معرفی و شناخت پوشش های پلیمری خودترمیم شونده
پیدایش مواد خودترمیم شونده در اوایل دهه ۱۹۹۰ میلادی با الگوگیری از سیستم‌های بیولوژیکی طبیعی مانند بدن انسان و ساختارهای زیست محیطی بود که بعد از تخریب و آسیب، خود بخود ترمیم می شوند. از آن پس تحقیقات و مطالعات بسیاری برای سنتز پوشش هایی که قابلیت ترمیم شوندگی خودبخودی را دارند صورت گرفت. این ترکیبات توانایی تبدیل انرژی فیزیکی به پاسخ های شیمیایی و فیزیکی به منظور التیام آسیب دیدگی را دارند که در نهایت خواص داخلی ماده بهبود می یابد.
به طور کلی مواد خود ترمیم شونده را می توان در چهار دسته زیر مورد بررسی قرار داد:
- کامپوزیت ها و پلیمرها
- رنگها و پوشش ها
- فلزات
- سرامیک ها و بتن ها
در این مقاله تمرکز بر شناخت و بررسی کاربردهای پوشش های خود ترمیم شونده است. طراحی مواد ترمیم پذیر به روش های گوناگونی انجام میشود. اما ميتوان عمل ترميم را به دو نوع غيرذاتی (extrinsic) از طریق رهايش عنصر ترميم کننده كه حین ساخت ترکیب ترمیم شونده به آن اضافه شده است و ذاتی (intrinsic) از راه تشكیل پيوندهای برگشت پذير تقسيم بندی کرد. صرف نظر از ترميم ذاتی يا غير ذاتی، سامانه بايد در پاسخ به يك محرك عمل ترميم را آغاز کند. پليمرهای ترميم پذير غيرذاتی پس از تخريب، بدون نياز به محرك خارجی به طور خودبه خودی ترميم میشوند.
کامپوزیت ها و پلیمر های خود ترمیم شونده
سیستم‌های جدید هوشمند پلیمری در انواع مختلف سوپرا مولکولی، کامپوزیت، غیر کامپوزیت، پلیمر از نوع زیستی، حافظه شکلی، پلیمر گرما نرم و گرما سخت میباشند. برای دستیابی به سیستم هایی با اثر خودترمیمی، پیوندهای کوالانسی بازگشت پذیر (مانند پیوندهای بر پایه واکنش دیلز-آلدر) یا برهمکنش های ضعیف تر غیر کوالانسی (مانند پیوند هیدروژنی، برهمکنش های یونی، برهمکنش های از نوع π–π یا برهمکنش های میزبان-میهمان) بطور موثری بکار برده شده اند.
نکته اساسی در استفاده از این مواد هوشمند، برگشت‌پذیری برهمکنش‌های غیرکوالانسی این مواد است که منجر به تغییرات در خواص آن ها میشود .به این پلیمرها در انگلیسی Self Healing Polymers می گویند. ترکیبات کامپوزیتی، پوشش های محافظ خود ترمیم شونده هستند که با استفاده از ترکیبات درشت مولکول، سرامیکها، فلزها و تهیه می شوند. رفتار خود ترمیم شوندگی در چنین پوشش هایی میتواند با یکی از روش های زیر فعال شود:
- تغییرات دما
- تابش دهی نور با طول موج های مختلف مانند نور UV
- تغییرات pH
- تغییرات فشار
- فرایندهای اکسایش و کاهش
- تحریک مکانیکی
به کارگیری پلیمرهای خود ترمیم شونده
استفاده از سیستم ترمیم اتوماتیک در این نوع مواد، به منظور بازگرداند پلیمرهای آسیب‌دیده به حالت اولیه و بالا‌بردن عمر سرویس‌دهی پلیمر بسیار مهم است. این آسیب‌ها میتواند خراشیدگی در ساختار مواد و یا حتی ترک پوششهای پلیمری باشد. سیستم های هوشمند پلیمری پس از تخریب، صدمه، خراش و ترک قابلیت ترمیم خود به خودی دارند. تاکنون مواد پلیمری مختلفی برای کاربردهای مختلف در این زمینه با موفقیت مورد استفاده قرار گرفتهاند. این قابلیت، ناشی از خواص ذاتی پلیمرها از جمله وزن کم آنها، در دسترس بودن فراوان، انعطاف پذیری، فرایند پذیری ساده و قابلیت مهندسی کردن برای اهداف مختلف است.
