• نموذج الاتصال

    نموذج الاتصال ×

    الاسم

    Homeالتعليم العالي
    المركبات النانوية من البوليمر / الطين "نمو تكنولوجيا المركبات النانوية"

    المركبات النانوية من البوليمر / الطين "نمو تكنولوجيا المركبات النانوية"

    نبذة مختصرة
    تتكون المركبات النانوية من البوليمر / الطين من مواد مصفوفة بوليمر وجزيئات طينية بحجم النانومتر. أظهروا عليها تحسينات كبيرة في معامل الشد والقوة ، وانخفاض نفاذية الغازات والسوائل مقارنة بالبوليمر النقي. يمكن تحقيق هذه التحسينات في الخصائص مع الحفاظ على وضوح البوليمر بدون زيادة كبيرة في الكثافة. تمتلك المركبات النانوية البوليمرية القدرة على استبدال البلاستيك التقليدي والمواد البلاستيكية المركبة في العديد من التطبيقات مثل مكونات السيارات ، والتعبئة ، والأجهزة ، والأجزاء الكهربائية / الإلكترونية ، ومنتجات البناء والتشييد. تستعرض هذه الورقة البحثية نمو تكنولوجيا المركبات النانوية ، وتقدم بعض البيانات عن تعزيز الملكية ، وتقيم مستقبل هذه الفئة الناشئة من مادة البوليمر.

    مقدمة نمو تكنولوجيا المركبات النانوية

    من منظور هندسي ، تتمتع مواد البوليمر بمعامل وقوة منخفضة نسبيًا.
    لذلك تم تطوير مركبات البوليمر – بدءًا من الحرب العالمية الثانية – لدمج المعامل العالي والقوة العالية لمجموعة متنوعة من ألياف التعزيز (الزجاج أو الكربون أو الأراميد) مع عدد من البوليمرات المصفوفة بالحرارة. عادة ما تشتمل مركبات البوليمر الهيكلية هذه على راتنجات البوليستر أو الإيبوكسي أو الفيوران بالحرارة المعززة بالخيوط المستمرة أو الألياف الطويلة نسبيًا (> 10 مم). غالبًا ما تكون تقنيات التصنيع المتخصصة ، مثل الانصهار أو لف الفتيل ، مطلوبة لتطوير الخصائص القصوى لهذه المواد البلاستيكية المقواة بالألياف (FRP مع مواد بلاستيكية حرارية حيث تم تطوير المصفوفة قبل حوالي 25 عامًا) ، بما في ذلك البلاستيك الحراري حصيرة الزجاج [GMT] وصفائح رقائق الفيلم. وتتطلب هذه أيضًا تقنيات تصنيع متخصصة لتقليل تكوين الفراغ وتطوير الخصائص المثلى. لا يمكن معالجة هذه المركبات متعددة الأطوار في أفلام وألياف (1). بالإضافة إلى هذه المركبات عالية الأداء باستخدام الألياف المستمرة أو الطويلة ، فقد تم تطوير مركبات لدائن حرارية تحتوي على تعزيزات من الألياف القصيرة (3 مم). يمكن تشكيل هذه المركبات بالحقن ، مما يتيح تصنيع الأشكال المعقدة اقتصاديًا. ومن الأمثلة الكلاسيكية (في الثمانينيات) مضرب التنس “Dunlop Graphite” ، المصبوب من النايلون المقوى بألياف كربونية قصيرة. تحتوي مركبات البلاستيك الحراري على
    المعادن الحلقية أو الصفائح الدموية مثل wollastonite ، أو الميكا ، التلك والطين ، هي مركبات جسيمية. يجب استخدام هذه الحشوات ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية ، حتى عند استخدام الميكروفين ، بنسبة 20 – 40٪ بالكتلة لتوفير تحسين ملموس للخصائص الميكانيكية. غالبًا ما تأتي هذه التحسينات على حساب التدفق وقوة التأثير ، والكثافة بالطبع. وبالتالي ، فإن المركبات التقليدية متنوعة لأنها تسمح للمرء بتخصيص خصائص المادة لاحتياجات محددة. ومع ذلك ، فإن تحسين خاصية واحدة غالبًا ما يعني المساومة بخصائص مهمة أخرى ، على سبيل المثال تحسين الخواص الميكانيكية بدمج الألياف الزجاجية يزيد الكثافة بشكل ملحوظ. هذه بعض العوائق الخطيرة لمركبات البوليمر التقليدية. المركبات النانوية من البوليمر / الصلصال هي مواد مركبة جديدة تتكون من مصفوفة بوليمر وجزيئات طينية بحجم النانومتر. أظهروا تحسينات كبيرة في معامل الشد والقوة ، وانخفاض نفاذية الغازات والسوائل مقارنة بالبوليمر النقي. يمكن تحقيق هذه التحسينات في الخصائص مع الحفاظ على وضوح البوليمر دون أي زيادة كبيرة في الكثافة ، حيث أن التحميل النموذجي هو 2-5 ٪.

    نشأت المركبات النانوية 

    نشأت المركبات النانوية المصنوعة من البوليمر والطين في البحث الرائد الذي تم إجراؤه في مختبرات تويوتا المركزية للأبحاث في الثمانينيات (2-7) ، حيث تم دمج هاتين المواد العضوية والمعدنية المتباينة بنجاح. أول تطبيق عملي للمركبات النانوية كان في استخدام نانو المونموريلونيت الطينية النانوية كغطاء حزام توقيت على سيارة تويوتا كامري. أظهر هذا المركب النانوي زيادات كبيرة في قوة الشد ، والمعامل ، ودرجة حرارة التشويه الحراري دون فقدان مقاومة الصدمات: فقد ظهر (3،4) أنه عند تحميل 4.2 ٪ فقط من الصلصال ، تضاعف معامل النايلون 6 ، زادت القوة أكثر من 50 ٪ ، وزادت درجة حرارة تشويه الحرارة بنسبة 80 درجة مئوية. ثبت أيضًا أن النانو صُنعت بشكل كبير من استقرار الأبعاد ، وخاصية الحاجز وحتى خاصية مثبطات اللهب. كان للمركب حساسية أقل للماء ، ونفاذية أقل للغازات ، ومعامل أقل للتمدد الحراري. قدم العمل الرائد في مختبرات تويوتا المركزية للبحوث تفاؤلا ودافعا للعلماء في مجال المواد المركبة النانوية. 
    لقد لفتت البحوث النانوية المركبة الانتباه والخيال والتدقيق الدقيق للعلماء والمهندسين. يعتمد هذا على الفرضية القائلة بأن استخدام كتل البناء ذات الأبعاد في نطاق النانو يجعل من الممكن إنشاء مواد جديدة ذات تحسينات غير مسبوقة في الخصائص الفيزيائية. المركبات النانوية هي فئة خاصة من المركبات ، حيث تتكون المرحلة المشتتة من الجسيمات النانوية. الجسيمات النانوية لها بُعد واحد من 1 نانومتر (10-9 م). يشير المصطلح nanocomposite إلى مزيج من مرحلتين أو أكثر من المكونات حيث يكون بعد طور واحد على الأقل في نطاق النانومتر (8). تظهر هذه المواد سلوكًا مختلفًا عن المواد المركبة التقليدية ذات البنية المجهرية ، نظرًا لصغر حجم وحدة التعزيز ونسبة السطح إلى الحجم العالية. الجسيمات النانوية غير مرئية بالعين المجردة مما يتيح للمركبات النانوية أن تكون شفافة. على المستوى الجزيئي ، تكون الطاقة السطحية أو قوة الذوبان لجسيم الطين عالية. ونتيجة لذلك ، تميل جزيئات المصفوفة الممتزة إلى وضع طبقات بجوار سطح الطين (9). السمة المميزة للمركب النانوي هي أن جزيئات الحشو لها أبعاد مماثلة لأبعاد سلاسل البوليمر المصفوفة. وبالتالي ، يبدو أن المركبات النانوية تتصرف كمواد أحادية الطور ومكون واحد.
    ↚

    تكنولوجيا إنتاج المركبات النانوية

    تتكون المركبات النانوية من البوليمر / الصلصال من مصفوفة بوليمر وحجم نانومتر جزيئات الصلصال غير العضوية مشتتة بشكل متجانس في جميع أنحاء المصفوفة. لتعزيز الخواص الميكانيكية والخواص الحاجزة ، يفضل الجسيمات المتوازنة مثل الصفائحي أو الليفي. هناك العديد من الأسباب لاستخدام الطين والتوافر والتكلفة ونسبة العرض إلى الارتفاع العالية. يجعل الهيكل الطبقي لجزيئات الطين (الشكل 1) من الممكن إنتاج جسيمات نانوية ذات نسبة ارتفاع عالية أثناء التركيب الذائب. أكثر سيليكات الطبقات استخدامًا هي montmorillonite و hectorite و saponite. وتتميز جميع هذه السليكات بمساحة سطح محددة نشطة كبيرة (700-800 م 2 / جم) وشحنة سطحية سلبية معتدلة. تتكون شبكتها البلورية من طبقات بسماكة 1 نانومتر تتكون من صفائح رباعي السطوح من السيليكا تنصهر على لوح ثماني السطوح من الألومينا أو المغنيسيا. حجم الجسيمات من الطين montmorillonite المتاحة تجاريا تتراوح بين 6 و 13 ميكرومتر. يتكون كل جسيم من صفائح 6000-10000 صفيحة سمك 1 نانومتر وعرض 100-1000 نانومتر. يتضمن إنتاج المركبات النانوية من البوليمر / الصلصال (1) فصل الصفائح الفردية بحجم النانومتر عن جزيئات الصلصال بحجم الميكرون ، والتي تسمى التقشير ، وتفريق الصفائح الفردية في مصفوفة البوليمر.
    على الرغم من أن نسبة الارتفاع العالية لطبقات النانو سيليكات مثالية للتعزيز ، إلا أن الطبقات النانوية لا تتفرق بسهولة في معظم البوليمرات ، وذلك بسبب تكديسها المفضل وجهاً لوجه في حُكَم مكتل كما هو موضح في الشكل 1. من وجهة النظر الأساسية ، يرتبط التأثير المعزز للجسيمات النانوية بنسبة الارتفاع والتفاعلات بين الجسيمات والمصفوفة. مزيد من عرقلة تشتت اللبقات في الصفائح الدموية بسبب عدم التوافق الجوهري لسيليكات الطبقات المحبة للماء والبوليمرات المحبة للماء نسبياً. هذا يتطلب تكامل سطح الطين. 
    أظهر باحثو تويوتا (2) أن استبدال كاتيونات التبادل غير العضوي في صالات الطين الأصلي بواسطة ألكيل أمونيوم الفاعل بالسطح يمكن أن تتوافق مع كيمياء سطح الطين ومصفوفة البوليمر المسعرة. صالات العرض هي المساحات بين الصفائح الدموية الفردية في جزيئات الطين. كانت هذه النتيجة اختراقة في تطوير المركبات النانوية البوليمرية. الخطوة الأولى في تحقيق التشتت النانوي للطين في البوليمرات هي فتح صالات العرض. تتضمن زيادة مساحات المعرض مطابقة القطبية مع البوليمر أو المونومر بحيث تتقارب بين هذه الطبقات (10). يتم ذلك عن طريق تبادل كاتيون عضوي كاتيون غير عضوي. تتضخم الكاتيونات العضوية الأكبر الطبقات وتزيد من خصائص الطمي (أو المحبة للعضو) من الطين (11) ، مما يؤدي إلى طين معدّل عضويًا. يمكن بعد ذلك أن يتم طين الطين المعدل عضويا مع البوليمر بعدة طرق (الشكل 2). 
    البوليمرات عالية القطبية مثل النايلون والبوليميد تكون أكثر سهولة في المقاربة من البوليمرات غير القطبية مثل البولي بروبلين أو البولي إيثيلين (5-7). تشتمل معالجة المحلول على تشتت الطين والبوليمر المعدل عضوياً في مذيب مشترك يتبعه بلمرة مستحلب أو معلق (12). في البلمرة في الموقع ، يتقارب المونومر مباشرة إلى معارض الصلصال المعدلة عضوياً ، ويمكن أن يمتص المونومر على سطح الطبقة (13) أو يمكن تثبيته بواسطة تفاعل جذري حر (14). تتضمن عملية الإذابة المذابة خلط الصلصال والبوليمر المنصهر مع القص أو بدونه (1،10). طرق أخرى مثل تعديل المونومر covulcanization  خاصة لراتنجات الألكاستر و اللدائن على التوالي. يمكن أن تحتوي المركبات النانوية على العديد من الهياكل (الشكل 3). 
    تشتمل المركبات النانوية البينية على التكتيكات مع تباعد الطبقات البيني الموسع ، لكن صالات الطين تحتوي على تباعد ثابت بين الطبقات. تتشكل المركبات النانوية المقشرة عندما تنفصل طبقات الطين الفردية عن اللباقة ويتم إما تفريقها عشوائيًا في البوليمر (مركب نانوي مضطرب) أو تركها في مصفوفة مرتبة. ينطوي تصنيع المركب النانوي على تحويل مورفولوجيا ميكروية غير متجانسة أولية إلى مورفولوجيا متجانسة على مقياس النانو. من حيث المبدأ ، بالنسبة للمركبات النانوية المصنوعة من الطين المقشر على النحو الأمثل ، يتم تحقيق التحسينات القصوى للخصائص الفيزيائية عند أقل من 4٪ من إضافة التشتت النانوي لطبقات سيليكات بسماكة 1 نانومتر بقطر يتراوح بين 20 و 500 نانومتر (1). يبدو أن هذه التحسينات ظاهرة عامة تتعلق بتوزيع الطبقات النانوية ، ولكن درجة تحسين الخاصية ليست عالمية لجميع البوليمرات. قد يؤدي محتوى الجسيمات النانوية أعلى من 4٪ إلى ضعف التشتت أو التكتل أو تشكيل اللباقة. وقد ثبت أن قوة التفاعلات بين البوليمر والسيليكات ، وكذلك حجم وصلابة الجسيمات غير العضوية ، تؤثر على مدى تعزيز الخاصية (18-20). من الناحية العملية ، قد لا يكون التقشير الكامل لجسيمات الطين في مصفوفة البوليمر قابلاً للتحقيق دائمًا وقد يتطلب محتوى طيني أعلى قليلاً لتحقيق أقصى تعزيز للخاصية.
    ↚

