سفارش تبلیغ

ثبت شرکت
صبا

معرفی و تقسیم‌بندی پلیمرهای هوشمند

مواد هوشمند در آینده­ایی نچندان دور بازار خوبی را به خود اختصاص خواهند داد و با توجه به خواص خوبی که از خود نشان می­دهند، کاربردهای زیادی در آینده پیدا خواهند کرد. مطلب زیر که به معرفی پلیمرهای هوشمند پرداخته است، توسط دکتر هاشمی مدیرعامل شرکت گسترش مواد پیشرفته (وابسته به سازمان گسترش و نوسازی صنایع ایران) به شبکه ارسال گردیده است:

هوشمندی در مواد، خاصیتی است که مختص به گروه خاصی نبوده و در اغلب گروه­های مواد دیده می­شود. پلیمرها نیز از این قضیه مستنثنا نیستند و در برابر محرک­های مختلف مثل دما، میدان­های الکتریکی و میدانهای مغناطیسی، عکس‌العمل­های متفاوتی از خود نشان می‌دهند. این پلیمرها به گروه‌های مختلفی تقسیم ‌می‌شوند و دارای خواص و کاربردهای متفاوتی می‌باشند. در ذیل به معرفی، تقسیم‌بندی، کاربردها و بازار این مواد به طور مختصر اشاره شده است:

1) پلیمرهای فعال الکتریکی (EAP)


مکانیزم هوشمندی در این مواد، عکس‌العمل‌ در برابر تحریکات الکتریکی خارجی است. این عکس‌العمل، تغییر در ابعاد و هندسه ماده را شامل می شود.

این پلیمرها که در سال 1990 شناخته شده­اند، کاربردهای زیادی در پزشکی، صنعت و مهندسی عمران دارند. این پلیمرها به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند:

الف)پلیمرهای فعال الکتریکی الکترونیکی که به منظور حفظ تغییر مکان ایجاد شده در اثر اعمال ولتاژ DC مورد استفاده قرار می‌گیرند و کاربردهای زیادی در رباتها دارند. این دسته خود از جنبه کاربردی به دو گروه تقسیم می‌شود که عبارتند از: گروهی که در حسگری خود از رسانایی و هدایت الکتریکی بهره می‌برند و گروهی که از فعالیت الکتریکی خود در اثر تحریک خارجی به عنوان محرک استفاده می‌کنند.

کاربردهای این پلیمرها در صنایع مختلفی است که می‌توان از جمله آنها مواد الکترواستاتیک در لباسهای ضد الکتریسیته، چسب‌های رسانا، حفاظ‌های الکتریکی و مغناطیسی، تخته‌های مدار چاپی الکترونیکی، رشته‌های اعصاب مصنوعی، سازه‌های هواپیما و پیزوسرامیک­ها را نام برد.

ب)پلیمرهایفعالالکتریکییونی هستند که در غشاهای مبادله­گر یونی، محرک‌های الکترومکانیکی، سنسورهای حرارتی- شیمیایی، الکترولیت­های جامد، باطری‌های قابل شارژ و سیستم‌های رهایش دارو در پزشکی کاربرد دارند.

پلیمرهای فعال الکتریکی به عنوان دی­الکتریک نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان نمونه پلیمرهای که دارای سفتی (Stiffness) و ثابت دی­الکتریک بالا می‌باشند، در محرک­های(Actuator) با کرنش بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند که به طور نمونه در پیزوالکتریک­ها کاربرد دارند.

قابل ذکر است که الاستومرهای بلور مایع، الاستومرهای الکتروویسکوالاستیک، پلیمرهای فروالکتریک، نانولوله‌های کربن و پلیمرهای رسانا که بعنوان شناساگرهای گازهای سمی (حسگرهای یونی) در پالایشگاهها و صنایع نظامی کاربرد دارند، نیز در این گروه قرار می‌گیرند.

2) سیالات مغناطیسی و رئولوژیکی (MRF)



در این نوع از پلیمرهای هوشمند، با تغییر میدان مغناطیسی، ویسکوزیتة آنها تغییر می‌کند و عملکرد آنها مشابه سیالات الکتریکی رئولوژیکی می‌باشد.

