مناقشة حول طرق تعديل العديد من مركبات البوليمر المركبة

الملخص

تُستخدم مواد البوليمر على نطاق واسع في الحياة اليومية والتطبيقات الصناعية ومجالات التكنولوجيا الفائقة، ولكنها غالبًا ما تظهر قيودًا متأصلة في الخصائص مثل القوة والمتانة. ولمعالجة أوجه القصور هذه، يتم دمج مواد أخرى في مصفوفات البوليمر. ويستفيد هذا النهج من مزايا البوليمرات مع التخفيف من نقاط ضعفها. وعلاوة على ذلك، يمكن إضافة مواد وظيفية محددة لتكييف البوليمرات لتناسب التطبيقات الصعبة التي تتطلب أداءً عاليًا. تناقش هذه الورقة البحثية طرق التعديل المختلفة وتطبيقاتها.

الشكل 1 تعديل الطلاء السطحي للمواد الثلاثية (NCM)

1 نظرة عامة على تعديل البوليمر

يشير تعديل البوليمر إلى تعزيز خصائص المواد أو إدخال وظائف جديدة من خلال وسائل فيزيائية أو كيميائية. ويتمثل هدفه الأساسي في التغلب على القيود الكامنة في البوليمرات الأساسية، مما يتيح تحويلها من مواد ذات أغراض عامة إلى مواد ذات أغراض خاصة، ومن مواد هيكلية إلى مواد وظيفية. ولتحقيق ذلك، تم تطوير العديد من طرق التعديل المنهجي. ومن بين هذه الأساليب، المزج والحشو والتعزيز والتعديل السطحي هي أربعة أساليب كلاسيكية ومستخدمة على نطاق واسع. وتتناول هذه الطرق تصميم المواد وتحسينها من منظورات مختلفة: تنظيم التركيب الجزيئي/الطوري، وتركيب المكونات، والتعزيز الهيكلي، وهندسة الواجهة. تعرض الأقسام التالية هذه الطرق الأربعة.

2 تعديل المزج

ينطوي تعديل المزج على خلط اثنين أو أكثر من البوليمرات فيزيائيًا لتشكيل نظام مواد متجانس من الناحية المجهرية ولكنه منفصل من الناحية المجهرية. والهدف هو تحقيق خصائص تكميلية أو معززة من خلال التفاعلات بين البوليمرات المختلفة. وتتضمن المبادئ الأساسية لتعديل المزج توافق البوليمرات، وحالة التشتت، والتفاعلات البينية، والتحكم في التشكل أثناء المعالجة.

2.1 خصائص المواد - الرابط الهيكلي

يعمل تعديل المزج على تحسين الخصائص العيانية من خلال تنظيم البنية المجهرية للمادة. ويعتمد تحسين الخصائص على توافق البوليمر، وحالة تشتت المراحل، والتفاعلات البينية، والتحكم المورفولوجي أثناء المعالجة. ومن خلال إضافة مواد التوافق والتحكم في معاملات المعالجة، يمكن تحقيق تأثيرات تكميلية وتآزرية. وهذا يحسّن بشكل كبير من القوة الميكانيكية والمتانة والاستقرار الحراري والخصائص الوظيفية، مما يؤدي إلى نظام مواد مركبة مخصصة.

الشكل 2 هيكل طور مزيج البوليمر المركب

2.2 التطبيقات الأساسية

يُستخدم تعديل المزيج على نطاق واسع في مختلف الصناعات لتحقيق الأداء الوظيفي والأداء العالي من خلال الجمع بين المكونات المختلفة. تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي: خلائط PC/ABS لتعزيز الصلابة والقوة في الأجزاء الإلكترونية والأجهزة وأجزاء السيارات؛ وخلائط مثبطة للهب للأسلاك والكابلات ومواد البناء؛ وخلائط موصلة للحرارة/مواد التدريع الكهرومغناطيسي للإدارة الحرارية والحماية الإلكترونية؛ وخلائط قابلة للتحلل الحيوي للتغليف الصديق للبيئة والأغشية الزراعية. وتسلط هذه الأمثلة الضوء على دور تعديل الخلطات في تلبية المتطلبات الحديثة للمواد الذكية خفيفة الوزن والآمنة والمستدامة بيئيًا والذكية.

