جایگزینی روش سنتی لحیم کاری با چسب‌های نانوی خودترمیم شونده
این چسب می‌تواند به عنوان جایگزین لحیم در بسته‌بندی الکترونیک، ادوات اپتوالکتریک آلی، پیل‌های خورشیدی چندلایه و ادوات فتوولتائیکی به منظور کاهش آلودگی محیط زیست مورد استفاده قرار گیرد.
08 بهمن 1397 11:52
دکتر فرزانه هاشمی نصر پژوهشگر پژوهشگاه نیرو در گفتگو با خبرنگار واحد روابط عمومی پژوهشگاه نیرو گفت: این پژوهش حاصل تحقیقات دوره پسادکتری بنده است که به طور مشترک با همکاری مهندس مهدی صالحی‌راد کارشناس پژوهشی پژوهشگاه نیرو و دکتر مهدی باریکانی عضو هیات علمی پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، طی طرح جایزه علامه طباطبایی بنیاد ملی نخبگان و با گرنت پژوهشگاه نیرو و استفاده از فضای آزمایشگاه سوخت و روغن پژوهشگاه نیرو انجام پذیرفته است.
وی هدف از انجام این پروژه را سنتز چسب پلی یورتان با خاصیت هم زمان هدایت الکتریکی و خود ترمیم شوندگی دانست و گفت: در سال‌های اخیر برای اجتناب از به کارگیری فلز سمی سرب در صنایع برق و الکترونیک، استفاده از فناوری چسب رسانای الکتریسیته به‌عنوان یکی از گزینه‌های جایگزین روش سنتی لحیم‌کاری در تولید مدارهای الکتریکی، اتصال قطعات سلول‌های خورشیدی و بسته‌بندی‌های الکترونیکی، مورد توجه صاحبان صنایع در حوزه برق و الکترونیک قرار گرفته است. از سوی دیگر قابلیت‌های گسترده فناوری نانو، ما را بر آن داشت تا از این فناوری جهت بهینه کردن عملکرد این چسب‌ها استفاده نماییم.
دکتر هاشمی‌نصر به معایب چسب‌های اپوکسی موجود در بازار شامل شکنندگی، هزینه‌های بالا، طول عمر کم، نیاز به تجهیزات اندازه‌گیری و مخلوط کننده‌های مناسب و ... اشاره کرد و تصریح کرد: چسب‌های رسانای پلی یورتان به دلیل تک جزئی بودن، عدم نیاز به مخلوط کردن چسب و عمر استعمال نامحدود، خشک شدن سریع در دمای اتاق و انعطاف پذیری حائز اهمیت هستند. از سوی دیگر، تغییرات شدید فرکانس و نیز دما، ممکن است موجب ایجاد ترکچه و یا ترک در نانوکامپوزیت پلیمری شود. ترمیم کامپوزیت در مقابل صدمه و خراش سبب می‌گردد تا ترک ایجاد شده در پلیمر منجر به شکسته شدن نهایی نانوکامپوزیت نشده و طول عمر نهایی آن افزایش یابد. از این رو، یکی از زمینه‌های بسیار مورد توجه در تهیه نانوکامپوزیت‌های خود ترمیم شونده صنایع الکترونیک است. در این پژوهش موفق به تولید نمونه آزمایشگاهی نانو چسب‌های پلیمری بر پایه پلی یورتان انعطاف پذیر با دو خاصیت رسانایی و خود ترمیم شوندگی شدیم که این نانو چسب‌ها می‌تواند جایگزین مناسبی برای لحیم کاری باشد.
هاشمی نصر در خصوص ایده استفاده از فناوری نانو در تولید این محصول گفت: در این مطالعه از دو بخش نانویی استفاده گردید؛ نانو صفحات گرافنی اصلاح شده جهت اعمال خاصیت هدایت الکتریکی و نانوکپسول‌های پلی متیل متاکریلات جهت ایجاد خاصیت خود ترمیم شوندگی که در هر دو بخش استفاده از فناوری نانو مثمر ثمر واقع شدند. هدایت الکتریکی چسب‌های رسانا با افزایش میزان پرکننده گرافنی افزایش یافت. نانوصفحات با ایجاد مسیرهادی الکتریسیته سبب عبور جریان می‌شوند. نانوکپسول‌های پلیمری حاوی عامل خود ترمیمی نیز با درصد وزنی کم در بستر چسب پراکنده شده و توانستند به خوبی خاصیت خود ترمیمی را ایجاد نمایند.
در این پژوهش نانوصفحات گرافن با روش هامر اصلاح شده تهیه و سپس سطح آن با ترکیب آروماتیک عامل‌دار می‌گردد تا ضمن اینکه از منبع کربنی ارزان قیمت و روش ساده و قابل صنعتی شدن استفاده می‌شود، به دلیل ورقه‌ای شدن صفحات گرافنی، خواص هدایت الکتریکی و مکانیکی مطلوب و برهمکنش مناسب با پلیمر زمینه را از خود نشان دهد. گرافن به دلیل مساحت سطح بالا، استحکام کششی، هدایت گرمایی و هدایت الکتریکی، انعطاف‌پذیری، شفافیت و ضریب انبساط گرمایی پایین نسبت به دیگر نانو پرکننده‌های متداول، می‌تواند به عنوان یک نانوپرکننده ترجیح داده شود.