مزیت این پلیمر ها این است که:
- به دلیل وزن کم، انعطاف پذیری، سهولت در تهیه و مواردی از این نظر می‌توان انواع مختلفی از این ترکیبات را با کاربردهای گوناگون استفاده کرد.
- اصلاح ساده؛ فرایند های ترمیم در این ترکیبات پیچیده نمی باشد و می تواند شامل فرایندهای شیمیایی و فیزیکی مختلفی مانند: اکسیداسیون، تورم یا شبکهای شدن باشد.
- امکان وارد کردن انواع افزودنیها کاربردی به ترکیب پوشش مانند بازدارندههای خوردگی.
رنگ ها و پوشش های خود ترمیم شونده
در دهه های اخیر رنگ ها و پوشش ها از نقطه نظر تنوع ترکیب و کاربردهای گوناگون آنها مورد توجه فراوانی قرار گرفته است اما حساسیت بالای آن ها حتی تحت شرایط سایش معمولی باعث ایجاد خراش و ترک هایی در ساختار آن ها می شود. ترک های ایجاد شده مستعد رشد تا جدایی کامل دو بخش متصل به هم می توانند پیش بروند در نتیجه نیاز به ترمیم آسیب در این ترکیبات بسیار حس می شود. معمول ترین روش برای خود ترمیم شوندگی پلیمرها و پوشش ها، قراردادن یک عامل ترمیمی در میکروکپسول هایی است که در معرض تَرَک می شکنند و پس از رهایش باعث چسباندن لبه های ترک شده و از رشد آن جلوگیری می کند. این روش در واقع ترمیم به صورت غیر ذاتی برای پلیمرها می باشد.
روش دیگر استفاده از الیاف تو خالی است که به طور مشابه با رزین یا عامل کاتالیستی پر می شود تا در معرض آسیب، شکسته و محتوای خود را آزاد کند. البته نوآوری هایی در طراحی یک سیستم پوششهای هوشمند (Smart Coating) خود ترمیم شونده حاوی میکروکپسول تک جزیی که توانایی ترمیم خراش را توسط شرایط طبیعی نور خورشید و یا تابش نور UV را داشته باشد، نیز انجام شده شده است. ماده ترمیم کننده مورد استفاده، پُلی دی متیل سیلوکسان با گروههای انتهایی متاکریلوکسی پروپیل، یک عامل ترمیم کننده سیلیکونی و دوست‌دار محیط زیست است که با نور خورشید و یا نور UV در محدوده طول موج ۳۰۵-۳۷۰ نانومتر پلیمریزه می شود. این ماده به عنوان ترمیم کننده ی پوشش های فلزی با داشتن نقطه ذوب ۶۰ درجه سانتی گراد و ویسکوزیته ی پایین در دمای محیط قابلیت جاری شدن خوبی دارد. از طریق جاری شدن ماده مذاب آسیب ها و ترک ها پوشیده می شوند.
دیگر سیستم‌های پوششی هوشمند و خود ترمیم شونده عبارتند از:
- پوششهای محافظتی تبدیلی: این نوع پوشش از یک سطح هیدروکسید تشکیل شده که دارای قابلیت خود ترمیم شوندگی در برابر آسیب‌های احتمالی است.
- پوششهای محافظتی فلزی: از دیگر سیستم‌های هوشمند ترمیم شونده، می توان به پوششهای فلزی اشاره کرد. این پوشش که حاوی پلی اتیلن اکساید و پلی استایرن هستند، تحت هرگونه آسیب دیدگی از خود واکنش نشان داده و از خوردگی جلوگیری می‌کند.
