पॉलिमर मैट्रिक्स समग्र

पदार्थ विज्ञान में, एक बहुलक मैट्रिक्स सम्मिश्र (पीएमसी) कार्बनिक बहुलक के एक मैट्रिक्स (समग्र) द्वारा एक साथ बंधे हुए विभिन्न छोटे या निरंतर फाइबर से बना एक सम्मिश्र पदार्थ है। पीएमसी को मैट्रिक्स के तंतुओं के बीच संरचनात्मक भार को स्थानांतरित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। पीएमसी के कुछ लाभ में उनका हल्का भार, घर्षण (यांत्रिक) और जंग के लिए उच्च प्रतिरोध, और उनके प्रबलीकरण की दिशा में उच्च संदृढ़ता और अंतिम तन्य क्षमता सम्मलित होती हैं।

मैट्रिक्स सामग्री
पीएमसी में मैट्रिक्स का कार्य तंतुओं को एक साथ बांधना और उनके बीच भार स्थानांतरित करना है। पीएमसी मेट्रिसेस सामान्यतः या तो थर्मोसेट्स या थर्मोप्लास्टिक्स होते हैं। थर्मोसेट्स आज तक उपयोग में आने वाले प्रमुख प्रकार हैं। थर्मोसेट्स को एपॉक्सी, फेनोलिक्स, पॉलीयुरेथेनेस और पॉलीइमाइड्स सहित कई राल प्रणालियों में विभाजित किया गया है। इनमें से, एपॉक्सी प्रणाली वर्तमान में उन्नत समग्र उद्योग पर हावी हैं।

थर्मोसेट्स
थर्मोसेट रेजिन को एक प्रबलन करने वाली पदार्थ पर एक संसाधन कर्मक या कठोर और संसेचन के अतिरिक्त की आवश्यकता होती है, इसके बाद उपचारित या तैयार भाग का उत्पादन करने के लिए संसाधन कदम उठाने होते है। एक बार ठीक हो जाने के बाद, परिष्करण को छोड़कर भाग को बदला या सुधारा नहीं जा सकता। कुछ अधिक सामान्य थर्मोसेट्स में एपॉक्सी, पॉलीयुरेथेन, फेनोलिक और अमीनो रेजिन, बिस्मेलीमाइड्स (बीएमआई, पॉलीइमाइड्स), पॉलियामाइड्स सम्मलित हैं।

इनमें से, एपॉक्सी उद्योग में सबसे अधिक उपयोग किए जाते हैं। अमेरिकी उद्योग में 40 से अधिक वर्षों से एपॉक्सी रेजिन का उपयोग किया जा रहा है। एपॉक्सी यौगिकों को ग्लाइसीडिल यौगिकों के रूप में भी जाना जाता है। राल उत्पादों की एक विस्तृत विविधता बनाने के लिए एपॉक्सी अणु को अन्य अणुओं के साथ विस्तारित या क्रॉस-लिंक भी किया जा सकता है, प्रत्येक विशिष्ट प्रदर्शन विशेषताओं के साथ। ये रेजिन कम श्यानता वाले द्रव से लेकर उच्च-आणविक भार वाले ठोस तक होते हैं। सामान्यतः वे उच्च श्यानता वाले द्रव पदार्थ होते हैं।

एक उन्नत समग्र प्रणाली के आवश्यक अवयवों में से दूसरा संसाधन कर्मक या कठोरकारक होते है। ये यौगिक बहुत महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे प्रतिक्रिया दर को नियंत्रित करते हैं और तैयार भाग की प्रदर्शन विशेषताओं को निर्धारित करते हैं। चूंकि ये यौगिक प्रतिक्रिया के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं, इसलिए उनके अणुओं पर सक्रिय साइटें होनी चाहिए। उन्नत समग्र उद्योग में सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले संसाधन कर्मकों में से कुछ सुगंधित एमाइन हैं। सबसे सामान्य में से दो मेथिलीन-डायनिलाइन (एमडीए) और सल्फोनील्डियानिलिन (डीडीएस) हैं। सीआईसी-सीआईसी मैट्रिक्स सम्मिश्र एक उच्च तापमान सिरेमिक मैट्रिक्स हैं जो एक सीआईसी मैट्रिक्स बनाने के लिए एक रेशेदार पूर्वनिर्माण में अंतःसंचारण करने के लिए प्रीसेरामिक बहुलक (पॉलीमेरिक सीआईसी पूर्ववर्ती) से संसाधित होते हैं।

