تحقیق جدید در خصوص پلیمرهای حافظه دار

تحقیق جدید در خصوص پلیمرهای حافظه دار – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

تحقیق جدید در خصوص پلیمرهای حافظه دار

۱- پلیمرها

۱ـ۲٫ مقدمه

با آغاز ارائه یکسری از امتیازات و حقوق ثبت در سال ۱۹۹۷ ، Leo H. Baekeland فرآیند چگالش فنول و فرمالدئید به عنوان اولین مواد پلیمری کاملاً سنتزی با ارزش تجاری (یعنی رزین های فنولیک) را تشریح نمود. عبارات پلیمر و مونومر از کلمات یونانی poly ، mono و meros  به معنای بسیار، یک و واحد / قسمت حاصل آمده اند.

 تعریف عبارات اصلی در علم پلیمر بر حسب ویژگی های تفکیکی ماکرومولکولی اتحادیه بین المللی شیمی کاربردی و محض (IUPAC) ارائه شده است. بر مبنای نظر این اتحادیه، یک پلیمر به عنوان ماده ای متشکل از مولکول های ماکرو یا ماکرومولکول ها می باشد. یک ماکرومولکول / ابرمولکول یا مولکول پلیمری یک مولکول بزرگ متشکل از میلیون ها واحدهای ساختاری تکرار شونده (مونومرها)، حداقل از نظر اصولی، و تعداد نامحدود مونومرها می باشد که به وسیله پیوندهای شیمیایی کووالانسی به یکدیگر متصل می شوند. نوعاً، هر مونومر متشکل از بیش از ۵ و کمتر از ۵۰۰ اتم می باشد. عبارت پلیمر به هنگامی بکار گرفته می شود که در حدود ۱۰ یا تعداد بیشتری از مونومرها به یکدیگر متصل شده باشند. در غیر این صورت، عبارت الیگومر یا چند پار مورد استفاده قرار می گیرد. یک الیگومر به عنوان ماده متشکل از مولکول های الیگومر تلقی می شود. یک مولکول الیگومر نیز متشکل از چندین مونومر می باشد (عبارت a few”“، از لغت یونانی به معنای مقدار اندک). تعداد واحدهای مونومری در یک مولکول پلیمر در قالب درجه بسپارش مشخص می شود (IUPAC اختصار توصیه شده: DP، نماد X).

تحقیق جدید در خصوص پلیمرهای حافظه دار

۱ـ۳٫ دسته بندی و کاربرد

روش های متعددی جهت رده بندی پلیمرها وجود دارند. یک روش ساده جهت متمایزسازی پلیمرها با توجه به مبدأ آنها در ارتباط با پلیمرهای طبیعی و مصنوعی یا سنتزی مدنظر می باشد. مواد پلیمری طبیعی نظیر لاک الکل، مواد سلولزی و لاستیک طبیعی برای قرن ها مورد استفاده قرار گرفته اند. پلیمرهای طبیعی به عنوان کلاسی از پلیمرهای حاصل آمده از منابع زیست توده تجدیدپذیر نظیر گیاهان، روغن نباتی، نشاسته حاصله از ذرت و نخود یا حبوبات به شمار می آیند. به طور کلی، پلیمرهای طبیعی (یا پلیمرهای زیستی) پس از واکنش های اصلاحی بکار گرفته می شوند. برخی از پلیمرهای زیستی بر مبنای ویژگی های زیست تجزیه آنها طراحی می شوند. یک بررسی مربوط به پلیمرهای طبیعی و پلیمرهای طبیعی اصلاح شده را می توان با توجه به ویژگی های ذیل مشخص ساخت:

…

پلیمرهای مربوط به کالا (پلاستیک های حجیم، پلاستیک های حجم دار) به مقادیر زیادی برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. ساختار پلیمری این دسته از مواد بر مبنای صورت بندی مولکول های درشت و پیکربندی زنجیره آنها مشخص می شود. این پیکربندی در طی فرآیند بسپارش حاصل می شود. غالب پلیمرهای مربوط به تولید کالاها تحت عنوان ترموپلاستیک ها به شمار می آیند که قابلیت بلورشدگی، شبه بلورسازی یا بی شکل شدگی آنها وجود دارد. پلیمرهای ترموپلاستیک متشکل از مولکول های درشت بدون پیوند عرضی می باشند. آنها به هنگام اعمال فرآیند گرمایشی به مایع تبدیل شده و به هنگام سرد شدن نیز به حالت شیشه ای در می آیند. 

