بخشی از مقاله
خلاصه
نانو ذرات صفر بعدی از جمله نانو سیلیس و نانو ذره دیاکسید تیتانیوم با اضافه شدن به بتن خواص ویژهای به آن بخشیده و باعث بهبود خصوصیات مکانیکی بتن می شوند. با این وجود اگلومراسیون ناشی از دیسپرسیون نامناسب نانو ذرات مشکلی است که به هنگام استفاده از این نوع نانو ذرات در محیطهای سیمانی باعث کاهش میزان کارایی آنان میگردد. در این مقاله روشها، مکانیزمها و نتایج مربوط به دیسپرسیون نانو ذرات صفر بعدی با هدف شناخت مزایا و معایب هر روش جهت تولید نانوکامپوزیتهای بتنی مرور و بررسی شده و میزان اثر بخشی هر روش با روشهای دیگر مقایسه گردیده است. نتایج این مقاله میتواند کمک شایانی به استفاده صحیح و بهینه نانو ذرات صفربعدی در تولید نانوکامپوزیتهای بتنی کرده و زمینه استفاده روزافزون این نوع نانوکامپوزیتها را فراهم کند.
کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت بتنی، نانو ذرات صفربعدی، دیسپرسیون، اگلومراسیون
1. مقدمه
با گسترش علم و نیاز روز افزون بشر به مواد و مصالح مرغوب با ویژگی های خارق العاده برای استفاده در زمینه های مختلف همچون صنایع شیمیایی، پزشکی، دارویی، الکترونیک، کشاورزی و ساخت و ساز، گرایش به استفاده از فناوری نانو رشد روز افزونی یافته و جامعه ی علمی به مطالعه و تحقیق و توسعه ی هرچه بیشتر این تکنولوژی نوظهور سوق پیدا کرده است. صنعت ساختمان سازی، به عنوان یکی از فعال ترین و مهم ترین صنایع مورد نیاز جوامع انسانی، همواره نیازمند بهبود کیفیت مصالح و تکنولوژی ساخت بوده است. استفاده از نانوذرات مختلف با هدف بهبودخواص و تولید کامپوزیت های پیشرفته ی بتنی موضوعی است که اخیرا در کانون توجه دانشمندان این رشته قرار گرفته و مقالات زیادی در این زمینه در نشریات مختلف به چاپ رسیده است.
نانوذرات مختلف با ابعاد و اندازه های متفاوت و ساختارهای گوناگون مانند نانوذرات سیلیکا، تیتانیوم، نانولوله های کربنی و نانو صفحه های گرافنی توانایی فوق العاده ای در زمینه بهبود خواص مختلف کامپوزیت های بتنی از خود نشان داده اند. با این وجود به دلیل دیسپرسیون نامناسب و غیر همگن و کلوخه شدگی آنها در هنگام اختلاط با آب و سیمان، که خود ناشی از عدم وجود استاندارد مناسب برای فرآیند دیسپرسیون می باشد، استفاده از حداکثر ظرفیت این نانومواد با ارزش جهت بهبود خواص بتن به شدت محدود شده و حتی در مواردی باعث اثر گذاری منفی بر روی خواص بتن می شوند .[1]
در این راستا شناخت روش های موجود و مکانیزم هایی که باعث اگلومراسیون این نانومواد می شوند، در کنار شناخت خود پدیده ی اگلومراسیون، می تواند کمک شایانی به رفع این معضل بزرگ نموده و علاقه مندان را به یافتن روش های بهتر و قوی تر تشویق نماید. در این مقاله سعی شده است که با بررسی مقالات مختلفی که تاکنون در زمینه دیسپرسیون نانوذرات صفر بعدی در محیط های سیمانی ارائه شده است، به مطالعه و شناخت هرچه بیشتر دیسپرسیون این نانو ذرات در مواد پایه سیمانی پرداخته و با جمع بندی نتایج ارائه شده توسط دیگر محققان به مزایا و معایب کلی این روش ها پرداخته شود.