उन्नत समग्र उद्योग में कई अन्य प्रकार के संसाधन कर्मकों का भी उपयोग किया जाता है। इनमें एलिफैटिक और साइक्लोलाइफैटिक एमाइन, पॉलीएमिनोमाइड्स, एमाइड्स और एनहाइड्राइड्स सम्मलित हैं। फिर से, संसाधन कर्मक का चुनाव तैयार भाग के लिए वांछित संसाधन और कार्य विशेषताओं पर निर्भर करता है। पॉलीयुरेथेनेस उन्नत समग्र प्रक्रियाओं में उपयोग किए जाने वाले रेजिन का एक और समूह है। ये यौगिक एक आइसोसाइनेट यौगिक के साथ पॉलीओल घटक की प्रतिक्रिया करके बनते हैं, सामान्यतः टोल्यूनि डायसोसायनेट (TDI); मेथिलीन डायसोसायनेट (एमडीआई) और हेक्सामेथिलीन डायसोसायनेट (एचडीआई) का भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। फेनोलिक और अमीनो रेजिन पीएमसी रेजिन का एक और समूह है। बिस्मेलिमाइड्स और पॉलियामाइड्स उन्नत समग्र उद्योग के सापेक्ष नवागंतुक हैं और अन्य रेजिन की सीमा तक अध्ययन नहीं किया गया है।

थर्माप्लास्टिक
थर्माप्लास्टिक वर्तमान में पीएमसी उद्योग के अपेक्षाकृत छोटे हिस्से का प्रतिनिधित्व करता है। उन्हें सामान्यतः गैर-प्रतिक्रियाशील ठोस (प्रसंस्करण के समय कोई रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं होती) के रूप में आपूर्ति की जाती है और तैयार भाग बनाने के लिए केवल गर्मी और दबाव की आवश्यकता होती है। थर्मोसेट्स के विपरीत, थर्मोप्लास्टिक्स को सामान्यतः फिर से गर्म किया जा सकता है और वांछित होने पर दूसरे आकार में पुनःसंभावित किया जा सकता है।

फाइबर
फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक पीएमसी में मात्रा के हिसाब से लगभग 60 प्रतिशत प्रबलित फाइबर होता है। सामान्यतः पीएमसी के भीतर पाए जाने वाले और उपयोग किए जाने वाले फाइबर में फाइबरग्लास, ग्रेफाइट और अरैमिड सम्मलित होते हैं। शीसे रेशा में अपेक्षाकृत कम कठोरता होती है, साथ ही अन्य तंतुओं की तुलना में प्रतिस्पर्धी तन्य शक्ति प्रदर्शित होती है। शीसे रेशा की लागत भी अन्य तंतुओं की तुलना में नाटकीय रूप से कम है, यही कारण है कि शीसे रेशा सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले फाइबर में से एक है। प्रबलित तंतुओं में उनकी चौड़ाई के अतिरिक्त उनकी लंबाई के साथ उनके उच्चतम यांत्रिक गुण होते हैं। इस प्रकार, अनुप्रयोग के आधार पर विभिन्न भौतिक गुणों और लाभों को प्रदान करने के लिए प्रबलिंग तंतुओं को विभिन्न रूपों और दिशाओं में व्यवस्थित और उन्मुख किया जा सकता है।