تحقیق جدید در خصوص پلیمرهای حافظه دار

۲- پلیمرهای حافظه دار شکلی

۲ـ۱٫ مقدمه

مواد حافظه دار در حقیقت جزء آن دسته از موادی به شمار می آیند که قابلیت “حفظ” یک شکل میکروسکوپی (دائم)، و نگهداری و “تثبیت” به یک شکل موقت تحت شرایط خاص دمایی و تنشی را دارند. آنها متعاقباً می توانند به شرایط اولیه خود بازگردند یا به شرایط عاری از تنش تحت ویژگی های دستوری حرارتی، الکتریکی یا محیطی برگردانده شوند. فرآوری حرارتی بر روی پاسخ های فیزیکی نظیر تنش انقباضی، رهایی تنش و میزان بازیافت از کرنش پلیمرها تأثیرگذار هستند. دانشمندان علوم مواد نقش قابل توجهی را در آینده در ارتباط با مواد خود تعمیری یا خود بازسازی کننده و مواد هوشمند در نظر گرفته اند. در خلال چندین سال اخیر، این مفهوم توجه فزاینده ای را در نتیجه افزایش کلاس جدیدی از پلیمرها به سمت خود جلب نموده است.

پلیمرهای حافظه دار (SMPs) به عنوان نوعی از پلیمرهای هوشمند بسیار مهم تلقی می شوند. پلیمرهای حافظه دار (SMP) را می توان بر مبنای دما، pH (سطح اسیدیته یا قلیایی)، ویژگی های شیمیایی و نور تحت فرآیند تحریک شدگی قرار داد. آنها قادر به حسگری و پاسخگویی در برابر محرک های خارجی تحت شرایط شکلی از قبل تعیین شده هستند. این پلیمرها قابلیت دفرمه شدگی در دماهای سطح بالا را داشته، و به علاوه می توانند نسبت به “ابقای” شکل تغییر یافته به هنگام انجام فرآیند سطح سازی و بازگشت به پیکربندی اولیه به هنگام حرارت دیدگی فراتر از “دمای گذار شیشه” اقدام نمایند. این نوع از مواد قابلیت گذار ـ شکل حرارتی را داشته و به عنوان بخشی از مواد هوشمند تلقی می شوند. این اثر را می توان به واسطه انعطاف پذیری زنجیره های پلیمری حاصل آورد.

۲ـ۲ـ۱٫ پلیمرهای حافظه دار در برابر آلیاژهای حافظه دار

پلیمرهای حافظه دار تاکنون از نقطه نظر خواص حافظه ای خود آلیاژهای حافظه دار فلزی را پشت سر گذاشته اند. در نتیجه تولید و برنامه نویسی نسبتاً آسان پلیمرهای حافظه دار، این مواد معرف یک جایگزین آسان و کارآمد برای آلیاژهای حافظه دار معروف به شمار می آیند.

تحقیق جدید در خصوص پلیمرهای حافظه دار

۲ـ۳٫ کاربردهای SMP

به هنگام ملاحظه اهمیت مواد پلیمری در زندگی روزمره، ما یک طیف گسترده بیشتر در زمینه کاربردهای احتمالی پلیمرهای هوشمند را در می یابیم که در بردارنده نواحی گسترده ای از جراحی های تهاجمی حداقلی تا منسوجات دارای عملکرد بالا و همچنین قطعات پلاستیکی با قابلیت خود تعمیری و قابلیت استفاده از آنها در بسیاری از ماشین ها و وسایل حمل و نقل. پلیمرهای حافظه دار در رشته های مختلفی به واسطه خواص منحصر به فرد و خاص خود کاربرد یافته اند.