شایان ذکر است با توجه به نوظهور بودن کاربرد نانوذرات در تکنولوژی بتن و عدم توجه کافی به دیسپرسیون آنها در محیط های سیمانی، تعداد مقالاتی که به این موضوع پرداخته اند و به عنوان عاملی تاثیر گذار به بررسی و کنترل پارامتر های تاثیر گذار در آن پرداخته اند بسیار معدود بوده و از این جهت فاکتورهای اثر گذار در دیسپرسیون طیف بزرگی از نانو ذرات صفر بعدی هنوز به اندازه کافی شناخته نشده اند. به این دلیل در این مقاله با تمرکز بر روی سه نانوذره ی، سیلیس، تیتانیوم و کلسیم کربنات که مقالات زیادی در مورد آنها به چاپ رسیده است سعی در بررسی و معرفی روش های مرسوم دیسپرسیون و مکانیزم های اثر گذار در جلوگیری از اگلومراسیون شده است.
2. مکانیزم های دافعه و جاذبه ی موثر در اگلومراسیون
دیسپرسیون یکی از تاثیر گذار ترین مراحل استفاده و به کار گیری نانوذرات می باشد. دیسپرسیون نامناسب نانوذرات منجر به عدم استفاده حداکثری از خواص مورد نظر این مواد با ارزش می شود و از این طریق هزینه ها بدون نتیجه ی مثبت بالا رفته و ماده ای تولید می شود که نه تنها بهبود نیافته بلکه در برخی موارد خواص آن نیز تضعیف شده اند [2] .دیسپرسیون همگن نانوذرات و عدم اگلومراسیون آنها،چه قبل و چه بعد از دیسپرسیون عمدتا وابسته به میزان نیروهای جاذبه و دافعه ی میان این ذرات می باشد . پر واضح است که عامل اصلی دیسپرسیون ناموفق و اگلومراسیون، نیروهای جاذبه ای می باشدکه میان این ذرات وجود دارد . [3] به این دلیل برای رسیدن به یک دیسپرسیون همگن و پایدار، تعادل میان نیروهای جاذبه و دافعه میان ذرات امری ضروری به نظر می رسد. نیروهای جاذبه عمدتا به شکل نیروهای وان در والسی بوده و نیروهای دافعه تحت عنوان نیروهای الکترواستاتیکی، استریکی و الکترواستریکی طبقه بندی می شوند. در نتیجه عامل نهایی تعیین کننده ی پایداری دیسپرسیون، برآیند کل نیروهای میان ذره ای می باشد.
نیروهای وان در والسی، که از جنس نیروهای جاذبه می باشند از اندرکنش مابین دوقطبی های لحظه ای و دائمی به وجود می آیند و از این لحاظ به سه دسته تقسیم می شوند: الف - اندرکنش میان دوقطبی های دائمی- دائمی، ب - اندرکنش میان دوقطبی های دائمی-لحظه ای، ج - اندرکنش میان دوقطبی های لحظه ای-لحظه ای .[2]شدت این نیروها وابسته به میزان قطبیت نانو ذرات،شعاع آنها،و فاصله ی بین ذرات می باشد .[4]هرچه فاصله ی بین ذرات بیشتر شود از شدت این نیروها کاسته می شود. برای رسیدن به یک دیسپرسیون پایدار،شدت این نیروها باید با استفاده از به کار گیری نیروهای دافعه کاسته شود. نیروهای الکترواستاتیک که جزء نیروهای موثر دافعه ی میان ذره ای به حساب می آیند یکی از نیروهایی است که جهت کم کردن شدت نیروهای جاذبه می توان به کار گرفت.
