पॉलिमर मैट्रिक्स समग्र
सामग्री विज्ञान में, एक बहुलक मैट्रिक्स सम्मिश्र (पीएमसी) कार्बनिक पॉलिमर के एक मैट्रिक्स (समग्र) द्वारा एक साथ बंधे हुए विभिन्न छोटे या निरंतर फाइबर से बना एक समग्र सामग्री है। पीएमसी को मैट्रिक्स के तंतुओं के बीच संरचनात्मक भार को स्थानांतरित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। पीएमसी के कुछ फायदों में उनका हल्का वजन, घर्षण (यांत्रिक) और जंग के लिए उच्च प्रतिरोध, और उनके सुदृढीकरण की दिशा में उच्च कठोरता और अंतिम तन्य शक्ति सम्मलित हैं।[1]
मैट्रिक्स सामग्री
पीएमसी में मैट्रिक्स का कार्य तंतुओं को एक साथ बांधना और उनके बीच भार स्थानांतरित करना है।[2] पीएमसी मेट्रिसेस आमतौर पर या तो थर्मोसेट्स या थर्मोप्लास्टिक्स होते हैं। थर्मोसेट्स आज तक उपयोग में आने वाले प्रमुख प्रकार हैं। थर्मोसेट्स को एपॉक्सी, फेनोलिक्स, पॉलीयुरेथेनेस और पॉलीइमाइड्स सहित कई राल प्रणालियों में विभाजित किया गया है। इनमें से, एपॉक्सी सिस्टम वर्तमान में उन्नत समग्र उद्योग पर हावी हैं।[3][4][5]
thermoset ्स
थर्मोसेट रेजिन को एक मजबूत करने वाली सामग्री पर एक इलाज एजेंट या हार्डनर और संसेचन के अतिरिक्त की आवश्यकता होती है, इसके बाद एक इलाज एजेंट के बाद एक ठीक या तैयार भाग का उत्पादन होता है। एक बार ठीक हो जाने के बाद, परिष्करण को छोड़कर भाग को बदला या सुधारा नहीं जा सकता। कुछ अधिक सामान्य थर्मोसेट्स में epoxy, polyurethane ेस, फेनोलिक और अमीनो रेजिन, बिस्मलीम का (बीएमआई, पॉलीइमाइड्स), पॉलियामाइड्स सम्मलित हैं।[3][4][5]
इनमें से, एपॉक्सी उद्योग में सबसे अधिक उपयोग किए जाते हैं। अमेरिकी उद्योग में 40 से अधिक वर्षों से एपॉक्सी रेजिन का उपयोग किया जा रहा है। एपॉक्सी यौगिकों को ग्लाइसीडिल यौगिकों के रूप में भी जाना जाता है। राल उत्पादों की एक विस्तृत विविधता बनाने के लिए एपॉक्सी अणु को अन्य अणुओं के साथ विस्तारित या क्रॉस-लिंक भी किया जा सकता है, प्रत्येक अलग-अलग प्रदर्शन विशेषताओं के साथ। ये रेजिन कम-चिपचिपापन वाले तरल से लेकर उच्च-आणविक भार वाले ठोस तक होते हैं। आमतौर पर वे उच्च चिपचिपाहट वाले तरल पदार्थ होते हैं।
एक उन्नत समग्र प्रणाली के आवश्यक अवयवों में से दूसरा इलाज एजेंट या हार्डनर है। ये यौगिक बहुत महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे प्रतिक्रिया दर को नियंत्रित करते हैं और तैयार भाग की प्रदर्शन विशेषताओं को निर्धारित करते हैं। चूंकि ये यौगिक प्रतिक्रिया के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं, इसलिए उनके अणुओं पर सक्रिय साइटें होनी चाहिए। उन्नत समग्र उद्योग में सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले इलाज एजेंटों में से कुछ सुगंधित एमाइन हैं। सबसे आम में से दो मेथिलीन-डायनिलाइन (एमडीए) और सल्फोनील्डियानिलिन (डीडीएस) हैं।