۲ـ۳ـ۱٫ کاربردهای پزشکی

SMP ها به عنوان مواد هوشمند با کاربردهای بالقوه ای به شمار می آیند، همانند آنژیوکت، مفتول های خود تنظیم گر ارتودنسی و ابزارهای گزینشی قابل انعطاف برای جراحی های کوچک مقیاس که در آن هم اکنون آلیاژهای حافظه دار فلزی نظیر نیتینول به طور گسترده ای استفاده شده است. کاربرد دیگر SMP در رشته پزشکی استفاده از آن در زمینه ایمپلنت ها می باشد: به طور مثال، قابلیت تهاجمی حداقلی، با استفاده از برش های کوچک یا روزنه های طبیعی، کاشت یک ابزار خاص در شکل موقتی کوچک آن. فناوری های حافظه شکل پذیر معرف ویژگی های امیدبخش فزاینده ای در ارتباط با استنت های قلبی عروقی می باشند، چرا که آنها اجازه می دهند تا یک استنت کوچک قابلیت درج یا دخول در داخل یک رگ یا شاهرگ را داشته و متعاقباً بتوان پس از وارد شدن آن را به خوبی باز کرد. پس از فعال سازی این حافظه از طریق افزایش دما یا تنش مکانیکی، این سیستم شکل دائمی خود را به دست می آورد. کلاس های خاص پلیمرهای حافظه دار دارای خواص اضافه ای می باشند: …

تحقیق جدید در خصوص پلیمرهای حافظه دار

۲ـ۳ـ۲٫ کاربردهای صنعتی

یکی از اولین کاربردهای صنعتی این مقوله علم رباتیک است که در آن فوم های حافظه دار (SM) جهت فراهم آوردن ویژگی های نرم اولیه در مبحث گریپینگ / گیرداری مورد استفاده قرار گرفتند. این فوم های SM را می توان متعاقباً از طریق خنک سازی سخت ساخته و بنابراین یک حالت گریپینگ یا گرفتگی تطبیقی را شکل داد. از آنجایی که در چنین زمانی گستره کاربرد مواد متنوع تلقی می شد، به طور مثال صنعت ساختمان (کاربرد فوم با قابلیت انبساط از طریق گرمایش به منظور محکم نمودن چارچوبهای پنجره)، ابزارهای ورزشی (کلاه کاسکت ها، لباس های جودو و کاراته) و در برخی از موارد با اضافه سازی مواد ترموکرومیک به منظور ارائه مشخصه های مناسب حرارتی. SMP های پلی اورتان نیز به عنوان بخش های ساسات خودکار برای موتور ماشین بکار گرفته می شد.

۲ـ۴٫ مدل سازی پلیمرهای حافظه دار

طراحی ساختارهای مبتنی بر ـ SMP و ابزاره های مرتبط نیازمند توصیف کامل و مدل سازی ساختاری رفتار ترمومکانیکی مواد می باشد. بسیاری از مدل های ساختاری مبتنی بر ویژگیهای پدیدارشناسی و میکرومکانیک هم اکنون برای SMP ها در دسترس می باشند، با این حال غالب آنها بر روی ویژگی های دفرمه شدگی کوچک متمرکز هستند (کمتر از ۱۰ درصد کرنش اسمی برای فشردگی یا کشش). مدل های موجود غالباً دارای تعداد زیادی از پارامترهای مربوط به مواد می باشند. جهت مشخص سازی دقیق این تعداد بزرگ پارامترهای مواد می بایست آزمایشات خاص و فرآیند کالیبراسیون پیچیده ای را طی نمود. بنابراین، با وجود آنکه برخی از مدل ها بسیار پیچیده می باشند و قابلیت حاصل آوردن رفتارهای پیچیده SMP ها را دارند، کاربرد آنها در عمل مشکل تلقی شده و هیچ کدام از این مدل ها در قواعد تحلیلی تجاری مورد استفاده قرار نگرفته اند. در این بخش، عملکردها یا توابع انرژی کرنشی، که عمدتاً برای مدل سازی دفرمه شدگی بزرگ مواد الاستومری از آنها استفاده می شود به منظور مدل سازی پاسخ های تنش ـ کرنش و بازیابی شکل SMP ها بکار گرفته خواهند شد.