این محقق دانش آموخته دانشگاه تهران در خصوص نتایج به دست آمده و مشخصات محصول تولید شده به ویژگی‌های مهم این محصول اشاره نموده و اذعان داشت: نتایج نشان می‌دهد که
- ساختار شیمیایی و وزن مولکولی اجزای تشکیل دهنده چسب به عنوان فاکتورهای مهمی برای چسبندگی نانوکامپوزیت پلی یورتان به سطح فلز محسوب می‌شوند.
- در مقایسه با بستر پلی یورتان، مقاومت تنشی از a 1/755 MPaبه a 1/931 MPaبا افزایش پرکننده نانو گرافنی از 3 تا 10 درصد وزنی، افزایش یافته است.
- بهبود مقاومت حرارتی نانوکامپوزیت پلی یورتان ناشی از برهمکنش مطلوب بین نانوصفحات اصلاح شده گرافن و بستر پلیمری بوده که سبب محدود کردن حرکت زنجیرهای پلیمری شده است.
- پراکنش هموژن نانوصفحات گرافن در بستر پلیمری می‌تواند به طور موثری سبب بهبود توانایی رسانش چسب‌ها گردد که به دلیل ایجاد شبکه به هم متصل نانوصفحات و لذا تشکیل مسیرهای هادی الکتریسیته می‌باشد.
- هدایت الکتریکی با افزایش پرکننده از 3 تا 10 درصد وزنی، از S/m (10 به توان 6-) × 1/3 به S4/1 SM4 افزایش یافت.
- در این مطالعه، دو نوع عامل خود ترمیمی دخالت داشتند: extrinsic و intrinsic که منجر به کاهش زمان خود ترمیمی شده است. در سیستم‌های extrinsic عامل خود ترمیمی دی ایزوسیانات در نانوکپسول پلی متیل متاکریلات ذخیره شده است که با اعمال شکاف از کپسول‌ها رهایش می‌یابد و با واکنش با رطوبت هوا سبب ترمیم در محل می‌گردد. خود ترمیمی intristic با تشکیل پیوندهای هیدروژنی به صورت خود به خودی با رطوبت صورت می‌پذیرد. مولکول‌های آب به عنوان نرم کننده برای بستر پلیمری عمل نموده و سبب کاهش دانسیته شبکه به دلیل افزایش پیوندهای هیدروژنی می‌گردد. به دلیل گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار و نیتروژن‌دار در ترکیب نانوصفحات گرافنی اصلاح شده که در بستر پلیمری پراکنده می‌باشند، توانایی جذب رطوبت افزایش یافته و لذا خود ترمیمی سریع‌تر رخ می‌دهد.
این پژوهشگر در خصوص توجیه اقتصادی تولید این محصول بیان داشت: پروژه به مدت یک سال در مقیاس آزمایشگاهی تعریف و انجام شده است و این نتایج در مطالعات آزمایشگاهی حاصل شده است و از آن جایی که نتایج مطلوبی از عملکرد چسب با توجه به سایر مطالعات نیز به دست آمده است، این محصول قابلیت تجاری شدن را دارد. برای دستیابی به تولید صنعتی و توجیه اقتصادی فعلاً برآوردی از عملکرد و قیمت چسب تهیه شده با سایر چسب‌های اپوکسی و یورتان موجود در بازار صورت نگرفته است.
وی به مطالعات انجام شده در سایر کشورهای جهان نیز اشاره نمود و بیان داشت: تحقیقات گسترده‌ای در این زمینه صورت گرفته است به عنوان مثال موسسه فرانهوفرآلمان مربوط به سیستم‌های انرژی خورشیدی، موسسه تکنولوژی جورجیا در آمریکا، دانشگاه علوم آکادمی در چین و موسسه پیشرفته علوم و تکنولوژی در کره از جمله آنهاست که مشابه این محصول تولید کرده‌اند.
دکتر هاشمی به تاثیر این پژوهش و کاربردهای آن در صنایع و بخصوص صنعت برق اشاره کرد و گفت: این چسب می تواند به عنوان جایگزین لحیم در بسته‌بندی الکترونیک، ادوات اپتوالکتریک آلی، پیل‌های خورشیدی چندلایه و ادوات فتوولتائیکی به منظور کاهش آلودگی محیط زیست مورد استفاده قرار گیرد.
نتایج این پژوهش در مجله RSC Advances با ضریب تأثیر 2.936 (جلد 8، شماره 54، سال 2018، صفحه 31094 الی 31105) منتشر شده است.