مقاله تاپیک جامع مقالات خاکشناسی

[mani24 29,665]

نانوکامپوزیتهای خاک رس

 

پلیمر بهبود فوق‌العاده‌ای در بسیاری از خواص فیزیکی و مهندسی پلیمرهایی که در آنها از مقدار کمی پرکننده استفاده می‌شود، ایجاد می‌کند. این تکنولوژی که امروزه می‌تواند کاربرد تجاری نیز پیدا کند، توجه زیادی را طی سالهای اخیر به خود جلب کرده است. عمدة پیشرفت‌هایی که در این زمینه بوقوع پیوسته، طی پانزده سال اخیر بوده و در این مقاله به این پیشرفتها و همچنین مزیتها، محدودیتها و برخی مسایل و مشکلات آن خواهیم پرداخت. هر چند اخیراً پیشرفتهای عمده‌ای در توسعة روشهای سنتزی و کاربرد آنها در پلیمرهای مهندسی صورت گرفته و تحقیقاتی نیز در مورد خیلی از خواص مهندسی آنها صورت گرفته، ولی با اینحال، برای فهمیدن مکانیزم‌هایی که باعث افزایش کارایی در نانوکامپوزیتهای مرسوم به الیاف تقویت می‌شوند، مزیتها و امتیازاتی دارد، ولی هنوز نتوانسته تاثیری در بازار کامپوزیتهایی که در آنها جزء الیافی درصد بالایی دارد، ایجاد کند.

 

موضوع فناوری نانو طی سالهای اخیر بطور فزاینده‌ای مطرح شده است. عرصة نانو، محدوده‌ای بین ابعاد میکرو و ابعاد مولکولی است و این محدوده‌ای است که دانشمندان مواد و شیمیدان‌ها در آن به مطالعاتی پرداخته‌اند و اتفاقاً مورد توجه آنها نیز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولی تکنولوژی که توسط علوم مواد و شیمی توسعه یافته و به نانومقیاس معروف است، نباید به عنوان نانوتکنولوژی تلقی شود. هدف اصلی در نانوتکنولوژی ایجاد کاربردهای انقلابی و خواص فوق‌العاده مواد، با سازماندهی و جنبش آنها و همچنین طراحی ابزار در مقیاس نانو می‌باشد.

 

تعریف

 

نانوکامپوزیت‌های خاک­رس / پلیمر یک مثال موردی از نانوتکنولوژی هستند. در این نوع مواد، از خاک­رس‌های نوع اسمکتیت (Smectite-type) از قبیل هکتوریت، مونت موریلونیت و میکای سنتزی، به عنوان پرکننده برای بهبود خواص پلیمرها استفاده می‌شود. خاک­رس‌های نوع اسمکتیت، ساختاری لایه‌ای دارند و هر لایه، از اتمهای سیلیسیم کوئورانیه شده بصورت چهار وجهی که به یک صفحه هشت وجهی با لبه‌های مشترک از Al(OH) 3 یا Mg(OH) 2 متصل شده، تشکیل شده است. با توجه به طبیعت پیوند بین این اتمها، انتظار می‌رود این مواد خواص مکانیکی فوق‌العاده‌ای را در جهت موازی این لایه‌ها نشان دهند ولی خواص مکانیکی دقیق این لایه‌ها هنوز شناخته نشده‌اند. اخیراً با استفاده از روشهای مدل‌سازی تخمین زده شده که ضریب یانگ در راستای لایه‌ها، پنجاه تا چهارصد برابر بیشتر از یک پلیمر عادی است. لایه‌ها نسبت صفحه‌ای (aspect ratio) بالایی دارند و هر لایه تقریباً یک نانومتر ضخامت دارد، در حالیکه شعاع آن از سی نانومتر تا چند میکرون، متفاوت می‌باشد. صدها یا هزاران عدد از این لایه‌ها بوسیله یک نیروی واندروالسی ضعیف، روی هم انباشته می‌شوند تا یک جزء رسی را تشکیل دهند. با یک پیکربندی مناسب این امکان وجود دراد که رس‌ها را به اشکال و ساختارهای گوناگونی، درون یک پلیمر، به شکل سازمان‌یافته قرار دهیم.

 

در گذشته، عمدتاً به این شکل از دانه‌های رسی برای افزایش کارایی پلیمر استفاده می‌شود که آنها را در حد میکرونی خرد می‌کردند تا از آنها در تولید پلیمرهای تقویت شده بوسیله پرکننده‌های در اندازه میکرون، استفاده کنند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده.

 

می‌توان تصور کرد که خواص مکانیکی فوق‌العاده لایه‌های منفرد در اجزای خاک­رس نتوانند در یک سیستم به طرز موثری عمل کنند و پیوندهای ضعیف بین دو لایه منشاء ایراد در این کار می‌باشد. معمول است که از میزان بالایی از خاک­رس استفاده شود تا به بهبود کافی هر ضرایب دست یابیم، در حالیکه این کار باعث کاهش استحکام و سختی پلیمر می‌شود.

 

 

 

اصلی که در نانوکامپوزیت‌های خاک ­رس پلیمر رعایت می‌شود، این است که نه تنها دانه‌های رسی را از هم جدا می‌کنند، بلکه لایه‌های هر دانه را نیز از هم جدا می‌کنند با انجام این عمل، خواص مکانیکی فوق‌العاده هر لایه نیز بطور موثر بکار می‌آید و این در حالی است که در اجزای تقویت­شده نیز بطور چشمگیری افزایش پیدا می‌کند، زیرا هر جزء رسی خود از صدها تا هزارات لایه تشکیل شده است.

 

ویژگیها نانوکامپوزیت­های خاک رس

 

یکی از دستاوردهای تحقیقات این است که مشخص شده که بسیاری از خواص مهندسی هنگامیکه از میزان کمی معمولاً چیزی کمتر از 5% وزنی، پرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهی می‌یابد. در پلیمرهایی چون نایلون (nylon-6) 6 هرگاه از چنین میزان کمی پرکننده استفاده شود، یک افزایش 103 درصدی در ضریب یانگ، 49 درصدی در قدرت کشسانی و 146 درصدی در مقاومت در برابر تغییر شکل بر اثر گرما، از خود نشان می‌دهد. سایر خواص فیزیکی بهبود یافته عبارتند از: مقاومت در برابر آتش، مقاومت باریر (barrier resistance) و هدایت یونی.