    توصيف المركبات النانوية

    السمة المميزة للمركبات النانوية السليكونية ذات الطبقات البوليمرية هي مورفولوجيتها ، حيث يمكن مقارنة سماكة الحشو بالصفائح غير العضوية بالمسافة بينهما ، وكلاهما من النانو. وبالتالي ، يعد التوصيف التفصيلي لمورفولوجيا النانو لكل من السليكات ذات الطبقات والبوليمر أمرًا بالغ الأهمية لإنشاء علاقات هيكلية وخصائص لهذه المواد. يتضمن وصف مورفولوجيا المركبات النانوية البوليمرية حيود الأشعة السينية واسعة الزاوية (XRD) والميكروسكوب الإلكتروني النافذ (TEM). الميكروسكوب مفيد لتوفير معلومات في الفضاء الحقيقي حول التوزيع المكاني للمراحل والهياكل. نظرًا للترتيب الدوري لطبقات السيليكات ، في كل من البكر والحالات المتقاربة ، فإن اختيار حيود الأشعة السينية في تحديد تباعد الطبقات البينية مناسب بشكل خاص. ومع ذلك ، في غياب التسجيل ، كما هو الحال في مركب نانوي متقشر أو ملوث ، وكذلك في مركب نانوي مضطرب ، لا تقدم XRD معلومات محددة فيما يتعلق ببنية المركب النانوي (21). من أجل توفير معلومات كمية في XRD النانوية الصامتة ، TEM هو تقنية مفيدة للغاية. يوفر TEM أيضًا معلومات حول تجانس المزج. يوضح الشكل 4 نموذج حيود الأشعة السينية واسع الزاوية النموذجي لهياكل نانوية مختلفة. ترتبط زاوية الورود (2θ) بمسافة الطبقة البينية بواسطة قانون براج. مع زيادة التباعد بين طبقات الطين من الهيكل غير المترابط (المفصول بالطور) إلى الهيكل المقوى ، تقل زاوية السقوط (2θ) للذروة الشديدة. لا يظهر الهيكل المقشر أي ذروة في اختلاف الأشعة السينية.
    يوضح الشكل 5 صورة مجهرية للإرسال النموذجي للنايلون 6 / Cloisite30B المعدل عضويًا (طين 5٪ بالوزن) نانو مركب (22). يظهر الهيكل المقشر والصفائح الطينية بسماكة النانومتر المشتتة في مصفوفة البوليمر واضحة للعيان. وقدرت درجة التقشير في هذه العينة بنسبة 94٪. يظهر أيضًا تكويد طيني مقشر جزئيًا في أسفل يمين الصورة. تعد الحالة الصلبة 1H و 13 C و 15 N و 29Si Magic Angle (MAS) الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) عند الترددات الخاصة تقنيات مفيدة أيضًا لتوصيف المركبات النانوية (23). المسح الحراري التفاضلي (DSC) ، التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والقياس الموسع هي بعض الأدوات المفيدة لدراسة سلوك التبلور والحركية بالإضافة إلى ذوبان سلوك الأشكال البلورية المختلفة من النانو المركب (24 ، 25).

    ↚

    الخصائص الميكانيكية

    عادةً ما تعمل المركبات التقليدية المصنوعة من البوليمر والطين على تحسين القوة والمعامل ، ولكنها غالبًا ما تضحي بالاستطالة والكثافة. ومع ذلك ، أظهرت المركبات النانوية المقشرة من الطين من أنظمة النايلون 6 والإيبوكسي تحسينات في جميع جوانب أدائها الميكانيكي (1). بالنسبة للمركبات النانوية الحقيقية ، يجب أن يتم تشتيت طبقات النانو الطينية بشكل موحد في مصفوفة البوليمر ، على عكس كونها ركامًا أو حُكْمَات أو مجرد استخفاف. يعمل التشتت الكامل للطبقات النانوية الطينية في البوليمر على زيادة عدد عناصر التعزيز المتاحة لحمل الحمل المطبق وتشويه الشقوق. الاقتران بين مساحة سطح هائلة من الطين (∼760 m2 / g) ومصفوفة البوليمر يسهل نقل الإجهاد إلى مرحلة التعزيز ، مما يسمح بتحسينات الشد والتشديد. الحشوات النانوية على شكل الصفائح الدموية لها سمك 1 نانومتر. 
    تتراوح نسب أبعادها (القطر / السُمك) من 10-1000 ومُحولات (الشباب) المرنة (170 جيغا باسكال) هي times 100 مرة من اللدائن الحرارية النموذجية (1-3 جيغا باسكال). علاوة على ذلك ، نظرًا لأن المجموعات الوظيفية لربط الهيدروجين لبعض البوليمرات مثل نايلون -6 قد تتفاعل مع صفائح السيليكات المشحونة سلبًا ، يمكن أن تكون الألفة بين مادة الحشو والمصفوفة جيدة إلى حد ما. يوضح الشكل 6 الزيادة في معامل الشد للنايلون نانو -6 مقابل محتوى الطين لمختلف الطبقات العضوية من شركة Southern Clay Products Inc. 
    يزداد معامل الشد بنسبة 52٪ فوق البوليمر النقي مع إضافة 5٪ فقط بالوزن من الصلصال العضوي Cloisite 30B. وبالمثل من الشكل 7 ، يمكن ملاحظة أنه بالنسبة للطين نفسه عند تحميل 5٪ ، يزيد ضغط الخضوع للنايلون -6 من 76 ميجا باسكال إلى 90 ميجا باسكال. يعتمد التحسين على نوع الطين وتحميل الطين. 
    تنشأ الخواص الميكانيكية الفائقة للمركبات النانوية النانوية من البنية المجهرية والتفاعلات القطبية ، وكذلك الميكانيكية الممتازة خصائص مثل قوة عالية ومعامل صفائح سيليكات. يحتوي المعدل العضوي للصلصال العضوي Cloisite 30B على مجموعتين هيدروكسيل لكل جزيء ، قادرة على تكوين روابط هيدروجينية قوية مع مصفوفة PA-6. لا يمتلك المعدّل العضوي Cloisite 15A مثل هذه المجموعات الوظيفية القادرة على تكوين روابط قوية مع مصفوفة البوليمر ، و Cloisite Na عبارة عن طين غير معالج مع كاتيونات الصوديوم بين صالات العرض.
    ↚

    خصائص الحاجز للمركبات النانوية

    تحتوي المركبات النانوية على خصائص حاجزة محسنة ضد الأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والبنزين وما إلى ذلك (26-28) ، لأن الصفائح الصلصالية نفسها غير منفذة. تؤدي الصفائح الدموية المتفرقة من صفائح السيليكات إلى المسار الملتوي للجزيئات المتخلفة عبر مصفوفة البوليمر. إن انخفاض نفاذية الغاز والسائل يجعل المواد النانوية مواد غشاء جذابة. يوضح الشكل 8 انخفاض نفاذية الأكسجين للنايلون عن طريق دمج الصلصال العضوي Cloisite 30B لتكوين مركبات نانوية (22). يتم تقليل نفاذية الأكسجين من خلال مصفوفة النايلون 6 من 0.9 إلى 0.2 (cc.mm/m2.day.atm) عن طريق دمج 5٪ بالوزن من الصلصال العضوي. في حالة البوليسترين / كلوازيت 10 أ النانوية المركبة ، تنخفض نفاذية الأكسجين من 106 إلى 75 (cc.mm/m2.day.atm) بإضافة 3.5٪ بالوزن من الطين.

    مستقبل المركبات النانوية

    كان نايلون -6 أول بوليمر يستخدم في تطوير المركبات النانوية منذ أكثر من 15 عامًا. تم توسيع استخدام الخلايا العضوية كسلائف لتكوين المركبات النانوية في أنظمة البوليمر المختلفة (29) ، والتي تشمل الإيبوكسي والبولي يوريثين والبوليميد والمطاط النتري والبوليستر والبولي بروبيلين والبوليسترين والبولي سيلوكسان. لقد انتشرت الأنشطة التنموية في جميع مناطق العالم. وتركز بعض البرامج على البولي بروبلين والبوليستر والبولي فينيل كلوريد والأكريليك والبوليسترين ومجموعة من اللدائن وكذلك اللدائن الحرارية التقليدية. تقدر صناعة المركبات النانوية الحالية بقيمة 311 مليون دولار أمريكي (30). يبلغ حجم السوق العالمية للمركبات النانوية 1300 طن ، منها 900 طن من المنتجات المقواة بالنانو (31). تظهر توقعات السوق أن الطلب سينمو. سيصل السوق إلى ما يقرب من نصف مليون طن في عام 2009 ، 80٪ منها ستكون عبارة عن مركبات نانوية مدعمة بالنانو. سيصل الطلب على المركبات النانوية الأمريكية وحدها إلى 0.6 مليون طن بحلول عام 2015. وسيكون النمو الأولي في الراتنجات ذات الأسعار الأعلى مثل اللدائن الهندسية واللدائن الحرارية ، ولكن في النهاية ستهيمن المركبات النانوية القائمة على اللدائن السلعية.
    وستكون التطبيقات الرئيسية للمركبات النانوية هي مكونات السيارات ، والتعبئة ، والأجهزة ، والأجزاء الكهربائية / الإلكترونية ، ومنتجات البناء والتشييد. تشمل اللاعبين الرئيسيين في مجال المركبات النانوية البوليمرية والطينية حاليًا باير ، هانيويل بوليمر ، شركة RTP ، تويوتا موتورز ، Ube ، Unitika ، Basell ، General Motors ، Southern Clay Products ، Mitsubishi Gas Chemical Company ، Noble Polymer ، Nanocor ، Elementis Specialities ، PolyOne Corporation ، Clariant Corporation ، Sud-Chemie . 
    هناك العديد من منتجي البوليمر والطين والمواد المتخصصة على استعداد للدخول في هذا المجال الناشئ. تعتبر المركبات النانوية البوليمرية القائمة على طبقات من السليكات جذابة ليس فقط لإمكاناتها الواضحة كمواد تكنولوجية ، ولكن أيضًا لتوفير نظام ماكروسكوبي مناسب لدراسة القضايا العلمية الأساسية المتعلقة بالبوليمرات المحصورة والمربوطة. يمكن أن تؤدي دراسة تكوين وبنية وديناميكيات المركبات النانوية إلى فهم أفضل للهجن والبوليمرات غير العضوية العضوية في بيئة محصورة أو في واجهة صلبة.
    ↚

    الاستنتاجات

    المركبات النانوية المصنوعة من البوليمر / الصلصال هي فئة جديدة ناشئة من المواد. يمكن أن يكون بوليمر المصفوفة في هذه المواد متنوعًا. لديهم تحسين غير مسبوق في الخصائص الميكانيكية والحاجز مع عدم وجود زيادة كبيرة في الكثافة ، حيث أن تحميل الحشو هو فقط 2 إلى 5 ٪ بالوزن. هناك قدر كبير من الاهتمام البحثي بهذه المواد في جميع أنحاء العالم والتكنولوجيا على وشك أن يتم تسويقها. تمتلك هذه المواد إمكانات كبيرة في استبدال المركبات التقليدية والبلاستيك والأجزاء المعدنية في السيارات والتعبئة والتطبيقات الكهربائية / الإلكترونية ومواد البناء والتشييد.

    المراجع :