۲ـ۴ـ۱٫ مدل سازی بر مبنای تابع انرژی کرنشی

برای مواد همسان گرد و غیر تراکم پذیر که در معرض تنش یا فشردگی تک محوره می باشند، Rivlin مورد ذیل را مشخص ساخته است:

۲ـ۴ـ۱ـ۱٫ تابع انرژی کرنشی Mooney-Rivlin

توابع انرژی کرنشی مختلفی برای مدل سازی مواد وجود دارند که قابلیت دفرمه شدگی یا تغییر شکل محدودی را خواهند داشت. از طریق فرض ویژگی تأثیرپذیری (I₃=1)، Rivlin مشخص ساخته است که تابع انرژی کرنشی را می توان به صورت سری توان بیان داشت:

۲ـ۴ـ۱ـ۲٫ تابع انرژی کرنشی Yeoh

بر مبنای مشاهدات تجربی،Yeoh  مشخص ساخته است که ∂W/∂I1 بسیار بزرگتر از ∂W/∂I2 می باشد. بنابراین Yeoh این موضوع را پیشنهاد نموده است که می بایست اقدام به نادیده گرفتن عبارت دوم در یک تابع کلی انرژی کرنشی همانگونه که در معادله (۲) نشان داده شده است نماییم، که خود منجر به مدل Yeoh می شود:

۲ـ۴ـ۱ـ۳٫ تابع انرژی کرنشی Ogden

در تعارض با تابع انرژی کرنشی ثابت مبنا، Ogden ارائه W بر حسب نسبت های کشیدگی را پیشنهاد نموده است که خود منجر به حاصل آوردن تابع انرژی کرنشی بر مبنای مؤلفه کشیدگی می شود:

۴ـ۱ـ۴٫ تابع انرژی کرنشی Neo-Hooke

بر مبنای فیزیک شبکه های زنجیره پلیمری، یک تابع انرژی کرنشی مبتنی بر ویژگی های میکرومکانیکی را می توان حاصل آورد. ساده ترین مورد در بین این انواع توابع ارائه شده مدل neo-Hookean می باشد:

۲ـ۴ـ۱ـ۵٫ تابع انرژی کرنشی Arruda-Boyce

Arruda و Boyce اخیراً یک تابع انرژی کرنشی مبتنی بر میکرومکانیک را عرضه داشتند:

۲ـ۴ـ۲٫ پیش بینی رفتار مکانیکی SMP ها

واکنش های تنش ـ کرنش SMP با استفاده از توابع غالباً استفاده شده انرژی کرنشی مدل سازی شده است (Mooney-Rivlin, Yeoh, Neo-Hooke, Arruda-Boyce و Ogden). شکل ۲ـ۶ نشان دهنده نتایج پیش بینی شده در دماهای مختلف می باشد. شکل ۲ و ۳ معرف پاسخ های تنش ـ کرنش SMP فراتر از Tg (50 و ۵۵ درجه سلسیوس) می باشد که از توابع مختلف انرژی کرنشی پیش بینی شده است. در حالت پلاستیکی، SMP دارای رفتاری همانند یک لاستیک پر نشده می باشد. تنش ها به میزان اندکی با توجه به افزایش کرنش افزایش یافته، آن هم بدون هرگونه حرکت به سمت بالا یا پایین. غالب توابع انرژی کرنشی به طور موفقی قابلیت پیش بینی واکنش های SMP در چنین حالتی را خواهند داشت.

۲ـ۴ـ۳٫ پیش بینی بازیابی شکلی SMP ها

بازیابی شکلی و قابلیت مرتبط با آن به عنوان یک مؤلفه مهم SMP ها به شمار می آید چرا که چنین موردی را می توان به عنوان شاخصی از قابلیت مواد در زمینه بازگشت به شکل های اولیه خود در پی برنامه ریزی مرتبط قلمداد نمود. آزمایشات بازیابی شکل بدون محدودیت از طریق دنبال نمودن چرخه استاندارد ترمومکانیکی انجام شده اند. شکل ۷ نشان دهنده یک نقطه شکست چرخه کامل این نوع از حافظه ها می باشد.

