پلیمرهای خودترمیم شونده
تقریبا 60 سالی است که پلیمرها در زندگی ما تحول ایجاد کرده اند. قیمت نهایی کم و قابلیت فرایند پذیری و خواص مکانیکی استثنایی آنها منجر به استفاده از این مواد در کاربردهای زیادی شده است .
اخیرا، علاقه زیادی به استفاده از پلیمرهای هوشمند برای کاربردهای خود ترمیم آغاز شده است. نکته اساسی در استفاده از این مواد هوشمند، برگشتپذیری برهمکنشهای غیرکوالانسی این مواد است که منجر به تغییرات در خواص میشود .به این پلیمرها در انگلیسی Self Healing Ploymers می گویند.
supramoleculare مادهای جدید است که در حدود 25 سال است که رشد کردهاند و رشد آنها بر اساس شیمی سنتزی و فرآیندهای درون مولکولی برگشتپذیر است .
ترمیم اتوماتیک مواد پلیمری آسیبدیده ، برای بالابردن عمر سرویسدهی پلیمر بسیار مهم است. این آسیبها میتواند در محدودهای از ترک در ساختار مواد تا خراشیدگی پوششهای پلیمری باشد.
سیستم های ترمیم کننده :
از ابتدا تا کنون مکانیزم های متفاوتی برای بدست آوردن خاصیت ترمیم شوندگی مواد بکار رفته است که دراین قسمت به تفصیل بیان می شود :
1- سیستم های ترمیم براساس افزایش تحرک زنجیره های پلیمری در اثر حرارت دادن به سیستم :
در این روش گره خوردگی های زنجیر، در منطقه آسیب دیده می تواند بر اثر حرارت تغییرشکل داده ، آسیب را ترمیم نماید.
از اشکالات این سیستم ، آنست که این سیستم فقط برای مواد ترموپلاستیک مفید است ، در ضمن آنکه برای مواد با ویسکوزیته بالا نیز مناسب نیست زیرا از تشکیل خوب اتصالات فیزیکی بین سطحی بعد از پوشاندن خراشیدگی ممانعت خواهد کرد.
2- استفاده از واکنش های شیمیایی برای ترمیم رزین های پلیمری :
در این روش بر روی سطح آسیب دیده ، فرمولاسیون شیمیایی فعال قرار می دهند تا بعد از سفت شدن فرمولاسیون ، سطح ترمیم گردد.
دراین روش ، کیفیت ترمیم ترک بسیار وابسته به برهمکنش بین جزء پلیمری و فرمولاسیون فعال دارد ، بنابراین اتصال دهنده شیمیایی و زبری سطح بسیار مهم اند ، به علاوه وسیله ما به خودی خود نمی تواند خودش را ترمیم کند و باید مواد شیمیایی به وسیله افزوده شود .
3- استفاده از فرمولاسیون شیمیایی ترمیم کننده درون ماتریس پلیمر :
در این روش با تشکیل ترک ، به عنوان آغازگر ، واکنش ترمیم صورت می گیرد . در این روش از مواد شیمیایی و کاتالیست های سمی استفاده می شود . در ضمن آنکه واکنش شیمیایی نیز فقط یک بار اتفاق می افتد ، حضور کپسول هایی با اجزای ترمیم کننده در سیستم پلیمری می تواند باعث کاهش خواص مکانیکی ماده ( نرم کننده ) شود .
4- در روشی جدیدتررزین های پلیمری را با استفاده از اتصالات برگشت پذیر حرارتی با یکدیگر پیوند می دهند :
در این روش ، اتصالات توسط واکنش های Diels Alder ایجاد شده اند .در این روش با بالا رفتن دمای پلیمر تا 130 درجه ، واکنش Diels Alder باز شده و پلیمر جریان می یابد . اگر چه در این جا پیوند کوالانسی تشکیل می شود ولی اگر جهت نامناسب باشد ، واکنش های جانبی داریم .
5- استفاده از Supra moleculare:
در این روش نیازی به استفاده از کاتالیست های سمی و مواد شیمیایی فعال نمیباشد در ضمن آنکه این مواد در دمای اتاق کراسلینک شده و در دماهای بالاتر بدون نیاز به پیوندهای کوالانسی جدید خود را ترمیم میکنند.
پلیمرهای Supra moleculare:
نسل جدیدی از پلیمرها که بین واحدهای تکراری به جای پیوندهای کوالانسی از پیوندهای ثانویه ( هیدروژنی - واندروالسی- دوقطبی دوقطبی ) ، استفاده میشود. به دلیل تنوع و جهت گیری مناسب ، پیوندهای هیدروژنی بیشتر مورد استفاده هستند .