    الموضوع هو ترجمة لبحث “Polymer/Clay Nanocomposites: An Emerging Material Class“
    نيتين بورس الجبيل الصناعية ، الهندسة الكيميائية ومعالجة العمليات. قسم التكنولوجيا Nitin.Borse@gmail.com
    كلية تريفور هتلي الجبيل الصناعية ، الهندسة الكيميائية ومعالجة العمليات. قسم التكنولوجيا Trevor.Hutley@gmail.com
    المراجع المستخدمة فى البحث :
    1. T. J. Pinavia, S. W. Beall, Polymer-Clay Nanocomposites, John Wiley and Sons Inc., New York (2001). 
    2. Y. Fukushima, S. Inagaki, Journal of Inclusion Phenomenon, 5(4), 473 (1987). 
    3. Y. Kojima, A. Usuki, M. Kawasumi, A. Okada, Y Fukushima, T. Kurauchi, O. Kamigaito, J. Mater. Res., 8, 1185 (1993). 
    4. Y. Kojima, A. Usuki, M. Kawasumi, A. Okada, T. Kurauchi, O. Kamigaito, J. Appl. Polym. Sci., 49, 1259 (1993). 
    5. R . F . G i ese , C . J . van Oss , Colloid and Surface Properties of Clays and Related Minerals, Marcel Dekker Inc., New York (2002). 
    6. K. Yano, A. Usuki, T. Karauchi, O. Kamigaito, J. Polym. Sci., Part A:Polym. Chem., 31, 2493 (1993). 
    7. Y. Kojima, A. Usuki, M. Kawasumi, A. Okada, T. Karauchi, O. Kamigaito, J. Polym. Sci., Part A:Polym. Chem., 31, 1755 (1993). 
    8. A. N. Goldstein, Handbook of Nanophase Materials, Marcel Dekker Inc., New York (1997). 
    9. R. G. Horn, J. N. Israelachvili, Macromolecules, 21, 2836 (1988). 
    10. P. M. Ajayan, L. S. Schadler, P. V. Braun, Nanocomposite Science and Technology, Wiley-VCH GmBH & Co. KGaA, Weinheim (2003). 
    11. A. Okada, A. Usuki, T. Karauchi, O. Kamigaito, Hybrid Organic-inorganic composites, ACS Symposium Series (Editors J.E. Mark, C.Y-C Lee, P.A. Bianconi ) 585, Washington D. C. (1995). 
    12.  D. C. Lee, L. W. Jan, Appl. Polym. Sci., 61, 1117 (1996). 
    13. M. G. Kanatzidis, L. M. Tonge, R. J. Marks, M. O. Marcy, C. R. Kannewurf, J. Am. Chem. Soc., 109, 3797 (1987). 
    14.  M. W. Weiner, H. Chen, E. P. Giannelis, D. Y. Sogan, J. Am. Chem. Soc., 121, 1615 (1999). 
    15. L. Biasci, M. Aglietto, G, Ruggeri, F. Ciardelli, Polymer, 35, 3296 (1994). 
    16. D. Choo, L. W. Jang, J. Appl. Polym. Sci., 61, 1117 (1996).
    17. Y. Kojima, K. Fukumori, A. Usuki, A. Okada, T. Kurauchi, J. Mater. Sci. Lett., 12, 889 (1993). 
    18. A. Okada, A. Usuki, Mater. Sci. Eng. C, 3, 109 (1995).
    19. R. Krishnamoorti, E. P. Giannelis, Macromolecules, 30, 4097 (1997). 
    20. K. Yano, A. Usuki, A. Okada, J. Polym. Sci. Part A, Polym. Chem., 35, 2289 (1997).
    21. E. P. Giannelis, R. Krishnamoorti, E. Manias, Adv. Polym. Sci., 138, 107 (1999). 
    22. N. K. Borse, Ph.D. Thesis, McGill University, Chemical Eng. Dept., Montreal, Canada (2005). 
    23. A. Usuki, A. Koiwai, Y. Kojma, M. Kawasumi, A. Okada, Y. T. Kurauchi, O. Kamigaito, J. Appl. Poly. Sci., 55, 119 (1995). 
    24. M. R. Kamal, N. K. Borse, A. Garcia-Rejon, Polym. Eng. Sci., 42, 1883 (2002).
    25. N. K. Borse, M. R. Kamal, S. Hasni, ANTEC-SPE, 61, 1413 (2003).
    26. K. Akkapeddi, E. Socci, T. Kraft, J. Facinelli, D. Worley, ANTEC-SPE, 61, 3845 (2003).
    27. C. A. Koch, J. R. Akhave, R. K. Bharadwaj, US Patent 2004053037 A1 (2004). 
    28. C. Mueller, R. Kaas, B. Fillon, S. Tournier, J-J Lerda, Patent WO 2001087566 (2001). 
    29. P. C. LeBaron, Z. Wang, T. J. Pinnavia, Applied Clay Science, 15, 11 (1999).
    30.  http://freedonia.ecnext.com 
    31. http://www.principiaconsulting.com
    32.  http://www.nanocompositech.com/commercialnanocomposites-nanoclays.htm 

    نبذة مختصرة
    تتكون المركبات النانوية من البوليمر / الطين من مواد مصفوفة بوليمر وجزيئات طينية بحجم النانومتر. أظهروا عليها تحسينات كبيرة في معامل الشد والقوة ، وانخفاض نفاذية الغازات والسوائل مقارنة بالبوليمر النقي. يمكن تحقيق هذه التحسينات في الخصائص مع الحفاظ على وضوح البوليمر بدون زيادة كبيرة في الكثافة. تمتلك المركبات النانوية البوليمرية القدرة على استبدال البلاستيك التقليدي والمواد البلاستيكية المركبة في العديد من التطبيقات مثل مكونات السيارات ، والتعبئة ، والأجهزة ، والأجزاء الكهربائية / الإلكترونية ، ومنتجات البناء والتشييد. تستعرض هذه الورقة البحثية نمو تكنولوجيا المركبات النانوية ، وتقدم بعض البيانات عن تعزيز الملكية ، وتقيم مستقبل هذه الفئة الناشئة من مادة البوليمر.

    مقدمة نمو تكنولوجيا المركبات النانوية

    من منظور هندسي ، تتمتع مواد البوليمر بمعامل وقوة منخفضة نسبيًا.
    لذلك تم تطوير مركبات البوليمر – بدءًا من الحرب العالمية الثانية – لدمج المعامل العالي والقوة العالية لمجموعة متنوعة من ألياف التعزيز (الزجاج أو الكربون أو الأراميد) مع عدد من البوليمرات المصفوفة بالحرارة. عادة ما تشتمل مركبات البوليمر الهيكلية هذه على راتنجات البوليستر أو الإيبوكسي أو الفيوران بالحرارة المعززة بالخيوط المستمرة أو الألياف الطويلة نسبيًا (> 10 مم). غالبًا ما تكون تقنيات التصنيع المتخصصة ، مثل الانصهار أو لف الفتيل ، مطلوبة لتطوير الخصائص القصوى لهذه المواد البلاستيكية المقواة بالألياف (FRP مع مواد بلاستيكية حرارية حيث تم تطوير المصفوفة قبل حوالي 25 عامًا) ، بما في ذلك البلاستيك الحراري حصيرة الزجاج [GMT] وصفائح رقائق الفيلم. وتتطلب هذه أيضًا تقنيات تصنيع متخصصة لتقليل تكوين الفراغ وتطوير الخصائص المثلى. لا يمكن معالجة هذه المركبات متعددة الأطوار في أفلام وألياف (1). بالإضافة إلى هذه المركبات عالية الأداء باستخدام الألياف المستمرة أو الطويلة ، فقد تم تطوير مركبات لدائن حرارية تحتوي على تعزيزات من الألياف القصيرة (3 مم). يمكن تشكيل هذه المركبات بالحقن ، مما يتيح تصنيع الأشكال المعقدة اقتصاديًا. ومن الأمثلة الكلاسيكية (في الثمانينيات) مضرب التنس “Dunlop Graphite” ، المصبوب من النايلون المقوى بألياف كربونية قصيرة. تحتوي مركبات البلاستيك الحراري على
    المعادن الحلقية أو الصفائح الدموية مثل wollastonite ، أو الميكا ، التلك والطين ، هي مركبات جسيمية. يجب استخدام هذه الحشوات ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية ، حتى عند استخدام الميكروفين ، بنسبة 20 – 40٪ بالكتلة لتوفير تحسين ملموس للخصائص الميكانيكية. غالبًا ما تأتي هذه التحسينات على حساب التدفق وقوة التأثير ، والكثافة بالطبع. وبالتالي ، فإن المركبات التقليدية متنوعة لأنها تسمح للمرء بتخصيص خصائص المادة لاحتياجات محددة. ومع ذلك ، فإن تحسين خاصية واحدة غالبًا ما يعني المساومة بخصائص مهمة أخرى ، على سبيل المثال تحسين الخواص الميكانيكية بدمج الألياف الزجاجية يزيد الكثافة بشكل ملحوظ. هذه بعض العوائق الخطيرة لمركبات البوليمر التقليدية. المركبات النانوية من البوليمر / الصلصال هي مواد مركبة جديدة تتكون من مصفوفة بوليمر وجزيئات طينية بحجم النانومتر. أظهروا تحسينات كبيرة في معامل الشد والقوة ، وانخفاض نفاذية الغازات والسوائل مقارنة بالبوليمر النقي. يمكن تحقيق هذه التحسينات في الخصائص مع الحفاظ على وضوح البوليمر دون أي زيادة كبيرة في الكثافة ، حيث أن التحميل النموذجي هو 2-5 ٪.

    نشأت المركبات النانوية 

    نشأت المركبات النانوية المصنوعة من البوليمر والطين في البحث الرائد الذي تم إجراؤه في مختبرات تويوتا المركزية للأبحاث في الثمانينيات (2-7) ، حيث تم دمج هاتين المواد العضوية والمعدنية المتباينة بنجاح. أول تطبيق عملي للمركبات النانوية كان في استخدام نانو المونموريلونيت الطينية النانوية كغطاء حزام توقيت على سيارة تويوتا كامري. أظهر هذا المركب النانوي زيادات كبيرة في قوة الشد ، والمعامل ، ودرجة حرارة التشويه الحراري دون فقدان مقاومة الصدمات: فقد ظهر (3،4) أنه عند تحميل 4.2 ٪ فقط من الصلصال ، تضاعف معامل النايلون 6 ، زادت القوة أكثر من 50 ٪ ، وزادت درجة حرارة تشويه الحرارة بنسبة 80 درجة مئوية. ثبت أيضًا أن النانو صُنعت بشكل كبير من استقرار الأبعاد ، وخاصية الحاجز وحتى خاصية مثبطات اللهب. كان للمركب حساسية أقل للماء ، ونفاذية أقل للغازات ، ومعامل أقل للتمدد الحراري. قدم العمل الرائد في مختبرات تويوتا المركزية للبحوث تفاؤلا ودافعا للعلماء في مجال المواد المركبة النانوية. 
    لقد لفتت البحوث النانوية المركبة الانتباه والخيال والتدقيق الدقيق للعلماء والمهندسين. يعتمد هذا على الفرضية القائلة بأن استخدام كتل البناء ذات الأبعاد في نطاق النانو يجعل من الممكن إنشاء مواد جديدة ذات تحسينات غير مسبوقة في الخصائص الفيزيائية. المركبات النانوية هي فئة خاصة من المركبات ، حيث تتكون المرحلة المشتتة من الجسيمات النانوية. الجسيمات النانوية لها بُعد واحد من 1 نانومتر (10-9 م). يشير المصطلح nanocomposite إلى مزيج من مرحلتين أو أكثر من المكونات حيث يكون بعد طور واحد على الأقل في نطاق النانومتر (8). تظهر هذه المواد سلوكًا مختلفًا عن المواد المركبة التقليدية ذات البنية المجهرية ، نظرًا لصغر حجم وحدة التعزيز ونسبة السطح إلى الحجم العالية. الجسيمات النانوية غير مرئية بالعين المجردة مما يتيح للمركبات النانوية أن تكون شفافة. على المستوى الجزيئي ، تكون الطاقة السطحية أو قوة الذوبان لجسيم الطين عالية. ونتيجة لذلك ، تميل جزيئات المصفوفة الممتزة إلى وضع طبقات بجوار سطح الطين (9). السمة المميزة للمركب النانوي هي أن جزيئات الحشو لها أبعاد مماثلة لأبعاد سلاسل البوليمر المصفوفة. وبالتالي ، يبدو أن المركبات النانوية تتصرف كمواد أحادية الطور ومكون واحد.
    ↚

    تكنولوجيا إنتاج المركبات النانوية

    تتكون المركبات النانوية من البوليمر / الصلصال من مصفوفة بوليمر وحجم نانومتر جزيئات الصلصال غير العضوية مشتتة بشكل متجانس في جميع أنحاء المصفوفة. لتعزيز الخواص الميكانيكية والخواص الحاجزة ، يفضل الجسيمات المتوازنة مثل الصفائحي أو الليفي. هناك العديد من الأسباب لاستخدام الطين والتوافر والتكلفة ونسبة العرض إلى الارتفاع العالية. يجعل الهيكل الطبقي لجزيئات الطين (الشكل 1) من الممكن إنتاج جسيمات نانوية ذات نسبة ارتفاع عالية أثناء التركيب الذائب. أكثر سيليكات الطبقات استخدامًا هي montmorillonite و hectorite و saponite. وتتميز جميع هذه السليكات بمساحة سطح محددة نشطة كبيرة (700-800 م 2 / جم) وشحنة سطحية سلبية معتدلة. تتكون شبكتها البلورية من طبقات بسماكة 1 نانومتر تتكون من صفائح رباعي السطوح من السيليكا تنصهر على لوح ثماني السطوح من الألومينا أو المغنيسيا. حجم الجسيمات من الطين montmorillonite المتاحة تجاريا تتراوح بين 6 و 13 ميكرومتر. يتكون كل جسيم من صفائح 6000-10000 صفيحة سمك 1 نانومتر وعرض 100-1000 نانومتر. يتضمن إنتاج المركبات النانوية من البوليمر / الصلصال (1) فصل الصفائح الفردية بحجم النانومتر عن جزيئات الصلصال بحجم الميكرون ، والتي تسمى التقشير ، وتفريق الصفائح الفردية في مصفوفة البوليمر.
    على الرغم من أن نسبة الارتفاع العالية لطبقات النانو سيليكات مثالية للتعزيز ، إلا أن الطبقات النانوية لا تتفرق بسهولة في معظم البوليمرات ، وذلك بسبب تكديسها المفضل وجهاً لوجه في حُكَم مكتل كما هو موضح في الشكل 1. من وجهة النظر الأساسية ، يرتبط التأثير المعزز للجسيمات النانوية بنسبة الارتفاع والتفاعلات بين الجسيمات والمصفوفة. مزيد من عرقلة تشتت اللبقات في الصفائح الدموية بسبب عدم التوافق الجوهري لسيليكات الطبقات المحبة للماء والبوليمرات المحبة للماء نسبياً. هذا يتطلب تكامل سطح الطين. 
    أظهر باحثو تويوتا (2) أن استبدال كاتيونات التبادل غير العضوي في صالات الطين الأصلي بواسطة ألكيل أمونيوم الفاعل بالسطح يمكن أن تتوافق مع كيمياء سطح الطين ومصفوفة البوليمر المسعرة. صالات العرض هي المساحات بين الصفائح الدموية الفردية في جزيئات الطين. كانت هذه النتيجة اختراقة في تطوير المركبات النانوية البوليمرية. الخطوة الأولى في تحقيق التشتت النانوي للطين في البوليمرات هي فتح صالات العرض. تتضمن زيادة مساحات المعرض مطابقة القطبية مع البوليمر أو المونومر بحيث تتقارب بين هذه الطبقات (10). يتم ذلك عن طريق تبادل كاتيون عضوي كاتيون غير عضوي. تتضخم الكاتيونات العضوية الأكبر الطبقات وتزيد من خصائص الطمي (أو المحبة للعضو) من الطين (11) ، مما يؤدي إلى طين معدّل عضويًا. يمكن بعد ذلك أن يتم طين الطين المعدل عضويا مع البوليمر بعدة طرق (الشكل 2). 
    البوليمرات عالية القطبية مثل النايلون والبوليميد تكون أكثر سهولة في المقاربة من البوليمرات غير القطبية مثل البولي بروبلين أو البولي إيثيلين (5-7). تشتمل معالجة المحلول على تشتت الطين والبوليمر المعدل عضوياً في مذيب مشترك يتبعه بلمرة مستحلب أو معلق (12). في البلمرة في الموقع ، يتقارب المونومر مباشرة إلى معارض الصلصال المعدلة عضوياً ، ويمكن أن يمتص المونومر على سطح الطبقة (13) أو يمكن تثبيته بواسطة تفاعل جذري حر (14). تتضمن عملية الإذابة المذابة خلط الصلصال والبوليمر المنصهر مع القص أو بدونه (1،10). طرق أخرى مثل تعديل المونومر covulcanization  خاصة لراتنجات الألكاستر و اللدائن على التوالي. يمكن أن تحتوي المركبات النانوية على العديد من الهياكل (الشكل 3). 
    تشتمل المركبات النانوية البينية على التكتيكات مع تباعد الطبقات البيني الموسع ، لكن صالات الطين تحتوي على تباعد ثابت بين الطبقات. تتشكل المركبات النانوية المقشرة عندما تنفصل طبقات الطين الفردية عن اللباقة ويتم إما تفريقها عشوائيًا في البوليمر (مركب نانوي مضطرب) أو تركها في مصفوفة مرتبة. ينطوي تصنيع المركب النانوي على تحويل مورفولوجيا ميكروية غير متجانسة أولية إلى مورفولوجيا متجانسة على مقياس النانو. من حيث المبدأ ، بالنسبة للمركبات النانوية المصنوعة من الطين المقشر على النحو الأمثل ، يتم تحقيق التحسينات القصوى للخصائص الفيزيائية عند أقل من 4٪ من إضافة التشتت النانوي لطبقات سيليكات بسماكة 1 نانومتر بقطر يتراوح بين 20 و 500 نانومتر (1). يبدو أن هذه التحسينات ظاهرة عامة تتعلق بتوزيع الطبقات النانوية ، ولكن درجة تحسين الخاصية ليست عالمية لجميع البوليمرات. قد يؤدي محتوى الجسيمات النانوية أعلى من 4٪ إلى ضعف التشتت أو التكتل أو تشكيل اللباقة. وقد ثبت أن قوة التفاعلات بين البوليمر والسيليكات ، وكذلك حجم وصلابة الجسيمات غير العضوية ، تؤثر على مدى تعزيز الخاصية (18-20). من الناحية العملية ، قد لا يكون التقشير الكامل لجسيمات الطين في مصفوفة البوليمر قابلاً للتحقيق دائمًا وقد يتطلب محتوى طيني أعلى قليلاً لتحقيق أقصى تعزيز للخاصية.
    ↚