 

امتیاز دیگر نانوکامپوزیتهای خاک رس/ پلیمر این است که تاثیر قابل توجهی بر خواص اپتیکی پلیمر ندارند. ضخامت یک لایه رس منفرد، بسیار کمتر از طول موج نور مرئی است، بنابراین نانوکامپوزیت‌های خاک ­رس/ پلیمر که خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتیکی شفاف می‌باشد. میکرو نانوکامپوزیت‌هایی که تصویرشان در شکل 1 نشان داده شده، از ترکیب خاک­رس و پلی­پروپیلن و با استفاده از روش سرد کردن سریع جهت به حداقل رساندن اثر کریستالیزاسیون، ساخته شده‌اند. میکروکامپوزیت‌های مرسوم، قهوه‌ای و مات به نظر می‌رسند، در حالیکه نانوکامپوزیت‌ها تقریباً شفاف و بیرنگند. با این دلایل، نتیجه می‌گیریم که نانوکامپوزیتهای خاك­رس/ پلیمر نمایش خوبی از نانوتکنولوژی می‌باشد. با سازماندهی و چینش ساختار کلی در پلیمرها در مقیاس نانومتر، مواد جدید با خواص نو یافت شده‌اند. نکته دیگر در توسعه نانوکامپوزیتهای خاك­رس / پلیمر این است که این تکنولوژی، فوراً می‌تواند کاربرد تجاری پیدا کند، در حالیکه بیشتر نانوتکنولوژی‌های دیگر، هنوز در مرحله مفاهیم و اثبات هستند.

 

 

كاربردهای نانوکامپوزیت­های خاک رس / پلیمر

 

اولین کاربرد تجاری این مواد با استفاده از نانوکامپوزیت خاك­رس / نایلون 6 بعنوان روکش نوار زمان‌سنج برای ماشینهای تویوتا در همکاری با ube در سال 1991 بود. به فاصله کمی بعد از آن Unikita نانوکامپوزیت نایلون6 را بعنوان محافظ روی موتورهای GDI شرکت میتسوبیشی معرفی کرد. در آگوست 2001، ژنرال موتورز و باسل، کاربرد نانوکامپوزیت‌های خاك­رس / پلیمر را بعنوان جزء مکمل COMC ساخاری و شورلت اکستروژن‌ها به همگان اعلام کرد. این امر با کاربرد این نانوکامپوزیت‌ها در درب‌های شورلت ایمپالاز (Impalas) صورت گرفت.

 

اخیراً شرکت نوبل پلیمرز (Noble/Polymers) نانوکامپوزیت‌های خاك­رس / پلی‌پروپیلن را برای استفاده در صندلی‌های هندا آکورد ساخته است و این در حالی است که Ube دارد نانوکامپوزیت‌های خاك­رس / نایلون12 (clay/nylon-12) را برای استفاده در اجزای سیستم سوخت‌رسانی، تولید می‌کند.

 

علاوه بر کاربرد در صنعت خودرو، نانوکامپوزیت­های خاك­رس / پلیمر، به صنایع نوشیدنی‌ها نیز راه یافته‌اند. Alcos CSZ نانوکامپوزیتهای خاك­رس / پلیمر چندلایه را در کاربردهای جدید خود (بعنوان مواد خطی – سدی) (barrier liner materials) بکار می‌برد. شرکت Honey well محصولات نانوکامپوزیت خاك­رس / پلیمری Aegis TM NC resin را در بسته‌بندی نوشیدنی‌ها بکار می‌برد و اخیراً شرکت‌های Mitsubishi Gas Chemical و Nano car ، نانوکامپوزیتهای Nylon-MXD6 را برای ساخت بطری‌های چند لایه (polyethylene terephtalate) PET ساخته است.

 

 

 

تاریخچه نانوکامپوزیتهای خاك ­رس / پلیمر

 

اگرچه تحقیقات در مورد ترکیب خاك­رس/ پلیمر به قبل از 1980 برمی‌گردد، ولی کارهایی که در آن زمان صورت گرفت را نباید در تاریخچه نانوکامپوزیتهای خاك­رس / پلیمر به حساب آورد، چرا که هیچگاه به نتیجه چشمگیری برای بهبود خواص فیزیکی و مهندس آنها ختم نشد. در حقیقت می‌توان منشاء نانوتکنولوژی خاك­رس / پلیمر را کارهای شرکت تویوتا که تلاش برای لایه‌لایه کردن دانه‌های رسی در نایلون6 شروع شد، دانست. آنها فاش ساختند که توانسته‌اند بهبود قابل توجهی در خواص پلیمرها، با تقویتشان بوسیله خاک رس در مقیاس نانومتر، ایجاد کنند. از آن موقع به بعد تحقیقات وسیعی در این زمینه در سطح جهان انجام شده است. در حال حاضر این بهبودها به سایر پلیمرهای مهندسی از جمله پلی­پروپیلن (PP) ، پلی­اتیلن، پلی­استایرن، پلی­وینیل کلرید،­ آکریلونیتریل، پلیمرهای بوتا ای ان اسنایرن (ABS) ، پلی­متیل متاکریلات، PET ، کوپلیمرهای اتیلن سوینیل استات، پلی­اکریلونیتریل، پلی­کربنات، پلی­اتیلن اکسید (PEO) ، اپوکسی رزین، پلی­امید، پلی­لاکتید، پلی­کاپرولاکتون، فنولیک رزین، پلی­پی­فنیلن وینیلن، پلی­پیرول، لاستیک، استارک (آهار)، پلی­اوراتان، پلی­وینیل پیریدین، سرایت کرده.

