هدف استفاده از کامپوزیت‌ها، دستیابی به خواصی است که در حالت عادی در ماده زمینه وجود ندارد. در نازل‌ترین حالت، فیلر نقش پرکننده را داشته و موجب می‌شودکه از مقدار کمتری ماده زمینه (که در اغلب مواقع قیمت بالاتری دارد) استفاده شود؛ بنابراین موجب کاهش قیمت تمام شده ماده تولیدی می‌شود؛ به همین دلیل فاز دوم یعنی فاز پراکنده را فیلر (پرکننده) می‌نامند. ولی در بسیاری از موارد هدف از اضافه کردن فیلر کاهش قیمت تمام شده نیست. بلکه هدف، ایجاد خواص جدید یا بهبود خواص موجود در زمینه است. با این وجود در این متن برای سادگی، همواره فاز دوم فیلر نامیده می‌شود. اگر فیلر به انگیزه بهبود خواص مکانیکی به ماده زمینه اضافه شود به فیلر، تقویت‌کننده نیز گفته می‌شود.
2. معرفی نانوکامپوزیت‌ها
نانوکامپوزیت‌ها تعریفی مشابه کامپوزیت‌ها دارند با این تفاوت که در آن‌ها حداقل یکی از سه بعد (طول، عرض یا ارتفاع) فیلر در محدوده نانومتری باشد. متاسفانه در بسیاری از نوشتجات علمی برای خیلی از نانوساختارها مانند نانوساختارهای هسته-پوسته، نانوساختارهای هیبریدی و ... کلمه نانوکامپوزیت مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ ولی این نام برای این نانوساختارها مورد پذیرش تمام محققین نیست. در اغلب مواقع نانوکامپوزیت‌ها فرم توده‌ای (بالک) دارند ولی موارد زیادی نیز یافت می‌شود که نانوکامپوزیت‌ها در فرم‌های نانوپوشش، لایه نازک و نانوالیاف و ... مورد استفاده قرار می‌گیرند.همان‌گونه که مشخص شد علت استفاده از کامپوزیت، ایجاد یا بهبود خواصی است که در حالت عادی در ماده زمینه به تنهایی وجود ندارد. اما در بسیاری مواقع در ازای ایجاد یا بهبود این خواص ممکن است تعدادی دیگر از خواص مطلوب ماده تضعیف شوند. به‌عنوان مثال، استفاده از فیلرهای با ضریب یانگ بالا در کامپوزیت‌ها موجب افزایش سفتی (Stiffness) ماده موردنظر می‌شود، اما در ازای ایجاد این خاصیت، دو ویژگی دیگر یعنی تنش تسلیم (Yield Stress) و چقرمگی (Toughness) کاهش می‌یابد. نانوکامپوزیت‌ها در مقایسه با کامپوزیت‌ها این مزیت را دارند که با افزودن نانوفیلر، مدول یانگ افزایش می‌یابد ولی وضعیت تنش تسلیم و چقرمگی چندان نامطلوب نمی‌شود. حتی در مواردی در نانوکامپوزیت‌ها هر دو پارامتر تنش تسلیم و چقرمگی (نسبت به ماده زمینه) نیز بهبود می‌یابد. این نوع ویژگی که بهبود یک ویژگی مفید، ویژگی مفید دیگری را کاهش ندهد برتری نانوکامپوزیت‌ها بر کامپوزیت‌هاست. علت این برتری در نانوکامپوزیت‌ها به سطح زیاد و اندازه کوچک نانوفیلرها مربوط است که در ادامه مورد بررسی قرار می‌گیرد.
3. تقسیم‌بندی و ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌ها
نانوکامپوزیت‌ها بر مبنای زمینه مورد استفاده به سه دسته زمینه فلزی، زمینه سرامیکی و زمینه پلیمری تقسیم می‌شوند که در هرکدام هدف از افزودن نانوفیلر می‌تواند بهبود خواص متفاوتی باشد. فیلرهایی که در نانوکامپوزیت‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد می‌تواند هر سه نوع نانوساختار ابعادی (صفر بعدی، یک‌بعدی و دوبعدی) و با هر شکلی باشد. شکل 2 تعدادی از نانوفیلرهای پرکاربرد را نشان می‌دهد.