3) سیالات الکتریکی رئولوژیکی (ERF)



این سیالات اساس پلیمری دارند و در برابر میدان الکتریکی از خود تغییر ویسکوزیته نشان می‌دهند که می­توان با این تغییر ابعاد را تحت تاثیر قرار داد. به طور مثال این مواد در کمک فنرهای خودرو در خودروهای جدید کاربرد دارند و با تغییر جریان می‌توان ارتفاع خودرو را تنظیم نمود.

این نوع پلیمرها در راه‌سازی، پل‌سازی و صنعت ساختمان نیز استفاده می‌شود و امروزه در تکیه‌گاه خیلی از پل‌ها خصوصاً پل‌های معلق از این مواد استفاه می‌شود.

سیالات ERF دارای سه نوع مثبت، منفی و مواد نوری الکتریکی هستند. اگر با اعمال میدان الکتریکی، ویسکوزیته افزایش یابد ERF مثبت است، اگر با افزایش میدان الکتریکی ویسکوزیته کاهش یابد ERF منفی است و اگر با تاباندن اشعه ماوراء بنفش ویسکوزیته تغییر کند ERF از نوع نوری و الکتریکی می‌باشد.

4) ژل‌های پلیمری هوشمند



با تغییر در زنجیره پلیمرها می‌توان ژل­ها را ساخت که این کار با تعویض بعضی از مونومرهای زنجیره با مواد شیمیایی صورت می‌گیرد. تفاوت اصلی ژل­ها با پلیمرها سازگاری شیمیایی و ترمودینامیکی آنها با حلال‌ها می‌باشد و نیز خاصیت رطوبت‌گیری که در آنها وجود دارد.

ژل­ها براساس ویژگی‌هایی نظیر طبیعت گروه‌های تشکیل­دهنده، خواص مکانیکی، ویژگی‌های ساختاری و شکل شبکه تقسیم‌بندی می‌شوند و در برا بر محرک‌های مختلف فیزیکی و شیمیایی نظیر دما، میدان الکتریکی و مغناطیسی، نور، فشار و PH، از خود عکس‌العمل‌ نشان می‌دهند و در صنایع دفاعی، زیستی، داروسازی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند.

5) پلیمرهای با حافظه شکلی



مشابه آلیاژهای حافظه‌دار هستند به این ترتیب که در اثر تغییرات دمایی از خود تغییرات ابعادی نشان می‌دهند که علت آن تغییر در مورفولوژی زنجیره‌ها است. این پلیمرها در مواردی مثل جیگ و فیکسچرهای ماشینکاری کاربرد دارند.

بررسی بازار

پلیمرهای هوشمند هنوز خیلی تجاری نشده‌اند، بنابراین بازار خیلی بزرگی را به خود اختصاص نمی‌دهند. البته 5 تا 15 سال آینده این بازار رشد بسیار خوبی خواهد داشت زیرا کاربردهای آینده این مواد که در حوزه‌های مختلفی چون پزشکی، کامپیوتر، خودرو، تلویزیون، پول الکترونیکی، کنترل­کننده‌های بهداشتی، هوافضا، بیوتکنولوژی، صنایع نظامی، الکترونیک و فناوری نانو خواهد بود، نویددهنده بازار بزرگی برای این مواد است.

در بین سال­های 2010-1992 بر اساس پیش­بینی­های انجام شده، در برخی از کاربردهای اصلی این مواد مثل غلافها و پوششهای سیم و کابل، باطری‌های ذخیره انرژی با ظرفیت بالا و سپرهای تجهیزات الکترونیک که در فضاپیماها و محافظ‌های الکترونیک کاربرد دارند، روند مصرف رو به افزایش است و بازار خوبی را به خود اختصاص خواهند داد. مثال­های زیر به صحت این ادعاها اشاره دارد:

از سال 2000-1992 مصرف این مواد رو به افزایش بوده بطوری که مصرف پلیمرهای هادی استفاده در باطری‌ها در سال 2000 معادل 500 هزار پوند بالغ بر 50 میلیون دلار بوده است.

بازار سپرهای الکترونیک در سال 1988، 116 میلیون دلار و در سال 1993، 165 میلیون دلار بوده است و امروزه پوشش­های هادی و صفحات پلیمری 75 درصد بازار مواد مشابه را به خود اختصاص داده­اند.

هزینه پوشش­های پلاستیکی نسبت به سایر مواد پایین‌تر است و 1.25 تا 2.5 دلار به ازای هر فوت مربع ذکر شده است.