این نیروها از اندرکنش میان ذراتی به وجود می آید که دارای بار الکتریکی همسان می باشند ,4] .[5 با القای مقادیر قابل توجهی از بارهای همسان بر روی سطح نانو ذرات می توان پایداری دیسپرسیون را افزایش داد .[4] مکانیزم عملکرد این نیرو اندرکنش میان لایه های دوگانه ی ذراتی می باشد که به همدیگر نزدیک شده و از این طریق همدیگر را دفع میکنند . [5] لایه دوگانه، دو لایه ی موازی از بارهای الکترونیکی است که به هنگام تماس با مایعات، اطراف ذرات را فرا میگیرند. لایه اول، بار سطح ذرات می باشد - مثبت یا منفی - که از یون هایی تشکیل می شود که به دلیل واکنش های شیمیایی جذب سطح آنها می شوند. لایه ی دوم از یون هایی تشکیل می شود که با اتصال ضعیفی به لایه اول متصل شده اند، و میتوانند تحت اثر میدان های الکتریکی، آزادانه حرکت کنند. صفحه ای که این لایه و مایع اطراف را از هم جدا میکند موسوم به لایه لغزش بوده و اختلاف پتانسیلی که میان این صفحه و سیال به وجود می آید، تحت عنوان پتانسیل زتا شناخته می شود. این پتانسیل عامل تعیین کننده ای برای پایداری دیسپرسیون به شمار می رود.
مقدار مطلق پتانسیل زتا نشان دهنده ی میزان دافعه ی الکترواستاتیکی مابین ذرات هم باری می باشد که در کنار هم قرار می گیرند. محلول هایی که پتانسیل زتای بالایی دارند، پایداری زیادی در برابر اگلومراسیون از خود نشان می دهند، به این دلیل پتانسیل بالاتر عاملی خواهد بود در جهت کمک به دیسپرسیون بهتر. از سوی دیگر مقادیر اندک این پتانسیل،نزدیک به نقطه ی ایزوالکتریک به نیروهای جاذبه ی وان در والسی اجازه می دهد که بر نیروهای دافعه غلبه کرده و اگلومراسیون ذرات رخ دهد . [6, 7] نقطه ی ایزوالکتریک به حالت شیمیایی ای اطلاق می گردد که در آن مقدار پتانسیل زتا صفر می باشد. معمولا در حالتی که پتانسیل زتا مقادیر بیشتر از 30 میلی ولت و یاکمتر از -30 میلی ولت به خود بگیرد، ذرات به دفع یکدیگر تمایل پیدا کرده و دیسپرسیون آن ها پایدار باقی می ماند .[3] با این وجود مقدار دقیق این پتانسیل برای حفظ پایداری دیسپرسیون مورد اجماع نبوده و به عوامل مختلفی از جمله : نوع حلال، قدرت یونی محلول، ثابت دی الکتریک حلال ، گروه های عاملی حاضر بر سطح نانوذرات و pH محلول بستگی دارد. [3-5] دافعه ی الکترواستاتیک علی رغم تاثیر زیادی که بر روی کاهش شدت نیروهای جاذبه دارد، کافی نبوده وبرای رسیدن به پایداری قابل قبول، نیاز به استفاده از دیگر مکانیزم های دافعه کاملا احساس می شود.
نیروهای دافعه ی استریکی یکی دیگر از مکانیزم هایی است که میتوان همراه با دافعه ی الکترواستاتیک جهت کاهش شدت نیروهای وان در والسی به کار برد. این نیرو بر اساس دافعه ی فیزیکی ای عمل می کند که ناشی از مولکول های ارگانیکی است که بر روی سطح نانوذرات جذب می شوند .[3] با به کارگیری افزودنی های ارگانیک همچون فوق روان کننده ها و سورفکتانت ها این مکانیزم نیز فعال می شود. این افزودنی ها معمولا با هدف های مختلفی به ترکیبات بتنی اضافه می شوند که افزایش کارایی مخلوط و تسهیل دیسپرسیون ذرات یکی از این هدف ها است [5] .هنگامی که سورفکتانت ها به کارگرفته می شوند، سطح نانوذرات وذرات سیمان با این افزودنی های پلیمری پوشانده شده و با امتداد یافتن زنجیر های جانبی شان در سیال، یک لایه ی فیزیکی دور نانو ذرات تشکیل می دهند که از نزدیک شدن مراکز ذرات بیش از شعاع ذره به اضافه ی ضخامت لایه ی جذب شده جلوگیری به عمل می آورد [8] .