شکل 2 - نمایش تعدادی از نانوفیلرهای پرکاربرد در زمینه نانوکامپوزیت‌ها
4. خواص نانوکامپوزیت‌ها
یکی از عواملی که نانوکامپوزیت‌ها را از کامپوزیت‌ها متمایز می‌سازد میزان زیاد فصل‌مشترک بین فیلر و زمینه به دلیل نانوابعاد بودن فیلر است. چون ارتباط نانو فیلر و زمینه از طریق سطح صورت می‌گیرد، هر چه سطح بیشتر باشد تاثیر نانوفیلر بیشتر خواهد بود. به‌طور مثال، انتقال بار مکانیکی از طریق فصل‌مشترک دو فاز صورت می‌گیرد و در نانوکامپوزیت‌ها بدلیل سطح بسیار بالا این انتقال بار بسیار موثرتر است.
یکی دیگر از عوامل برتری نانوکامپوزیت‌ها، ابعاد کوچک فیلر و همچنین امکان مهندسی ساختار در مقیاس نانومتری است. ابعاد کوچک فیلر آن‌گونه که در شکل 3 دیده می‌شود، موجب حفظ شفافیت نانوکامپوزیت نسبت به میکروکامپوزیت می‌شود. علت این پدیده ابعاد کوچک نانوفیلر است که موجب می‌شود پراکندگی نور مرئی در این حالت کمتر از میکروکامپوزیت باشد.
شکل 3- نمایش تفاوت میزان شفافیت در نانوکامپوزیت‌ها و میکروکامپوزیت‌ها (در بالا) ناشی از تفاوت میزان پراکندگی (در پایین)
دو عامل میزان زیاد فصل‌مشترک و اندازه کوچک نانوفیلرها موجب می‌شود که خواص متنوعی در نانوکامپوزیت‌ها در مقایسه با دو حالت زمینه تنها و میکروکامپوزیت‌ها بوجود آید. بهبود خواص مکانیکی و ترمومکانیکی مانند تنش تسلیم، چقرمگی، پایداری گرمایی، مقاومت به خزش و بهبود خواص فیزیکی مانند رسانایی الکتریکی و ایجاد خواص سدی در مقابل نفوذپذیری گازها از جمله کاربردهای نانوکامپوزیت‌هاست.
یکی دیگر از مزایای نانوکامپوزیت‌ها حضور نانوفیلرهایی است که معادل آن‌ها در ابعاد غیرنانومتری وجود ندارد. گرافن و نانولوله کربنی دو نوع نانوفیلر هستند که فقط در ابعاد نانومتری وجود دارند. این نانوفیلرها خواص فوق العاده‌ای در مقایسه با دیگر فیلرها دارند، از این‌رو استفاده از این فیلرها می‌تواند منجر به بهبود موثری در خواص نانوکامپوزیت‌ها شود.
5. ساخت نانوکامپوزیت‌ها
برای داشتن یک نانوکامپوزیت با کیفیت و دارای ویژگی‌های مطلوب، ضرورت‌هایی وجود دارد که در هنگام ساخت نانوکامپوزیت‌ها باید مدنظر قرار گیرد. پخش‌شدگی (Dispersion) خوب و توزیع (Distribution) مناسب نانوفیلرها در کل زمینه پلیمری یکی از نیازهای ضروری است. منظور از پخش‌شدگی، جلوگیری از کلوخه‌ای شدن (آگلومره شدن) و منظور از توزیع مناسب، پراکندگی مناسب کل ذرات در زمینه است. شکل 4 شرایط مختلف توزیع و پخش‌شدگی را نشان می‌دهد. در شکل a پخش‌شدگی ضعیف ولی توزیع مناسب است. در b هر دو پارامتر وضعیت مناسبی ندارند. در c پخش‌شدگی نانوفیلرها خوب است ولی نانوفیلرها توزیع مناسبی ندارند و در آخر در d هر دو پارامتر وضعیت مناسبی دارند.
شکل 4- نمایش حالات مختلف توزیع و پخش‌شدگی نانوفیلرها
به‌طور کلی پخش‌شدگی و توزیع مناسب ذرات ضرورت دارد، ولی مواردی وجود دارد که نوع خاصی از توزیع ذرات را می‌طلبد. یک مثال از این کاربردها در شکل 5 نمایش داده شده است. در بسیاری موارد برای افزودن خاصیت رسانایی به یک زمینه نارسانا، نانوفیلرهای رسانا به آن اضافه می‌شود تا نانوکامپوزیتی رسانا تشکیل شود. شکل a نشان می‌دهد وقتی‌که نانوفیلرها ارتباطی با یکدیگر نداشته باشند تاثیر نانوفیلرها بر رسانایی اندک است، در حالی‌که اگر نانوفیلرها همانند شکل b یک مسیر رسانا را تشکیل دهند، تاثیر نانوفیلرها بر رسانایی نانوکامپوزیت مناسب خواهد بود.