تحقیق جدید در خصوص پلیمرهای حافظه دار

۲ـ۴ـ۴٫ مباحث نهایی

روش های شکل دهنده متعددی برای پلیمرهای حافظه دار وجود دارند و به منظور توصیف کامل آنها غالب مدل ها از تعداد زیادی از پارامترهای مربوط به مواد استفاده می نمایند. چنین موردی به عنوان یک فرآیند کالیبراسیون پیچیده به منظور مشخص سازی تجربی این پارامترها تلقی می گردد با این حال این مدل ها کاملاً در ارتباط با شبیه سازی رفتار حافظه شکل پذیر SMP ها جامع می باشند. و به همین دلیل برخی از ویژگی های مربوط به توابع وابسته به چگالی انرژی کرنشی نظیر Mooney-Rivlin, Neo-Hookean, Yeoh, Ogden و Arruda-Boyce جهت مدل سازی رفتار بازیافت شکل SMP بکار گرفته شده اند. علاوه بر این مورد توابع چگالی مبنای انرژی کرنشی دیگری نیز وجود دارند که قابلیت کاربرد آنها جهت مدلسازی مواد ابرالاستیکی لاستیکی با استفاده از آنها متصور می باشد. بنابراین لازم است تا قابلیت انتخاب مدل مربوطه از طریق اطمینان از این موضوع را داشته باشیم که چنین مدلی در محدوده معتبر شرایط بارگذاری و کرنش های بکار گرفته شده مورد استفاده قرار می گیرد. غالب مدل ها برای کرنش کمتر از ۱۰ درصد مناسب هستند.

۲ـ۵٫ روش های ساخت SMP

پردازش پلیمرها در قالب شکل های خاص به عنوان یک مرحله ضروری به سمت کاربرد نهایی آنها تلقی می شود. فرآیند ساخت ابزاره های SMP در شکل های مرتبط و بالقوه پیچیده به عنوان یک حقیقت کاملاً خاص و مهم تلقی می شود که کاربردهای آنها را می توان سختی بیشتر و پیوند منحصر به فرد با توجه به این شکل ها در نظر گرفت. در بسیاری از کاربردهای ابزاری SMP ها، مواد شامل شده ممکن است قابلیت ارائه کاربردهای مورد نظر بدون فرآوری تحت شکل های سه بعدی ماکروسکوپی مناسب (۳D) یا سطوح ریز ساختاربندی شده را نداشته باشند. علاوه بر روش های فرآوری سنتی پلیمر (همانند قالب گیری تزریقی یا قالب گیری مایع) که قابلیت کاربرد آنها جهت تولید شکل های نسبتاً ساده وجود دارد، روش های متعددی که منجر به ارائه طرح SMP جدید، با قابلیت و شکل های کاملاً پیچیده می شود نیز هم اکنون در دسترس می باشد. این روش ها در این بخش ارائه می گردند.

۲ـ۵ـ۱٫ الکترو اسپینینگ / الکتروریسی / برق ریسی

فرآیند الکترواسپینینگ که تحت عنوان الکتروریسی یا برق ریسی نیز خوانده می شود به عنوان یک روش تطبیق پذیر برای فراهم آوردن ترکیبات فیبری و ساخت و ساز آنها به روش های دو بعدی یا سه بعدی می باشد. SMP ترموپلاستیک را می توان با استفاده از پروسه الکترواسپینینگ ارائه داد که چنین روشی عرضه کننده دو مزیت می باشد: سینتیک بازیابی سریع به واسطه ساختار متخلخل که سبب تسهیل نفوذ می گردد. ساختارهای متخلخل را می توان از طریق SME تنظیم نمود. متعاقباً قابلیت کپسوله سازی یک مت یا کفپوش خاص با استفاده از لاستیک سیلیکونی فراهم می شود. ترکیب حاصله معرف توابع حافظه شکل دار با توجه به الیاف پلیمری به عنوان یک فاز تغییر دهنده یا سوئیچینگ می باشد، در حالی که فاز الاستیکی کپسوله سازی سبب تضمین شکل دائمی آن خواهد شد. چنین رویکردی به عنوان یک ویژگی کاملاً فراگیر به شمار می آید آن هم با توجه به آنکه این رویه اجازه تنظیم هر یک از بخش ها و صفات مربوط به دو مؤلفه خاص را خواهد داد و از این طریق قابلیت تنظیم رفتار کلی حافظه شکل پذیر نیز فراهم خواهد شد. تطبیق پذیری این روش همچنین بر مبنای ایجاد یک کامپوزیت سه تایی SMP از طریق جایگزینی فاز کپسوله سازی لاستیکی با یک SMP ـ دو گانه قابل ارائه خواهد بود.