2.3 الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات المستدامة

يركز التطوير المستقبلي لتعديل الخلطات على الأداء العالي (على سبيل المثال، زيادة القوة والمتانة ومقاومة الحرارة والاستجابة الذكية)، والاستدامة (باستخدام مواد حيوية وقابلة للتحلل الحيوي)، والوظائف الذكية (دمج تكنولوجيا النانو للخصائص المحفزة المستجيبة)، والتصميم والتصنيع الدقيق (باستخدام المحاكاة الحاسوبية والمعالجة المتقدمة)، والدائرية (تطوير تقنيات إعادة التدوير والتجديد من أجل اقتصاد الحلقة المغلقة). ستدفع هذه الاتجاهات تعديل المزج نحو تكامل أكثر كفاءة وصديقة للبيئة ومتعددة الوظائف، مما يدعم التنمية المستدامة في علم المواد.

3 تعديل الملء

يعزز تعديل الحشو خصائص المواد من خلال دمج مواد مالئة محددة. ويمكن أن يحسن بشكل كبير القوة الميكانيكية أو الاستقرار الحراري أو الوظائف، ويعمل كطريقة مهمة لتحسين الأداء والكفاءة الصناعية.

3.1 المبادئ الأساسية لتعديل الحشو

يتمثل جوهر تعديل الحشو في إنشاء نظام مركب غير متجانس من خلال إدخال مواد مالئة صلبة في مصفوفة البوليمر، وبالتالي تحقيق تعديلات مستهدفة في الخصائص والوظائف. وهذا الأمر ليس مجرد مزج فيزيائي بل عملية معقدة تتضمن علم السطح البيني والريولوجيا ونقل الضغط. وهي في الأساس تنشئ جزيئات "المرحلة الثانية" المشتتة داخل المصفوفة المستمرة. ومن خلال التحكم في خواص هذه الجسيمات ومورفولوجيتها وتفاعلاتها مع المصفوفة، يمكن تصميم الأداء النهائي للمادة.

يتمثل المحرك الأساسي لتعديل الملء في موازنة الأداء مع التكلفة. إن دمج كميات كبيرة من الحشوات غير العضوية الصلبة منخفضة التكلفة، مثل كربونات الكالسيوم أو التلك، يقلل بشكل كبير من تكلفة المواد مع زيادة الصلابة والصلابة وثبات الأبعاد - على الرغم من أنه غالبًا ما يكون ذلك على حساب بعض المتانة. وعلى مستوى أعمق، تؤثر الحشوات على سلوك المصفوفة. ويؤثر شكلها وحجمها وخصائص سطحها على تبلور البوليمر وحركة السلسلة الجزيئية ونقل الضغط. على سبيل المثال، يمكن للمواد المالئة الشبيهة بالصفائح أن تعيق استرخاء السلسلة، مما يحسن مقاومة الحرارة وخصائص الحاجز، في حين أن المواد المالئة الشبيهة بالألياف يمكنها تحمل ونقل الحمل، مما يوفر التعزيز.

ومن الجوانب المهمة هندسة الواجهة. معظم مواد الحشو، خاصةً غير العضوية منها، غير متوافقة بطبيعتها مع مصفوفات البوليمر العضوية، مما يؤدي إلى واجهة فيزيائية مميزة. يمكن أن يؤدي ضعف الترابط البيني إلى جعل الحشوات تعمل كمركزات للإجهاد ومواقع للعيوب، مما يتسبب في فشل سابق لأوانه. ولذلك، يتطلب تعديل الحشو الناجح معالجات سطحية - مثل عوامل الاقتران أو المواد الخافضة للتوتر السطحي - لبناء جسور قوية بين الحشو والمصفوفة. يضمن الترابط البيني القوي نقل الإجهاد بكفاءة من المصفوفة إلى الحشوات، مما يحولها من نقاط ضعف محتملة إلى مواقع تعزيز، وبالتالي تحسين القوة وحتى المتانة. وعلاوة على ذلك، من خلال اختيار مواد الحشو ذات الخصائص الخاصة - مثل أسود الكربون الموصّل، أو هيدروكسيد الألومنيوم المثبط للهب أو نيتريدالبورون الموصّل حراريًا -يمكن نقل وظائف جديدةمثل التوصيل أو مثبطات اللهب أو التوصيل الحراري إلى المصفوفة.