شکل 5- نمایش نحوه توزیع ذرات بر روی رسانایی یک نانوکامپوزیت
علاوه بر دو پارامتر توزیع و پخش‌شدگی مناسب نانوفیلرها، ارتباط مناسب بین نانوفیلر و زمینه یکی از ضروریات لازم برای داشتن نانوکامپوزیتی با خواص مناسب است. برای داشتن چنین خصوصیتی دو شرط لازم است: اولا ارتباط کامل فیزیکی بین نانوفیلر و زمینه برقرار باشد، ثانیا ترشوندگی (Wetting) خوبی بین نانوفیلر و زمینه وجود داشته باشد (در بخش نانوکامپوزیت‌های پلیمری به این شرط کامل‌تر اشاره خواهد شد).
روش‌های ساخت نانوکامپوزیت‌ها بسته به نوع ماده زمینه، کاربرد و ... متنوع است. ولی دو رهیافت کلی برای ساخت نانوکامپوزیت‌ها وجود دارد: یکی رهیافت ساخت درجا (In-situ) و دیگری رهیافت ساخت غیردرجا (Ex-situ). در ساخت غیردرجا ابتدا نانوفیلرها ساخته شده و زمینه نیز جداگانه تهیه شده و سپس این دو فاز، توسط مکانیزمی با یکدیگر مخلوط می‌شوند. ولی در ساخت درجا یکی از دو فاز زمینه یا نانوذرات در مجاورت دیگری تشکیل می‌شود. منظور اینست که ابتدا نانوفیلرها وجود داشته و فاز زمینه در مجاورت این نانوفیلرها تشکیل می‌شود یا فاز زمینه وجود داشته و درون این فاز زمینه نانوفیلرها ایجاد می‌شوند.
در حالت کلی هر سه پارامتر توزیع، پخش‌شدگی و ارتباط بین نانوفیلر و زمینه، در روش ساخت درجا بهتر از روش ساخت غیردرجاست. اما مزیت روش غیردرجا در سادگی آن، هزینه کمتر و همچنین قابلیت تولید قطعات بزرگ و تولید انبوه است. در ادامه، به طور خاص این دو رهیافت برای نانوکامپوزیت‌های پلیمری مورد بررسی قرار می‌گیرد.
یکی دیگر از ضرورت‌هایی که در هنگام سنتز نانوکامپوزیت‌ها باید در نظر گرفته شود، بدست آوردن مقدار بهینه نانوفیلر برای رسیدن به خواص مطلوب است. مقدار زیادتر، ممکن است خواص مطلوب را کاهش دهد. یکی از دلایل کاهش خواص، احتمال آگلومره شدن ذرات است؛ اما بسته به نوع کاربرد و روش سنتز و نوع فیلر و ... عوامل دیگری نیز در انتخاب درصد بهینه موثرند. شکل 6 تاثیر میزان درصد وزنی سیلیکا را بر تنش تسلیم نشان می‌دهد. از روی شکل مشخص است که یک مقدار بهینه برای سیلیکا وجود دارد که در آن تنش تسلیم حداکثر است.
شکل 6 - نمایش تاثیر درصد وزنی نانوسیلیکا بر روی تنش تسلیم نانوکامپوزیت
6. معرفی نانوکامپوزیت‌های پلیمری
در مقایسه با دو نوع کامپوزیت دیگر، نانوکامپوزیت‌های زمینه پلیمری هم از جنبه حضور در بازار و هم میزان تحقیقات در جایگاهی بالاتر قرار دارند. دلیل این موضوع ضرورت بهبود خواص پلیمرها و قیمت پایین و سادگی تولید این نانوکامپوزیت‌هاست. شکل 7 ، درصد کاربرد نانوکامپوزیت‌های زمینه پلیمری را در بخش‌های مختلف نشان می‌دهد. مشخص است که صنعت بسته‌بندی بیشترین میزان کاربرد نانوکامپوزیت‌های پلیمری را به خود اختصاص داده است.