    توصيف المركبات النانوية

    السمة المميزة للمركبات النانوية السليكونية ذات الطبقات البوليمرية هي مورفولوجيتها ، حيث يمكن مقارنة سماكة الحشو بالصفائح غير العضوية بالمسافة بينهما ، وكلاهما من النانو. وبالتالي ، يعد التوصيف التفصيلي لمورفولوجيا النانو لكل من السليكات ذات الطبقات والبوليمر أمرًا بالغ الأهمية لإنشاء علاقات هيكلية وخصائص لهذه المواد. يتضمن وصف مورفولوجيا المركبات النانوية البوليمرية حيود الأشعة السينية واسعة الزاوية (XRD) والميكروسكوب الإلكتروني النافذ (TEM). الميكروسكوب مفيد لتوفير معلومات في الفضاء الحقيقي حول التوزيع المكاني للمراحل والهياكل. نظرًا للترتيب الدوري لطبقات السيليكات ، في كل من البكر والحالات المتقاربة ، فإن اختيار حيود الأشعة السينية في تحديد تباعد الطبقات البينية مناسب بشكل خاص. ومع ذلك ، في غياب التسجيل ، كما هو الحال في مركب نانوي متقشر أو ملوث ، وكذلك في مركب نانوي مضطرب ، لا تقدم XRD معلومات محددة فيما يتعلق ببنية المركب النانوي (21). من أجل توفير معلومات كمية في XRD النانوية الصامتة ، TEM هو تقنية مفيدة للغاية. يوفر TEM أيضًا معلومات حول تجانس المزج. يوضح الشكل 4 نموذج حيود الأشعة السينية واسع الزاوية النموذجي لهياكل نانوية مختلفة. ترتبط زاوية الورود (2θ) بمسافة الطبقة البينية بواسطة قانون براج. مع زيادة التباعد بين طبقات الطين من الهيكل غير المترابط (المفصول بالطور) إلى الهيكل المقوى ، تقل زاوية السقوط (2θ) للذروة الشديدة. لا يظهر الهيكل المقشر أي ذروة في اختلاف الأشعة السينية.
    يوضح الشكل 5 صورة مجهرية للإرسال النموذجي للنايلون 6 / Cloisite30B المعدل عضويًا (طين 5٪ بالوزن) نانو مركب (22). يظهر الهيكل المقشر والصفائح الطينية بسماكة النانومتر المشتتة في مصفوفة البوليمر واضحة للعيان. وقدرت درجة التقشير في هذه العينة بنسبة 94٪. يظهر أيضًا تكويد طيني مقشر جزئيًا في أسفل يمين الصورة. تعد الحالة الصلبة 1H و 13 C و 15 N و 29Si Magic Angle (MAS) الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) عند الترددات الخاصة تقنيات مفيدة أيضًا لتوصيف المركبات النانوية (23). المسح الحراري التفاضلي (DSC) ، التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والقياس الموسع هي بعض الأدوات المفيدة لدراسة سلوك التبلور والحركية بالإضافة إلى ذوبان سلوك الأشكال البلورية المختلفة من النانو المركب (24 ، 25).

    ↚

    الخصائص الميكانيكية

    عادةً ما تعمل المركبات التقليدية المصنوعة من البوليمر والطين على تحسين القوة والمعامل ، ولكنها غالبًا ما تضحي بالاستطالة والكثافة. ومع ذلك ، أظهرت المركبات النانوية المقشرة من الطين من أنظمة النايلون 6 والإيبوكسي تحسينات في جميع جوانب أدائها الميكانيكي (1). بالنسبة للمركبات النانوية الحقيقية ، يجب أن يتم تشتيت طبقات النانو الطينية بشكل موحد في مصفوفة البوليمر ، على عكس كونها ركامًا أو حُكْمَات أو مجرد استخفاف. يعمل التشتت الكامل للطبقات النانوية الطينية في البوليمر على زيادة عدد عناصر التعزيز المتاحة لحمل الحمل المطبق وتشويه الشقوق. الاقتران بين مساحة سطح هائلة من الطين (∼760 m2 / g) ومصفوفة البوليمر يسهل نقل الإجهاد إلى مرحلة التعزيز ، مما يسمح بتحسينات الشد والتشديد. الحشوات النانوية على شكل الصفائح الدموية لها سمك 1 نانومتر. 
    تتراوح نسب أبعادها (القطر / السُمك) من 10-1000 ومُحولات (الشباب) المرنة (170 جيغا باسكال) هي times 100 مرة من اللدائن الحرارية النموذجية (1-3 جيغا باسكال). علاوة على ذلك ، نظرًا لأن المجموعات الوظيفية لربط الهيدروجين لبعض البوليمرات مثل نايلون -6 قد تتفاعل مع صفائح السيليكات المشحونة سلبًا ، يمكن أن تكون الألفة بين مادة الحشو والمصفوفة جيدة إلى حد ما. يوضح الشكل 6 الزيادة في معامل الشد للنايلون نانو -6 مقابل محتوى الطين لمختلف الطبقات العضوية من شركة Southern Clay Products Inc. 
    يزداد معامل الشد بنسبة 52٪ فوق البوليمر النقي مع إضافة 5٪ فقط بالوزن من الصلصال العضوي Cloisite 30B. وبالمثل من الشكل 7 ، يمكن ملاحظة أنه بالنسبة للطين نفسه عند تحميل 5٪ ، يزيد ضغط الخضوع للنايلون -6 من 76 ميجا باسكال إلى 90 ميجا باسكال. يعتمد التحسين على نوع الطين وتحميل الطين. 
    تنشأ الخواص الميكانيكية الفائقة للمركبات النانوية النانوية من البنية المجهرية والتفاعلات القطبية ، وكذلك الميكانيكية الممتازة خصائص مثل قوة عالية ومعامل صفائح سيليكات. يحتوي المعدل العضوي للصلصال العضوي Cloisite 30B على مجموعتين هيدروكسيل لكل جزيء ، قادرة على تكوين روابط هيدروجينية قوية مع مصفوفة PA-6. لا يمتلك المعدّل العضوي Cloisite 15A مثل هذه المجموعات الوظيفية القادرة على تكوين روابط قوية مع مصفوفة البوليمر ، و Cloisite Na عبارة عن طين غير معالج مع كاتيونات الصوديوم بين صالات العرض.
    ↚

    خصائص الحاجز للمركبات النانوية

    تحتوي المركبات النانوية على خصائص حاجزة محسنة ضد الأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والبنزين وما إلى ذلك (26-28) ، لأن الصفائح الصلصالية نفسها غير منفذة. تؤدي الصفائح الدموية المتفرقة من صفائح السيليكات إلى المسار الملتوي للجزيئات المتخلفة عبر مصفوفة البوليمر. إن انخفاض نفاذية الغاز والسائل يجعل المواد النانوية مواد غشاء جذابة. يوضح الشكل 8 انخفاض نفاذية الأكسجين للنايلون عن طريق دمج الصلصال العضوي Cloisite 30B لتكوين مركبات نانوية (22). يتم تقليل نفاذية الأكسجين من خلال مصفوفة النايلون 6 من 0.9 إلى 0.2 (cc.mm/m2.day.atm) عن طريق دمج 5٪ بالوزن من الصلصال العضوي. في حالة البوليسترين / كلوازيت 10 أ النانوية المركبة ، تنخفض نفاذية الأكسجين من 106 إلى 75 (cc.mm/m2.day.atm) بإضافة 3.5٪ بالوزن من الطين.

    مستقبل المركبات النانوية

    كان نايلون -6 أول بوليمر يستخدم في تطوير المركبات النانوية منذ أكثر من 15 عامًا. تم توسيع استخدام الخلايا العضوية كسلائف لتكوين المركبات النانوية في أنظمة البوليمر المختلفة (29) ، والتي تشمل الإيبوكسي والبولي يوريثين والبوليميد والمطاط النتري والبوليستر والبولي بروبيلين والبوليسترين والبولي سيلوكسان. لقد انتشرت الأنشطة التنموية في جميع مناطق العالم. وتركز بعض البرامج على البولي بروبلين والبوليستر والبولي فينيل كلوريد والأكريليك والبوليسترين ومجموعة من اللدائن وكذلك اللدائن الحرارية التقليدية. تقدر صناعة المركبات النانوية الحالية بقيمة 311 مليون دولار أمريكي (30). يبلغ حجم السوق العالمية للمركبات النانوية 1300 طن ، منها 900 طن من المنتجات المقواة بالنانو (31). تظهر توقعات السوق أن الطلب سينمو. سيصل السوق إلى ما يقرب من نصف مليون طن في عام 2009 ، 80٪ منها ستكون عبارة عن مركبات نانوية مدعمة بالنانو. سيصل الطلب على المركبات النانوية الأمريكية وحدها إلى 0.6 مليون طن بحلول عام 2015. وسيكون النمو الأولي في الراتنجات ذات الأسعار الأعلى مثل اللدائن الهندسية واللدائن الحرارية ، ولكن في النهاية ستهيمن المركبات النانوية القائمة على اللدائن السلعية.
    وستكون التطبيقات الرئيسية للمركبات النانوية هي مكونات السيارات ، والتعبئة ، والأجهزة ، والأجزاء الكهربائية / الإلكترونية ، ومنتجات البناء والتشييد. تشمل اللاعبين الرئيسيين في مجال المركبات النانوية البوليمرية والطينية حاليًا باير ، هانيويل بوليمر ، شركة RTP ، تويوتا موتورز ، Ube ، Unitika ، Basell ، General Motors ، Southern Clay Products ، Mitsubishi Gas Chemical Company ، Noble Polymer ، Nanocor ، Elementis Specialities ، PolyOne Corporation ، Clariant Corporation ، Sud-Chemie . 
    هناك العديد من منتجي البوليمر والطين والمواد المتخصصة على استعداد للدخول في هذا المجال الناشئ. تعتبر المركبات النانوية البوليمرية القائمة على طبقات من السليكات جذابة ليس فقط لإمكاناتها الواضحة كمواد تكنولوجية ، ولكن أيضًا لتوفير نظام ماكروسكوبي مناسب لدراسة القضايا العلمية الأساسية المتعلقة بالبوليمرات المحصورة والمربوطة. يمكن أن تؤدي دراسة تكوين وبنية وديناميكيات المركبات النانوية إلى فهم أفضل للهجن والبوليمرات غير العضوية العضوية في بيئة محصورة أو في واجهة صلبة.
    ↚

    الاستنتاجات

    المركبات النانوية المصنوعة من البوليمر / الصلصال هي فئة جديدة ناشئة من المواد. يمكن أن يكون بوليمر المصفوفة في هذه المواد متنوعًا. لديهم تحسين غير مسبوق في الخصائص الميكانيكية والحاجز مع عدم وجود زيادة كبيرة في الكثافة ، حيث أن تحميل الحشو هو فقط 2 إلى 5 ٪ بالوزن. هناك قدر كبير من الاهتمام البحثي بهذه المواد في جميع أنحاء العالم والتكنولوجيا على وشك أن يتم تسويقها. تمتلك هذه المواد إمكانات كبيرة في استبدال المركبات التقليدية والبلاستيك والأجزاء المعدنية في السيارات والتعبئة والتطبيقات الكهربائية / الإلكترونية ومواد البناء والتشييد.