همانطور که در شکل 1 می بینید ، حضور چهار پیوند هیدروژنی بین دو واحد تکراری و تولید دیمری از مونومر 2-ureido-4[1H]-pyrimidinones منجر به تولید ماده ای با استحکام بالا و K(din)=6*10^7 (1/M) شده است .
به دلیل قابلیت پاسخگویی به تغییرات محیطی به این مواد ، مواد هوشمند گویند . اگر چه این مواد بر پایه ureidopyrimidinone دو عاملی هستند به دلیل وابستگی دمایی شدید خواص مکانیکی آنها به دما ، آنها را جزئی از پلیمرها می دانند .
در دمای اتاق ، در حالت بالک و محلول ، رفتاری شبیه به پلیمرهای ویسکوالاستیک دارند و در دماهای بالاتر خواص شبه مایع دارند .
امروزه بیشتر از موادی با اساس پلی سیلوکسان ، پلی (اتیلن – بوتیلن ) ، پلی اترها ، پلی استرها و پلی متیل متاکریلات ، با عامل اتصال دهنده عرضیsupra استفاده می شود .
امروزه بیشتر از موادی با اساس پلی سیلوکسان ، پلی (اتیلن – بوتیلن ) ، پلی اترها ، پلی استرها و پلی متیل متاکریلات ، با عامل اتصال دهنده عرضیsupra B استفاده می شود . بنابراین در این مواد ، مجموع خواص مناسب را خواهیم داشت ، هم خواص مکانیکی بالا (ناشی از حضور پلیمر ) و هم ویسکوزیته مذاب پایین ناشی از حضور (B supra)
می دانیم استفاده از مونومرهای چند عامله (سه عامله به بالا) ، باعث شبکهای متراکم شده که به دلیل حضور مواد supra ،قابلیت تغییر با دما را خواهد داشت .
خواص خود ترمیم شونده :
بدلیل طبیعت برگشت پذیر حرارتی پلیمر های شامل supra ، با افزایش دما برهمکنش های پیوند هیدروژنی کاهش یافته و ویسکوزیته مذاب ایجاد شده باعث جریان یافتن راحت مواد پلیمری شده که می تواند آسیب ها را ترمیم کند. بعد از سرد شدن، برهمکنش های بین پیوندهای هیدروژنی دوباره ایجاد شده و باعث میشود که خواص ماده دوباره برگردد .
مثال :
پلی بوتادین بهبود یافته باB supra) ) پلیمر1 در دماهای بالاتر از 100 درجه جریان مییابد شکل (a3)
پلی دی متیل سیلوکسان عامل دار شده با B supra (پلیمر2) نیز در دماهای بالاتر از 100درجه جریان می یابد.(شکل b3)
پوشش های اپوکسی وینیل استر خود ترمیم شونده :
(a ماتریس
(b ماتریس + PDMS همراه با عامل ترمیم
(c ماتریس + کاتالیزور
(d ماتریس + PDMS همراه با عامل ترمیم + کاتالیزور
--- --- --- ---
خبر مهم
محققان به تازگی توانستهاند زمان درمانگری را از ۳۰ دقیقه به کمتر از یک دقیقه کاهش دهند. پلیمرهای خود-درمانگر قبلی بر اساس ترکیبات آلی و باندهای شیمیایی فعالیت ترمیم را انجام می دادند، در عوض پلیمر جدید از باندهای کووالانت و حرارت برای این عمل بهره می برند.
در آزمونی که توسط Burnworth و تیم تحقیقاتی اش صورت گرفت، یک لایه از این پلیمر را به صورت فیلمی با ضخامت ۳۵۰ تا ۴۰۰ میکرومتر درآورده و سپس ۵۰ تا ۷۰ درصد ضخامت آن را برش دادند. آنگاه بخش بریده شده را طی دو بازه زمانی متوالی ۳۰ ثانیه ای در برابر اشعه ماورابنفش با طول موج ۳۲۰ تا ۳۹۰ نانومتر و قدرت ۹۵۰ مگاوات بر سانتی مترمربع قرار دادند. محل برش ترمیم شد! آنگاه برای مقایسه استقامت پلیمر ترمیم شده با پلیمر واقعی، از طیف سنجی اتمی استفاده کرده و دیدند که محل برش کاملا ناپدید شده است.
در صورتی که روزی این پروژه صنعتی شود، شاهد تحول بزرگی در صنایع مختلف (از پزشکی تا الکترونیک و نظامی) خواهیم بود. تصور کنید شکستگی موبایل تان به راحتی ترمیم می شود. یا فیبرنوری و کابل های اینترنتی که دیگر لنگر کشتی باعث قطعی یک ماهه شان نمی گردد. یا اندام های مصنوعی که به این راحتی خراب نمی شوند.