چنانچه این مولکول های دارای گروه های عاملی باردار باشند، علاوه بر مکانیزم استریکی ، از دافعه ی الکترواستاتیکی نیز برخوردار شده و با عملکردی دوگانه به بهبود دیسپرسیون کمک می نمایند. این عملکرد دوگانه تحت نام دافعه ی الکترواستریکی شناخته می شود. چگالی، ضخامت ، قدرت اتصال لایه پلیمری به سطح ذرات، و ساختار و شکل مولکول های این لایه از عوامل تاثیر گذار در میزان نیروی دافعه ی آنها می باشند. به علاوه، عواملی همچون کیفیت حلال، شکل و ساختار مولکول های سورفکتانت، گروه های فعال عاملی این مولکول ها، غلظت آنها و غلظت نانوذرات از عوامل تعیین کننده ی شکل نهایی این لایه ارگانیک به شمار می روند . [5] حداکثر فاصله ای که نیروهای استریکی موثر اند دوبرابر ضخامت لایه ای می باشد که اطراف نانوذرات را پوشانیده است، و در فاصله های بیشتر از شدت این نیرو کاسته می شود.[5 ,4] لازم به ذکر است که علی رغم تاثیر مثبت سورفکتانت ها و افزودنی های دیگر در دیسپرسیون نانوذرات، به کار گیری مقادیر زیاد آن ها منجر به فولکوله شدن مولکول های آنها شده و در نهایت کیفیت دیسپرسیون مدنظر را کاهش می دهد . [4] در نتیجه شناخت کافی و یافتن مقادیر بهینه ی این افزودنی ها برای نانوذرات مختلف امری ضروری می آید.
3. روش های دیسپرسیون
اولین قدم دیسپرسیون نانوذرات، به کار گیری مقادیر کافی انرژی برای شکستن کلوخه ها و توده های ذرات به ابعاد کوچکتر، و در صورت امکان حتی به سایز اولیه ی آنها می باشد.این مهم، با استفاده ی مناسب از روش های مکانیکی موجود و رایج قابل حصول می باشد. گام بعدی، پایدار سازی کلوخه های شکسته شده برای جلوگیری از اگلومراسیون مجدد می باشد. حفظ پایداری دیسپرسیون، معمولا با به کار گیری روش های اصلاح شیمیایی، همچون استفاده از سورفکتانت و فعال سازی مکانیزم های موثر همچون نیروهای دافعه ی استریکی قابل انجام است . [3] لذا با توجه به لزوم پیش بینی همزمان هر دوگام اشاره شده در بالا برای حصول دیسپرسیون مناسب و پایدار ، استفاده از ترکیبی از روش های مکانیکی و اصلاحات شیمیایی لازم و ضروری به نظر می آید.
میزان تاثیر گذاری هر یک از روش های مکانیکی معمول بر روی میزان کاهش ابعاد کلوخه ها، وابسته به میزان و قدرت اتصال میان ذرات کلوخه ها می باشد. کلوخه هایی که دارای اتصال ضعیفی میان ذرات خود می باشند را می توان با به کار گیری مقادیر کمی از انرژی مکانیکی به ابعاد و کلوخه های کوچکتر شکست. در حالی که کلوخه های با اتصال قوی را بعضا حتی با استفاده از مقادیر بسیار زیاد انرژی نیز نمیتوان کاهش سایز داد .[10 ,9] نحوه ی عملکرد روش های مکانیکی بدین صورت است که یا اتصال میان ذرات سازنده ی این اگلومره ها را شکسته وابعاد آنها را کاهش می دهند و یا با استفاده از نقص و ترک های سطحی کلوخه ها و نانوذرات، فرآیند گسیختگی را کلید می زنند .[9 ,3] روش های هم زدن برشی، اولتراسونیک، و آسیاب گلوله ای از روش های معمول مکانیکی ای می باشند که برای دیسپرسیون نانو ذرات مختلف تا به حال مورد استفاده قرار گرفته اند.