    المراجع :

    الموضوع هو ترجمة لبحث “Polymer/Clay Nanocomposites: An Emerging Material Class“
    نيتين بورس الجبيل الصناعية ، الهندسة الكيميائية ومعالجة العمليات. قسم التكنولوجيا Nitin.Borse@gmail.com
    كلية تريفور هتلي الجبيل الصناعية ، الهندسة الكيميائية ومعالجة العمليات. قسم التكنولوجيا Trevor.Hutley@gmail.com
    المراجع المستخدمة فى البحث :
    1. T. J. Pinavia, S. W. Beall, Polymer-Clay Nanocomposites, John Wiley and Sons Inc., New York (2001). 
    2. Y. Fukushima, S. Inagaki, Journal of Inclusion Phenomenon, 5(4), 473 (1987). 
    3. Y. Kojima, A. Usuki, M. Kawasumi, A. Okada, Y Fukushima, T. Kurauchi, O. Kamigaito, J. Mater. Res., 8, 1185 (1993). 
    4. Y. Kojima, A. Usuki, M. Kawasumi, A. Okada, T. Kurauchi, O. Kamigaito, J. Appl. Polym. Sci., 49, 1259 (1993). 
    5. R . F . G i ese , C . J . van Oss , Colloid and Surface Properties of Clays and Related Minerals, Marcel Dekker Inc., New York (2002). 
    6. K. Yano, A. Usuki, T. Karauchi, O. Kamigaito, J. Polym. Sci., Part A:Polym. Chem., 31, 2493 (1993). 
    7. Y. Kojima, A. Usuki, M. Kawasumi, A. Okada, T. Karauchi, O. Kamigaito, J. Polym. Sci., Part A:Polym. Chem., 31, 1755 (1993). 
    8. A. N. Goldstein, Handbook of Nanophase Materials, Marcel Dekker Inc., New York (1997). 
    9. R. G. Horn, J. N. Israelachvili, Macromolecules, 21, 2836 (1988). 
    10. P. M. Ajayan, L. S. Schadler, P. V. Braun, Nanocomposite Science and Technology, Wiley-VCH GmBH & Co. KGaA, Weinheim (2003). 
    11. A. Okada, A. Usuki, T. Karauchi, O. Kamigaito, Hybrid Organic-inorganic composites, ACS Symposium Series (Editors J.E. Mark, C.Y-C Lee, P.A. Bianconi ) 585, Washington D. C. (1995). 
    12.  D. C. Lee, L. W. Jan, Appl. Polym. Sci., 61, 1117 (1996). 
    13. M. G. Kanatzidis, L. M. Tonge, R. J. Marks, M. O. Marcy, C. R. Kannewurf, J. Am. Chem. Soc., 109, 3797 (1987). 
    14.  M. W. Weiner, H. Chen, E. P. Giannelis, D. Y. Sogan, J. Am. Chem. Soc., 121, 1615 (1999). 
    15. L. Biasci, M. Aglietto, G, Ruggeri, F. Ciardelli, Polymer, 35, 3296 (1994). 
    16. D. Choo, L. W. Jang, J. Appl. Polym. Sci., 61, 1117 (1996).
    17. Y. Kojima, K. Fukumori, A. Usuki, A. Okada, T. Kurauchi, J. Mater. Sci. Lett., 12, 889 (1993). 
    18. A. Okada, A. Usuki, Mater. Sci. Eng. C, 3, 109 (1995).
    19. R. Krishnamoorti, E. P. Giannelis, Macromolecules, 30, 4097 (1997). 
    20. K. Yano, A. Usuki, A. Okada, J. Polym. Sci. Part A, Polym. Chem., 35, 2289 (1997).
    21. E. P. Giannelis, R. Krishnamoorti, E. Manias, Adv. Polym. Sci., 138, 107 (1999). 
    22. N. K. Borse, Ph.D. Thesis, McGill University, Chemical Eng. Dept., Montreal, Canada (2005). 
    23. A. Usuki, A. Koiwai, Y. Kojma, M. Kawasumi, A. Okada, Y. T. Kurauchi, O. Kamigaito, J. Appl. Poly. Sci., 55, 119 (1995). 
    24. M. R. Kamal, N. K. Borse, A. Garcia-Rejon, Polym. Eng. Sci., 42, 1883 (2002).
    25. N. K. Borse, M. R. Kamal, S. Hasni, ANTEC-SPE, 61, 1413 (2003).
    26. K. Akkapeddi, E. Socci, T. Kraft, J. Facinelli, D. Worley, ANTEC-SPE, 61, 3845 (2003).
    27. C. A. Koch, J. R. Akhave, R. K. Bharadwaj, US Patent 2004053037 A1 (2004). 
    28. C. Mueller, R. Kaas, B. Fillon, S. Tournier, J-J Lerda, Patent WO 2001087566 (2001). 
    29. P. C. LeBaron, Z. Wang, T. J. Pinnavia, Applied Clay Science, 15, 11 (1999).
    30.  http://freedonia.ecnext.com 
    31. http://www.principiaconsulting.com
    32.  http://www.nanocompositech.com/commercialnanocomposites-nanoclays.htm 

    نبذة مختصرة
    تتكون المركبات النانوية من البوليمر / الطين من مواد مصفوفة بوليمر وجزيئات طينية بحجم النانومتر. أظهروا عليها تحسينات كبيرة في معامل الشد والقوة ، وانخفاض نفاذية الغازات والسوائل مقارنة بالبوليمر النقي. يمكن تحقيق هذه التحسينات في الخصائص مع الحفاظ على وضوح البوليمر بدون زيادة كبيرة في الكثافة. تمتلك المركبات النانوية البوليمرية القدرة على استبدال البلاستيك التقليدي والمواد البلاستيكية المركبة في العديد من التطبيقات مثل مكونات السيارات ، والتعبئة ، والأجهزة ، والأجزاء الكهربائية / الإلكترونية ، ومنتجات البناء والتشييد. تستعرض هذه الورقة البحثية نمو تكنولوجيا المركبات النانوية ، وتقدم بعض البيانات عن تعزيز الملكية ، وتقيم مستقبل هذه الفئة الناشئة من مادة البوليمر.

    مقدمة نمو تكنولوجيا المركبات النانوية

    من منظور هندسي ، تتمتع مواد البوليمر بمعامل وقوة منخفضة نسبيًا.
    لذلك تم تطوير مركبات البوليمر – بدءًا من الحرب العالمية الثانية – لدمج المعامل العالي والقوة العالية لمجموعة متنوعة من ألياف التعزيز (الزجاج أو الكربون أو الأراميد) مع عدد من البوليمرات المصفوفة بالحرارة. عادة ما تشتمل مركبات البوليمر الهيكلية هذه على راتنجات البوليستر أو الإيبوكسي أو الفيوران بالحرارة المعززة بالخيوط المستمرة أو الألياف الطويلة نسبيًا (> 10 مم). غالبًا ما تكون تقنيات التصنيع المتخصصة ، مثل الانصهار أو لف الفتيل ، مطلوبة لتطوير الخصائص القصوى لهذه المواد البلاستيكية المقواة بالألياف (FRP مع مواد بلاستيكية حرارية حيث تم تطوير المصفوفة قبل حوالي 25 عامًا) ، بما في ذلك البلاستيك الحراري حصيرة الزجاج [GMT] وصفائح رقائق الفيلم. وتتطلب هذه أيضًا تقنيات تصنيع متخصصة لتقليل تكوين الفراغ وتطوير الخصائص المثلى. لا يمكن معالجة هذه المركبات متعددة الأطوار في أفلام وألياف (1). بالإضافة إلى هذه المركبات عالية الأداء باستخدام الألياف المستمرة أو الطويلة ، فقد تم تطوير مركبات لدائن حرارية تحتوي على تعزيزات من الألياف القصيرة (3 مم). يمكن تشكيل هذه المركبات بالحقن ، مما يتيح تصنيع الأشكال المعقدة اقتصاديًا. ومن الأمثلة الكلاسيكية (في الثمانينيات) مضرب التنس “Dunlop Graphite” ، المصبوب من النايلون المقوى بألياف كربونية قصيرة. تحتوي مركبات البلاستيك الحراري على
    المعادن الحلقية أو الصفائح الدموية مثل wollastonite ، أو الميكا ، التلك والطين ، هي مركبات جسيمية. يجب استخدام هذه الحشوات ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية ، حتى عند استخدام الميكروفين ، بنسبة 20 – 40٪ بالكتلة لتوفير تحسين ملموس للخصائص الميكانيكية. غالبًا ما تأتي هذه التحسينات على حساب التدفق وقوة التأثير ، والكثافة بالطبع. وبالتالي ، فإن المركبات التقليدية متنوعة لأنها تسمح للمرء بتخصيص خصائص المادة لاحتياجات محددة. ومع ذلك ، فإن تحسين خاصية واحدة غالبًا ما يعني المساومة بخصائص مهمة أخرى ، على سبيل المثال تحسين الخواص الميكانيكية بدمج الألياف الزجاجية يزيد الكثافة بشكل ملحوظ. هذه بعض العوائق الخطيرة لمركبات البوليمر التقليدية. المركبات النانوية من البوليمر / الصلصال هي مواد مركبة جديدة تتكون من مصفوفة بوليمر وجزيئات طينية بحجم النانومتر. أظهروا تحسينات كبيرة في معامل الشد والقوة ، وانخفاض نفاذية الغازات والسوائل مقارنة بالبوليمر النقي. يمكن تحقيق هذه التحسينات في الخصائص مع الحفاظ على وضوح البوليمر دون أي زيادة كبيرة في الكثافة ، حيث أن التحميل النموذجي هو 2-5 ٪.

    نشأت المركبات النانوية 

    نشأت المركبات النانوية المصنوعة من البوليمر والطين في البحث الرائد الذي تم إجراؤه في مختبرات تويوتا المركزية للأبحاث في الثمانينيات (2-7) ، حيث تم دمج هاتين المواد العضوية والمعدنية المتباينة بنجاح. أول تطبيق عملي للمركبات النانوية كان في استخدام نانو المونموريلونيت الطينية النانوية كغطاء حزام توقيت على سيارة تويوتا كامري. أظهر هذا المركب النانوي زيادات كبيرة في قوة الشد ، والمعامل ، ودرجة حرارة التشويه الحراري دون فقدان مقاومة الصدمات: فقد ظهر (3،4) أنه عند تحميل 4.2 ٪ فقط من الصلصال ، تضاعف معامل النايلون 6 ، زادت القوة أكثر من 50 ٪ ، وزادت درجة حرارة تشويه الحرارة بنسبة 80 درجة مئوية. ثبت أيضًا أن النانو صُنعت بشكل كبير من استقرار الأبعاد ، وخاصية الحاجز وحتى خاصية مثبطات اللهب. كان للمركب حساسية أقل للماء ، ونفاذية أقل للغازات ، ومعامل أقل للتمدد الحراري. قدم العمل الرائد في مختبرات تويوتا المركزية للبحوث تفاؤلا ودافعا للعلماء في مجال المواد المركبة النانوية. 
    لقد لفتت البحوث النانوية المركبة الانتباه والخيال والتدقيق الدقيق للعلماء والمهندسين. يعتمد هذا على الفرضية القائلة بأن استخدام كتل البناء ذات الأبعاد في نطاق النانو يجعل من الممكن إنشاء مواد جديدة ذات تحسينات غير مسبوقة في الخصائص الفيزيائية. المركبات النانوية هي فئة خاصة من المركبات ، حيث تتكون المرحلة المشتتة من الجسيمات النانوية. الجسيمات النانوية لها بُعد واحد من 1 نانومتر (10-9 م). يشير المصطلح nanocomposite إلى مزيج من مرحلتين أو أكثر من المكونات حيث يكون بعد طور واحد على الأقل في نطاق النانومتر (8). تظهر هذه المواد سلوكًا مختلفًا عن المواد المركبة التقليدية ذات البنية المجهرية ، نظرًا لصغر حجم وحدة التعزيز ونسبة السطح إلى الحجم العالية. الجسيمات النانوية غير مرئية بالعين المجردة مما يتيح للمركبات النانوية أن تكون شفافة. على المستوى الجزيئي ، تكون الطاقة السطحية أو قوة الذوبان لجسيم الطين عالية. ونتيجة لذلك ، تميل جزيئات المصفوفة الممتزة إلى وضع طبقات بجوار سطح الطين (9). السمة المميزة للمركب النانوي هي أن جزيئات الحشو لها أبعاد مماثلة لأبعاد سلاسل البوليمر المصفوفة. وبالتالي ، يبدو أن المركبات النانوية تتصرف كمواد أحادية الطور ومكون واحد.
    ↚