 

 

تکنولوژی ساخت نانوکامپوزیت­های خاک ­رس / پلیمر

 

مرحله نهایی در ساخت نانوکامپوزیت­های خاك­رس / پلیمر، جدا جدا کردن لایه‌های رسی و پخش آن در پلیمر می‌باشد. استراتژی کار بستگی دارد به سازگاری و همگون بودن رس و پلیمری که استفاده می‌شود. این تعیین می‌کند که آیا نیاز به عملیات مقدماتی روی خاك­رس یا پلیمر قبل از مخلوط کردن هست یا نه. اگر سطح لایه‌های سیلیکاتی با پلیمر، سازگار و همگون باشد، اختلاط مستقیم بین این دو می‌تواند اتفاق بیفتد، بدون اینکه نیاز به عملیات مقدماتی باشد. چنین مواردی بیشتر وقتی اتفاق می‌افتد که پلیمر قابل حل در آب، مانند PEO یا PVP استفاده کنیم، چرا که این پلیمرها و سطح لایه‌های سیلیکات، هر دو آبدوست هستند و نیروهای دوقطبی یا وان‌دروالسی بین لایه‌های سیلیکات، باعث سهولت جذب مولکولهای آبدوست و ایجاد فشارهای عمودی روی لایه می‌شود که در نتیجه باعث جداکردن تک‌تک لایه‌های رسی در این پلیمرها می‌گردد.

 

اما به هر حال، بیشتر پلیمرها

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

و در نتیجه با دانه‌های رسی آبدوست، ناسازگار هستند. در این موارد نیاز به یکسری عملیات مقدماتی روی خاک­رس یا پلیمر داریم. پرکاربردترین روش‌های برای اصلاح دانه‌های رسی، استفاده از آمینواسیدها، نمکهای آمونیم آلی و یا فسفونیم تترا ارگانیک‌هاست تا سطح آبدوست رس‌ها را به

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

تبدیل کنیم. دانه‌های رسی که به این روش اصلاح می‌شوند، ارگانوکلی نامیده می‌شوند. در مورد پلیمرهایی که فاقد هرگونه گروه عاملی می‌باشند، مانند پلی­پروپیلن (PP) ، معمولاً از تکنیک­های افزودن گروه عاملی قطبی روی زنجیره پلیمری استفاده می‌شود و یا اینکه در طی فرآیند ساخت، پلیمرهای پیوند خورده را بصورت مستقیم وارد می‌کنند. مثلاً در نانوکامپوزیت­های رسی / پلی­پروپیلن (clay PP) از مالئیک اسید پیوند خورده به پلی­­پروپیلن، بصورت مستقیم استفاده شده است. در طی پیشرفتهای اخیر، از مخلوطی که پلی پروپیلن، پروپیلن پیوند خورده با مالئیک ایندرید و ارگانوکلی استفاده شده است.

 

روشهای زیادی در تولید نانوکامپوزیتها استفاده شده، ولی سه روشی که از ابتدای کار توسعه بیشتری یافته‌اند عباراند از: پلیمریزاسیون in situ ، ترکیب محلول القاشدن و فرآیند ذوبی .

 

روش اینسیتو عبارت است از وارد نمودن یک پیش ماده پلیمری بین لایه‌های رسی و آنگاه پهن کردن و سپس پاشیدن لایه‌های رسی درون ماده زمینه (matrix) با پلیمریزاسیون. ابتکار این روش بوسیله گروه تحقیقاتی شرکت تویوتا بود و زمانی رخ داد که می‌خواستند نانوکامپوزیتهای خاك­رس / پلیمر6 را بسازند. این روش قابلیت و توانایی تولید نانوکامپوزیتهایی با لایه لایه شدگی خوب را دارد و در محدوده وسیعی از سیستم­های پلیمری، کاربرد دارد. این روش برای کارخانه‌های پلیمر خام مناسب است تا در فرآیندهای سنتزی پلیمر، نانوکامپوزیت‌های رسی / پلیمر بسازند و مخصوصاً برای پلیمرهای ترموستینگ (پلیمرهایی که در برابر گرما مستحکم‌تر می‌شوند) بسیار مفید است.

 

روش ترکیب محلول القا شده (solution induced interceletion) از یک

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

برای بارگیری و پخش رس‌ها در محلول پلیمری استفاده می‌شود. این روش هنوز مشکلات و موانع زیادی را در راه تولید تجاری نانوکامپوزیت‌ها پیش رو دارد. قیمت بالای

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

های مورد نیاز و همچنین مشکل جداسازی فاز

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

از فاز محلول تولید شده، از جمله این موانع هستند. همینطور در این روش، نگرانیهایی از نظر امنیت و سلامتی وجود دارد . با این وجود این روش در مورد پلیمرهای محلول در آب قابل اجرا و مقرون به صرفه است، بخاطر قیمت پایین آب که بعنوان

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

استفاده می‌شود و همچنین امنیت بیشتر و خطر کمتر آن برای سلامتی.

 

در روش فرآیند ذوبی، ترکیب خاك­رس و پلیمر در حین ذوب شدن انجام می‌شود. بازده و کارآیی این روش به اندازه روش اینسیتو نیست و کامپوزیتهای تولید شده، ورقه‌ورقه شدگی کمی دارند. به هر حال این روش می‌تواند در صنایع تولید پلیمر قدیمی که در آنها از روشهای قدیمی مانند قالبگیری و تزریق (Extrution and injection molding) استفاده می‌شود، بکار رود و اتفاقاً نقش مهمی در افزایش سرعت پیشرفت تولید تجاری نانوکامپوزیت‌های رس / پلیمر ایفا کرده است.

 

علاوه بر این سه روش با روش‌های دیگر نیز در حال توسعه هستند که عبارتند از: ترکیب جامد، کوولکانیزاسیون و روش سل-ژل. این روشها بعضاً در مراحل ابتدایی توسعه هستند و هنوز کاربرد وسیع پیدا نکرده‌اند.

 

 

 

رقابت نانوکامپوزیت­های خاک ­رس / پلیمر با کامپوزیتهای الیافی

 

با پیدا شدن سروکله تکنولوژی نانوکامپوزیت، جهشی در زمینه تقویت پلیمرها بوجود آمده، و معقول به نظر می‌رسد که فکر کنیم نانوکامپوزیت­های خاك­رس / پلیمر، بتوانند جای کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف مرسوم را بگیرند.

 

از نظر تئوری، تقویت پلیمرها در مقیاس نانویی، امتیازات برتری نسبت به کامپوزیتهای تقویت­شده با الیاف دارند. ضعف کامپوزیت­های تقویت شده با الیاف، در واقع یک شکست در راه استفاده مفید از خواص ذاتی و طبیعی مواد است. مثلاً سعی می‌کنیم که با بکارگیری پیوندهای قوی کووالانسی و استفاده از صفحه‌های آروماتیک ساختار گرافیتی، مواد کربنی را مستحکم‌تر کنیم. در حالیکه الیاف کربنی که امروزه استفاده می‌شود، تنها 3 تا 4 درصد استحکام نظری صفحات آروماتیک را به دست می‌دهند. عدم اتصال داخلی بین صفحات آروماتیک در ساختار الیاف کربنی، مانع دستیابی به استحکام مطلوب مواد می‌شود، در حالیکه این مشکل در مورد نانوکامپوزیتهای تقویت­شده با پرکننده‌های لایه‌ای وجود ندارد. هنگامیکه از پرکننده‌های لایه‌ای و ورقه‌ای در زمینه پلیمری استفاده می‌شود، اتصالات و پیوندهای داخلی بوجود آید و بنابراین حداکثر استفاده از خواص ذاتی و طبیعی لایه‌های منفرد می‌شود.

 

در حقیقت خواص مکانیکی بدست آمده، در بهترین نانوکامپوزیت‌های خاك­رس / پلیمر بسیار کمتر از کامپوزیتهایی است که از درصد بالایی الیاف، برای تقویت استفاده می‌کنند. در حال حاضر بیشترین پیشرفتها و بهبودها در خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای خاك­رس / نایلون6 بدست آمده که در آنها 4 درصد وزنی از خاك­رس بارگذاری شده است. شکل 2 ضریب و قدرت کشسانی این نانوکامپوزیت را با نایلون 60 و نایلون 60 تقویت شده با 48 درصد وزنی، الیاف خرده شیشه‌ای نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که بهترین نانوکامپوزیت خاك­رس / پلیمری، هنگامیکه حجم بالایی از جز را تقویت‌کننده الیافی مطرح باشد، نمی‌تواند با کامپوزیتهای الیافی همسانی و رقابت کند. به منظور دستیابی به خواص مکانیکی بهتر عناصر تقویت‌کننده بیشتری در نانوکامپوزیتهای خاك­رس / پلیمر مورد نیاز است، در حالیکه چنین کاری غیرممکن است. زیرا هنگامیکه عمل لایه لایه شدن اتفاق می‌افتد، سطح تماس لایه‌های رسی صدها و بلکه هزاران برابر می‌شود و این باعث می‌شود که مولکولهای پلیمر کانی، برای خیس کردن تمام سطح تقویت‌کننده‌های رسی نداشته باشیم.

 

 

در هر حال، هنگامیکه بحث استفاده از درصد پایین پرکننده مطرح باشد، در این حالت نانوکامپوزیت‌های خاك­رس / پلیمر را با کامپوزیتهای تقویت شده بوسیله الیاف، مقایسه کنیم، می‌بینیم که نانوکامپوزیتها تقویت بهتری را نسبت به کامپوزیتهای الیافی مرسوم، نشان می‌دهند. اطلاعات بدست آمده بوسیله تحقیقات Fornes و Panl در مورد ضریب یانگ نانوکامپوزیتهای خاك­رس / نایلون6 و کامپوزیت­های نایلون6 تقویت شده با الیاف شیشه‌ای در محدوده استفاده از 10 درصد وزنی پرکننده، در شکل 3 رسم شده است. می‌توان مشاهده نمود که نانوکامپوزیتها کارآیی بیشتری را در بهبود ضریب یانگ نسبت به کامپوزیتهای الیافی نشان می‌دهند.

 

 

 

شکل 3

 

از مقایسه بالا مشهود می‌گردد نانوکامپوزیتهای خاك­رس / پلیمر در محدوده بارگذاری درصد پایین از الیاف، امتیازاتی نسبت به کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف دارند و مطمئناً بازار کامپوزیتهای الیافی مرسوم با حجم پایین از جزء الیافی، با پیشرفت نانوکامپوزیتهای خاك­رس / پلیمری تحت تاثیر قرار خواهد گرفت، ولی فعلاً تابحال، پیشرفت در نانوکامپوزیت­ها تاثیر کمی روی بازار کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف گذاشته است.

 

مشكلات توسعه نانوکامپوزیت­های خاک ­رس / پلیمر

 

علاوه بر پرکننده‌ها، عمده مشکلات پیش­روی پیشرفت نانوتکنولوژی خاك­رس / پلیمر عبارتنداز: عدم شناخت مکانیزمهای موثر در افزایش کارایی، به کاربردی پلیمرهای ترموستینگ و عدم پایداری ارگانوکلی‌ها در برابر حرارت.

 

اگرچه مدل‌سازی‌های زیادی در جهت پیشبرد درک از مکانیزم افزایش کارایی عمده خواص فیزیکی و مهندسی در استفاده از نانوکامپوزیت‌های خاك­رس / پلیمر انجام شده، ولی هنوز مسافت زیادی را پیش­رو داریم. به­عنوان مثال، هنوز خواص فیزیکی مهندسی لایه‌های منفرد سیلیکات، دقیقا شناخته نشده‌اند. از این رو مشکل است که یک مکانیزم تقویت‌کننده ایجاد کنیم، و از طرفی، ساختار ذغال باقیمانده ناشی از احتراق نانوکامپوزیت خاك­رس / پلیمر هنوز روشن نیست. بدون آن ممکن نیست مکانیزمی برای ایجاد مقاومت در برابر آتش، برای آن طراحی کنیم. مدل‌سازیها و تحقیقات تجربی اساسی، باید در جهتی هدایت شود که در آینده این موانع برطرف شوند.

 

به کاربردن پلیمرهای ترموستینگ، مشکل عمده دیگری در توسعه نانوکامپوزیتهای خاك­رس / پلیمر می‌باشد. ترکیب خاک­رس با یک پیش ماده پلیمر ترموستینگ می‌تواند عاملیت یک پلیمر را تغییر دهد. تغییر در عاملیت بر میزان اتصالات عرضی تاثیر می‌گذارد و بخوبی مشخص است که عمده خواص مهندسی پلیمر‌های ترموستینگ، تابعی از میزان تعداد اتصالات عرضی است. با این وجود گزارش‌هایی هم وجود داشته مبنی بر بهبود خواص مکانیکی سیستمهای پلیمری تروستینگی که میزان اتصالات عرضی آن پایین بوده است، از جمله اپوکسی رزین با T g پایین و پلی اوراتان‌ها.