۲ـ۵ـ۲٫ چاپ چهار بعدی

چاپ سه بعدی توجه قابل ملاحظه ای را اخیراً به واسطه انعطاف پذیری نامحدود خود بر حسب پیچیدگی هندسی بخش های ساخته شده جلب نموده است. این قابلیت منحصر به فرد کاملاً به عنوان یک ویژگی مکمل در ارتباط با دستکاری شکلی از طریق برنامه نویسی حافظه شکل پذیر به شمار می آید. بنابراین، ترکیب خواص حافظه شکل پذیر با چاپ سه بعدی ارائه دهنده یک فرصت بالقوه بزرگ با توجه به دو ویژگی خاص می باشد: تولید ابزاره های SMP با هندسه های نسبتاً پیچیده مرتبط که قابلیت ساخت آسان آن از طریق روش های فرآوری سنتی وجود ندارد. گونه های شکلی بیشتر را می توان برای یک قطعه SMP پرینت شده سه بعدی از طریق برنامه نویسی حافظه شکل دار حاصل آورد. وابستگی زمانی SME ارائه دهنده یک بعد اضافه (یعنی زمان) می باشد، که خود منجر به آن چیزی که تحت عنوان چاپ چهار بعدی خوانده می شود می گردد. به طور اصولی، چاپ چهار بعدی را می توان به دو روش محقق ساخت: یک SMP ترموپلاستیک را می توان به طور مستقیم با استفاده از مدلسازی رسوب یا ته نشین سازی آمیخته یا فیوژن تحت فرآیند چاپ سه بعدی قرار داد. فرآوری تابش UV با استفاده از پیش ماده های SMP مایع در این زمینه قابل توجه می باشد.

تحقیق جدید در خصوص پلیمرهای حافظه دار

۲ـ۵ـ۳٫ تولید الهام گرفته از اوریگامی

ساختارهای پیچیده سه بعدی را می توان با استفاده از تازدن یک ورقه دو بعدی ایجاد نمود، که جوهره آن از هنر اوریگامی ژاپن نشأت گرفته است. بازیابی شکلی القا شده موضعی یک ورقه SMP می تواند منجر به یک تأثیر خود تاشدگی شود. این تکنیک، که تحت عنوان تولید الهام گرفته از اوریگامی خوانده می شود برای تعدادی از کاربردهای مختلف نظیر دسته بندی و تحریک مکانیکی جذاب تلقی می شود. ورقه تشکیل شده از دو محور در قالب SMP متناسب آن از نقطه نظر نوری شفاف تلقی شده و در پی انجام فرآیند گرمایش یکنواخت نشان دهنده وجود چروکیدگی های سطحی می باشد. به هنگامی که جوهر سیاه به صورت محلی بر روی یک طرف این ورقه ریخته شده و الگوری مشخصی حاصل شد، نواحی الگو یافته قابلیت جذب انرژی نوری به حرارت SMP را خواهند داشت. گرمایش القا شده نوری غالباً محدود به نواحی الگودار بر روی یک طرف این ورقه میباشد. در نتیجه، طرف الگودار تحت انقباض قرار می گیرد در حالی که طرف مقابل اینگونه نخواهد بود که خود منجر به یک تأثیر خود تاشدگی کلی می شود. این رویکرد جذاب ساده و کارآمد می باشد، با این حال، تاشدگی در نواحی مختلف را می توان به صورت همزمان حاصل آورد. ورقه های کامپوزیت به وسیله سه لایه لمینیت ساخته می شوند: …