شکل 7 - نمایش درصد کاربردهای مختلف نانوکامپوزیت‌های پلیمری در حوزه‌های مختلف
در زیر به صورت فهرست‌وار مقایسه‌ای بین ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌ها و میکروکامپوزیت‌ها صورت گرفته است:• مدول یانگ: در نانوکامپوزیت‌ها و میکروکامپوزیت‌ها هر دو بهبود می‌یابد.• چقرمگی: در نانوکامپوزیت‌ها به مراتب کمتر کاهش می‌یابد.• مقاومت گرمایی: در نانوکامپوزیت‌ها به مراتب میزان بالاتری دارد.• شفافیت: در نانوکامپوزیت‌ها شفافیت خیلی بهتر حفظ می‌شود.در شکل 8 تفاوت بین مدول یانگ یک نانوکامپوزیت و یک کامپوزیت تقویت شده با الیاف شیشه (این الیاف مدول یانگ بالایی دارند) نشان داده شده است. در این شکل Em مدول یانگ برای پلیمر تنهاست.
شکل 8 - درصد نمایش تاثیر قابل توجه اضافه کردن نانوفیلر. Em مدول یانگ پلیمر است.
فیلرهای مختلفی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای اینکه قیمت تمام شده نانوکامپوزیت خیلی بالا نرود، سعی می‌شود از نانوموادی استفاده شود که قیمت پایینی دارند. نانورس و نانوذرات سیلیکا از جمله فیلرهای پرکاربرد هستند. البته بسته به کاربرد ممکن است از فیلرهای متفاوتی با قیمت‌های مختلف استفاده شود. شکل 9 مقایسه‌ای بین خواص یک پلیمر به نام نایلون را با نانوکامپوزیت آن، که با فیلر نانورس تقوبت شده، نشان می‌دهد. همچنین تصویر TEM از این نانوکامپوزیت در همین شکل نشان داده شده است.
شکل 9- نمایش مقایسه بین خواص پلیمر تنها از جنس نایلون با نانوکامپوزیت از نایلون و رس همراه با تصویرTEM
رس‌ها کانی‌های معدنی هستند که در طبیعت به وفور یافت شده و قیمت پایینی دارند. ساختار اتمی رس‌ها یک ساختار ورقه‌ای مانند شکل 10 است. پیوند ضعیف بین صفحات رس موجب می‌شود که بتوان به‌سادگی صفحات رس را از یکدیگر جدا کرد.
شکل 10- نمایش ساختار ورقه‌ای رس همراه با ناحیه پیوند ضعیف
با جداسازی تعدادی از این ورقه‌ها می‌توان به یک ساختار صفحه‌ای نانومتری، همانند شکل 11 (در شکل a) رسید. در شکل‌های b و c مشخص است که تعویض کاتیون‌های معدنی موجود در فواصل بین صفحه‌ای با کاتیون‌های آلی از جنس آلکیل آمونیوم، منجر به تشکیل ارگانوکلی (نانو رس) می‌شود.
شکل 11- نمایش ساختار اورگانوکلی و چگونگی ساخت اورگانوکلی
نانوکامپوزیت‌های پلیمری را می‌توان به دو روش درجا و غیردرجا تهیه کرد. در روش غیردرجا هر دو فاز پلیمر و نانو فیلر از قبل تهیه شده‌اند و فقط این دو فاز با یکدیگر مخلوط می‌شوند تا نانوکامپوزیت مورد نظر تشکیل شود. شکل 12 شماتیکی از نحوه ساخت با روش غیردرجا (در a برای نانوفیلرهای ذره‌ای و در b برای نانورس) را نشان می‌دهد. در شکل b مشخص است که زنجیره‌های پلیمر وارد فواصل بین صفحه‌ای خاک رس شده‌اند که به این پدیده درج شدن (Intercalation) می‌گویند.
شکل 12- نمایش ساخت به روش غیردرجا با مخلوط کردن پلیمر و نانوفیلر در a برای نانوفیلر ذره‌ای و در b برای نانورس
در روش درجا، در هنگام سنتز نانوکامپوزیت، یکی از دو فاز در مجاورت فاز دیگر تشکیل می‌شود. عمدتا تشکیل زنجیره‌های پلیمری در مجاورت نانو ذرات ایجاد می‌شود ولی این امکان نیز وجود دارد که نانوفیلرها در مجاورت زنجیره‌های پلیمری تشکیل شوند. شکل 13 دو حالت مختلف درجا و غیردرجا را برای ساخت نانوکامپوزیت آنتی‌باکتریال از نانوذرات فلزی و پلیمر نشان می‌دهد. در شکل a در مجاورت پلیمر، دو عامل احیاکننده و نمک فلزی واکنش می‌دهند و یک نانوکامپوزیت می‌سازند، در حالی‌که در b این دو فقط با هم مخلوط می‌شوند.