- پوششهای حافظتی تیتانا و کازئین: پوشش محافظتی حاوی تیتانیوم دی اکسید و کازئین است که در محیط قلیایی از خود واکنش نشان داده و از خوردگی جلوگیری می کند.
- پوششهای حافظتی سرامیکی: پوششهای سرامیکی در برابر افزایش دما از خود واکنش نشان داده و مواد ترمیم شونده در آن بر اثر شدت دما آزاد میشود. گفتنی است که پوششهای سرامیکی از تیتانیوم دی اکسید و آلومینا ساخته شده است
- پوششهای حفاظتی ترکیبات آلی فلوردار
- پوشش های تلفیقی از موارد نامبرده در بالا
کاربرد سیستم‌های هوشمند یا پوشش های محافظتی
از مواد هوشمند که به صورت خودکار قادر به تشخیص و درمان آسیب هستند به عنوان پوششهای محافظتی حاوی مواد ترمیم شونده در بسیاری از صنایع از قبیل صنایع ساختمان، صنعت نساجی، صنعت اتومبیل سازی،صنعت هوا و فضا، ساخت انواع مواد، فلزات، صفحات نمایشگر موبایل، لپ تاپ، حسگرهای نوری، تجهیزات حرارتی، تجهیزات شیمیایی و سایر موارد به وفور استفاده میشود و حتی سیستم‌های هوشمند کاربرد امنیتی نیز دارند. پتانسیل این مواد برای کاهش هزینه‌ها در کنار کاهش میزان تعامل انسان، به حداقل رساندن خرابی و کاهش نیاز برای جایگزینی قطعه در سیستم لازم میباشند. این سیستم های هوشمند بیشتر در محافظت از خوردگی فلزات استفاده میشوند.
مثال های قابل لمس از کاربرد سیستم های هوشمند خود ترمیم شونده
- برای مثال، شرکت نیسان موتور اولین پوشش شفاف خود ترمیم شونده در جهان را برای سطوح خودرو تجاری سازی کرده است. این پوشش دربردارنده‌ی رزین های بسیار کشسان است که از رسیدن خراش به لایه‌های داخلی روکش سطحی خودروی رنگ شده جلوگیری می‌کنند.
- استفاده از کامپوزیت‌ها در هواپیما در سال‌های گذشته به شدت رشد کرده است. کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف توخالی یک راه‌حل ممکن برای بازیابی ترک یا صدمه هستند.
- در صنعت ساختمان نیز کاربردهای گوناگونی از مواد خودترمیم‌شونده پیدا شده است. برای مثال، به کارگیری بتون‌های خودترمیم‌شونده به زودی به واقعیت خواهد پیوست. پوششهای مقاوم در برابر خوردگی، خودترمیم‌شونده برای اجزای فلزی ساختمان مانند فولاد برای رسیدن به طول عمر طولانی با هزینه‌های تعمیر کمتر، سود بیشتر هستند.
پوشش خودترمیم شونده در زیر آب برای مقابله با خوردگی
استفاده از سیستم های فلزی در صنایع بسیاری کاربرد دارد اما محافظت از این سیستم ها در برابر خوردگی عمدتاً مشکل می باشد. زیرا در بسیاری از صنایع مانند کشی رانی، سیستم های تصفیه آب، پل های فلزی و.. این فلزات به طور مستقیم در برخورد با عوامل مختلف ایجاد خوردگی (رطوبت، اکسیژن، سایش، میکرو اورگانیسم ها و..) می باشند. از طرفی تشخيص و تعمير سريع اين خوردگی ها یا به اصطلاح علمی ميکرو ترک ها براي جلوگيري از خطرات احتمالي لازم است.