    تكنولوجيا إنتاج المركبات النانوية

    تتكون المركبات النانوية من البوليمر / الصلصال من مصفوفة بوليمر وحجم نانومتر جزيئات الصلصال غير العضوية مشتتة بشكل متجانس في جميع أنحاء المصفوفة. لتعزيز الخواص الميكانيكية والخواص الحاجزة ، يفضل الجسيمات المتوازنة مثل الصفائحي أو الليفي. هناك العديد من الأسباب لاستخدام الطين والتوافر والتكلفة ونسبة العرض إلى الارتفاع العالية. يجعل الهيكل الطبقي لجزيئات الطين (الشكل 1) من الممكن إنتاج جسيمات نانوية ذات نسبة ارتفاع عالية أثناء التركيب الذائب. أكثر سيليكات الطبقات استخدامًا هي montmorillonite و hectorite و saponite. وتتميز جميع هذه السليكات بمساحة سطح محددة نشطة كبيرة (700-800 م 2 / جم) وشحنة سطحية سلبية معتدلة. تتكون شبكتها البلورية من طبقات بسماكة 1 نانومتر تتكون من صفائح رباعي السطوح من السيليكا تنصهر على لوح ثماني السطوح من الألومينا أو المغنيسيا. حجم الجسيمات من الطين montmorillonite المتاحة تجاريا تتراوح بين 6 و 13 ميكرومتر. يتكون كل جسيم من صفائح 6000-10000 صفيحة سمك 1 نانومتر وعرض 100-1000 نانومتر. يتضمن إنتاج المركبات النانوية من البوليمر / الصلصال (1) فصل الصفائح الفردية بحجم النانومتر عن جزيئات الصلصال بحجم الميكرون ، والتي تسمى التقشير ، وتفريق الصفائح الفردية في مصفوفة البوليمر.
    على الرغم من أن نسبة الارتفاع العالية لطبقات النانو سيليكات مثالية للتعزيز ، إلا أن الطبقات النانوية لا تتفرق بسهولة في معظم البوليمرات ، وذلك بسبب تكديسها المفضل وجهاً لوجه في حُكَم مكتل كما هو موضح في الشكل 1. من وجهة النظر الأساسية ، يرتبط التأثير المعزز للجسيمات النانوية بنسبة الارتفاع والتفاعلات بين الجسيمات والمصفوفة. مزيد من عرقلة تشتت اللبقات في الصفائح الدموية بسبب عدم التوافق الجوهري لسيليكات الطبقات المحبة للماء والبوليمرات المحبة للماء نسبياً. هذا يتطلب تكامل سطح الطين. 
    أظهر باحثو تويوتا (2) أن استبدال كاتيونات التبادل غير العضوي في صالات الطين الأصلي بواسطة ألكيل أمونيوم الفاعل بالسطح يمكن أن تتوافق مع كيمياء سطح الطين ومصفوفة البوليمر المسعرة. صالات العرض هي المساحات بين الصفائح الدموية الفردية في جزيئات الطين. كانت هذه النتيجة اختراقة في تطوير المركبات النانوية البوليمرية. الخطوة الأولى في تحقيق التشتت النانوي للطين في البوليمرات هي فتح صالات العرض. تتضمن زيادة مساحات المعرض مطابقة القطبية مع البوليمر أو المونومر بحيث تتقارب بين هذه الطبقات (10). يتم ذلك عن طريق تبادل كاتيون عضوي كاتيون غير عضوي. تتضخم الكاتيونات العضوية الأكبر الطبقات وتزيد من خصائص الطمي (أو المحبة للعضو) من الطين (11) ، مما يؤدي إلى طين معدّل عضويًا. يمكن بعد ذلك أن يتم طين الطين المعدل عضويا مع البوليمر بعدة طرق (الشكل 2). 
    البوليمرات عالية القطبية مثل النايلون والبوليميد تكون أكثر سهولة في المقاربة من البوليمرات غير القطبية مثل البولي بروبلين أو البولي إيثيلين (5-7). تشتمل معالجة المحلول على تشتت الطين والبوليمر المعدل عضوياً في مذيب مشترك يتبعه بلمرة مستحلب أو معلق (12). في البلمرة في الموقع ، يتقارب المونومر مباشرة إلى معارض الصلصال المعدلة عضوياً ، ويمكن أن يمتص المونومر على سطح الطبقة (13) أو يمكن تثبيته بواسطة تفاعل جذري حر (14). تتضمن عملية الإذابة المذابة خلط الصلصال والبوليمر المنصهر مع القص أو بدونه (1،10). طرق أخرى مثل تعديل المونومر covulcanization  خاصة لراتنجات الألكاستر و اللدائن على التوالي. يمكن أن تحتوي المركبات النانوية على العديد من الهياكل (الشكل 3). 
    تشتمل المركبات النانوية البينية على التكتيكات مع تباعد الطبقات البيني الموسع ، لكن صالات الطين تحتوي على تباعد ثابت بين الطبقات. تتشكل المركبات النانوية المقشرة عندما تنفصل طبقات الطين الفردية عن اللباقة ويتم إما تفريقها عشوائيًا في البوليمر (مركب نانوي مضطرب) أو تركها في مصفوفة مرتبة. ينطوي تصنيع المركب النانوي على تحويل مورفولوجيا ميكروية غير متجانسة أولية إلى مورفولوجيا متجانسة على مقياس النانو. من حيث المبدأ ، بالنسبة للمركبات النانوية المصنوعة من الطين المقشر على النحو الأمثل ، يتم تحقيق التحسينات القصوى للخصائص الفيزيائية عند أقل من 4٪ من إضافة التشتت النانوي لطبقات سيليكات بسماكة 1 نانومتر بقطر يتراوح بين 20 و 500 نانومتر (1). يبدو أن هذه التحسينات ظاهرة عامة تتعلق بتوزيع الطبقات النانوية ، ولكن درجة تحسين الخاصية ليست عالمية لجميع البوليمرات. قد يؤدي محتوى الجسيمات النانوية أعلى من 4٪ إلى ضعف التشتت أو التكتل أو تشكيل اللباقة. وقد ثبت أن قوة التفاعلات بين البوليمر والسيليكات ، وكذلك حجم وصلابة الجسيمات غير العضوية ، تؤثر على مدى تعزيز الخاصية (18-20). من الناحية العملية ، قد لا يكون التقشير الكامل لجسيمات الطين في مصفوفة البوليمر قابلاً للتحقيق دائمًا وقد يتطلب محتوى طيني أعلى قليلاً لتحقيق أقصى تعزيز للخاصية.
    ↚

    توصيف المركبات النانوية

    السمة المميزة للمركبات النانوية السليكونية ذات الطبقات البوليمرية هي مورفولوجيتها ، حيث يمكن مقارنة سماكة الحشو بالصفائح غير العضوية بالمسافة بينهما ، وكلاهما من النانو. وبالتالي ، يعد التوصيف التفصيلي لمورفولوجيا النانو لكل من السليكات ذات الطبقات والبوليمر أمرًا بالغ الأهمية لإنشاء علاقات هيكلية وخصائص لهذه المواد. يتضمن وصف مورفولوجيا المركبات النانوية البوليمرية حيود الأشعة السينية واسعة الزاوية (XRD) والميكروسكوب الإلكتروني النافذ (TEM). الميكروسكوب مفيد لتوفير معلومات في الفضاء الحقيقي حول التوزيع المكاني للمراحل والهياكل. نظرًا للترتيب الدوري لطبقات السيليكات ، في كل من البكر والحالات المتقاربة ، فإن اختيار حيود الأشعة السينية في تحديد تباعد الطبقات البينية مناسب بشكل خاص. ومع ذلك ، في غياب التسجيل ، كما هو الحال في مركب نانوي متقشر أو ملوث ، وكذلك في مركب نانوي مضطرب ، لا تقدم XRD معلومات محددة فيما يتعلق ببنية المركب النانوي (21). من أجل توفير معلومات كمية في XRD النانوية الصامتة ، TEM هو تقنية مفيدة للغاية. يوفر TEM أيضًا معلومات حول تجانس المزج. يوضح الشكل 4 نموذج حيود الأشعة السينية واسع الزاوية النموذجي لهياكل نانوية مختلفة. ترتبط زاوية الورود (2θ) بمسافة الطبقة البينية بواسطة قانون براج. مع زيادة التباعد بين طبقات الطين من الهيكل غير المترابط (المفصول بالطور) إلى الهيكل المقوى ، تقل زاوية السقوط (2θ) للذروة الشديدة. لا يظهر الهيكل المقشر أي ذروة في اختلاف الأشعة السينية.
    يوضح الشكل 5 صورة مجهرية للإرسال النموذجي للنايلون 6 / Cloisite30B المعدل عضويًا (طين 5٪ بالوزن) نانو مركب (22). يظهر الهيكل المقشر والصفائح الطينية بسماكة النانومتر المشتتة في مصفوفة البوليمر واضحة للعيان. وقدرت درجة التقشير في هذه العينة بنسبة 94٪. يظهر أيضًا تكويد طيني مقشر جزئيًا في أسفل يمين الصورة. تعد الحالة الصلبة 1H و 13 C و 15 N و 29Si Magic Angle (MAS) الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) عند الترددات الخاصة تقنيات مفيدة أيضًا لتوصيف المركبات النانوية (23). المسح الحراري التفاضلي (DSC) ، التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والقياس الموسع هي بعض الأدوات المفيدة لدراسة سلوك التبلور والحركية بالإضافة إلى ذوبان سلوك الأشكال البلورية المختلفة من النانو المركب (24 ، 25).

    ↚

    الخصائص الميكانيكية

    عادةً ما تعمل المركبات التقليدية المصنوعة من البوليمر والطين على تحسين القوة والمعامل ، ولكنها غالبًا ما تضحي بالاستطالة والكثافة. ومع ذلك ، أظهرت المركبات النانوية المقشرة من الطين من أنظمة النايلون 6 والإيبوكسي تحسينات في جميع جوانب أدائها الميكانيكي (1). بالنسبة للمركبات النانوية الحقيقية ، يجب أن يتم تشتيت طبقات النانو الطينية بشكل موحد في مصفوفة البوليمر ، على عكس كونها ركامًا أو حُكْمَات أو مجرد استخفاف. يعمل التشتت الكامل للطبقات النانوية الطينية في البوليمر على زيادة عدد عناصر التعزيز المتاحة لحمل الحمل المطبق وتشويه الشقوق. الاقتران بين مساحة سطح هائلة من الطين (∼760 m2 / g) ومصفوفة البوليمر يسهل نقل الإجهاد إلى مرحلة التعزيز ، مما يسمح بتحسينات الشد والتشديد. الحشوات النانوية على شكل الصفائح الدموية لها سمك 1 نانومتر. 
    تتراوح نسب أبعادها (القطر / السُمك) من 10-1000 ومُحولات (الشباب) المرنة (170 جيغا باسكال) هي times 100 مرة من اللدائن الحرارية النموذجية (1-3 جيغا باسكال). علاوة على ذلك ، نظرًا لأن المجموعات الوظيفية لربط الهيدروجين لبعض البوليمرات مثل نايلون -6 قد تتفاعل مع صفائح السيليكات المشحونة سلبًا ، يمكن أن تكون الألفة بين مادة الحشو والمصفوفة جيدة إلى حد ما. يوضح الشكل 6 الزيادة في معامل الشد للنايلون نانو -6 مقابل محتوى الطين لمختلف الطبقات العضوية من شركة Southern Clay Products Inc. 
    يزداد معامل الشد بنسبة 52٪ فوق البوليمر النقي مع إضافة 5٪ فقط بالوزن من الصلصال العضوي Cloisite 30B. وبالمثل من الشكل 7 ، يمكن ملاحظة أنه بالنسبة للطين نفسه عند تحميل 5٪ ، يزيد ضغط الخضوع للنايلون -6 من 76 ميجا باسكال إلى 90 ميجا باسكال. يعتمد التحسين على نوع الطين وتحميل الطين. 
    تنشأ الخواص الميكانيكية الفائقة للمركبات النانوية النانوية من البنية المجهرية والتفاعلات القطبية ، وكذلك الميكانيكية الممتازة خصائص مثل قوة عالية ومعامل صفائح سيليكات. يحتوي المعدل العضوي للصلصال العضوي Cloisite 30B على مجموعتين هيدروكسيل لكل جزيء ، قادرة على تكوين روابط هيدروجينية قوية مع مصفوفة PA-6. لا يمتلك المعدّل العضوي Cloisite 15A مثل هذه المجموعات الوظيفية القادرة على تكوين روابط قوية مع مصفوفة البوليمر ، و Cloisite Na عبارة عن طين غير معالج مع كاتيونات الصوديوم بين صالات العرض.
    ↚

    خصائص الحاجز للمركبات النانوية

    تحتوي المركبات النانوية على خصائص حاجزة محسنة ضد الأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والبنزين وما إلى ذلك (26-28) ، لأن الصفائح الصلصالية نفسها غير منفذة. تؤدي الصفائح الدموية المتفرقة من صفائح السيليكات إلى المسار الملتوي للجزيئات المتخلفة عبر مصفوفة البوليمر. إن انخفاض نفاذية الغاز والسائل يجعل المواد النانوية مواد غشاء جذابة. يوضح الشكل 8 انخفاض نفاذية الأكسجين للنايلون عن طريق دمج الصلصال العضوي Cloisite 30B لتكوين مركبات نانوية (22). يتم تقليل نفاذية الأكسجين من خلال مصفوفة النايلون 6 من 0.9 إلى 0.2 (cc.mm/m2.day.atm) عن طريق دمج 5٪ بالوزن من الصلصال العضوي. في حالة البوليسترين / كلوازيت 10 أ النانوية المركبة ، تنخفض نفاذية الأكسجين من 106 إلى 75 (cc.mm/m2.day.atm) بإضافة 3.5٪ بالوزن من الطين.

