نانولولههای کربنی (CNT) به عنوان یکی از پیشرفتهترین مواد نانوساختار، در ترکیب با پلیمرهای رسانا مانند پلیآنیلین، امکان ساخت کامپوزیتهای سبکوزن با استحکام بالا و رسانایی الکتریکی قابل توجه را فراهم میکنند. در این فناوری انقلابی که توسط محققان ناسا توسعه یافته است، از روشهای نوین تولید شامل پلیمریزاسیون درجا، فرآیندهای کششی و پرس گرم برای دستیابی به خواص مکانیکی و الکتریکی بینظیر استفاده شده است.
نانولوله کربنی و روشهای ساخت آنها
عنوان فناوری:
- (مواد ساختاری پلیمر رسانا/نانولوله کربن و روشهای ساخت آنها)
- Conductive Polymer/Carbon Nanotube Structural Materials and Methods for Making Same
شرح فناوری :
دانشمندان ناسا یک ماده کامپوزیتی جدید ساختهاند که خواص مکانیکی بهتری دارد (نزدیک به کامپوزیتهای الیاف کربن معمولی) و رسانایی الکتریکی نسبتاً بالایی هم دارد. آنها از کاغذ، نوار یا نخ نانولوله کربن شروع کردند. ماده CNT با مونومر آنیلین آغشته شد و سپس در محل پلیمریزه شد تا یک نانوکامپوزیت ایجاد شود. در نهایت، با کشش، پرس گرم و کربنیزه کردن، چگالی آن را افزایش دادند و یکپارچگی فصل مشترک (interface integrity) را بهبود بخشیدند.
<<شکل زیر،فرآیند ساخت نانوکامپوزیت CNT/پلی آنیلین را به صورت شماتیک نشان می دهد.>>
مزایا (Benefits):
- پیوند پایدار بین لولهها و دستههای CNT با پلیمریزاسیون درجا (in-situ polymerization)
- بهبود خواص مکانیکی ورقها یا نخهای CNT در مقایسه با فرمتهای موجود مواد ساختاری CNT
- یک رویکرد کاملاً جدید برای ساخت نانوکامپوزیتهای مبتنی بر CNT که در مواد ساختاری آینده مفید هستند.
کاربردها (Applications):
- مواد ساختاری سبک برای وسایل نقلیه هوافضا، از جمله پروازهای هوافضای در ارتفاع بالا و اکتشافات فضایی
- مواد محافظ تداخل الکترومغناطیسی (EMI) شامل خودرو، محفظه و ساختمانهای انرژی خورشیدی، لوازم آرایشی، پوشاک، پتو، کلاه ایمنی و غیره
- حفاظت در برابر صاعقه برای وسایل نقلیه هوافضا
- مواد ساختاری انعطافپذیر
- مواد انعطافپذیر رسانای بالا برای الکترودها و ابرخازنها
- کاتالیزورهای تعبیه شده در غشاهای انعطافپذیر
- مواد ترموالکتریک آلی
- سنسورهای شیمیایی
- مواد گرمایش مقاومتی با دمای بالا
جزئیات فنی (The Technology):
نانولولههای کربنی (CNT) به دلیل ترکیب فوقالعادهای از خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی، برای مواد چند منظوره در طیف وسیعی از کاربردها، نویدبخش هستند. با این حال، این خواص مکانیکی امیدوارکننده به دلیل انتقال بار ضعیف بین لولهها یا دستههای لوله، به خوبی به نانوکامپوزیتهای CNT ساخته شده با روشهای مرسوم منتقل نشدهاند.
در این اختراع، فرمهای نانولوله کربن مانند ورقها و نخها با پلیمریزاسیون درجا با پلیآنیلین، یک پلیمر رسانای مزدوج، اصلاح شدند. نانوکامپوزیتهای CNT حاصل، متعاقباً برای بهبود خواص مکانیکی با پرس گرم و کربنیزه کردن، پس از پردازش قرار گرفتند. بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای پلیآنیلین/نانولوله کربن از طریق ترکیبی از کشش، پلیمریزاسیون، پرس گرم و کربنیزه کردن به دست آمد.
نمودار:
یک نمودار که تنش-کرنش نانوکامپوزیت های پلی آنیلین/CNT را در بار کششی نشان میدهد.
شماره ثبت اختراع:
- 10,464,271; 11,097,499
تحلیل و نکات تکمیلی:
-
پلیمریزاسیون درجا (In-situ Polymerization):
این روش کلیدیترین بخش این فناوری است. با پلیمریزه کردن آنیلین درون ساختار نانولولههای کربنی، یک پیوند قوی بین پلیمر و نانولولهها ایجاد میشود. این امر باعث بهبود انتقال بار و در نتیجه، افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت میشود.
-
پردازشهای تکمیلی:
کشش، پرس گرم و کربنیزه کردن، مراحل مهمی برای بهبود بیشتر خواص کامپوزیت هستند:
- کشش: باعث همراستا شدن نانولولهها در جهت مورد نظر میشود.
- پرس گرم: باعث فشردهسازی و کاهش تخلخلها میشود.
- کربنیزه کردن: باعث افزایش پایداری حرارتی و رسانایی الکتریکی میشود.
-
کاربردهای متنوع:
این فناوری طیف وسیعی از کاربردها را پوشش میدهد، از مواد ساختاری سبک برای هوافضا تا الکترودهای انعطافپذیر برای ابرخازنها. این نشاندهنده پتانسیل بالای این ماده جدید برای صنایع مختلف است.
برای مطالعه نسخه اصلی این مقاله به زبان انگلیسی،فایل PDF را از لینک زیر دریافت کنید👇