3.2 اختيار مواد الحشو

يعد اختيار مواد الحشو عملية منهجية لصنع القرار تهدف إلى تحقيق الأداء المطلوب مع تحقيق التوازن بين التكلفة وقابلية المعالجة والموثوقية. ويبدأ الأمر بتحديد هدف التعديل بوضوح: سواء كانت الأولوية هي خفض التكلفة، أو تعزيز خصائص محددة (مثل الصلابة أو المتانة)، أو إدخال وظائف جديدة (مثل التوصيل أو مثبطات اللهب). تؤدي الأهداف المختلفة إلى أنظمة حشو مختلفة.

وبمجرد تحديد الهدف، يجب مراعاة الخصائص الكامنة في المادة المالئة. يحدد التركيب الكيميائي الخصائص الأساسية مثل مقاومة الحرارة أو العزل الكهربائي. تؤثر المورفولوجيا الفيزيائية بشكل مباشر على الأداء: الحشوات الكروية (مثل الكريات الزجاجية المجهرية) تحسن التدفق وتقلل من التباين؛ الحشوات الليفية (مثل التلك والميكا) تعزز الصلابة وثبات الأبعاد وخصائص الحاجز؛ الحشوات الليفية (مثل الزجاج القصير أو ألياف الكربون) توفر تعزيزًا قويًا ولكنها قد تسبب انكماشًا أو توجيهًا غير متساوٍ؛ ويمكن أن تحسن الحشوات النانوية (مثل الطين النانوي وأنابيب الكربون النانوية) الخواص الميكانيكية والحرارية والحاجز عند التحميل المنخفض جدًا بسبب مساحتها السطحية المحددة العالية وتأثيراتها البينية.

كما أن حجم الجسيمات وتوزيعها مهمان أيضًا للتشتت داخل المصفوفة. التشتت المنتظم والدقيق ضروري لتحسين الأداء وتجنب تركيز الضغط. بغض النظر عن الحشو المختار، عادةً ما تكون المعالجة السطحية ضرورية. وتتطلب معظم مواد الحشو تنشيط السطح أو طلاء لتحسين قابلية التبلل مع مصفوفات البوليمر الكارهة للماء وتعزيز الالتصاق البيني. وهذا يضمن تحقيق فوائد الحشو بالكامل ويمنع فقدان الأداء بسبب فشل الواجهة. وبالتالي، ينطوي اختيار المواد على توازن شامل للخصائص الجوهرية للحشو ومورفولوجية وحالة السطح والتوافق مع المصفوفة وطرق المعالجة.

الشكل 3 صورة مجهرية لحشو كريات الزجاج الدقيقة المجوفة

3.3 التطبيقات من الصناعات التقليدية إلى القطاعات الناشئة

في التصنيع التقليدي، يؤدي تعديل الحشو في المقام الأول إلى تقليل التكاليف وتحسين الكفاءة مع تعزيز خصائص المنتج الأساسية.

مواد البناء والأنابيب البلاستيكية: هذا واحد من أكبر مجالات التطبيق. تُستخدم كربونات الكالسيوم على نطاق واسع في التشكيلات الجانبية والأنابيب والألواح البلاستيكية PVC، مما يقلل التكلفة مع زيادة الصلابة وثبات الأبعاد ومقاومة الحرارة. قد تحتوي صفائح البولي بروبيلين المستخدمة في قوالب البناء على دقيق الخشب أو التلك لمحاكاة نسيج الخشب وتحسين مقاومة الزحف. تستخدم ألواح الأسقف والجدران مواد بلاستيكية مملوءة تركز على مثبطات اللهب (مع هيدروكسيد المغنيسيوم/الألومنيوم) وخفة الوزن.

الأجزاء الداخلية للسيارات والمكونات العامة: تسعى صناعة السيارات باستمرار إلى الحصول على مواد خفيفة الوزن ومنخفضة التكلفة ذات خصائص ميكانيكية جيدة. وغالبًا ما يتم حشو البولي بروبيلين، وهو البلاستيك الأكثر استخدامًا في السيارات، بالتلك أو الميكا في المصدات ولوحات العدادات وألواح الأبواب لتحسين الصلابة ومقاومة الحرارة ودقة الأبعاد. قد تستخدم المكونات ذات المتطلبات الحرارية المنخفضة حشو كربونات الكالسيوم لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة من حيث التكلفة.

التعبئة والتغليف والسلع الاستهلاكية: يشيع استخدام البلاستيك المعدل المملوء في علب الأجهزة والألعاب والحاويات للحفاظ على لمعان السطح والصلابة وانخفاض التكلفة. على سبيل المثال، تعمل أغشية البولي إيثيلين المملوءة بالكاولين على تحسين قابلية الطباعة وخصائص الحاجز.

عندما تتطلب التطبيقات وظائف خاصة مثل التوصيل الكهربائي أو التوصيل الحراري أو التدريع الكهرومغناطيسي، تصبح التعبئة بالحشوات الوظيفية ضرورية.

الإلكترونيات والكهرباء والاتصالات (5G/6G):

الموصلية والدرع الكهرومغناطيسي: تُستخدم المواد البلاستيكية المملوءة بأسود الكربون أو ألياف الكربون أو الألياف المغلفة بالمعادن في أغلفة الحواسيب وإطارات الهواتف وسترات الكابلات لتوفير حماية مضادة للكهرباء الساكنة أو التدريع للدوائر الداخلية.

عازل عالي التوصيل الحراري: تعتبر راتنجات الإيبوكسي والسيليكونات المملوءة بنتريد البورون أو أكسيد الألومنيوم أو نيتريد الألومنيوم مواد أساسية لمشتتات الحرارة LED، وتغليف وحدات الطاقة وركائز ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالية التردد، حيث تكون هناك حاجة إلى كل من تبديد الحرارة والعزل الكهربائي.

خسارة عازلة منخفضة: بالنسبة لمعدات 5G/6G، يجب أن يكون للمواد الحد الأدنى من فقدان العزل الكهربائي عند الترددات العالية. تُستخدم اللدائن الحرارية مثل LCP أو PPO المملوءة بالسيليكا المعدلة أو الكريات المجهرية الخزفية في أغطية الهوائي والموصلات.

الطاقة الجديدة وصناعة الطاقة:

مثبطات اللهب والسلامة: غالبًا ما يستخدم عزل الأسلاك والكابلات وتغليفها مواد حشو مثبطة للهب خالية من الهالوجين مثل هيدروكسيد المغنيسيوم وهيدروكسيد الألومنيوم.

تكنولوجيا البطاريات: تعمل فواصل البولي أوليفين المغطاة بالسيراميك (على سبيل المثال، مملوءة بالألومينا) على تحسين مقاومة الحرارة والسلامة في بطاريات الليثيوم أيون. تتضمن بعض أغلفة البطاريات أيضاً حشوات موصلة لمعادلة الجهد أو التدريع.

وبالنظر إلى المستقبل، يتجه تعديل الحشو نحو الأداء العالي والتطبيقات الذكية والاستدامة البيئية.

الأجزاء الهيكلية خفيفة الوزن وعالية الأداء: في المعدات المتطورة والطائرات بدون طيار والعتاد الرياضي، تحل المواد البلاستيكية الهندسية مثل النايلون أو PEEK المملوءة بألياف الكربون أو الألياف الزجاجية محل المكونات المعدنية، مما يوفر توفيرًا في الوزن إلى جانب القوة النوعية العالية ومقاومة التعب.

المواد الطبية الحيوية والصديقة للبيئة:

يمكن للمواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي (مثل PLA) المملوءة بالسليلوز النانوي أو الهيدروكسيباتيت أن تضبط معدلات التحلل وتحسن الخواص الميكانيكية لاستخدامها في مسامير العظام أو سقالات هندسة الأنسجة.

ويجري تطوير مركبات مملوءة بكتلة حيوية طبيعية مثل النشا أو ألياف الخيزران لتحل جزئياً محل البلاستيك القائم على البترول في المنتجات الصديقة للبيئة التي يمكن التخلص منها.

المواد الذكية والمتجاوبة: يمكن أن يؤدي دمج مساحيق السبائك الذكيّة ذات ذاكرة الشكل، أو الكبسولات الدقيقة المتغيرة الطور، أو الجسيمات المغناطيسية إلى إنشاء مركبات ذكية ذات خصائص ذاكرة الشكل أو تنظيم درجة الحرارة أو التقبّض المغناطيسي لاستخدامها في الروبوتات وأجهزة الاستشعار.

الشكل 4 تطبيقات بولي كلوريد الفينيل

4 تعديل التعزيز

يعمل تعديل التعزيز على تحسين الخواص الميكانيكية للبوليمرات من خلال إضافة مواد التعزيز. وتشمل الآليات التفاعلات الفيزيائية والترابط الكيميائي والتأثيرات البينية. هذه التحسينات في القوة والمتانة والأداء تجعل البلاستيك المقوى مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية.

4.1 أنواع تعديل التسليح

1. التعزيز الفيزيائي

يتضمن التعزيز الفيزيائي إضافة جسيمات صلبة مثل الألياف أو الحشوات إلى مصفوفة البوليمر. وهذا يخلق مركبًا بخصائص ميكانيكية محسنة دون تشكيل روابط كيميائية. وتعتمد هذه التحسينات على التفاعلات الفيزيائية مثل قوى فان دير فال، أو الرابطة الهيدروجينية، أو القوى الكهروستاتيكية. تعمل هذه الجسيمات كتعزيزات داخلية تقاوم التشوه وتوزع الأحمال المطبقة. ومن الأمثلة على ذلك إضافة ألياف زجاجية أو ألياف الكربون أو جسيمات السيليكا النانوية إلى البوليمر لتحسين خواصه الميكانيكية.

2. التعزيز الكيميائي

يستخدم التعزيز الكيميائي المواد المضافة التي تعزز الترابط الكيميائي أو الارتباط المتقاطع داخل مصفوفة البوليمر، مما يشكل شبكة أقوى. تعمل هذه المواد المضافة على تسهيل تكوين الروابط التساهمية بين سلاسل البوليمر أو بين البوليمرات والمواد المالئة، مما يزيد من كثافة الشبكة وقوة المادة. وهذا يعزز الخواص الميكانيكية والاستقرار الحراري والمقاومة الكيميائية، مما يجعل البلاستيك أكثر متانة وأقل عرضة للتشوه أو التدهور. تشمل الإضافات الشائعة عوامل الربط المتشابك أو البادئات أو محفزات البلمرة.

3. التعزيز البيني

تحدث التأثيرات البينية عند الحد الفاصل بين المادة المالئة والراتنج، بما في ذلك نقل الإجهاد، وإزالة الترابط، والترابط البيني. يعمل التعزيز البيني على تحسين الالتصاق والتماسك داخل المركب من خلال تعزيز الرابطة أو التوافق بين البوليمر والحشو. يقلل التفاعل الأفضل في الواجهة البينية من خطر الانفصال أو الانفصال، وبالتالي زيادة قوة البلاستيك المقوى وصلابته وصلابة كسره. تُستخدم تقنيات مثل تعديل سطح الحشو، أو عوامل الاقتران، أو تحسين التوافق البيني لتحقيق ذلك.

4.2 أنواع إضافات بوليمر التسليح

تضاف عوامل التقوية إلى البوليمرات لتحسين خواصها الميكانيكية أو الحرارية أو الكهربائية أو غيرها من الخواص. يتم استخدامها لتقوية مصفوفة البوليمر أو تحسين الأداء أو تقليل التكاليف.