هم زدن برشی نانوذرات معمولا با استفاده از مخلوط کن های معمول در کارگاه ها و آزمایشگاه ها، مانند مخلوط کن هوبارت و یا هم زن های قوی تر که از یک سیستم چرخشی تشکیل می شوند، انجام می شود. در این هم زن ها با چرخش پره ی درون مخلوط کن، آب و نانوذرات به سمت دیسک گردان کشیده شده و در معرض انرژی برشی ایجاد شده قرار می گیرند و متعاقبا نانوذرات درون مایع دیسپرس می شوند. این روش در قیاس با دیگر روش های مکانیکی، راندمان پایین تری در کاهش ابعاد کلوخه های نانوذرات داشته و بیشتر مناسب اختلاط نانوذرات و سیمان و دیگر اجزای مخلوط می باشند .[11]
روش اولتراسونیک بر مبنای انتشار امواج غیر قابل شنیدن با بسامد های بالای 20 kHz در محلول دیسپرسیون کار می کند. این امواج از طریق سیکل های کم فشار و پر فشاری که معمولا بسامدی مابین 20-40 kHz دارند، پخش می شوند. با استفاده از پروسه ای به نام کاویتاسیون، سیکل های کم فشار تولید حباب های میکروسکوپی هوا می کنند و متعاقبا در فاز پرفشار این حباب های ریز فشرده شده و با انفجارشان موجب به وجود آمدن امواج موضعی ای می شوند که انرژی برشی قابل توجهی به محلول دیسپرسیون وارد می کنند .[12] این روش معمولا به دو صورت مستقیم و غیر مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد.
روش مستقیم با قرار دادن یک پروب درون محلول و روش غیر مستقیم با قرار دادن ظرف محلول در یک محفظه ی بزرگتر که در آن امواج فراصوت تولید می شوند، قابل انجام است. روش اولتراسونیک برای کاهش ابعاد کلوخ هایی که اتصال ضعیفی به هم دارند بسیار مناسب می باشد، اما باید دقت کرد که در مواردی که کلوخه ها اتصال قوی تری دارند کارایی این روش پایین آمده واز مرز مشخصی به بعد قادر به کاهش بیشتر ابعاد این کلوخه ها نخواهند بود . [10] همچنین باید در نظر داشت که استفاده از افزودنی های ارگانیک قبل از عمل اولتراسونیک موجب تغییر ساختار آنان در پروسه ی دیسپرسیون می شود .[13]
لذا در صورت استفاده از آنان، پیشنهاد می شود که ابتدا با استفاده از آب مقطر و روش اولتراسونیک دیسپرسیون نانوذرات انجام شود، سپس افزودنی مورد نظر به آن اضافه گردد تا پایداری دیسپرسیون به دست آمده حفظ شود. تحقیقات مختلف نشان داده اند که روش اولتراسونیک از دیگر روشهای مکانیکی معمول، همچون روش آسیاب گلوله ای و هم زن برشی راندمان بالاتری داشته و موجب کاهش بیشتر ابعاد کلوخه ها و دیسپرسیون یکنواخت تر نانوذرات می شود .[13 ,11] اگرچه باید در نظر داشت که امکان کلوخه شدگی دوباره نانوذرات در مواردی که زمان اولتراسونیک طولانی باشد و مقادیر انرژی زیادی تولید شود وجود دارد .[14 ,13 ,8]
