محققان ایرانی موفق به ساخت نانوکامپوزیتی شدند که در برابر شرایط محیطی مختلف، خواص مکانیکی و مقاومتی مطلوبی دارد. از نتایج این طرح می‌توان برای ساخت قطعات عایق مورد استفاده در ساخت خطوط ریلی بهره گرفت.
دانشگاه صنعتی شریف: ساخت نانوکامپوزیتی با کاربرد در خطوط ریلی
صفحات عایق درز ریل، از جمله ادوات خطوط ریلی هستند که نقش مهمی در عایق بندی این خطوط از خود نشان می‌دهند. اگر چه داشتن مقاومت الکتریکی بالا و مناسب از جمله ویژگی‌های اصلی مورد نیاز در این قطعه به شمار می‌رود، اما به منظور سرویس دهی در شرایط مختلف جوی و مقاومت در مقابل تنش‌های وارده، این قطعه باید دارای خواص فیزیکی و مکانیکی مناسبی نیز باشد. در این طرح خواص نانوکامپوزیت فنولیک/الیاف شیشه جهت استفاده در ساخت عایق درز ریل مطالعه شده است. همچنین اثر حضور نانوذرات خاک رس در دو فرم اصلاح‌شده و اصلاح نشده نیز مورد بررسی قرار گرفته است.
مصطفی عیسایی، از محققان این طرح، لزوم انجام این پژوهش را این‌گونه توضیح داد: «موفقیت استفاده از مواد پلیمری برای ساخت عایق درز ریل، بستگی به نوع پلیمر و فرایند تولید آن دارد. هدف اصلی این طرح جایگزینی نانوکامپوزیت فنولیک/الیاف شیشه با نمونه‌های رایج در قطعات موجود در خطوط حمل و نقل ریلی، به خصوص عایق درز ریل بوده است. این قطعه، با توجه به اینکه در طول سال در معرض شرایط هوایی گوناگونی قرار دارد، بایستی مقاومت محیطی بالایی داشته باشد.»
به گفته‌ی وی ترکیب پیشنهادی، علاوه بر جایگزینی به عنوان عایق کامپوزیتی در خطوط ریلی، در مورادی مانند بدنه و نوک موشک‌ها و فضاپیماها، که نیازمند استحکام بالا در شرایط سخت محیطی است، نیز قابل استفاده هستند. دلیل این امر مقاومت بالای رزین فنولیک در برابر دما و فشار است.
عیسایی در ادامه با اشاره به این مطلب که بیشتر مواد اولیه و تجهیزات مورد نیاز جهت ساخت این نانوکامپوزیت و به دنبال آن عایق درز ریل در داخل کشور قابل تأمین هستند، افزود: «با توجه به اینکه در حال حاضر حجم گسترده‌ای از قطعات مورد استفاده به عنوان عایق درز ریل وارداتی است، بومی‌سازی این محصول از خروج حجم زیاد ارز از کشور جلوگیری خواهد کرد.»
در روند این مطالعات ابتدا نانوکامپوزیت‌های سه‌جزیی تقویت‌شده با الیاف شیشه در ماتریس فنولیک، با درصدهای مختلفی از نانوذره ساخته شده و ساختار و نحوه‌ی توزیع ذرات، خواص مکانیکی و دینامیکی آن‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. برای تعیین خواص پایداری کامپوزیت رزین فنولیک در شرایط محیطی متفاوت، نمونه‌های از پیش تهیه شده به مدت معین در محلول‌های مشخص قرار گرفته است. همچنین پس از خروج از محلول، نمونه‌ها مورد ارزیابی آزمون‌های مکانیکی و دینامیک مکانیکی قرار گرفتند.
مشاهدات این محققان حاکی از این است که استفاده از نانو ذره‌ی خاک‌رس، به خصوص نوع اصلاح نشده‌ی آن، در ساختار رزین فنولیک موجب بهبود چشمگیر خواص مکانیکی، حتی در ترکیب درصدهای پایین می‌شود. به گونه‌ای که تنها با استفاده از ۲/۵ درصد وزنی از هر دو نوع خاک‌رس در ساختار کامپوزیت، افزایش ۴۵ درصدی در مقدار مدول الاستیک و همچنین بهبود خواصی نظیر استحکام کششی و خمشی و مقاومت به ضربه گزارش شده است. همچنین نانوذرات خاک‌رس شبکه‌ای شدن ماتریس و درصد اتصالات عرضی کامپوزیت را بهتر کرده و از آسیب‌پذیری بیشتر نانوکامپوزیت جلوگیری می‌کند. از طرفی جایگزینی الیاف شیشه به جای الیاف کتان، که در قطعات درز ریل رواج زیادی دارد، استحکام و مقاومت محیطی بیشتری به همراه دارد.
