پلیمر ها رفتار ضد میکروبی و ضد قارچ مطلوب به همراه خاصیت جذب امواج فرابنفش نور خورشید را ایجاد نمایند.

منابع: