رس طبیعی (Natural clay) یا کلی به ذرات معدنی آلومینوسیلیکاتی با واحدهای ساختاری لایه ای اطلاق می شود که بر روی یکدیگر قرار گرفته اند. این صفحات که به طور ذاتی دارای بار الکترواستاتیک منفی هستند توسط کاتیون های فلزی نظیر سدیم و کلسیم که در میان آن ها قرار گرفته اند، در کنار هم نگه داشته شده و توده ای از لایه های موازی به هم چسبیده را تشکیل می دهند. نانوکلی (Nanoclay) یا نانو رس در عمل با جایگزین نمودن یون های فلزی بین صفحات با کاتیون های آلی طی فرایندهای شیمیایی تولید می شود. حضور مولکول های بزرگ آلی در فاصله میان لایه ها، باعث تضعیف پیوند آن ها با یکدیگر شده و افزایش فاصله میان صفحات را در پی دارد. این امر در تغییر ماهیت شیمی سطح  صفحات و ایجاد خاصیت آب گریزی و همچنین ایجاد توانایی تبدیل ساختارهای رسی به لایه های جداگانه اهمیت کلیدی دارد و به طور گسترده در توسعه نانو کامپوزیت های پلیمر – نانوکلی مورد توجه قرار گرفته است.

ساختار نانوکلی

حین سنتز نانوکلی، سورفکتانت ها و ترکیبات آلی ساختارهای متنوعی همچون تک لایه، دو لایه و پارافین شکل در میان صفحات رسی تشکیل می دهند. نحوه چیدمان مولکول های آلی، به بار صفحات و طول زنجیره کربنی یون آلی بستگی دارد. از سوی دیگر، با افزایش غلظت سورفکتانت، آرایش چینش مولکول ها در فاصله میان صفحات رسی، از تک لایه به پارافین شکل تغییر می کند. حالت های مختلف چینش مولکول های آلی در میان صفحات رسی در تصویر ذیل، قابل مشاهده است.

تاثیر افزایش غلظت سورفکتانت در چینش مولکول های آلی میان صفحات کلی

کامپوزیت های پلیمر – نانوکلی بسته به کیفیت پخش نانوکلی در زمینه پلیمری، درجه جدایش لایه های سیلیکاتی و رسوخ پلیمر میان این لایه ها به سه صورت کلی یافت می شوند که شامل مورفولوژی انباشته (flocculated)، اینترکالیت شده (intercalated) و اکسفولیت شده (exfoliated) می باشند.

 مورفولوژی های مختلف نانوکلی در کامپوزیت های پلیمری، الف) ساختار انباشته شده، ب) ساختار اینترکالیت شده و ج) ساختار اکسفولیت شده

در این حالت صفحات کلی حین فرایند تولید کامپوزیت از یکدیگر جدا نشده و پلیمر به میان صفحات رسوخ نمی کند. لذا محصول نهایی به صورت کامپوزیت میکروساختار (و نه نانوساختار) است. در واقع، این مورفولوژی بهبود محسوسی در خواص مکانیکی یا عملکرد کامپوزیت نهایی ایجاد نمی کند.

رسوخ زنجیره های پلیمری به فاصله میان لایه های موازی سیلیکات، منجر به تشکیل ساختار اینترکالیت شده می شود. باید توجه داشت که در این حالت اگرچه فاصله میان صفحات نانوکلی به دلیل نفوذ زنجیره های پلیمری افزایش یافته ولیکن این صفحات به طور کامل از یکدیگر جدا نشده و به صورت تک لایه در زمینه پخش نشده اند. البته در این حالت، برهم کنش میان لایه های نانوکلی و پلیمر باعث بهبود خواص کامپوزیت در تراز مولکولی می شود. در نتیجه، فصل مشترکی با ضخامت چند نانومتر میان این دو فاز تشکیل می گردد.

مورفولوژی اکسفولیت شده زمانی محقق می شود که صفحات نانوکلی از یکدیگر جدا شده و به صورت مجزا و همگن در ماتریس پلیمری توزیع شده باشند. در این حالت به دلیل ضخامت اندک و نسبت بالای طول به ضخامت صفحات رس (aspect ratio)، بهترین عملکرد به لحاظ بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت حاصل می شود.

نانوکلی دسته جذابی از نانومواد آلی-معدنی محسوب می شود که به دلیل فراوانی مواد اولیه، هزینه نسبتا پایین و اثرات زیست محیطی ناچیز، به طور روزافزون در کاربردهای متنوع مورد توجه قرار گرفته است. حوزه عملکرد نانوکلی، تا حد قابل ملاحظه ای به ظرفیت تبادل کاتیونی، نوع بار صفحات رس اولیه مورد استفاده و نوع مواد اصلاح کننده بستگی دارد.

در زیر، به برخی از کاربردهای گسترده نانوکلی اشاره می شود.

• تولید انواع نانوکامپوزیت های پلیمری و هوشمند
• بسته بندی مواد غذایی
• خودرو
• رنگ و رزین
• گریس و روان سازها
• آرایشی و بهداشتی
• صنایع وابسته به برداشت و استخراج نفت
• پزشکی وداروسازی
• تصفیه فاضلاب های شهری وصنعتی
• ساختمان
• کشاورزی

یکی از شاخص ترین کاربردهای نانوکلی، استفاده از آن به عنوان پرکننده (filler) در کامپوزیت های پلیمری است. صفحات نانوکلی به دلیل مقاومت شیمیایی بالا، در برابر عبور گازها و مواد شیمیایی نفوذناپذیر بوده و به عنوان مانع عمل می کنند. لذا، صفحات نانوکلی پس از جدایش و پخش در بستر پلیمر، مسیرهای مارپیچ و طولانی تری را ایجاد می نمایند که از نفوذ سریع گازها و مایعات موردنظر جلوگیری نموده و روند نفوذ را در بستر پلیمرها و کامپوزیتهای پلیمری کاهش می دهند.

مقایسه نحوه نفوذ گاز از پلیمر معمولی و نانوکامپوزیت پلیمر – نانوکلی

جهت آشنایی بیشتر با کاربردهای صنعتی نانوکلی کلیک کنید.