مواد التعزيز الأكثر شيوعًا هي الألياف والحشوات والجسيمات النانوية. واستنادًا إلى نوع التعزيز، يمكن تصنيف المركبات على أنها مركبات جسيمات أو مركبات معززة بالألياف. يمكن تصنيف المركبات المقواة بالألياف إلى مركبات قصيرة الألياف أو طويلة الألياف أو أحادية الاتجاه أو ثنائية الاتجاه.

الشكل 5 أنواع مختلفة من التعزيزات الليفية في مركبات مصفوفة البوليمر

يكمن جوهر تعديل التعزيز في إدخال تعزيزات عالية القوة وعالية المعامل تعمل بشكل تآزري مع مصفوفة البوليمر لتحسين الخواص الميكانيكية والاستقرار بشكل كبير. تعمل الألياف والمواد المالئة والجسيمات النانوية - الأنواع الثلاثة الأكثر شيوعًا - على المستويات الكلية والمتوسطة والجزئية على التوالي.

وتشكل الألياف العمود الفقري لهذا النهج، حيث توفر إطارًا أساسيًا لحمل الأحمال مثل الفولاذ في الخرسانة. تُستخدم الألياف الزجاجية، التي توفر توازنًا جيدًا بين الأداء والتكلفة، على نطاق واسع في اللدائن الهندسية مثل البولي بروبلين والنايلون، مما يعزز بشكل كبير من قوة الشد ومعامل الانثناء ومقاومة الحرارة لمكونات السيارات والأجهزة. وللحصول على أداء أعلى، يتم اختيار مركبات ألياف الكربون لقوتها ومعاملها النوعي الاستثنائي في مجال الطيران والمعدات الرياضية، بينما يتم تقييم ألياف الأراميد لمقاومة الصدمات والقطع في التطبيقات الوقائية. تضمن المعالجة السطحية ترابطًا بينيًا قويًا، مما يتيح نقل الحمل بكفاءة من مصفوفة البوليمر إلى الألياف القوية.

يوازن تعزيز الحشو بين الأداء والتكلفة والوظائف وقابلية المعالجة. وعلى عكس الحشو البسيط، غالبًا ما يكون للحشوات المستخدمة صلابة متأصلة وأشكال محددة. على سبيل المثال، يزيد التلك أو الميكا الشبيهة بالرقائق المضافة إلى البولي بروبلين من الصلابة ومقاومة الحرارة وثبات الأبعاد مع تقليل الالتواء في الأجزاء المقولبة - وهو أمر مهم للقطع الداخلية للسيارات وأغطية الأجهزة. يوفر الولستونيت الليفي فوائد مماثلة. ويكمن السر في المعالجة السطحية (على سبيل المثال، باستخدام عوامل الاقتران) لتقوية واجهة الحشو والمصفوفة، مما يحول مركزات الإجهاد المحتملة إلى مواقع تقوية فعالة، وغالبًا ما تكون ذات فوائد موفرة للتكلفة.

يعمل تعزيز الجسيمات النانوية على النطاق المجهري. عندما تكون مواد الحشو نانوية (على سبيل المثال، السيليكا النانوية والأنابيب النانوية الكربونية والجرافين والطين النانوي)، فإن مساحة سطحها النوعية العالية تنتج "تأثيرات نانوية" متميزة. وحتى عند التحميلات المنخفضة (عادةً أقل من 5%)، يمكنها زيادة القوة والمعامل والصلابة في نفس الوقت - على عكس الحشوات التقليدية - مع تحسين خصائص الحاجز ومقاومة الحرارة وإضافة وظائف مثل التوصيل. تتضمن آلية التعزيز تفاعلات بينية قوية وحركة سلسلة البوليمر المقيدة والتأثيرات على التبلور. ومع ذلك، لا يزال تحقيق التشتت المنتظم ومنع تكتل الجسيمات النانوية يمثلان تحديين رئيسيين لهذه التقنية.

