در سال های اخیر، الیاف نانولوله کربنی به عنوان نسل جدیدی از نانوساختارهای کربنی توجه محققان بسیاری را به خود معطوف داشته است.این ساختار جدید، به دلیل دارا بودن شیمی کربن، هدایت الکتریکی و حرارتی بالا، ساختاری فیبری شگفت انگیز، مقاومت مکانیکی بالا و…از دیگر مواد نانوساختار متمایز شده است. پیش از کشف الیاف نانولوله کربنی، تارهای عنکبوت به عنوان مستحکم ترین ماده در میان موادطبیعی و مصنوعی محسوب می شدند، اما این نانوساختارهای کربنی از نظر ساختاری و استحکام الیاف بسیار قوی تار عنکبوت و کولار را نیز پشت سر گذاشته است.
مقدمه:
نانولوله های کربن که به طور اختصاربه آنها CNT نیز گفته می شود، صفحات گرافیکی لوله شده ای است که به فرم سیلندر های نانوسایز ایجاد شده اند ومی توانند دارای طولی در محدوده ی نانو تامیکرو داشته باشند. این نانولوله ها براساس تراکم صفحات تشکیل دهنده به دو دسته تقسیم می شوند:
(A نانولوله های تک دیواره یا single wall nanotube
(B نانولوله های چند دیواره یا Multiwall nanotube
شکل 1_ A) نانولوله تک دیواره _ B) نانولوله چند دیواره
ویژگی نانو لوله کربنی
- نانو لوله‌ها مستحکم‌ترین الیافی هستند که شناسایی شده‌اند. ضریب هدایت حرارتی و رسانایی الکتریکی استثنایی دارند و به شدت انعطاف پذیر هستند به طوری که قابلیت خم شدن به شکل دایره یا حتی گره خوردن را دارند.
- دانسیته کم و کارایی بهتر در طول بارگذاری فشاری از خواص دیگر نانو لوله‌هاست. به علت ویژگی منحصر به فرد فیزیکی و شیمیایی دارای جذابیت‌های صنعتی و علمی زیادی هستند.
- دارای وسعت کاربرد بالایی از محدودیت‌های محصولات روزمره زندگی تا کاربردهایی در مقیاس نانو در تولید نانو کامپوزیت‌ها هستند.
- نانو لوله‌های کربنی به علت نسبت هندسی بسیار بالا (نسبت طول به قطر از حدود ۳۰ تا چند هزار)، خواص مکانیکی بالایی را نشان می‌دهد.
- مهم‌ترین فاكتوری که كه باعث برگزیدن نانو لوله به عنوان رشته در مواد مركب (كامپوزیت) شده است، وزن كم آن است. در حالی که استحكام آن بالاست. از مهم‌ترین موارد استفاده چنین مواد مركبی می‌توان به موارد زیر از قبیل بدنه هواپیما و هلیكوپتر، زه راكت‌های تنیس اشاره كرد.
- نانولوله های کربن به لحاظ رفتار نوری دارای قدرت جذب بالایی در(Near Infrared Regime (NIR است.
روش های سنتز الیاف نانولوله های کربنی:
الیاف نانولوله کربنی به وسیله ی سه نوع فرآیند اصلی تولید می شوند که عبارتند از روش ریسیدن مستقیم، روش ریسیدن محلول و روش فرآیند سازی الکتروفورتیک و دی الکترو فورسیس. به نظر می رسد روش ریسیدن محلول، عملی ترین تکنیک برای افزایش مقیاس تجاری است.
روشی جدید برای تولید منسوجات بی بافت نانو حاوی نانو لوله های کربن:
روش جدیدی با همکاری مشترک پژوهشگران دانشکده مهندسی شیمی و علوم نساجی دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و محققین آزمایشگاه علوم و فناوری علوم دفاعی سالیسبوری برای تولید منسوجات بی بافت نانو ایجادشده است
نانو الیاف چند دیواره که به‌صورت عمودی آرایش یافته‌اند را می‌توان با روش رسوب نشانی بخار شیمیایی(CVD) بر روی یک زیر لایه‌ی کوارتز با کاتالیزور کلرید آهن دو ظرفیتی تولید کرد. برای تولید نانو الیاف، این محققان به دلیل سهولت ریسندگی و دمای ذوب پایین از پلی‌اتیلن اکسید استفاده کردند و البته امکان استفاده از این روش برای سایر پلیمرها نیز وجود دارد.نانو الیاف با روش الکتروریسی بر روی صفحاتی از نانولوله‌های کربنی آرایش یافته قرار داده و به‌طور هم‌زمان کشیده و بر روی یک قالب چرخان جمع‌آوری می‌شوند. با توجه به خواص منحصربه‌فرد نانولوله‌های کربنی، این منسوجات بی بافت نانو از استحکام کششی بسیار بالا، اندازه منافذ بسیار کوچک، مساحت سطح مخصوص بالا و هدایت الکتریکی مناسب برخوردار می‌شوند .