[citation needed] SiC-SiC मैट्रिक्स कंपोजिट एक उच्च तापमान वाले सिरेमिक मैट्रिक्स हैं, जो एक SiC मैट्रिक्स बनाने के लिए एक रेशेदार प्रीफॉर्म में घुसपैठ करने के लिए प्रीसेरामिक पॉलिमर (पॉलीमेरिक SiC अग्रदूत) से संसाधित होते हैं।[6] उन्नत समग्र उद्योग में कई अन्य प्रकार के इलाज एजेंटों का भी उपयोग किया जाता है। इनमें एलिफैटिक और साइक्लोलाइफैटिक एमाइन, पॉलीएमिनोमाइड्स, एमाइड्स और एनहाइड्राइड्स सम्मलित हैं। फिर से, इलाज एजेंट का चुनाव तैयार भाग के लिए वांछित इलाज और प्रदर्शन विशेषताओं पर निर्भर करता है। Polyurethanes उन्नत समग्र प्रक्रियाओं में उपयोग किए जाने वाले रेजिन का एक और समूह है। ये यौगिक एक आइसोसाइनेट यौगिक के साथ पॉलीओल घटक की प्रतिक्रिया करके बनते हैं, आमतौर पर टोल्यूनि डायसोसायनेट (TDI); मेथिलीन डायसोसायनेट (एमडीआई) और हेक्सामेथिलीन डायसोसायनेट (एचडीआई) का भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। फेनोलिक और अमीनो रेजिन पीएमसी रेजिन का एक और समूह है। बिस्मेलिमाइड्स और पॉलियामाइड्स उन्नत समग्र उद्योग के सापेक्ष नवागंतुक हैं और अन्य रेजिन की सीमा तक अध्ययन नहीं किया गया है।[3][4][5]
थर्माप्लास्टिक
थर्माप्लास्टिक वर्तमान में पीएमसी उद्योग के अपेक्षाकृत छोटे हिस्से का प्रतिनिधित्व करता है। उन्हें आम तौर पर गैर-प्रतिक्रियाशील ठोस (प्रसंस्करण के दौरान कोई रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं होती) के रूप में आपूर्ति की जाती है और तैयार भाग बनाने के लिए केवल ऊष्मप्रवैगिकी की आवश्यकता होती है। थर्मोसेट्स के विपरीत, थर्मोप्लास्टिक्स को आमतौर पर फिर से गरम किया जा सकता है और वांछित होने पर दूसरे आकार में सुधार किया जा सकता है।[3][4][5]
बिखरी हुई सामग्री
फाइबर
फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक | फाइबर-प्रबलित पीएमसी में मात्रा के हिसाब से लगभग 60 प्रतिशत प्रबलित फाइबर होता है। आमतौर पर पीएमसी के भीतर पाए जाने वाले और उपयोग किए जाने वाले फाइबर में फाइबरग्लास, ग्रेफाइट और अरैमिड सम्मलित हैं। शीसे रेशा में अपेक्षाकृत कम कठोरता होती है, साथ ही अन्य तंतुओं की तुलना में प्रतिस्पर्धी तन्य शक्ति प्रदर्शित होती है। शीसे रेशा की लागत भी अन्य तंतुओं की तुलना में नाटकीय रूप से कम है यही वजह है कि शीसे रेशा सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किए जाने वाले फाइबर में से एक है।[1]प्रबलित तंतुओं में उनकी चौड़ाई के बजाय उनकी लंबाई के साथ उनके उच्चतम यांत्रिक गुण होते हैं। इस प्रकार, आवेदन के आधार पर विभिन्न भौतिक गुणों और लाभों को प्रदान करने के लिए प्रबलिंग तंतुओं को विभिन्न रूपों और दिशाओं में व्यवस्थित और उन्मुख किया जा सकता है।[7][8] कार्बन नैनोट्यूब