    مستقبل المركبات النانوية

    كان نايلون -6 أول بوليمر يستخدم في تطوير المركبات النانوية منذ أكثر من 15 عامًا. تم توسيع استخدام الخلايا العضوية كسلائف لتكوين المركبات النانوية في أنظمة البوليمر المختلفة (29) ، والتي تشمل الإيبوكسي والبولي يوريثين والبوليميد والمطاط النتري والبوليستر والبولي بروبيلين والبوليسترين والبولي سيلوكسان. لقد انتشرت الأنشطة التنموية في جميع مناطق العالم. وتركز بعض البرامج على البولي بروبلين والبوليستر والبولي فينيل كلوريد والأكريليك والبوليسترين ومجموعة من اللدائن وكذلك اللدائن الحرارية التقليدية. تقدر صناعة المركبات النانوية الحالية بقيمة 311 مليون دولار أمريكي (30). يبلغ حجم السوق العالمية للمركبات النانوية 1300 طن ، منها 900 طن من المنتجات المقواة بالنانو (31). تظهر توقعات السوق أن الطلب سينمو. سيصل السوق إلى ما يقرب من نصف مليون طن في عام 2009 ، 80٪ منها ستكون عبارة عن مركبات نانوية مدعمة بالنانو. سيصل الطلب على المركبات النانوية الأمريكية وحدها إلى 0.6 مليون طن بحلول عام 2015. وسيكون النمو الأولي في الراتنجات ذات الأسعار الأعلى مثل اللدائن الهندسية واللدائن الحرارية ، ولكن في النهاية ستهيمن المركبات النانوية القائمة على اللدائن السلعية.
    وستكون التطبيقات الرئيسية للمركبات النانوية هي مكونات السيارات ، والتعبئة ، والأجهزة ، والأجزاء الكهربائية / الإلكترونية ، ومنتجات البناء والتشييد. تشمل اللاعبين الرئيسيين في مجال المركبات النانوية البوليمرية والطينية حاليًا باير ، هانيويل بوليمر ، شركة RTP ، تويوتا موتورز ، Ube ، Unitika ، Basell ، General Motors ، Southern Clay Products ، Mitsubishi Gas Chemical Company ، Noble Polymer ، Nanocor ، Elementis Specialities ، PolyOne Corporation ، Clariant Corporation ، Sud-Chemie . 
    هناك العديد من منتجي البوليمر والطين والمواد المتخصصة على استعداد للدخول في هذا المجال الناشئ. تعتبر المركبات النانوية البوليمرية القائمة على طبقات من السليكات جذابة ليس فقط لإمكاناتها الواضحة كمواد تكنولوجية ، ولكن أيضًا لتوفير نظام ماكروسكوبي مناسب لدراسة القضايا العلمية الأساسية المتعلقة بالبوليمرات المحصورة والمربوطة. يمكن أن تؤدي دراسة تكوين وبنية وديناميكيات المركبات النانوية إلى فهم أفضل للهجن والبوليمرات غير العضوية العضوية في بيئة محصورة أو في واجهة صلبة.
    ↚

    الاستنتاجات

    المركبات النانوية المصنوعة من البوليمر / الصلصال هي فئة جديدة ناشئة من المواد. يمكن أن يكون بوليمر المصفوفة في هذه المواد متنوعًا. لديهم تحسين غير مسبوق في الخصائص الميكانيكية والحاجز مع عدم وجود زيادة كبيرة في الكثافة ، حيث أن تحميل الحشو هو فقط 2 إلى 5 ٪ بالوزن. هناك قدر كبير من الاهتمام البحثي بهذه المواد في جميع أنحاء العالم والتكنولوجيا على وشك أن يتم تسويقها. تمتلك هذه المواد إمكانات كبيرة في استبدال المركبات التقليدية والبلاستيك والأجزاء المعدنية في السيارات والتعبئة والتطبيقات الكهربائية / الإلكترونية ومواد البناء والتشييد.

    المراجع :

    الموضوع هو ترجمة لبحث “Polymer/Clay Nanocomposites: An Emerging Material Class“
    نيتين بورس الجبيل الصناعية ، الهندسة الكيميائية ومعالجة العمليات. قسم التكنولوجيا Nitin.Borse@gmail.com
    كلية تريفور هتلي الجبيل الصناعية ، الهندسة الكيميائية ومعالجة العمليات. قسم التكنولوجيا Trevor.Hutley@gmail.com
    المراجع المستخدمة فى البحث :
    1. T. J. Pinavia, S. W. Beall, Polymer-Clay Nanocomposites, John Wiley and Sons Inc., New York (2001). 
    2. Y. Fukushima, S. Inagaki, Journal of Inclusion Phenomenon, 5(4), 473 (1987). 
    3. Y. Kojima, A. Usuki, M. Kawasumi, A. Okada, Y Fukushima, T. Kurauchi, O. Kamigaito, J. Mater. Res., 8, 1185 (1993). 
    4. Y. Kojima, A. Usuki, M. Kawasumi, A. Okada, T. Kurauchi, O. Kamigaito, J. Appl. Polym. Sci., 49, 1259 (1993). 
    5. R . F . G i ese , C . J . van Oss , Colloid and Surface Properties of Clays and Related Minerals, Marcel Dekker Inc., New York (2002). 
    6. K. Yano, A. Usuki, T. Karauchi, O. Kamigaito, J. Polym. Sci., Part A:Polym. Chem., 31, 2493 (1993). 
    7. Y. Kojima, A. Usuki, M. Kawasumi, A. Okada, T. Karauchi, O. Kamigaito, J. Polym. Sci., Part A:Polym. Chem., 31, 1755 (1993). 
    8. A. N. Goldstein, Handbook of Nanophase Materials, Marcel Dekker Inc., New York (1997). 
    9. R. G. Horn, J. N. Israelachvili, Macromolecules, 21, 2836 (1988). 
    10. P. M. Ajayan, L. S. Schadler, P. V. Braun, Nanocomposite Science and Technology, Wiley-VCH GmBH & Co. KGaA, Weinheim (2003). 
    11. A. Okada, A. Usuki, T. Karauchi, O. Kamigaito, Hybrid Organic-inorganic composites, ACS Symposium Series (Editors J.E. Mark, C.Y-C Lee, P.A. Bianconi ) 585, Washington D. C. (1995). 
    12.  D. C. Lee, L. W. Jan, Appl. Polym. Sci., 61, 1117 (1996). 
    13. M. G. Kanatzidis, L. M. Tonge, R. J. Marks, M. O. Marcy, C. R. Kannewurf, J. Am. Chem. Soc., 109, 3797 (1987). 
    14.  M. W. Weiner, H. Chen, E. P. Giannelis, D. Y. Sogan, J. Am. Chem. Soc., 121, 1615 (1999). 
    15. L. Biasci, M. Aglietto, G, Ruggeri, F. Ciardelli, Polymer, 35, 3296 (1994). 
    16. D. Choo, L. W. Jang, J. Appl. Polym. Sci., 61, 1117 (1996).
    17. Y. Kojima, K. Fukumori, A. Usuki, A. Okada, T. Kurauchi, J. Mater. Sci. Lett., 12, 889 (1993). 
    18. A. Okada, A. Usuki, Mater. Sci. Eng. C, 3, 109 (1995).
    19. R. Krishnamoorti, E. P. Giannelis, Macromolecules, 30, 4097 (1997). 
    20. K. Yano, A. Usuki, A. Okada, J. Polym. Sci. Part A, Polym. Chem., 35, 2289 (1997).
    21. E. P. Giannelis, R. Krishnamoorti, E. Manias, Adv. Polym. Sci., 138, 107 (1999). 
    22. N. K. Borse, Ph.D. Thesis, McGill University, Chemical Eng. Dept., Montreal, Canada (2005). 
    23. A. Usuki, A. Koiwai, Y. Kojma, M. Kawasumi, A. Okada, Y. T. Kurauchi, O. Kamigaito, J. Appl. Poly. Sci., 55, 119 (1995). 
    24. M. R. Kamal, N. K. Borse, A. Garcia-Rejon, Polym. Eng. Sci., 42, 1883 (2002).
    25. N. K. Borse, M. R. Kamal, S. Hasni, ANTEC-SPE, 61, 1413 (2003).
    26. K. Akkapeddi, E. Socci, T. Kraft, J. Facinelli, D. Worley, ANTEC-SPE, 61, 3845 (2003).
    27. C. A. Koch, J. R. Akhave, R. K. Bharadwaj, US Patent 2004053037 A1 (2004). 
    28. C. Mueller, R. Kaas, B. Fillon, S. Tournier, J-J Lerda, Patent WO 2001087566 (2001). 
    29. P. C. LeBaron, Z. Wang, T. J. Pinnavia, Applied Clay Science, 15, 11 (1999).
    30.  http://freedonia.ecnext.com 
    31. http://www.principiaconsulting.com
    32.  http://www.nanocompositech.com/commercialnanocomposites-nanoclays.htm 

    دورة كاملة TensorFlow 2.0 - Python Neural Networks للمبتدئين مجانا

    دورة كاملة TensorFlow 2.0 - Python Neural Networks للمبتدئين مجانا

    يعد TensorFlow أحد أشهر منصات التعلم الآلي — وهو مصدر مفتوح بالكامل. مع TensorFlow 2.0 ، لم يكن من السهل أبدًا إنشاء نماذج تعلم الآلة ونشرها.
    لقد تم إصدار دورة TensorFlow 2.0 لمدة 7 ساعات على قناة “YouTube freeCodeCamp.org“. تم تصميم الدورة لمبرمجي Python الذين يتطلعون إلى تعزيز معرفتهم ومهاراتهم في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي.
    لن تعلمك هذه الدورة فقط كيفية استخدام TensorFlow ، بل ستمنحك أيضًا نظرة عامة رائعة على التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي.

    ما هو محتوى دورة TensorFlow 2.0 ؟

    منشئ هذه الدورة هو Tim Ruscica ، المعروف بقناته الشهيرة “Tech With Tim” على YouTube. من خلال ثماني وحدات ، يغطي Tim المفاهيم والأساليب الأساسية في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي مثل:
    1. خوارزميات التعلم الأساسية ،
    2. التعلم العميق مع الشبكات العصبية ،
    3. رؤية الكمبيوتر مع الشبكات العصبية التلافيفية ،
    4. معالجة اللغة الطبيعية مع الشبكات العصبية المتكررة ،
    5. وتعزيز التعلم.
    للتوافق مع شرح الفيديو من هذه الدورة ، هناك ستة ملفات Jupyter مليئة بالمعلومات. تحتوي هذه الملفات على ملاحظات وتعليمات ورسوم بيانية شاملة. كما أنها تتضمن جميع التعليمات البرمجية المستخدمة في الدورة التدريبية بحيث يمكنك بسهولة تجربة الرمز بنفسك. ويمكنك الوصول إلى الملفات الموجودة في Google Colaboratory ، مما يتيح لك تشغيل جميع التعليمات البرمجية في متصفحك.

    ما سوف اتعلمه من دورة دورة TensorFlow 2.0

    بعد الانتهاء من هذه الدورة ، سيكون لديك معرفة شاملة بالتقنيات الأساسية في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي ولديك المهارات اللازمة لتطبيق هذه التقنيات على مجموعات البيانات الخاصة بك.

    وحدات دورة دورة TensorFlow 2.0 :

    الوحدة 1: أساسيات التعلم الآلي
    تغطي الوحدة الأولى الفرق بين الذكاء الاصطناعي والشبكات العصبية والتعلم الآلي. ستوفر أساسيات التعلم الآلي الموضحة في هذه الوحدة الأساس لبقية الدورة التدريبية.
    الوحدة 2: مقدمة في TensorFlow
    تقدم هذه الوحدة مقدمة عامة عن TensorFlow. سوف تتعلم ما هو Tensor وستتعلم الأشكال وتمثيل البيانات. ستتعلم أيضًا كيفية عمل TensorFlow على مستوى أقل.
    بينما يمكنك إنشاء نماذج تعلُّم الآلة دون معرفة كيفية عمل كل شيء ، فإن الفهم المتعمق يجعل من السهل تعديل النماذج والحصول على أفضل النتائج.
    الوحدة 3: خوارزميات التعلم الأساسية
    ستتعلم أربعة من خوارزميات التعلم الآلي الأساسية. سيتم تطبيق كل من الخوارزميات على المشكلات وقواعد البيانات الفريدة، الخوارزميات المشمولة هي:
    • Linear regression
    • Classification
    • Clustering
    • Hidden Markov models
    الوحدة 4: الشبكات العصبية مع TensorFlow
    في هذه الوحدة سوف تتعلم كيف تعمل الشبكات العصبية والرياضيات وراءها. سوف تتعلم عن الانتشار العكسي ، وكيفية تدفق المعلومات عبر الشبكة العصبية.
    في الجزء الثاني من الوحدة ، سترى كيفية إنشاء شبكة عصبية مع Karas لتصنيف سلع الملابس.
    الوحدة 5: الرؤية العميقة للكمبيوتر – الشبكات العصبية التلافيفية
    ستعلم هذه الوحدة كيفية استخدام شبكة عصبية تلافيفية لإجراء تصنيف للصور وكشف / التعرف على الأشياء. سوف تتعلم المفاهيم التالية:
    1. Image data
    2. Convolutional layers
    3. Pooling layers
    4. CNN architectures
    الوحدة 6: معالجة اللغة الطبيعية مع RNNs
    معالجة اللغات الطبيعية (NLP للفرز) هو نظام في الحوسبة يتعامل مع التواصل بين اللغات الطبيعية (البشرية) ولغات الكمبيوتر. مثال شائع على البرمجة اللغوية العصبية هو شيء مثل التدقيق الإملائي أو الإكمال التلقائي.
    تقدم هذه الوحدة نوعًا جديدًا من الشبكة العصبية يسمى الشبكة العصبية المتكررة (RNN للاختصار). تُستخدم هذه الشبكات غالبًا في البرمجة اللغوية العصبية.
    سوف تتعلم كيفية استخدام RNN لتحليل المشاعر وتوليد الشخصية.
    الوحدة 7: تعزيز التعلم مع Q-Learning
    في هذه الوحدة سوف تتعلم عن التعلم التعزيزي.
    تختلف هذه التقنية عن العديد من تقنيات التعلم الآلي الأخرى التي تمت تغطيتها سابقًا في الدورة. بدلاً من تغذية نموذج تعلُّم الآلة الذي نقدمه بملايين الأمثلة ، تركنا نموذجنا يأتي بأمثلة خاصة به من خلال استكشاف البيئة.
    ستتعلم كيفية إنشاء نموذج للتعلم الآلي باستخدام التعلم المعزز.
    الوحدة 8: الخلاصة والخطوات التالية
    في الوحدة النهائية ، ستتعرف على الخطوات التالية لمعرفة المزيد حول TensorFlow وتعلم الآلة
    حان وقت البدء فى الدورة :
    إذا كنت مستعدًا لبدء التعرف على TensorFlow وتعلم الآلة ، فتابع الدورة التدريبية أدناه أو على قناة YouTube freeCodeCamp.org.