تاکنون از عوامل بازدارنده روی سطوح فلزی استفاده می کند تا از خوردگی فلزات بدون نیاز به هزینه ی تعمیرات یا تعویض قطعه ی خورده شده جلوگیری کند. پوشش های پلیمری مانند پوشش های اپوکسی خود ترمیم شونده، به طور گسترده‌ای برای کاهش هزینه های خوردگی و افزایش طول عمر مفید مورد استفاده قرار می گیرند، اما به دلیل ماهیت ترد این مواد توانایی مقابله در برابر خوردگی برای پلیمرهای اپوکسی خود ترمیم شونده، کم است. همچنین به دلیل محدودیتهای قانونی بسیاری که جهت منع استفاده از مواد شیمیایی سمی و آلاینده از جمله سیستم های مقاوم به خوردگی بر پایه ترکیبات کرم (VI)، که جزو مقاوم ترین سیستمها در برابر خوردگی میباشند، وجود دارد لذا قابلیت خود ترمیم شوندگی بویژه در ارتباط با فرایندهای محافظت از خوردگی به منظور عملکرد بهتر، طول عمر بیشتر، هزینه تعمیر و نگهداری کمتر و ضریب اطمینان بالاتر بسیار ضروری بنظر میرسد.
اما اکثر پوشش های خودترمیم شونده در شرایط واقعی (دمای پایین و زیر آب) کاربردی نیستند و عامل ترمیم توانایی چسبندگی مناسب به زیر لایه فلز و ماتریس پلیمری را ندارند. پژوهش هایی در این مورد انجام شد که در آن از عامل ترمیم ایزوسیانات و پلی آمین با قابلیت ترمیم بسیار سریع، در زیر آب و با چسبندگی بالا (از طریق اصلاح شیمیایی عامل ترمیم با مولکول کتکول صدف دریا)، زیر لایه فلزی در پوشش اپوکسی استفاده شد.
ساخت پوشش های هوشمند و خود ترمیم شونده توسط شیمیچی
بطور گسترده افزایش طول عمر پوشش های محافظ در برابر خوردگی با خاصیت خود ترمیم شوندگی، مورد توجه صنایع و دانشگاه ها است. از این رو شرکت رایان شیمی شریف با تلاش های فراوان موفقیت های چشمگیری در زمینه ی طراحی و ساخت آزمایشگاهی پوشش های پلیمری مقاوم در برابر خوردگی دست پپیدا کرده است و در تلاش برای صنعتی سازی این محصولات می باشد.
با این وجود چالش های بسیاری در تولید یک پوشش خود ترمیم شونده که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد و همچنین از نظر گستره ی کاربرد نیز بسیار پیشرفته تر عمل کنند وجود دارد. محقیقین شیمیچی در تحقیقات آتی به موارد زیر توجه ویژه ای دارند:
- ساده بودن سیستم محافظتی: فرمولاسیون ها و روش های ساده تر با کاربردهای گسترده تر
- استفاده هرچه بیشتر از مواد طبیعی در پوشش های محافظ که با کاهش خطرات زیست محیطی سودآوری این صنعت را افزایش می‌دهد.
- توسعه و کاربرد هرچه بیشتر سیستم های برپایه سیلوکسان در اغلب پوشش ها مانند رنگ ها یا پوشش های پلیمری به عنوان پوشش رویی (top coat)، پوشش های عامل دار شده سیلانی بطور موثری مزایای طولانی تری دارند.
- تحقیقات بیشتر بر روی پوشش های فلزی که میتواند رشدی برای تولید پوشش های خود ترمیم شونده با افزایش سختی و مقاومت به سایش باشد.
برای کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما تماس بگیرید و یا از طریق راه های ارتباطی واتساپ و ایمیل با ما در ارتباط باشید.
تلفن همراه و واتساپ: ۰۹۳۵۸۳۸۸۲۷۴
تلفن پشتیبانی: ۰۲۱۶۵۰۱۳۱۹۷ – ۰۲۱۶۵۰۱۳۲۰۶
ایمیل: shimichi.market@gmail.com