फाइबर-प्रबलित PMCs के विपरीत, नैनो सामग्री प्रबलित PMCs बहुत कम (2% से कम मात्रा) लोडिंग पर यांत्रिक गुणों में महत्वपूर्ण सुधार प्राप्त करने में सक्षम हैं।[9] विशेष रूप से कार्बन नैनोट्यूब का उनके असाधारण आंतरिक यांत्रिक गुणों और कम घनत्व के कारण गहन अध्ययन किया गया है। विशेष रूप से कार्बन नैनोट्यूब में मजबूत सहसंयोजक एसपी के कारण उच्चतम मापा तन्य कठोरता और किसी भी सामग्री की ताकत होती है।2 कार्बन परमाणुओं के बीच बंधन। हालांकि, नैनोट्यूब के असाधारण यांत्रिक गुणों का लाभ उठाने के लिए, नैनोट्यूब और मैट्रिक्स के बीच लोड ट्रांसफर बहुत बड़ा होना चाहिए।
फाइबर-प्रबलित कंपोजिट की तरह, कार्बन नैनोट्यूब का आकार फैलाव समग्र के अंतिम गुणों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। आणविक गतिशीलता का उपयोग करते हुए एक पॉलीथीन मैट्रिक्स में एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब के तनाव-तनाव अध्ययन से पता चला है कि लंबी दूरी के तनाव हस्तांतरण और दरार प्रसार की रोकथाम के कारण लंबे कार्बन नैनोट्यूब तन्यता कठोरता और शक्ति में वृद्धि करते हैं। दूसरी ओर छोटे कार्बन नैनोट्यूब बिना किसी अंतराफलक आसंजन के गुणों में कोई वृद्धि नहीं करते हैं।[10] हालाँकि एक बार संशोधित होने के बाद, लघु कार्बन नैनोट्यूब समग्र की कठोरता को और बेहतर बनाने में सक्षम हैं, हालाँकि अभी भी बहुत कम दरार प्रसार का मुकाबला है।[11] सामान्य तौर पर, लंबे और उच्च पहलू अनुपात वाले कार्बन नैनोट्यूब यांत्रिक गुणों में अधिक वृद्धि करते हैं, लेकिन इन्हें संसाधित करना अधिक कठिन होता है।
आकार के अलावा, कार्बन नैनोट्यूब और बहुलक मैट्रिक्स के बीच का इंटरफ़ेस असाधारण महत्व का है। बेहतर लोड ट्रांसफर प्राप्त करने के लिए, विभिन्न पॉलिमर के साथ कार्बन नैनोट्यूब की सतह को कार्यात्मक बनाकर कार्बन नैनोट्यूब को मैट्रिक्स से बेहतर तरीके से जोड़ने के लिए कई अलग-अलग तरीकों का उपयोग किया गया है। इन विधियों को गैर-सहसंयोजक और सहसंयोजक रणनीतियों में विभाजित किया जा सकता है। गैर-सहसंयोजक सीएनटी संशोधन में कार्बन नैनोट्यूब सतह पर पॉलिमर का सोखना या लपेटना सम्मलित है, आमतौर पर वैन डेर वाल्स या π-स्टैकिंग इंटरैक्शन के माध्यम से। इसके विपरीत, सहसंयोजक क्रियाशीलता में कार्बन नैनोट्यूब पर सीधा बंधन सम्मलित है। यह कई तरीकों से प्राप्त किया जा सकता है, जैसे कि कार्बन नैनोट्यूब की सतह को ऑक्सीकरण करना और ऑक्सीजनयुक्त साइट के साथ प्रतिक्रिया करना, या कार्बन नैनोट्यूब जाली के साथ सीधे प्रतिक्रिया करने के लिए एक मुक्त मूलक का उपयोग करना।[12] सहसंयोजक क्रियाशीलता का उपयोग सीधे बहुलक को कार्बन नैनोट्यूब से जोड़ने के लिए किया जा सकता है, या एक आरंभकर्ता अणु को जोड़ने के लिए किया जा सकता है जिसका उपयोग आगे की प्रतिक्रियाओं के लिए किया जा सकता है।