نتایج تحقیقات نشان داد که چنانچه منسوجات بی بافت نانو مذکور، تحت‌فشار تثبیت‌شده و در دمای ۷۰ درجه سانتی گراد از میان دو غلتک (کالندر) عبور داده شود، استحکام پارچه در اثر افزایش برهم‌کنش الیاف و اختلاط با نانولوله‌های کربنی افزایش می‌یابد.از منسوجات بی بافت نانو ترکیبی ذکرشده به‌عنوان فیلتر هواسُل بسیار کارآمد هستند. پارچه‌های ترکیبی تثبیت‌شده با ضخامتی حدود ۲۰ میکرون و چگالی سطحی ۸ گرم بر مترمربع، از قابلیت چشم‌گیر فیلتراسیون ذرات بسیار ریز Ultra Low Particulate Air (ULPA) برخوردارند.
از این روش ساخت می‌توان برای تولید سامانه‌های مختلف پلیمری نانومقیاس استفاده کرد و این امر فرصتی را برای مهندسی کردن گستره‌ی وسیعی از مواد ترکیبی در مقیاس نانو با ویژگی‌های مطلوب فراهم می‌کند
شکل 2_ نمای شماتیک ازتولید وب نانو لوله کربن توسط محققین دانشگاه کارولینا
تولید نانولوله کربن سه بعدی:
نانولوله‌های کربنی دارای خواص منحصر به فردی هستند، اما ترکیب آنها با مواد دیگر با سختی انجام می‌شود؛ زیرا این کار منجر به از دست رفتن برخی از ویژگی‌های نانولوله‌ها می‌شود. محققان روشی ارائه کردند که با استفاده از آن می‌توان نانولوله‌های کربنی را با دیگر مواد ترکیب کرد؛ بدون این که خواص مفید نانولوله‌ها دستخوش تغییر شود. این گروه نانولوله‌ها را همانند نخ در هم تنیده و در نهایت شبکه سه بعدی و پایدار از آنها ایجاد کردند. در این پروژه محققان از راهبرد مبتنی بر فرآیند فیلتراسیون شیمیایی مرطوب استفاده کردند.
نانولوله‌های کربنی با آب ترکیب شده و درون ماده سرامیکی متخلخل از جنس اکسید روی (t-ZnO( ZnO tetrapods تزریق می‌شوند. این ماده متخلخل همانند اسفنج، سیال را جذب می‌کند و نانولوله‌های کربنی به سطح داربست متصل می‌شوند و در نهایت به‌صورت خودبه‌خودی تشکیل لایه‌ای پایدار را می‌دهد. این داربست سرامیکی با نانولوله‌های کربنی پوشش داده می‌شود. این لایه نانولوله‌‌ای می‌تواند نقش ضربه‌گیر را ایفا کند، به طوری که فشار وارشده به جاذب را دفع کند این ساختار شبیه به خانه‌هایی است که با طناب و نی ساخته شده‌است که در عین سادگی از استحکام بالایی برخوردار است (شکل3).
شکل 3_ بررسی کلی ساختار ترکیبی CNTT / t-ZnO.a )یک تصویرشماتیک از فرآیند ساخت, نشان دهنده تخلخل بسیار (93٪) شبکه سرامیک متشکل از میکروذرات ZnO به شکل رسوب (V = 1.7 سانتی مترمکعب) قبل و بعد از نفوذ CNT است. با افزودن CNT ها به شبکه، شبکه های CNT منجر به یک اثر تقویت مکانیکی بالا، شبیه به بامبو با طناب بسته شده است ؛ b، c) تصاویر SEM از شبکه سرامیک پوشش داده شده با یک لایه همگن از نانولوله های کربنی خود_پیچشی((self-entangled ؛ (dجزئیات شبکه CNT در اطراف رسوب ZnO tetrapod مرکزی؛ e) جزئیات شبکه CNT در اطراف اتصال tetrapods ؛ f،g) تصاویر با بزرگنمایی بالا SEM نشان می دهد که CNT ها لایه های خود_پیچشی را روی قالب سرامیک تشکیل می دهند؛ h، I )لایه ی CNT خود_پیچشی بر روی بازوی شکسته، نشان دهنده ضخامت پوشش لایه ی CNT است.
این گروه در گام بعدی اقدام به حل کردن زیرلایه با روش شیمیایی کردن تا با این کار تنها شبکه سه بعدی از نانولوله‌های کربنی باقی بماند. حالا می‌توان از فضاهای خالی میان نانولوله‌ها در این شبکه استفاده کرد. برای مثال، می‌توان در آن پلیمر تزریق نمود و بدون این که ساختار نانولوله‌های کربنی دستخوش تغییر شود، کامپوزیت پلیمر/نانولوله ایجاد نمود.