5 تعديل السطح

تعديل السطح هو فرع متخصص في تعديل البوليمر. وهو لا يغير المادة السائبة ولكنه يعالج بشكل انتقائي السطح الخارجي (عادةً ما يتراوح سمكه بين النانومتر والميكرومتر) من خلال طرق فيزيائية أو كيميائية للتحكم بدقة في خصائص السطح لتطبيقات محددة. هذا النهج مستهدف للغاية وفعال من حيث التكلفة ومرن، وغالبًا ما يوصف بأنه "هندسة السطح" أو "هندسة الواجهة". ويتمثل المبدأ في أن العديد من سلوكيات المواد الحرجة - الالتصاق والترطيب والاحتكاك والتوافق الحيوي ومقاومة التآكل والخصائص البصرية - يتم تحديدها من خلال التركيب الكيميائي للسطح والتشكيل والطاقة. يعالج تعديل السطح القيود المتعلقة بالسطح دون المساس بخصائص المواد السائبة.

تختلف تقنيات التعديل السطحي الشائعة في نهجها ومدى ملاءمتها.

المعالجة بالبلازما هي طريقة فيزيائية كيميائية جافة وصديقة للبيئة وفعالة. وتستخدم غازًا مؤينًا (مثل الأكسجين والنيتروجين والأرجون) يحتوي على أيونات وإلكترونات وأنواع تفاعلية لقصف سطح المادة. يؤدي ذلك إلى حفر السطح وزيادة الخشونة لتحسين التشابك الميكانيكي وإدخال مجموعات وظيفية قطبية (مثل -COOH، -OH) لرفع طاقة السطح وتحسين قابلية البلل والالتصاق. وتشمل التطبيقات المعالجة المسبقة لمصدات البولي بروبلين للطلاء، والتعديل المائي للأجهزة الطبية (القسطرة، وأطباق الاستنبات)، وتحسين قابلية الطباعة لأغشية التغليف.

يطبق الطلاء طبقة متصلة من مادة مختلفة (بوليمر أو معدن أو سيراميك) على الركيزة لإضفاء وظائف جديدة. ومن الأمثلة على ذلك الطلاءات المضادة للانعكاس على البصريات، والطلاءات الصلبة المقاومة للخدش على مصابيح السيارات، والطلاءات الموصلة أو الواقية على الإلكترونيات. يمكن للتقنيات المتقدمة مثل الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) وال ترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) أن ترسب طلاءات وظيفية فائقة الرقة وموحدة ومتماسكة على أشكال معقدة، مما يوفر خصائص مثل مقاومة الماء الفائق أو مقاومة التآكل أو مقاومة التآكل.

يستخدم الحفر الكيميائي أحماض أو قواعد أو مؤكسدات قوية لتآكل السطح بشكل انتقائي وتغيير شكله وكيميائه. على سبيل المثال، تؤدي معالجة PTFE بمزيج من حمض الكروميك والكبريتيك إلى إدخال مجموعات قطبية وخلق خشونة دقيقة، مما يسمح بربطها بالمواد اللاصقة التقليدية. إن المعالجة باللهب أو الإكليل للبولي أوليفينات هي في الأساس عملية أكسدة وتنشيط سريعة للسطح، وتستخدم على نطاق واسع كمعالجة مسبقة منخفضة التكلفة لطباعة الأفلام أو التصفيح.

أما بلمرة التطعيم السطحي فهي طريقة كيميائية أكثر متانة وتحكمًا. فهي تولد أولاً مواقع نشطة على السطح (عن طريق الإشعاع أو الأشعة فوق البنفسجية أو البلازما)، ثم تبدأ بلمرة مونومرات مختارة (مثل حمض الأكريليك وفينيل بيروليدون) في تلك المواقع. يؤدي هذا إلى "تطعيم" سلاسل البوليمر على السطح عن طريق الروابط التساهمية، مما يؤدي إلى إدخال وظائف محبة للماء أو مضادة للميكروبات أو مستجيبة بشكل دائم. وهي واعدة بالنسبة للمستشعرات الحيوية والأغشية المضادة للقاذورات والمواد الذكية.