    يعد TensorFlow أحد أشهر منصات التعلم الآلي — وهو مصدر مفتوح بالكامل. مع TensorFlow 2.0 ، لم يكن من السهل أبدًا إنشاء نماذج تعلم الآلة ونشرها.
    لقد تم إصدار دورة TensorFlow 2.0 لمدة 7 ساعات على قناة “YouTube freeCodeCamp.org“. تم تصميم الدورة لمبرمجي Python الذين يتطلعون إلى تعزيز معرفتهم ومهاراتهم في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي.
    لن تعلمك هذه الدورة فقط كيفية استخدام TensorFlow ، بل ستمنحك أيضًا نظرة عامة رائعة على التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي.

    ما هو محتوى دورة TensorFlow 2.0 ؟

    منشئ هذه الدورة هو Tim Ruscica ، المعروف بقناته الشهيرة “Tech With Tim” على YouTube. من خلال ثماني وحدات ، يغطي Tim المفاهيم والأساليب الأساسية في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي مثل:
    1. خوارزميات التعلم الأساسية ،
    2. التعلم العميق مع الشبكات العصبية ،
    3. رؤية الكمبيوتر مع الشبكات العصبية التلافيفية ،
    4. معالجة اللغة الطبيعية مع الشبكات العصبية المتكررة ،
    5. وتعزيز التعلم.
    للتوافق مع شرح الفيديو من هذه الدورة ، هناك ستة ملفات Jupyter مليئة بالمعلومات. تحتوي هذه الملفات على ملاحظات وتعليمات ورسوم بيانية شاملة. كما أنها تتضمن جميع التعليمات البرمجية المستخدمة في الدورة التدريبية بحيث يمكنك بسهولة تجربة الرمز بنفسك. ويمكنك الوصول إلى الملفات الموجودة في Google Colaboratory ، مما يتيح لك تشغيل جميع التعليمات البرمجية في متصفحك.

    ما سوف اتعلمه من دورة دورة TensorFlow 2.0

    بعد الانتهاء من هذه الدورة ، سيكون لديك معرفة شاملة بالتقنيات الأساسية في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي ولديك المهارات اللازمة لتطبيق هذه التقنيات على مجموعات البيانات الخاصة بك.

    وحدات دورة دورة TensorFlow 2.0 :

    الوحدة 1: أساسيات التعلم الآلي
    تغطي الوحدة الأولى الفرق بين الذكاء الاصطناعي والشبكات العصبية والتعلم الآلي. ستوفر أساسيات التعلم الآلي الموضحة في هذه الوحدة الأساس لبقية الدورة التدريبية.
    الوحدة 2: مقدمة في TensorFlow
    تقدم هذه الوحدة مقدمة عامة عن TensorFlow. سوف تتعلم ما هو Tensor وستتعلم الأشكال وتمثيل البيانات. ستتعلم أيضًا كيفية عمل TensorFlow على مستوى أقل.
    بينما يمكنك إنشاء نماذج تعلُّم الآلة دون معرفة كيفية عمل كل شيء ، فإن الفهم المتعمق يجعل من السهل تعديل النماذج والحصول على أفضل النتائج.
    الوحدة 3: خوارزميات التعلم الأساسية
    ستتعلم أربعة من خوارزميات التعلم الآلي الأساسية. سيتم تطبيق كل من الخوارزميات على المشكلات وقواعد البيانات الفريدة، الخوارزميات المشمولة هي:
    • Linear regression
    • Classification
    • Clustering
    • Hidden Markov models
    الوحدة 4: الشبكات العصبية مع TensorFlow
    في هذه الوحدة سوف تتعلم كيف تعمل الشبكات العصبية والرياضيات وراءها. سوف تتعلم عن الانتشار العكسي ، وكيفية تدفق المعلومات عبر الشبكة العصبية.
    في الجزء الثاني من الوحدة ، سترى كيفية إنشاء شبكة عصبية مع Karas لتصنيف سلع الملابس.
    الوحدة 5: الرؤية العميقة للكمبيوتر – الشبكات العصبية التلافيفية
    ستعلم هذه الوحدة كيفية استخدام شبكة عصبية تلافيفية لإجراء تصنيف للصور وكشف / التعرف على الأشياء. سوف تتعلم المفاهيم التالية:
    1. Image data
    2. Convolutional layers
    3. Pooling layers
    4. CNN architectures
    الوحدة 6: معالجة اللغة الطبيعية مع RNNs
    معالجة اللغات الطبيعية (NLP للفرز) هو نظام في الحوسبة يتعامل مع التواصل بين اللغات الطبيعية (البشرية) ولغات الكمبيوتر. مثال شائع على البرمجة اللغوية العصبية هو شيء مثل التدقيق الإملائي أو الإكمال التلقائي.
    تقدم هذه الوحدة نوعًا جديدًا من الشبكة العصبية يسمى الشبكة العصبية المتكررة (RNN للاختصار). تُستخدم هذه الشبكات غالبًا في البرمجة اللغوية العصبية.
    سوف تتعلم كيفية استخدام RNN لتحليل المشاعر وتوليد الشخصية.
    الوحدة 7: تعزيز التعلم مع Q-Learning
    في هذه الوحدة سوف تتعلم عن التعلم التعزيزي.
    تختلف هذه التقنية عن العديد من تقنيات التعلم الآلي الأخرى التي تمت تغطيتها سابقًا في الدورة. بدلاً من تغذية نموذج تعلُّم الآلة الذي نقدمه بملايين الأمثلة ، تركنا نموذجنا يأتي بأمثلة خاصة به من خلال استكشاف البيئة.
    ستتعلم كيفية إنشاء نموذج للتعلم الآلي باستخدام التعلم المعزز.
    الوحدة 8: الخلاصة والخطوات التالية
    في الوحدة النهائية ، ستتعرف على الخطوات التالية لمعرفة المزيد حول TensorFlow وتعلم الآلة
    حان وقت البدء فى الدورة :
    إذا كنت مستعدًا لبدء التعرف على TensorFlow وتعلم الآلة ، فتابع الدورة التدريبية أدناه أو على قناة YouTube freeCodeCamp.org.

    يعد TensorFlow أحد أشهر منصات التعلم الآلي — وهو مصدر مفتوح بالكامل. مع TensorFlow 2.0 ، لم يكن من السهل أبدًا إنشاء نماذج تعلم الآلة ونشرها.
    لقد تم إصدار دورة TensorFlow 2.0 لمدة 7 ساعات على قناة “YouTube freeCodeCamp.org“. تم تصميم الدورة لمبرمجي Python الذين يتطلعون إلى تعزيز معرفتهم ومهاراتهم في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي.
    لن تعلمك هذه الدورة فقط كيفية استخدام TensorFlow ، بل ستمنحك أيضًا نظرة عامة رائعة على التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي.

    ما هو محتوى دورة TensorFlow 2.0 ؟

    منشئ هذه الدورة هو Tim Ruscica ، المعروف بقناته الشهيرة “Tech With Tim” على YouTube. من خلال ثماني وحدات ، يغطي Tim المفاهيم والأساليب الأساسية في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي مثل:
    1. خوارزميات التعلم الأساسية ،
    2. التعلم العميق مع الشبكات العصبية ،
    3. رؤية الكمبيوتر مع الشبكات العصبية التلافيفية ،
    4. معالجة اللغة الطبيعية مع الشبكات العصبية المتكررة ،
    5. وتعزيز التعلم.
    للتوافق مع شرح الفيديو من هذه الدورة ، هناك ستة ملفات Jupyter مليئة بالمعلومات. تحتوي هذه الملفات على ملاحظات وتعليمات ورسوم بيانية شاملة. كما أنها تتضمن جميع التعليمات البرمجية المستخدمة في الدورة التدريبية بحيث يمكنك بسهولة تجربة الرمز بنفسك. ويمكنك الوصول إلى الملفات الموجودة في Google Colaboratory ، مما يتيح لك تشغيل جميع التعليمات البرمجية في متصفحك.

    ما سوف اتعلمه من دورة دورة TensorFlow 2.0

    بعد الانتهاء من هذه الدورة ، سيكون لديك معرفة شاملة بالتقنيات الأساسية في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي ولديك المهارات اللازمة لتطبيق هذه التقنيات على مجموعات البيانات الخاصة بك.

    وحدات دورة دورة TensorFlow 2.0 :

    الوحدة 1: أساسيات التعلم الآلي
    تغطي الوحدة الأولى الفرق بين الذكاء الاصطناعي والشبكات العصبية والتعلم الآلي. ستوفر أساسيات التعلم الآلي الموضحة في هذه الوحدة الأساس لبقية الدورة التدريبية.
    الوحدة 2: مقدمة في TensorFlow
    تقدم هذه الوحدة مقدمة عامة عن TensorFlow. سوف تتعلم ما هو Tensor وستتعلم الأشكال وتمثيل البيانات. ستتعلم أيضًا كيفية عمل TensorFlow على مستوى أقل.
    بينما يمكنك إنشاء نماذج تعلُّم الآلة دون معرفة كيفية عمل كل شيء ، فإن الفهم المتعمق يجعل من السهل تعديل النماذج والحصول على أفضل النتائج.
    الوحدة 3: خوارزميات التعلم الأساسية
    ستتعلم أربعة من خوارزميات التعلم الآلي الأساسية. سيتم تطبيق كل من الخوارزميات على المشكلات وقواعد البيانات الفريدة، الخوارزميات المشمولة هي:
    • Linear regression
    • Classification
    • Clustering
    • Hidden Markov models
    الوحدة 4: الشبكات العصبية مع TensorFlow
    في هذه الوحدة سوف تتعلم كيف تعمل الشبكات العصبية والرياضيات وراءها. سوف تتعلم عن الانتشار العكسي ، وكيفية تدفق المعلومات عبر الشبكة العصبية.
    في الجزء الثاني من الوحدة ، سترى كيفية إنشاء شبكة عصبية مع Karas لتصنيف سلع الملابس.
    الوحدة 5: الرؤية العميقة للكمبيوتر – الشبكات العصبية التلافيفية
    ستعلم هذه الوحدة كيفية استخدام شبكة عصبية تلافيفية لإجراء تصنيف للصور وكشف / التعرف على الأشياء. سوف تتعلم المفاهيم التالية:
    1. Image data
    2. Convolutional layers
    3. Pooling layers
    4. CNN architectures
    الوحدة 6: معالجة اللغة الطبيعية مع RNNs
    معالجة اللغات الطبيعية (NLP للفرز) هو نظام في الحوسبة يتعامل مع التواصل بين اللغات الطبيعية (البشرية) ولغات الكمبيوتر. مثال شائع على البرمجة اللغوية العصبية هو شيء مثل التدقيق الإملائي أو الإكمال التلقائي.
    تقدم هذه الوحدة نوعًا جديدًا من الشبكة العصبية يسمى الشبكة العصبية المتكررة (RNN للاختصار). تُستخدم هذه الشبكات غالبًا في البرمجة اللغوية العصبية.
    سوف تتعلم كيفية استخدام RNN لتحليل المشاعر وتوليد الشخصية.
    الوحدة 7: تعزيز التعلم مع Q-Learning
    في هذه الوحدة سوف تتعلم عن التعلم التعزيزي.
    تختلف هذه التقنية عن العديد من تقنيات التعلم الآلي الأخرى التي تمت تغطيتها سابقًا في الدورة. بدلاً من تغذية نموذج تعلُّم الآلة الذي نقدمه بملايين الأمثلة ، تركنا نموذجنا يأتي بأمثلة خاصة به من خلال استكشاف البيئة.
    ستتعلم كيفية إنشاء نموذج للتعلم الآلي باستخدام التعلم المعزز.
    الوحدة 8: الخلاصة والخطوات التالية
    في الوحدة النهائية ، ستتعرف على الخطوات التالية لمعرفة المزيد حول TensorFlow وتعلم الآلة
    حان وقت البدء فى الدورة :
    إذا كنت مستعدًا لبدء التعرف على TensorFlow وتعلم الآلة ، فتابع الدورة التدريبية أدناه أو على قناة YouTube freeCodeCamp.org.

    تنمية بشرية: السر لاحتراف فن التواصل مع الأخرين

    تنمية بشرية: السر لاحتراف فن التواصل مع الأخرين

    الكثير منا يجد صعوبة فى التواصل مع الغير،وذلك لاسباب متعددة مثلا:
    لعدم الثقة بالنفس او عدم القدرة على التعبير وفهم الاخرين او اسباب اخرى وهى الخوف من رد فعل الاخرين من الاختلاف معهم فى الراى والبعض لايمتلك القدرة على التواصل مع الاخرين وكيفية اقامة حوار معهم.
    لذلك فى هذا الفيديو سوف نوضح لك كيفية احتراف التواصل مع الغير “لأحمد حجير”

    الكثير منا يجد صعوبة فى التواصل مع الغير،وذلك لاسباب متعددة مثلا:
    لعدم الثقة بالنفس او عدم القدرة على التعبير وفهم الاخرين او اسباب اخرى وهى الخوف من رد فعل الاخرين من الاختلاف معهم فى الراى والبعض لايمتلك القدرة على التواصل مع الاخرين وكيفية اقامة حوار معهم.
    لذلك فى هذا الفيديو سوف نوضح لك كيفية احتراف التواصل مع الغير “لأحمد حجير”

    الكثير منا يجد صعوبة فى التواصل مع الغير،وذلك لاسباب متعددة مثلا:
    لعدم الثقة بالنفس او عدم القدرة على التعبير وفهم الاخرين او اسباب اخرى وهى الخوف من رد فعل الاخرين من الاختلاف معهم فى الراى والبعض لايمتلك القدرة على التواصل مع الاخرين وكيفية اقامة حوار معهم.
    لذلك فى هذا الفيديو سوف نوضح لك كيفية احتراف التواصل مع الغير “لأحمد حجير”

    الاشتراك في: الرسائل (Atom)