تکنولوژی ساخت نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر(polymer/clay )

مرحله نهایی در ساخت نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر، جدا جدا کردن لایه‌های رسی و پخش آن در پلیمر می‌باشد. استراتژی کار بستگی دارد به سازگاری و همگون بودن رس و پلیمری که استفاده می‌شود. این تعیین می‌کند که آیا نیاز به عملیات مقدماتی روی خاک رس یا پلیمر قبل از مخلوط کردن هست یا نه. اگر سطح لایه‌های سیلیکاتی با پلیمر، سازگار و همگون باشد، اختلاط مستقیم بین این دو می‌تواند اتفاق بیفتد، بدون اینکه نیاز به عملیات مقدماتی باشد. چنین مواردی بیشتر وقتی اتفاق می‌افتد که پلیمر قابل حل در آب، مانند PEO یا PVP استفاده کنیم، چرا که این پلیمرها و سطح لایه‌های سیلیکات، هر دو آبدوست هستند و نیروهای دوقطبی یا وان‌دروالسی بین لایه‌های سیلیکات، باعث سهولت جذب مولکولهای آبدوست و ایجاد فشارهای عمودی روی لایه می‌شود که در نتیجه باعث جداکردن تک‌تک لایه‌های رسی در این پلیمرها می‌گردد.

اما به هر حال، بیشتر پلیمرها آب گریز و در نتیجه با دانه‌های رسی آبدوست، ناسازگار هستند. در این موارد نیاز به یکسری عملیات مقدماتی روی خاک رس یا پلیمر داریم. پرکاربردترین روش‌های برای اصلاح دانه‌های رسی، استفاده از آمینواسیدها، نمکهای آمونیم آلی و یا فسفونیم تترا ارگانیک‌هاست تا سطح آبدوست رس‌ها را به آب گریز تبدیل کنیم. دانه‌های رسی که به این روش اصلاح می‌شوند، ارگانوکلی نامیده می‌شوند. در مورد پلیمرهایی که فاقد هرگونه گروه عاملی می‌باشند، مانند پلی پروپیلن ( PP ) ، معمولاً از تکنیک های افزودن گروه عاملی قطبی روی زنجیره پلیمری استفاده می‌شود و یا اینکه در طی فرآیند ساخت، پلیمرهای پیوند خورده را بصورت مستقیم وارد می‌کنند. مثلاً در نانوکامپوزیت های رسی / پلی پروپیلن ( clay PP ) از مالئیک اسید پیوند خورده به پلی پروپیلن، بصورت مستقیم استفاده شده است. در طی پیشرفتهای اخیر، از مخلوطی که پلی پروپیلن، پروپیلن پیوند خورده با مالئیک ایندرید و ارگانوکلی استفاده شده است.
روشهای زیادی در تولید نانوکامپوزیتها استفاده شده، ولی سه روشی که از ابتدای کار توسعه بیشتری یافته‌اند عباراند از: پلیمریزاسیون in situ ، ترکیب محلول القاشدن و فرآیند ذوبی .
روش اینسیتو عبارت است از وارد نمودن یک پیش ماده پلیمری بین لایه‌های رسی و آنگاه پهن کردن و سپس پاشیدن لایه‌های رسی درون ماده زمینه ( matrix ) با پلیمریزاسیون. ابتکار این روش بوسیله گروه تحقیقاتی شرکت تویوتا بود و زمانی رخ داد که می‌خواستند نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر6 را بسازند. این روش قابلیت و توانایی تولید نانوکامپوزیتهایی با لایه لایه شدگی خوب را دارد و در محدوده وسیعی از سیستم های پلیمری، کاربرد دارد. این روش برای کارخانه‌های پلیمر خام مناسب است تا در فرآیندهای سنتزی پلیمر، نانوکامپوزیت‌های رسی - پلیمر بسازند و مخصوصاً برای پلیمرهای ترموستینگ (پلیمرهایی که در برابر گرما مستحکم‌تر می‌شوند) بسیار مفید است.
روش ترکیب محلول القا شده ( solution induced interceletion ) از یک حلال برای بارگیری و پخش رس‌ها در محلول پلیمری استفاده می‌شود. این روش هنوز مشکلات و موانع زیادی را در راه تولید تجاری نانوکامپوزیت‌ها پیش رو دارد. قیمت بالای حلال های مورد نیاز و همچنین مشکل جداسازی فاز حلال از فاز محلول تولید شده، از جمله این موانع هستند. همینطور در این روش، نگرانیهایی از نظر امنیت و سلامتی وجود دارد . با این وجود این روش در مورد پلیمرهای محلول در آب قابل بعنوان حلال استفاده می‌شود و همچنین امنیت بیشتر و خطر اجرا و مقرون به صرفه است، بخاطر قیمت پایین آب که کمتر آن برای سلامتی.
در روش فرآیند ذوبی، ترکیب خاک رس و پلیمر در حین ذوب شدن انجام می‌شود . بازده و کارآیی این روش به اندازه روش اینسیتو نیست و کامپوزیتهای تولید شده، ورقه‌ورقه شدگی کمی دارند. به هر حال این روش می‌تواند در صنایع تولید پلیمر قدیمی که در آنها از روشهای قدیمی مانند قالبگیری و تزریق ( Extrution and injection molding ) استفاده می‌شود، بکار رود و اتفاقاً نقش مهمی در افزایش سرعت پیشرفت تولید تجاری نانوکامپوزیت‌های رس - پلیمر ایفا کرده است.
علاوه بر این سه روش با روش‌های دیگر نیز در حال توسعه هستند که عبارتند از: ترکیب جامد، کوولکانیزاسیون و روش سل-ژل. این روشها بعضاً در مراحل ابتدایی توسعه هستند و هنوز کاربرد وسیع پیدا نکرده‌اند .
رقابت نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر با کامپوزیتهای الیافی