 

آخرین مسئله مستقیماً بر می‌گردد به نگرانی در مورد تجاری‌سازی نانوتکنولوژی خاك­رس / پلیمر، کمبود ارگانوکلی‌های پایدار در برابر گرما و نیز از نظر تجاری در دسترس، از موانع ثبت شده در این مسیر هستند. بیشتر ارگانوکلی‌های در دسترس، از جایگزینی کاتیون فلزی درون ساختار رس، با نمکهای آمونیاک آلی تهیه می‌شوند. این نمکهای آمونیم در مقابل گرما ناپایدارند و حتی در دماهای کمتر از 170 درجه سانتیگراد از بین می‌روند. مسلماً چنین مواد فعال سطعی (سورفکتنت) برای بیشتر پلاستیکهای مهندسی هنگامیکه از تکنولوژی فرآیند ذوب شدن برای ساختن نانوکامپوزیت‌ها استفاده شود، صاحب نیستند و ساخت نانوکامپوزیتهایی که در آن از ارگانوکلی‌های اصلاح شده بوسیله نمکهای آمونیم بکار رفته، با استفاده از تکنیک‌های دیگر، به یک معضل تبدیل شده است. اگرچه تعداد زیادی سورفکتنت پایدار در برابر گرما، مثل فسفونیم شناخته شده‌اند، ولی این سورفکتنت‌ها برای کاربرد تجاری، مقرون به صرفه نیستند. نوآوری‌هایی در جهت اصلاح رس‌های آبدوست با استفاده از پلیمرها و الیکومرهای چند عاملی انجام شده تا ارگانوکلی‌های پایدار در برابر گرما برای تولید نانوکامپوزیتهای رس / پلیمر بسازند.

 

خلاصه و نتیجه‌گیری:

 

پیشرفت‌های عمده در توسعه نانوکامپوزیت­های خاك­ رس / پلیمر به پانزده ساله اخیر بر می‌گردد و مزیتها و محدودیتهای این تکنولوژی روشن شده است. با این حال، تا شناخت مکانیزم‌های افزایش کارایی و بهبود خواص مهندسی آنها و اینکه بتوانیم ریزساختارهای آنها را سازماندهی و چینش کنیم تا به خواص مهندسی ویژه دست پیدای کنیم، راه طولانی در پیش رو داریم.

 

در مواقعی که از درصد پایین پرکننده استفاده شود، نانوکامپوزیتهای خاك­ رس / پلیمر این پتانسیل را دارند تا جایگزین کامپوزیتهای مرسوم تقویت شده با الیاف شوند.

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[mani24 29,665]

خاک‌ورزی دقیق به عنوان سیستم جایگزین برای خاک‌ورزی در عمق یکنواخت، جهت صرفه‌جویی در مصرف انرژی

 

چکیده

 

بسیاری از خاک های مناطق مختلف دنیا دارای لایه ی فشرده شده‌ای می‌باشند که از بین بردن این لایه نیاز به خاک‌ورزی عمیق دارد که سالیانه هزینه بالایی را به خود اختصاص می‌دهد. خاک‌ورزی دقیق (زیرشکنی در عمق متغیر) که خصوصیات فیزیکی خاک را در نواحی مختلف مزرعه تا عمق‌های مختلفی اصلاح می‌کند، از لحاظ کاهش هزینه‌ها، مصرف سوخت و انرژی موردنياز می‌تواند بسیار مفید باشد. آزمایش ها در سه نوع بافت (شنی، شنی لومی، لومی شنی) به‌منظور مقایسه انرژی مورد نیاز خاک‌ورزی در عمق یکنواخت (زیرشکنی در عمق ثابت) با خاک‌ورزی دقیق انجام شد. با به کاربردن خاک‌ورزی دقیق در مقایسه با خاک‌ورزی در عمق یکنواخت به ترتیب 50 و 30 درصد در خاک لومی شنی و 26 و 5/8 درصد برای خاک شنی لومی و 21 و 8 درصد برای خاک شنی در انرژی خاک‌ورزی و سوخت مصرفی صرفه‌جويي گردید.

 

مقدمه

 

فشردگی خاک یکی از مسایل و مشکلات جدّی بسیاری از خاکها در مناطق مختلف دنیا می‌باشد. تغییرات عمق و ضخامت لایه فشرده شده در برخی از این مناطق به‌گونه‌ای می‌باشد که این پراکندگی حتّی در داخل یک مزرعه هم به میزان بسیار زیادی مشاهده می‌شود ]10 ,9 ,7 ,3[. خاکهای مناطق جلگه‌ای ساحلی جنوب شرقی آمریکا دارای لایه فشرده شده‌ای می‌باشند که در عمق 46- 15 سانتی‌متر قرار گرفته‌اند. ضخامت این لایۀ محدود کنندۀ رشد ریشه از 15- 5 سانتی‌متر متغیّر می‌باشد. کشاورزان در بسیاری از مناطق دنیا و بخصوص در مناطق جلگه ای ساحلی هرساله از خاک‌ورزی در عمق یکنواخت به‌منظور مدیریت فشردگی خاک استفاده می‌نمایند. با وجود این، کشاورزان این مناطق نمی‌دانند که آیا مزرعه آنها سالیانه به زیرشکنی نیاز دارد یا نه؟ و همچنین چه قسمتهایی از مزرعه و در چه عمقی نیازمند شخم می باشد. انرژی بسیار بالایی به‌منظور از بین بردن لایه فشرده شده خاک یا سخت لایه خاک موردنیاز می باشد که از بین بردن این لایه به گسترش رشد ریشه و همچنین تحمل به خشکی گیاه بسیار کمک خواهدکرد. استفاده از مدیریت خاک‌ورزی دقیق (خاک‌ورزی در عمق متغیّر بر اساس نیاز یک ناحیه خاص) می‌تواند صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای در مدیریت فشردگی خاک ایجاد نماید. خاک‌ورزی دقیق، خصوصیات فیزیکی خاک را تنها در نقاطی اصلاح می‌نماید که در آن نقاط عملیات خاک‌ورزی به‌منظور رشد موثر ریشه محصول موردنیاز می‌باشد.