कार्बन नैनोट्यूब प्रबलित PMCs का संश्लेषण मैट्रिक्स की पसंद और कार्बन नैनोट्यूब के कार्यात्मककरण पर निर्भर है।[13] थर्मोसेट पॉलिमर के लिए, समाधान प्रसंस्करण का उपयोग किया जाता है जहां बहुलक और नैनोट्यूब कार्बनिक विलायक में रखे जाते हैं। मिश्रण को तब सोनिकेट किया जाता है और तब तक मिश्रित किया जाता है जब तक कि नैनोट्यूब समान रूप से फैल न जाएं, फिर कास्ट करें। जबकि इस विधि का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, sonication कार्बन नैनोट्यूब को नुकसान पहुंचा सकता है, बहुलक को पसंद के विलायक में घुलनशील होना चाहिए, और वाष्पीकरण की दर अक्सर नैनोट्यूब बंडलिंग या पॉलिमर वॉयड्स जैसी अवांछनीय संरचनाओं को जन्म दे सकती है। थर्माप्लास्टिक पॉलिमर के लिए, मेल्ट-प्रोसेसिंग का उपयोग किया जा सकता है, जहां नैनोट्यूब को पिघले हुए पॉलीमर में मिलाया जाता है, फिर ठंडा किया जाता है। हालांकि, चिपचिपाहट बढ़ने के कारण यह विधि उच्च कार्बन नैनोट्यूब लोडिंग को सहन नहीं कर सकती है। इन-सीटू पोलीमराइज़ेशन का उपयोग उन पॉलिमर के लिए किया जा सकता है जो सॉल्वेंट या हीट संगत नहीं हैं। इस विधि में, नैनोट्यूब को मोनोमर के साथ मिलाया जाता है, जो बाद में बहुलक मैट्रिक्स बनाने के लिए प्रतिक्रिया करता है। यदि मोनोमर्स को कार्बन नैनोट्यूब सतह से भी जोड़ा जाता है तो इस विधि से विशेष रूप से अच्छा लोड ट्रांसफर हो सकता है।
<बड़ा>ग्राफीन
कार्बन नैनोट्यूब की तरह, प्राचीन ग्राफीन में भी असाधारण अच्छे यांत्रिक गुण होते हैं। ग्राफीन पीएमसी को आमतौर पर कार्बन नैनोट्यूब पीएमसी के समान ही संसाधित किया जाता है, या तो समाधान प्रसंस्करण, पिघल-प्रसंस्करण, या इन-सीटू पोलीमराइजेशन का उपयोग किया जाता है। जबकि ग्राफीन पीएमसी के यांत्रिक गुण आमतौर पर उनके कार्बन नैनोट्यूब समकक्षों की तुलना में खराब होते हैं, ग्राफीन ऑक्साइड मौजूद दोषों के कारण कार्य करना बहुत आसान है। इसके अतिरिक्त, 3डी ग्राफीन पॉलीमर कंपोजिट यांत्रिक गुणों की आइसोट्रोपिक वृद्धि के लिए कुछ वादा दिखाते हैं।[14]
पॉलिमर मैट्रिक्स की कमियां
- वातावरण संबंधी मान भंग [15]
- पर्यावरण से नमी के अवशोषण से पॉलिमर में सूजन के साथ-साथ टीजी की कमी हो जाती है।
- नमी का अवशोषण मध्यम उच्च तापमान पर बढ़ता है। इन हाइड्रोथर्मल प्रभावों से पॉलिमर कंपोजिट में फाइबर की उपस्थिति में आंतरिक तनाव हो सकता है।
- पॉलिमर और फाइबर के बीच थर्मल बेमेल होने से इंटरफेस में दरार या डीबॉन्डिंग हो सकती है।
संदर्भ
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