شکل 13- نمایش تشکیل
نانو ذرات به صورت درجا در مجاورت در پلیمر در a و b نمایش مخلوط کردن دو فاز در روش غیردرجا
در نانوکامپوزیت‌های خاک رس فقط امکان استفاده از روش درجایی وجود دارد که پلیمر در مجاورت نانوفیلر شکل می‌گیرد چون خاک رس به صورت طبیعی تولید می‌شود. شکل 14 نحوه ساخت با این روش را نشان می‌دهد. مونومرها (واحدهای اولیه سازنده پلیمر) وارد فضای بین لایه‌ای نانورس شده و سپس به کمک عامل پلیمریزاسیون، فرآیند پلیمره شدن انجام می‌شود. در این حالت، هنگامی‌که ذرات پلیمر تشکیل می‌شوند، صفحات نانورس از یکدیگر مجزا می‌شوند.
شکل 14- نمایش نحوه ساخت نانوکامپوزیت‌های پلیمر-خاک رس با کمک روش درجای پلیمریزاسیون
به‌طور کلی بعد از ساخت نانوکامپوزیت‌های پلیمر-خاک رس، دو حالت کلی وجود خواهد داشت. شماتیک این دو حالت در شکل 15 نمایش داده شده است؛ یکی حالتی که زنجیره‌های پلیمری بین صفحات نانورس (ارگانوکلی) نفوذ کرده (در بین صفحات درج می‌شوند) ولی صفحات نانوکامپوزیت از یکدیگر چندان جدا نمی‌شوند. این حالت را حالت درج شدن (Intercalated) می‌نامند. حالت دوم حالتی است که علاوه بر درج زنجیره‌های پلیمری در بین صفحات نانورس، این زنجیره‌های پلیمری موجب می‌شوند که صفحات نانورس به‌طور کامل از یکدیگر جدا شوند؛ این حالت را ورقه‌ای شدن (Exfoliated) می‌نامند. حالت ورقه‌ای شدن حالتی محبوب‌تر در نزد محققین است. چون در این حالت خواص بهتری از نانوکامپوزیت مشاهده می‌شود. یک علت مهم آن وجود فصل‌مشترک بیشتر بین پلیمر و نانوفیلر است.
شکل 15- به ترتیب از چپ به راست نمایش دو حالت نانوکامپوزیت Intercalated و نانوکامپوزیت Exfoliated
همان‌گونه که شکل 14 گویای آن است؛ در روش تولید درجا، احتمال تشکیل ساختار ورقه‌ای شده (حالت Exfoliated) بیشتر از روش تولید غیردرجاست. چون ابتدا مونومرها که ابعاد کوچکی دارند، وارد فضای بین لایه‌ای نانورس شده و سپس این مونومرها در ادامه به پلیمر تبدیل شده و این نانوصفحات از یکدیگر جدا می‌شوند. در حالی که در روش غیردرجا پلیمرها که ابعاد بزرگ تری دارند نمی توانند به راحتی وارد فضای بین لایه ای نانورس شوند.
بدلیل اینکه نانوفیلرها (مانند نانو رس) اکثرا معدنی هستند، لذا غالبا قطبی (آبدوست) هستند؛ در حالی‌که پلیمرها ذاتا مواد غیرقطبی (آبگریز) هستند. بدلیل ناسازگاری بین این دو فاز، برای داشتن اتصال خوب در فصل‌مشترک بین پلیمر و نانوفیلر، استفاده از عاملی که بین این دو فاز سازگاری ایجاد کند ضروری است. سورفکتانت‌ها، همانند شکل 17، یک سر قطبی و یک سر غیرقطبی دارند. سر قطبی به نانوفیلر و سر غیرقطبی به پلیمر متصل می‌شود، بنابراین به عنوان یک پل بین این دو فاز سازگاری ایجاد می‌کند.
شکل 16- نمایش یک سورفکتانت با یک سر قطبی و یک سر غیرقطبی
7. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
در این مقاله ضمن معرفی کامپوزیت‌ها و نانوکامپوزیت‌ها، تفاوت‌های این دو گروه مشخص شد. مزایایی که نانوکامپوزیت‌ها دارند و علت این مزایا مشخص شد. رهیافت‌های ساخت نانوکامپوزیت‌ها شرح داده شد. به‌طور خاص نانوکامپوزیت‌های پلیمری با نانوفیلر خاک رس مورد بررسی قرار گرفت.