 

مطالعه ریپر (1999) نشان داد که هزینه زیرشکنی به میزان 34 درصد با استفاده از خاک‌ورزی دقیق در مقایسه با خاک‌ورزی در عمق یکنواخت کاهش پیدا کرد ]9[. همچنین فولتون و همکاران (1996) گزارش کردند که میزان سوخت مصرفی با اعمال مدیریت خاک‌ورزی دقیق یا خاک‌ورزی در عمق متغیّر به میزان 50 درصد کاهش پیدا کرد]4[. فنّاوری لازم برای خاک‌ورزی دقیق یا خاک‌ورزی در عمق متغیّر توسط خلیلیان و همکاران (2002) ارائه شده است و اصول این سیستم جدید توسط برخی از محقّقان ديگر نیز مورد مطالعه قرار گرفته است ]11 ,9 ,7[. با این وجود، این روش یک فنّاوری نوپا می باشد و اطّلاعات بسیار کمی در ارتباط با مقاومت کششی ادوات و انرژی موردنیاز خاک‌ورزی در عمق متغیّر موجود می‌باشد. توسعۀ این اطلاعات گام اولیّه در مدیریّت اقتصادی فشردگی خاک و مطالعۀ تطابق این فنّاوری و پذیرش از سوی کشاورزان منطقه می‌باشد.

مواد و روشها

 

از یک دستگاه فروسنج مجهز به سیستم مکان‌یاب جهانی تفاضلی(DGPS) که روی یک تراکتور شش چرخ نصب شده بود، به‌منظور اندازه‌گیری مقاومت به نفوذ خاک استفاده گردید ]8 ,2[. از یک تراکتور جاندیر کمک جلو با توان مشخصۀ 105 اسب بخار و مجهز به ابزار اندازه‌گیر به‌منظور جمع‌آوری داده‌های مربوط به انرژی خاک‌ورزی در جریان انجام عملیّات خاک‌ورزی استفاده گردید. سیستم ابزار اندازه‌گیری تراکتور مجهز به دینامومتر اتصال سه‌نقطه، سوخت سنج، حسگر اندازه‌گیری دور موتور (RPM)، حسگرهای مختلف اندازه‌گیری سرعت (سیستم رادار، چرخ پنجم و حسگر صوتی)، سیستم مکان‌یاب جهانی تفاضلی، واحد جمع کنندۀ داده و همچنین حسگر نوری می‌باشد که از آن حسگر برای مشخص کردن ابتدا و انتهای کرت آزمایشی مورد استفاده قرار می‌گیرد ]7[. از یک سیستم کنترل عمق مجهز به سیستم مکان‌یاب جهانی تفاضلی به منظور کنترل عمق خاک‌ورزی مطابق با عمق و ضخامت لایۀ فشرده شده (که از روی داده‌های شاخص مخروطی بدست می‌آید) در این تحقیق مورد استفاده قرار گردید.

 

آزمایشهای مزرعه‌ای در داخل یک مزرعه با سه نوع بافت خاک در مرکزتحقیقات و ترویج دانشگاه کلمسون در نزدیکی شهر بلک ویل ایالت کارولینای جنوبی آمریکا انجام شد. مزرعۀ آزمایشی به وسعت 5/2 هکتار دارای سه نوع بافت لومی شنی فیسویل، شنی لومی فوکی و شنی لیک لند بود. مزرعه آزمایشی به کرت های 15×4 متر تقسیم شد. بعد از آن نمونه‌های خاک از هر کرت به‌منظور بدست آوردن بافت خاک جمع‌آوری گردید.

 

یک سری کامل از داده‌های شاخص مخروطی با استفاده از یک فروسنج مخروطی در سرتاسر مزرعه بدست آمد. در هر کرت آزمایشی مقادیر شاخص مخروطی برای 9 نقطه به فاصله 5/1 متر از یکدیگر بدست آمد. براساس 9 دادۀ بدست آمده برای عمق که از روی داده‌های شاخص مخروطی در داخل هر کرت آزمایشی بدست آمدند، عمق متوسط خاک‌ورزی برای هر کرت تعیین گردید. در داخل هر کرت آزمایشی عمق خاک‌ورزی که بایستی موجب از بین بردن لایۀ سخت خاک شود، عمقی از خاک که دارای مقادیر شاخص مخروطی بالای 07/2 مگاپاسکال بود تعیین گردید ] 7 ,,5[.

 

آزمایشهاي مزرعه‌ای به منظور مقایسه انرژی مورد نیاز حاک ورزی دارای 12 تیمار بود که در قالب بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار در داخل هر بافت انجام گردید. تیمارها شامل دو تیمار خاک‌ورزی (خاک‌ورزی در عمق یکنواخت و خاک‌ورزی دقیق)، سه تیمار سرعت پیشروی تراکتور (6، 8 و 5/9 کیلومتر بر ساعت) و دو سطح رطوبت خاک (نسبتاً خشک و مرطوب) بود. آزمایشها در حالت نسبتاً خشک خاک مزرعه زمانی انجام گرفت که هیچ بارندگی در ماه نوامبر 2004 به مدت دو هفته وجود نداشت. در حالت مرطوب خاک مزرعه آزمایشها سه روز بعد از بارندگی به میزان 29 میلی متر در اواخر ماه نوامبر 2004 انجام گرفت.

 

نحوۀ اعمال تیمارهاي خاك‌ورزي در داخل هر بافت به این صورت بود که پس از میانگین‌گیری از 9 داده بدست آمده برای عمق در هر کرت آزمایشی، عمق متوسط خاک‌ورزی برای هر کرت تعیین گردید. با استفاده از این داده ها 3 ناحیه خاک‌ورزی (بلوک) برای هر نوع خاک بدست آمد که در هر ناحیه یا بلوک، عمق مورد استفاده برای تیمارخاک‌ورزی دقیق یکسان بود و در هر بلوک تیمارهای خاک‌ورزی در ارتباط با تيمارهاي سرعت پیشروی و محتوي رطوبتي خاك 3 بار تکرار گردیدند. عمق خاک‌ورزی برای خاک‌ورزی در عمق یکنواخت 46 سانتي‌متر بود که از سوی کشاورزان منطقه به عنوان خاک‌ورزی معمول در منطقه مورد استفاده قرار می‌گیرد ]7 , 4[.