कार्बन नैनोट्यूब
फाइबर-प्रबलित पीएमसी के विपरीत, नैनो सामग्री प्रबलित पीएमसी बहुत कम (2% से कम मात्रा) लोडिंग पर यांत्रिक गुणों में महत्वपूर्ण सुधार प्राप्त करने में सक्षम हैं। विशेष रूप से कार्बन नैनोट्यूब का उनके असाधारण आंतरिक यांत्रिक गुणों और कम घनत्व के कारण गहन अध्ययन किया गया है। विशेष रूप से कार्बन नैनोट्यूब में प्रबलित सहसंयोजक sp2 बंधों के कारण उच्चतम मापी गई कुछ तन्यता कठोरता और किसी भी सामग्री की ताकत होती है। चूँकि, नैनोट्यूब के असाधारण यांत्रिक गुणों का लाभ उठाने के लिए, नैनोट्यूब और मैट्रिक्स के बीच भार स्थानांतरण बहुत बड़ा होना चाहिए।

फाइबर-प्रबलित सम्मिश्र की तरह, कार्बन नैनोट्यूब का आकार फैलाव समग्र के अंतिम गुणों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। आणविक गतिकी का उपयोग करते हुए एक पॉलीथीन मैट्रिक्स में एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब के प्रतिबल विकृति अध्ययन से पता चला है कि लंबी दूरी के दबाव हस्तांतरण और दरार प्रसार की रोकथाम के कारण लंबे कार्बन नैनोट्यूब तन्यता कठोरता और शक्ति में वृद्धि करते हैं। दूसरी ओर छोटे कार्बन नैनोट्यूब बिना किसी अंतराफलक आसंजन के गुणों में कोई वृद्धि नहीं करते हैं। चूँकि एक बार संशोधित होने के बाद, लघु कार्बन नैनोट्यूब समग्र की कठोरता को और बेहतर बनाने में सक्षम होते हैं, चूँकि अभी भी बहुत कम दरार प्रसार प्रतिकार है। सामान्यतः, लंबे और उच्च पहलू अनुपात वाले कार्बन नैनोट्यूब यांत्रिक गुणों में अधिक वृद्धि करते हैं, लेकिन इन्हें संसाधित करना अधिक कठिन होता है।

आकार के अतिरिक्त, कार्बन नैनोट्यूब और बहुलक मैट्रिक्स के बीच का अंतराफलक असाधारण महत्व का है। बेहतर भार स्थानांतरण प्राप्त करने के लिए, विभिन्न बहुलक के साथ कार्बन नैनोट्यूब की सतह को कार्यात्मक बनाकर कार्बन नैनोट्यूब को मैट्रिक्स से बेहतर विधि से जोड़ने के लिए कई अलग-अलग विधियों का उपयोग किया गया है।इन विधियों को गैर-सहसंयोजक और सहसंयोजक रणनीतियों में विभाजित किया जा सकता है। गैर-सहसंयोजक सीएनटी संशोधन में कार्बन नैनोट्यूब सतह पर बहुलक का सोखना या लपेटना सम्मलित है, सामान्यतः वैन डेर वाल्स या π-स्टैकिंग परस्पर क्रिया के माध्यम से किया जाता है। इसके विपरीत, सहसंयोजक क्रियाशीलता में कार्बन नैनोट्यूब पर सीधा संबंध सम्मलित होता है। यह कई विधियों से प्राप्त किया जा सकता है, जैसे कि कार्बन नैनोट्यूब की सतह का ऑक्सीकरण करना और ऑक्सीजनयुक्त साइट के साथ प्रतिक्रिया करना, या कार्बन नैनोट्यूब लैटिस के साथ सीधे प्रतिक्रिया करने के लिए फ्री रेडिकल का उपयोग करना होता है। सहसंयोजक क्रियाशीलता का उपयोग सीधे बहुलक को कार्बन नैनोट्यूब से जोड़ने के लिए किया जा सकता है, या एक आरंभकर्ता अणु को जोड़ने के लिए किया जा सकता है जिसका उपयोग आगे की प्रतिक्रियाओं के लिए किया जा सकता है।