با پیدا شدن سروکله تکنولوژی نانوکامپوزیت، جهشی در زمینه تقویت پلیمرها بوجود آمده، و معقول به نظر می‌رسد که فکر کنیم نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر، بتوانند جای کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف مرسوم را بگیرند.
از نظر تئوری، تقویت پلیمرها در مقیاس نانویی، امتیازات برتری نسبت به کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف دارند. ضعف کامپوزیت-های تقویت شده با الیاف، در واقع یک شکست در راه استفاده مفید از خواص ذاتی و طبیعی مواد است. مثلاً سعی می‌کنیم که با بکارگیری پیوندهای قوی کووالانسی و استفاده از صفحه‌های آروماتیک ساختار گرافیتی، مواد کربنی را مستحکم‌تر کنیم. در حالیکه الیاف کربنی که امروزه استفاده می‌شود، تنها 3 تا 4 درصد استحکام نظری صفحات آروماتیک را به دست می‌دهند. عدم اتصال داخلی بین صفحات آروماتیک در ساختار الیاف کربنی، مانع دستیابی به استحکام مطلوب مواد می‌شود، در حالیکه این مشکل در مورد نانوکامپوزیتهای تقویت شده با پرکننده‌های لایه‌ای وجود ندارد. هنگامیکه از پرکننده‌های لایه‌ای و ورقه‌ای در زمینه پلیمری استفاده می‌شود، اتصالات و پیوندهای داخلی بوجود آید و بنابراین حداکثر استفاده از خواص ذاتی و طبیعی لایه‌های منفرد می‌شود .
در حقیقت خواص مکانیکی بدست آمده، در بهترین نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر بسیار کمتر از کامپوزیتهایی است که از درصد بالایی الیاف، برای تقویت استفاده می‌کنند. در حال حاضر بیشترین پیشرفتها و بهبودها در خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای خاک رس / نایلون6 بدست آمده که در آنها 4 درصد وزنی از خاک رس بارگذاری شده است. شکل 2 ضریب و قدرت کشسانی این نانوکامپوزیت را با نایلون 60 و نایلون 60 تقویت شده با 48 درصد وزنی، الیاف خرده شیشه‌ای نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که بهترین نانوکامپوزیت خاک رس - پلیمری، هنگامیکه حجم بالایی از جز را تقویت‌کننده الیافی مطرح باشد، نمی‌تواند با کامپوزیتهای الیافی همسانی و رقابت کند. به منظور دستیابی به خواص مکانیکی بهتر عناصر تقویت‌کننده بیشتری در نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر مورد نیاز است، در حالیکه چنین کاری غیرممکن است. زیرا هنگامیکه عمل لایه لایه شدن اتفاق می‌افتد، سطح تماس لایه‌های رسی صدها و بلکه هزاران برابر می‌شود و این باعث می‌شود که مولکولهای پلیمر کانی، برای خیس کردن تمام سطح تقویت‌کننده‌های رسی نداشته باشیم.