البته عمده بازار مواد هوشمند پلیمری در کشورهای پیشرفته است و باید این بازار را به کشورهای در حال توسعه گسترش داد و این نیاز را برای این کشورها به وجود آورد. پیش‌بینی انجام­شده در مورد بازار این مواد تا سال 2010 بالغ بر 457 میلیون دلار خواهد بود.






تاریخ : دوشنبه 87/8/6 | 1:18 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
مقدمه:به طور کلی محصولات ساخته شده از پلیمرها نارسا نا بوده و مقاومت زیادی در برابر عبور جریان الکتریسیته از خود نشان می دهند. به همین دلیل از مواد پلیمری درصنعت الکترونیک و الکتروتکنیک استفاده می شود برای مثال از پلیمرها برای عایق کاری کابلهای انتقال الکتریسته، صفحات انتقال الکتریسیته و روکش باطریها استفاده می شود، اما در بعضی موارد همین مقاومت زیاد در مقابل عبور جریان الکتریسیته باعث ذخیره شدن الکتریسیته می گردد که مجموعه ای از مشکلات ناخواسته را به دنبال دارد. مثلاً ایجاد الکتریسیته ساکن در خود تسمه ها و جعبه های حفاظ دستگاهای الکتریکی، کف پوشها، البسه وغیره که باعث تولید جرقه الکتریکی می شود و در بعضی موارد ایجاد آتش سوزی می کند . در این گونه موارد، هدایت الکتریسیته به محیط اطراف مورد نیاز است. یکی از روشهای رسانا ساختن پلیمرها امتزاج آنها با مواد رسانای الکتریسیته است. با توسعه وتولید بیشتر این نوع پلیمرها در سالهای اخیر استفاده از آنها در زمینه های گوناگون نیز افزایش یافته است برای مثال در دستگاهای استفاده از انرژی خورشیدی، تابلوهای برق، دستگاهای مصرف انرژی و موتورهای مکانیکی و قسمتهای الکتریکی اتومبیل ها از این پلیمرها استفاده می شود .موادی که جهت امتزاج با موادپلیمری مورد استفاده قرار می- گیرند عبارت اند از: دوده رسانا، پودر رسانا، پودر فلزات، الیاف شیشه یا الیاف فلز ( ? و?) و... میزان رسانندگی الکتریکی پلیمرهایی که از طریق امتزاج با مواد پیش گفته، رسانا شده اند حد ومرزی دارد که بیش از آن امکان پذیر نیست. علاوه بر آن مصرف بیش از حد این مواد در پلیمر باعث تخریب و تغییرات بسیار زیاد خواص فیزیکی و مکا نیکی خود پلیمر می گردد. از این رو جهت رفع این گونه نواقص، خواص رسانش الکتریکی را می توان به طور مستقیم در خود پلیمرها به وجود آورد.اگر از یک زنجیر پلیمری دارای پیوند ? که لایه های والانس مولکولهایی آن تکمیل شده است یک الکترون برداشته شود (اکسایش)، یا به آن یک الکترون اضافه گردد(کاهش )، در آن صورت با ایجاد یک آرایش مناسب شبیه به فلزات می توان خاصیت رسانش الکتریکی را در آن ایجاد کرد .پلیمرهایی که به این ترتیب رسانای جریان الکتریسیته شده اند را فلزات آلی نیز می نامند. در دماهای معمولی نیز می توان توسط ایجاد حا لت های فضایی مناسب از ماکرومولکولها ابر- رسانا به وجود آورد. البته جهت اثبات این نظر دلیل آزمایشگاهی مورد نیاز است.از لحاظ خواص فیزیکی، ساختار مولکولی و ویژگیهای فضایی در فرآیند رسانایی، رابطه نزدیکی بین پلیمرهای رسانای الکتریسیته و سرامیک های ابر رسانا وجود دارد که این موضوع در فیزیک مورد بررسی زیاد قرار گرفته است.- پلیمرهای رسانای الکتریسیته :در اینجا سنتز پلی استیلن را که یکی از مهمترین پلیمرهای رساناست و در مراکز تحقیقاتی وعلمی جهان بیشتر مورد مطالعه وبررسی قرار گرفته است مطرح می کنیم .