يعد تعديل السطح أمرًا بالغ الأهمية في كل مكان. فهو يجعل أقمشة البوليستر محبة للماء للصباغة، والعدسات اللاصقة المصنوعة من السيليكون رطبة وقابلة للنفاذ للأكسجين، وأسطح الغرسات مواتية لدمج العظام، والأغلفة البلاستيكية تبدو معدنية. تشمل الاتجاهات المستقبلية الهيكلة النانوية (للخصائص القصوى مثل الكراهة الفائقة للماء)، والأسطح الذكية (تستجيب للأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة والضوء)، والعمليات الأكثر مراعاة للبيئة (المواد الكيميائية القائمة على الماء والأقل خطورة). باختصار، على الرغم من أن تعديل السطح يعمل فقط على "جلد" المادة، إلا أنه أداة دقيقة ولا غنى عنها لتكييف البوليمرات مع التطبيقات المتطورة.

الشكل 6 المعالجة السطحية بالبلازما

6 الخلاصة

تُعد تقنيات تعديل مركبات البوليمر ضرورية لتجاوز القيود المتأصلة في المواد الأساسية، مما يتيح خصائص مصممة خصيصًا وتطبيقات موسعة. وقد درست هذه المراجعة بشكل منهجي أربع منهجيات أساسية: المزج من أجل تآزر الخصائص، والحشو من أجل التعديل الوظيفي والاقتصادي، والتعزيز من أجل التحسين الميكانيكي الهائل، وتعديل السطح من أجل هندسة الواجهة الدقيقة.

ويتقدم المجال بسرعة نحو مزيد من الدقة والذكاء والاستدامة البيئية. وستركز المسارات المستقبلية على المواد الأولية المتجددة والأنظمة القابلة لإعادة التدوير والتصميم الحاسوبي. ومع ذلك، تظل التحديات الرئيسية مثل تشتت الحشو النانوي، والاستقرار طويل الأجل للمركبات، والنظم الإيكولوجية المتكاملة لإعادة التدوير، نقاطًا محورية للأبحاث الجارية.

وفي نهاية المطاف، تُعد تقنيات التعديل هذه محورية في دفع عجلة الابتكار في مجال المواد المستدامة، مما يدفع حدود الأداء من السلع اليومية إلى التصنيع المتقدم. في Stanford Advanced Materials (SAM)، نقوم بتحويل هذه المبادئ إلى ممارسة عملية. نحن نوفر المواد عالية النقاء والمواد المضافة المتقدمة والخبرة الفنية اللازمة لتنفيذ استراتيجيات التعديل هذه بفعالية.

تعاون معنا لهندسة حلول المواد الخاصة بك. تواصل مع Stanford Advanced Materials (SAM) اليوم لمناقشة كيف يمكن لمنتجاتنا المتخصصة تمكين ابتكارك التالي.

المرجع:

[1] أوتراكي، ل. أ. (2002). كتيب خلطات البوليمر. Kluwer Academic Publishers.

[2] Paul, D. R. Paul, D. R., & Bucknall, C. B. (Eds.). (2000). خلطات البوليمر: الصياغة والأداء. John Wiley & Sons.

[3] Rothon, R. N. (Ed.). (2003). مركبات البوليمر المملوءة بالجسيمات (الطبعة الثانية). Rapra Technology.

[4]Fu, S. Y., Feng, X. Q., Lauke, B., & Mai, Y. W. (2008). تأثيرات حجم الجسيمات والتصاق واجهة الجسيمات/المصفوفة وتحميل الجسيمات على الخواص الميكانيكية لمركبات الجسيمات والبوليمر. Composites Part B: Engineering, 39(6), 933-961.

[5]Hull, D., & Clyne, T. W. (1996). مقدمة في المواد المركبة (الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج.

[6] Coleman, J. N., Khan, U., & Gun'ko, Y. K. (2006). التعزيز الميكانيكي للبوليمرات باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية. المواد المتقدمة، 18(6)، 689-706.

[7] Liston, E. M., Martinu, L., & Wertheimer, M. R. (1993). تعديل سطح البلازما للبوليمرات لتحسين الالتصاق: مراجعة نقدية. مجلة علوم وتكنولوجيا الالتصاق، 7(10)، 1091-1127.

[8] Zhang, S., & Zhao, Y. (محرران). (2018). الطلاءات المضادة للتآكل: الأساسيات والأساليب الجديدة. إلسيفير.