این تحقیقات از همکاری دکتر اکبر شجاعی- عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی شریف- و مصطفی عیسایی- دانش آموخته‌ی همین دانشگاه- است که نتایج آن در مجله‌ی Composites Part A: Applied Science and Manufacturing (جلد ۶۳، شماره ۱، سال ۲۰۱۴، ۱۴۹ تا ۱۵۸) منتشر شده است.
مصطفی عیسایی، از محققان این طرح، لزوم انجام این پژوهش را این‌گونه توضیح داد: «موفقیت استفاده از مواد پلیمری برای ساخت عایق درز ریل، بستگی به نوع پلیمر و فرایند تولید آن دارد. هدف اصلی این طرح جایگزینی نانوکامپوزیت فنولیک/الیاف شیشه با نمونه‌های رایج در قطعات موجود در خطوط حمل و نقل ریلی، به خصوص عایق درز ریل بوده است. این قطعه، با توجه به اینکه در طول سال در معرض شرایط هوایی گوناگونی قرار دارد، بایستی مقاومت محیطی بالایی داشته باشد.»
به گفته‌ی وی ترکیب پیشنهادی، علاوه بر جایگزینی به عنوان عایق کامپوزیتی در خطوط ریلی، در مورادی مانند بدنه و نوک موشک‌ها و فضاپیماها، که نیازمند استحکام بالا در شرایط سخت محیطی است، نیز قابل استفاده هستند. دلیل این امر مقاومت بالای رزین فنولیک در برابر دما و فشار است.
عیسایی در ادامه با اشاره به این مطلب که بیشتر مواد اولیه و تجهیزات مورد نیاز جهت ساخت این نانوکامپوزیت و به دنبال آن عایق درز ریل در داخل کشور قابل تأمین هستند، افزود: «با توجه به اینکه در حال حاضر حجم گسترده‌ای از قطعات مورد استفاده به عنوان عایق درز ریل وارداتی است، بومی‌سازی این محصول از خروج حجم زیاد ارز از کشور جلوگیری خواهد کرد.»
در روند این مطالعات ابتدا نانوکامپوزیت‌های سه‌جزیی تقویت‌شده با الیاف شیشه در ماتریس فنولیک، با درصدهای مختلفی از نانوذره ساخته شده و ساختار و نحوه‌ی توزیع ذرات، خواص مکانیکی و دینامیکی آن‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. برای تعیین خواص پایداری کامپوزیت رزین فنولیک در شرایط محیطی متفاوت، نمونه‌های از پیش تهیه شده به مدت معین در محلول‌های مشخص قرار گرفته است. همچنین پس از خروج از محلول، نمونه‌ها مورد ارزیابی آزمون‌های مکانیکی و دینامیک مکانیکی قرار گرفتند.
مشاهدات این محققان حاکی از این است که استفاده از نانو ذره‌ی خاک‌رس، به خصوص نوع اصلاح نشده‌ی آن، در ساختار رزین فنولیک موجب بهبود چشمگیر خواص مکانیکی، حتی در ترکیب درصدهای پایین می‌شود. به گونه‌ای که تنها با استفاده از ۲/۵ درصد وزنی از هر دو نوع خاک‌رس در ساختار کامپوزیت، افزایش ۴۵ درصدی در مقدار مدول الاستیک و همچنین بهبود خواصی نظیر استحکام کششی و خمشی و مقاومت به ضربه گزارش شده است. همچنین نانوذرات خاک‌رس شبکه‌ای شدن ماتریس و درصد اتصالات عرضی کامپوزیت را بهتر کرده و از آسیب‌پذیری بیشتر نانوکامپوزیت جلوگیری می‌کند. از طرفی جایگزینی الیاف شیشه به جای الیاف کتان، که در قطعات درز ریل رواج زیادی دارد، استحکام و مقاومت محیطی بیشتری به همراه دارد.
این تحقیقات از همکاری دکتر اکبر شجاعی- عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی شریف- و مصطفی عیسایی- دانش آموخته‌ی همین دانشگاه- است که نتایج آن در مجله‌ی Composites Part A: Applied Science and Manufacturing (جلد ۶۳، شماره ۱، سال ۲۰۱۴، ۱۴۹ تا ۱۵۸) منتشر شده است.