البته کارهای تحقیقاتی وسیع انجام شده در این زمینه را می توان در کتب مرجع یافت. پلی استیلن برای اولین بار در اواخر سال ???? در آزمایشگاه "ناتا" به طور مستقیم از پلیمریزه شدن استیلن به دست آمد اما احتمالاً به علت حساسیت پودر سیاه رنگ حاصل ، در مقابل اکسایش و نبود تکنو لوژی مناسب جهت بهره- برداری از آن آزمایش های بیشتر روی آن انجام نشد و حتی در این مورد مطلبی هم نوشته نشد. اما چند سال بعد در سال ???? در اثر یک اتفاق ساده یکی ازدانشجویان انستیتو تکنولوژی توکیو به نام "شیراکاوا" ، پلی استیلنی را به دست آورد، که حاصل تلاش مشترک " شیراکاوا ، مک دایارمید و هیگر" بر روی پلیمر به دست آمده توسط عمل دوپه کردن بود. آنها توانستند برای اولین بار میزان رسانندگی الکتریکی پلی- استیلن را تقریباً تا ??میلیارد برابر حالت معمولی پلیمر افزایش دهند .بعد از کشف اثر دوپه کردن درپلی- استیلن از سال ???? به بعد توجه مؤسسات تحقیقاتی و مراکز علمی بسیاری به این نوع پلیمرها معطوف گردید و در این زمینه پیشرف های بسزایی حاصل شد. برای مثال تعداد زیادی از پلیمرهای حاوی پیوند های یگانه و دوگانه ی متناوب (سیستم مزدوج) کشف گردید. از آن تاریختاکنون تعداد نا محدودیکارهای نظری در این زمینهصورت گرفته است ولی از نظرتکنولوژی هنوز مشکلات فراوانی وجود دارد.- رابطه نظم فضایی وخواص فزیکی در پلیمرهای رسانای الکتریسیته :هر جامدی الکترون دارد؛ مسئله مهم در رسانش الکتریکی چگونگی پاسخ الکترونها به میدان ا لکتریکی اعمال شده است. ناحیه هایی از
7
انرژی که برای آنها هیچ اوربیتالالکترونی موج گونه وجود ندارد، نوارهای والانس و رسانش را از هم جدا می کنند. چنین نواحی ممنوعی را شکافهای نواری می نامند. این نواحی از بر هم کنش امواج الکترونهای رسانش با مغزهای یونی بلور، حاصل می شوند. در شکل? ، نوارهای انرژی مجاز و شکافهای انرژی (فاصله بین نوارهای والانس و رسانش) برای (ا لف) نارسانا (ب) نیمه رسانا و(ج) رسانا نشان داده شده است .اگر نوارهای ا نرژی مجاز کاملاً پر یا خالی باشند ماده مانند یک عایق رفتار می کند، زیرا در این صورت هیچ الکترونی نمی- تواند درمیدان الکتریکی حرکت کند.اگر کسری مثلاً ??تا ?? درصد از یک یا چند نوار پر باشند، ماده مانند فلز رفتار می کند. ا گر تمام نوارها به استثنای یک یا دو نوار که اندکی پر یا خالی اند، کاملاً پر باشند، ماده نیمه رسانا خواهد بود. همه پلیمرهای رسانا مجموعه ای از واحدهای ساختاری مشابه دارند. جهت شناور ساختن الکترون در طول زنجیر پلیمر، احتیاج به واحدهای ساختاری مناسب با شکاف انرژی کمتر می باشد. به عنوان مثال از پلی استیلن که فقط دارای پیوندهای یگانه و دو گانه متناوب است و یا سیستم های آروماتیکی می توان نام برد





تاریخ : دوشنبه 87/8/6 | 1:14 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()

خلاصه

پلیمرهای رسانا دسته ای از مواد الکترونیکی هیجان انگیزی هستند که بواسطه داشتن ترکیبی از خواص الکتریکی و نوری فلزات یا نیمه هادیها و خواص مکانیکی پلیمرها کاربردهای وسیعی یافته اند بطوریکه با مطالعه درک و بکار گیری خواص شیمیایی و دینامیکی آنها یک خط ارتباطی به دنیای مولکولی و بیومولکولی بدست می آید که پایه ای برای توسعه سیستمهای هوشمند وابسته از طریق پیشرفت ارتباطات درون سیستمی خواهد بود.

 

فایل این مقاله به صورت pdf قابل مشاهده است.()






تاریخ : دوشنبه 87/8/6 | 1:13 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
       

.: Weblog Themes By BlackSkin :.