 

نتایج و بحث

 

عمق پیش‌بینی شده خاک‌ورزی در خاک فیسویل از 46-20 سانتي‌متر تغییر می‌کرد و در دو نوع خاک دیگر عمق خاک‌ورزی از 46-28 سانتي‌متر متغیّر بود. سه عمق خاک‌ورزی در هر نوع خاک تعیین شد که اساس تشکیل بلوک‌ها در هر نوع خاک را شامل می‌شد. این عمق‌ها برای خاک فیسویل 20 و 30 و 36 سانتي‌متر برای خاک فوکی 28 و 40 و 46 سانتي‌متر و برای خاک لیک لند 28 و 38 و 46 سانتي‌متر بود.

 

تجزیه و تحلیل آماری با استفاده از نرم افزار SAS ]13[ به‌وضوح اختلاف معنی‌داری را بین تیمارهای خاک‌ورزی در سطح احتمال 1% نشان داد. همچنین سوخت مصرفي (لیتر بر هکتار) در خاک فیسویل در سطح احتمال 1% برای دو تیمار خاک‌ورزی معنی‌دار بود. بین مقادیر سوخت مصرفي برای دو نوع خاک دیگر (فوكي و ليك‌لند) در سطح احتمال 5% بین خاک‌ورزی در عمق یکنواخت و خاک‌ورزی دقیق اختلاف معنی‌دار مشاهده شد. مقایسه بین انرژی خاک‌ورزی و سوخت مصرفي برای دو نوع سیستم خاک‌ورزی ذکر شده در خاك فيسويل نشان داد که با استفاده از سیستم خاک‌ورزی دقیق به‌ترتيب به‌میزان 50 و 30 درصد در انرژی موردنياز و سوخت مصرفي صرفه‌جویی می‌شود. همچنین برای خاک فوکی به ترتیب 21 و 8 درصد و برای خاک لیک‌لند 1/26 و 5/8 درصد در انرژی موردنياز و مصرف سوخت صرفه‌جویی گردید. اين صرفه‌جويي در سوخت مصرفي با استفاده از مديريّت خاك‌ورزي دقيق كمتر از مقادير گزارش شده توسط فولتون و همکاران (1996) مي‌باشد. همچنين به ‌نظر می‌رسد که استفاده از خاک‌ورزی دقیق بخصوص در خاک فیسویل که دارای درصد رس بالاتری نسبت به بقیّه خاک‌ها می‌باشد، موجب صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای در مصرف انرژی می‌گردد. بدلیل اینکه تمامی کرت‌های آزمایشی واقع شده در داخل این نوع خاک به عمق شخم کمتر از 40 سانتي‌متر نیازمند می‌باشند و علاوه بر آن 60 درصد نواحی واقع شده در داخل این نوع خاک به عمق شخم کمتر از 30 سانتي‌متر نیاز دارند. مقايسه نتايج مطالعات انجام شده توسط فولتون و همکاران (1996) و ریپر (1999) و همچنين نتايج بدست آمده از اين تحقيق نشان مي‌دهد كه در مناطق جلگه‌اي ساحلي با درصد رس بالا لايه فشرده شده خاك به صورت طبيعي در اعماق كمتر خاك ايجاد مي‌گردد و درصد صرفه‌جويي بالا در سوخت مصرفي و انرژي مورد نياز در اين نوع خاك‌ها بيشتر به اين علت مي‌باشد كه با اعمال خاك‌ورزي دقيق خاك در عمق كمتري شخم زده مي‌شود ]9 ,4[.

 

نتایج همچنین نشان داد که با افزایش عمق خاک‌ورزی، مقاومت کششی در تمام خاک‌ها افزایش پیدا كرد. در خاک فیسویل بدليل وجود لايه عميق رسي زير لاية فشرده شده عمق خاک‌ورزی دارای تاثیر معنی‌داری روی سوخت مصرفي بود. در مورد خاکهای فوکی و لیک‌لند از لحاظ سوخت مصرفي تأثیر معنی‌داری در خاک‌ورزی به عمق 38 و 46 سانتي‌متر مشاهده نشد]1[.

 

شکل 1 تأثیر سرعت بر مقاومت کششی را در خاک‌های مختلف نشان می‌دهد. با افزایش سرعت حرکت تراکتور مقاومت کششی هم افزایش پیدا کرد هر چند که در برخی خاکها و در بین برخی تیمارهای سرعت تفاوت معنی‌داری مشاهده نشد.

 

شكل 2 تأثیر سرعت پيشروي بر سوخت مصرفي در خاک‌های مختلف را نشان مي‌دهد. نتایج نشان داد كه با افزايش سرعت پیشروی تراکتور، سوخت مصرفي (لیتر بر هکتار) در تمام بافت‌ها كاهش پيدا كرد. به نظر مي‌رسد كه اين تأثير به این دلیل باشد که با افزایش سرعت پیشروی، تراكتور در مدّت زمان كمتري واحد سطح مزرعه را طي مي‌كند و در نتيجه مقدار سوخت مصرفي در واحد سطح كمتر مي‌باشد. با وجود این عمق خاک‌ورزی دارای تأثیر بیشتری روی مقاومت کششي و توان مالبندی نسبت به سرعت حرکت تراکتور تشخیص داده شد.

 

می توان نتایج تحقیق را به صورت زیر خلاصه نمود:

 

1- استفاده از خاک‌ورزی دقیق در خاك با بافت لومي شني صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای را در انرژی موردنياز به‌میزان 50% و همچنین سوخت مصرفي به‌میزان 30% در مقایسه با خاک‌ورزی در عمق یکنواخت ایجاد کرد. همچنین این صرفه‌جویی در انرژی و سوخت مصرفي در خاک شنی لومی به ترتیب 21% و 8% و برای خاک شنی 1/26% و 5/8% تخمین زده شد.