कार्बन नैनोट्यूब प्रबलित पीएमसी का संश्लेषण मैट्रिक्स के विकल्प और कार्बन नैनोट्यूब के कार्यात्मककरण पर निर्भर करता है। थर्मोसेट बहुलक के लिए, समाधान प्रसंस्करण का उपयोग किया जाता है जहां बहुलक और नैनोट्यूब कार्बनिक विलायक में रखे जाते हैं। मिश्रण को तब सोनिकेट किया जाता है और तब तक मिश्रित किया जाता है जब तक कि नैनोट्यूब समान रूप से फैल न जाएं, फिर कास्ट करें। जबकि इस विधि का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, सोनिकेशन कार्बन नैनोट्यूब को नुकसान पहुंचा सकता है, बहुलक को विकल्प के विलायक में घुलनशील होना चाहिए, और वाष्पीकरण की दर अधिकांशतः नैनोट्यूब बंडलिंग या बहुलक वॉयड्स जैसी अवांछनीय संरचनाओं को जन्म दे सकती है। तापसुघट्य बहुलक के लिए, मेल्ट-प्रोसेसिंग का उपयोग किया जा सकता है, जहां नैनोट्यूब को पिघले हुए बहुलक में मिलाया जाता है, फिर ठंडा किया जाता है। चूँकि, चिपचिपाहट बढ़ने के कारण यह विधि उच्च कार्बन नैनोट्यूब लोडिंग को सहन नहीं कर सकती है। इन-सीटू पोलीमराइज़ेशन का उपयोग उन बहुलक के लिए किया जा सकता है जो सॉल्वेंट या हीट संगत नहीं हैं। इस विधि में, नैनोट्यूब को मोनोमर के साथ मिलाया जाता है, जो बाद में बहुलक मैट्रिक्स बनाने के लिए प्रतिक्रिया करता है। यदि मोनोमर्स को कार्बन नैनोट्यूब सतह से भी जोड़ा जाता है तो इस विधि से विशेष रूप से अच्छा भार स्थानांतरण हो सकता है।

ग्राफीन
कार्बन नैनोट्यूब की तरह, प्राचीन ग्राफीन में भी असाधारण अच्छे यांत्रिक गुण होते हैं। ग्राफीन पीएमसी को सामान्यतः कार्बन नैनोट्यूब पीएमसी के समान ही संसाधित किया जाता है, या तो समाधान प्रसंस्करण, द्रवित-प्रसंस्करण, या इन-सीटू बहुलकीकरण का उपयोग किया जाता है। जबकि ग्राफीन पीएमसी के यांत्रिक गुण सामान्यतः उनके कार्बन नैनोट्यूब समकक्षों की तुलना में खराब होते हैं, ग्राफीन ऑक्साइड सम्मलित दोषों के कारण कार्य करना बहुत आसान है। इसके अतिरिक्त, 3डी ग्राफीन बहुलक सम्मिश्र यांत्रिक गुणों की समानुवर्ती वृद्धि के लिए कुछ संभावना दिखाते हैं।

बहुलक मैट्रिक्स की कमियां

 * 1) पर्यावरणीय निम्नन
 * 2) पर्यावरण से नमी का अवशोषण बहुलक में सूजन के साथ-साथ टीजी की कमी का कारण बनता है।
 * 3) मध्यम उच्च तापमान पर नमी का अवशोषण बढ़ जाता है। इन हाइड्रोथर्मल प्रभावों से बहुलक सम्मिश्र में फाइबर की उपस्थिति में आंतरिक परिवर्तन हो सकता है।
 * 4) बहुलक और फाइबर के बीच थर्मल बेमेल होने से अंतराफलक में दरार या डीबॉन्डिंग हो सकती है।