کشف افزایش مقاوت حرارتی پلیمرها با نانوذرات در دانشگاه کاشان

محققان دانشگاه کاشان، جهت افزایش مقاوت حرارتی و مقاومت در برابر شعله پلیمرها از فناوری نانو بهره گرفتند.

رئیس پژوهشکده علوم و فناوری نانو دانشگاه کاشان با بیان اینکه نتایج این طرح مورد استفاده در صنایع اتومبیل‌سازی، لوازم خانگی و هوافضا خواهد بود است افزود: از دیگر مزیت‌های این طرح کاهش آلودگی‌های زیست محیطی، به دلیل بهره گیری از نانوذرات، است.

مسعود صلواتی نیاسر اظهار داشت: کوپلیمر ABS به سبب قیمت ارزان و خواص مکانیکی خوب، به عنوان یک پلیمر صنعتی پرکاربرد شناخته می‌شود.

وی مهم‌ترین خواص این ماده را  فرایندپذیری آسان و مقاومت شیمیایی آن ذکر کرد و افزود: با این حال، یکی از اصلی‌ترین عیوب و موانع این کوپلیمر برای کاربردهای مهم، می‌توان به مقاومت حرارتی نسبتاً پایین و اشتعال‌پذیری اشاره کرد.

وی خاطر نشان کرد: استفاده از نانوذرات و پخش مناسب آن در ماتریس پلیمر آلی، به منظور دستیابی به مقاومت حرارتی مطلوب از اهداف دنبال شده توسط محققان در این پروژه بوده است.

داود قنبری، دانشجوی مقطع دکتری نانو در دانشگاه کاشان، در خصوص اهمیت کاربرد این نانوذرات عنوان کرد: «تا به حال پژوهش‌های گسترده‌ای به جهت افزایش مقاومت حرارتی پلیمر ABS انجام گرفته است. معروف‌ترین دیرسوزکننده‌هایی که برای این ترکیب استفاده شده، ترکیبات هالوژن‌دار آلی هستند که علی‌رغم تاثیرگذاری بالا، دارای معایب عمده‌ی زیست محیطی هستند. به همین دلیل استفاده از آن‌ها توسط سازمان‌های مدافع محیط زیست محدود شده است. به نظر می‌رسد استفاده از نسل جدید افزودنی‌ها، یعنی نانوذرات برای افزایش مقاومت در برابر حرارت و شعله، راهکار مناسبی باشد.»

در این طرح از نانوذرات مس سولفید، که سطح آن توسط ترکیب آلی دوست تیوگلیکولیک اسید اصلاح شده، در پایه‌ی پلیمری به کار رفته است. این نانوذرات همانند سدی، از پلیمر در برابر حرارت، شعله و نفوذ اکسیژن محافظت کرده و سرعت تخریب و تبخیر آن را در برابر حرارت کاهش می‌دهند. درضمن جایگزینی نانوذرات مس سولفید با ترکیبات هالوژن‌دار آلی، کاهش آلودگی محیط زیست را نیز در پی خواهد داشت.

به گفته‌ی قنبری، پخش منحصر به‌فرد نانوذرات در بستر پلیمری که ساختاری به شکل گل دارند، از ویژگی‌های خاص این طرح است. این امر به علت وجود تیوگلیکولیک اسید بر روی سطح نانوذرات و اصلاح آن‌ها صورت گرفته است؛ زیرا نانوذرات معدنی برهم‌کنش بسیار مناسب‌تری با پلیمر آلی دارند.

وی خاطر نشان کرد: در طی انجام این مطالعات، ابتدا نانوذرات سولفید مس در دمای نسبتاً پایین، 110درجه سانتی‌گراد، و با روش هیدروترمال ساخته شد.

وی با اشاره به اینکه  در این فرایند، از تیوگلیکولیک اسید به عنوان منبع گوگرد و عامل رشد ترجیحی نانوساختارها استفاده شد افزود: سپس اثر عوامل مختلف مانند غلظت و دما بر روی ساختار نانوذرات بررسی گردید.

قنبری خاطر نشان کرد: استفاده از حلال آب برای سنتز، از دیگر ویژگی‌های این واکنش بوده است. پس از ساخت و تأیید نانوساختارها با انواع میکروسکوپ‌های الکترونی و آزمون‌های طیف‌سنجی، نانوذرات به بستر پلیمری اضافه شدند. برای بررسی تأثیر مقاومت حرارتی از آزمون وزن سنجی گرمایی بهره گرفته شد. همچنین مقاومت در برابر شعله توسط آزمون‌های UL-94 و ضریب حداقل اکسیژن مطالعه شده است.

وی اظهار داشت: در خصوص برتری استفاده از فناوری نانو در این طرح باید گفت که از مهم‌ترین مشکلات افزودنی‌های معدنی به پلیمر، عدم پخش مناسب و دو فازی شدن است. این عدم تطابق، باعث کاهش مقاومت مکانیکی، کدر شدن و ترد شدن پایه پلیمری می‌شود. لذا هر چه اندازه و ابعاد افزودنی معدنی کوچک و کوچک‌تر باشد، پخش و برهم‌کنش مناسب‌تری با ماتریس پلیمری دارد. به همین دلیل فناوری نانو تأثیر مستقیم بر صنایع کامپوزیت داشته و باعث ظهور صنعت نانوکامپوزیت گردیده است.

قنبری در پایان افزود: «پلیمرهای ساخته شده با این خصوصیت، اگر حتی در برابر شعله مقاومت نکنند، قطعاً سرعت انتشار آن را کاهش داده و زمان را برای نجات افراد و خاموش کردن آتش افزایش می‌دهند. لذا طرح‌های این چنینی مورد استفاده در ساخت اتومبیل‌ها، پوشش داخلی انواع مکان‌ها، انبارهای حاوی مواد اشتعال‌پذیر و منازل (فرش و پارچه) خواهد بود.»

این مطالعات توسط داود قنبری و دکتر مسعود صلواتی نیاسری- عضو هیأت علمی دانشگاه کاشان صورت گرفته است که نتایج آن در مجله Journal of Industrial and Engineering Chemistry (جلد 20، شماره 5، سال 2014، صفحات 3709 تا 3713) به چاپ رسیده است.