 

2- میزان مقاومت کششي همراه با افزایش سرعت پیشروی در تمامی خاک‌ها افزایش پیدا کرد. ولی اثر عمق خاک‌ورزی روی مقاومت کششی و توان مالبندی بیشتر از سرعت پیشروی بود.

 

3- تأثیر محتوی رطوبتی روی مقاومت کششی و سوخت مصرفي در خاکهای لومی شنی و شنی لومی معنی‌دار نبود با وجود این مقاومت کششی و سوخت مصرفي با افزایش محتوی رطوبتی خاک کاهش پیدا کردند.

 

هرچند که تأثیر محتوی رطوبتی خاک روی نیروی کششی و سوخت مصرفي در خاک فیسویل (لومی شنی) و فوکی (شنی لومی) معنی دار نبود ولی با افزایش محتوی رطوبتی خاک نیروی کششی و سوخت مصرفي در این خاکها کاهش پیدا کرد. شکل 8 تأثیر محتوي رطوبتي خاك بر مقاومت کششی زيرشكن در بافت‌های مختلف ارائه مي‌كند. اين نتيجه مشابه نتيجه بدست آمده توسط ريپر و همكاران (2004) مي باشد كه براي خاك‌هاي جلگه‌اي ساحلي ارائه شده است ]12[. در خاک لیک‌لند (شنی) نیروی کششی و سوخت مصرفي به طور معنی‌داری با افزایش محتوی رطوبتی کاهش پیدا کردند و این امر می‌تواند بدلیل تغییرات در شاخص مخروطی خاک باشد که در مقایسه با دیگر خاک‌ها تنها در این نوع خاک مقادیر شاخص مخروطی به‌طور معنی‌داری تحت تأثیر رطوبت قرار گرفتند. نتايج بسياري از تحقيقات نشان داده است كه شاخص مخروطي و جرم محصوص ظاهري خاك با افزايش محتوي رطوبتي كاهش پيدا مي‌كنند و به نظر مي‌رسد كه استفاده از تغييرات مقادير شاخص مخروطي به‌منظور توجيه اثر محتوي رطوبتي خاك بر مقاومت كششي منطقي باشد ]12[.

 

منابع

 

1- Al-Janobi, A.A. and S.A. Al-Suhaibani. 1998. Draft of primary tillage implements in sandy loan soil. Applied Engineering in Agriculture 14(4): 343 – 348.

 

2- ASAE Standards, 2004a. ASAE S313.3 FEB04:soil cone penetrometer. In: Hahn, R.H ., Purschwitz, M.A., Rosentreter, E.E. (Eds.), ASAE Standards 2004.ASAE, St. Joseph, MI.

 

3- Clark, R.L., 1999. Evaluation of the potential to develop soil strength maps using a cone penetrometer. Presented at the 1999 ASAE Annual International Meeting, Paper No.99‑3109, American Society of Agricultural Engineers. 2950 Niles Road, St. Joseph, MI 49085-9659, USA.

 

4- Fulton, J.P., L.G. Wells, S.A. Shearer, and R.I. Barnhisel. 1996. Spatial variation of soil physical properties: a precursor to precision tillage. Presented at the 1996 ASAE Annual International Meeting, Paper No.96‑1012, American Society of Agricultural Engineers. 2950 Niles Road, St. Joseph, MI 49085-9659, USA.

 

5- Garner, T.H., A. Khalilian, and M.J. Sullivan. 1989. Deep tillage for cotton in Coastal Plain soils costs /returns. 1989 Proceedings, Beltwide Cotton Production Research Conferences, pp.168-171, January 1989, Nashville, TN.

 

6- Gill, W. R. and G. E. Vanden Berg. 1968. Soil Dynamics in Tillage and Traction . Agricultural handbook 316. Washington, D.C.: USDA-Agric. Res. Service.

 

7- Gorucu, S., A. Khalilian, Y.J. Han, R.B. Dodd, F.J. Wolak, and M. Keskin. 2001. Variable depth tillage based on geo-referenced soil compaction data in Coastal Plain region of South Carolina. ASAE Paper No. 011016. St. Joseph, Mich.: ASAE.

 

8- Khalilian, A., Y. J. Han, R. B. Dodd, Mike J. Sullivan, S. Gorucu and M. Keskin. 2002. A Control System for Variable Depth Tillage. ASAE Paper No. 021209. St. Joseph, Mich.: ASAE.

 

9- Raper, R.L. 1999. Site-specific tillage for site-specific compaction: Is there a need? Proceedings of the International Conference of Dryland Conservation/Zone Tillage, Beijing, China,1999.

 

10- Raper, R.L., E.B. Schwab, and S.M. Dabney. 2000a. Spatial variation of the depth of rootrestricting layers in Northern Mississippi soils. Second Int. Conf. Geospatial Information in Agriculture and Forestry, Lake Buena Vista, FL. pp. I-249-256.

 

11- Raper, R.L., E.B. Schwab, and S.M. Dabney. 2000b. Site-specific measurement of site-specific compaction in the Southeastern United States. Proceedings of the 15th ISTRO Conference, Ft. Worth, TX. July 3-7.

 

12- Raper, R.L., A. K. Sharma. 2004. Soil moisture effects on energy requirements and soil disruption of subsoiling a coastal plain soil. Transactions of the ASAE 47(6): 1899-1905.

 

13- SAS Institute Inc., SAS/STAT® User's Guide, Version 8, Cary, NC: SAS Institute Inc., 1999.

 

Precision Tillage as a Substitute System for Uniform-Depth Tillage for Energy Savings

 

Abstract

 

Most soils of the world have a compacted layer which requires alleviating by costly annual deep tillage operations. Site-specific variable-depth tillage which modifies soil physical properties to the specific depth of compacted layer has potential to reduce costs, labor, fuel, and energy requirements. Tests were conducted on three different coastal plain soils to compare energy requirement of site-specific tillage compared to uniform-depth conventional tillage operations. The energy saving of 50% and fuel saving of 30% were achieved by variable-depth tillage as compared to uniform-depth tillage in loamy sand soil type. The energy savings and fuel savings were 26% and 8.5% for sandy loam soil and 21% and 8% for sandy soil respectively.