نانو رس چیست؟ کاربرد، خواص و قیمت خرید نانو رس

نانو رس (Nanoclays) نانو ذراتی از سیلیکات های معدنی هستند. این ذرات بسته به ترکیب شیمیایی و مورفولوژی به چندین کلاس مانند مونت موریلونیت، بنتونیت، کائولینیت، هکتوریت و هالویزیت تقسیم بندی می ‌شوند. نانو رس‌ های اصلاح ‌شده ارگانیک (ارگانورس) یک کلاس جذاب از نانومواد آلی- معدنی ترکیبی با کاربردهای بالقوه در نانوکامپوزیت‌های پلیمری، اصلاح ‌کننده‌های رئولوژیکی، جاذب‌های گاز و حامل‌ های دارو هستند.

نانو رس یا نانو کلی یک جزء متشکل از فیلوسیلیکات است. این ترکیبات بر پایه عناصر اکسیژن، سیلیکون و سایر اجزا هستند و از منابع طبیعی تجزیه می شود. پس از مراحل بعدی فرآوری، از نانو رس در محصولات مختلف استفاده می شود. با توجه به ساختار لایه ای این نانو ذرات، آنها می توانند متورم یا منقبض شوند زیرا آب را جمع کرده یا از بین لایه ها خارج می کنند.

افزایش حجم نانو رس تا شش برابر با جذب آب و تشکیل ژل های پایدار کننده امکان پذیر است. نانو کلی خواص منحصر به فردی دارد به همین دلیل می توان از آن در بخش های مختلفی مانند تبدیل ماسه های بیابانی به زمین حاصلخیز استفاده کرد. در این مقاله از نشریه جهان شیمی فیزیک خواهیم دید که نانورس چیست و چگونه از آن برای اهداف مختلف استفاده می شود. با ما تا انتهای این مقاله همراه باشید.

نانو ذرات چیست

نانو مواد یا نانو ذرات موادی هستند که دارای یک یا چند ویژگی ابعادی با طولی در حدود یک میلیاردم متر یا کمتر از ۱۰۰ میلیاردم متر (۱ تا ۱۰۰ نانومتر) هستند. برای نشان دادن این اندازه بهتر است بدانید ۲۵،۴۰۰،۰۰۰ نانومتر در یک اینچ وجود دارد. این ذرات می توانند طبیعی یا مصنوعی باشند و کاربردهای بسیار متنوعی دارند.

اصطلاح نانو مواد یا نانو ذرات شامل تمام مواد با اندازه نانو، از جمله موادی که می توانند مهندسی شوند یا در طبیعت یافت شوند. این ذرات بسیار مهم هستند، زیرا به دلیل اندازه کوچک خود ویژگی های منحصر به فردی از خود نشان می دهند و دانشمندان و مهندسان یاد گرفته اند که چگونه خصوصیات آنها را دستکاری و درک کنند.

اکتشافات اخیر در زمینه هایی مانند میکروسکوپ، ابزارهای جدیدی را در اختیار دانشمندان و مهندسان قرار داده است تا بتوانند پدیده هایی را که هنگام سازماندهی مواد در سطح نانو رخ می دهند، مشاهده و دستکاری کنند. نانو مواد در واقع اصطلاحی است که شامل تمام مواد با اندازه نانو، از جمله نانوذرات مهندسی شده، نانوذرات تصادفی و نانو اشیایی است که در طبیعت وجود دارند. نانو مواد در طبیعت به شکل مواد بیولوژیکی یا محصول جانبی فعالیت های انسانی وجود دارند.

نانو کلی

همانطور که گفته شد نانو رس از فیلوسیلیکات تشکیل شده است. این ترکیب معدنی شامل گروه هایی از مواد معدنی مانند تالک، میکا، کائولن و مونت موریلونیت هستند. نانو کلی در اندازه و توالی مناطقی که در آن چهار وجهی SiO_۴ به سمت بالا یا پایین در لایه ها جهت گیری می کنند، متفاوت است. علاوه بر این، نانو رس در ماهیت یون های جاسازی شده نیز متفاوت است.

مونت موریلونیت (Montmorillonite) مهم‌ ترین کانی رس است. این کانی به ‌عنوان ترکیب اصلی بنتونیت (Bentonite)، از دولایه‌ چهاروجهی SiO۴ با لایه‌ های هشت ‌وجهی از یون ‌های آلومینیوم، آهن و هیدروکسید تشکیل شده است. یک ذره معمولی مونت موریلونیت شامل لایه‌ های آلومینوسیلیکات با ضخامت تقریبی ۱ نانومتر است.

پیدایش و تولید نانو رس

نانو کلی ها عمدتا از سنگ رسوبی طبیعی «بنتونیت» تولید می شوند. این سنگ رسوبی از ۶۰ تا ۸۰ درصد کانی مونت موریلونیت تشکیل شده است. نام سنگ بنتونیت برگرفته از ذخایر رسی در ایالات متحده در ایالت وایومینگ در نزدیکی فورت بنتون است.

این سنگ رسوبی یک جزء از خاک رس بسیار ریز است که از فرآیند هوازدگی خاکستر آتشفشانی به دست می آید. در اروپا، ما می توانیم ذخایر مهمی از این سنگ رسوبی را پیدا کنیم. بزرگترین ذخایر این سنگ رسوبی در کشور آلمان وجود دارد. کانی مونت موریلونیت بر اساس یک کانسار در نزدیکی مونت موریلون در جنوب فرانسه نام گذاری شده است. خاک رس های غنی از مونت موریلونیت باید از تغییر شکل و هوازدگی توف ها (Tuff)، سنگ های بازی و خاکستر آتشفشانی (مانند بازالت ها) تشکیل شده باشد.

سنگ های رسوبی بنتونیت طبیعی برای مصارف و محصولات متعددی در صنایع کشاورزی یا آرایشی و یا به عنوان بستر حیوانات استفاده می شوند. بنتونیت‌های طبیعی به دلیل فعال‌ سازی قلیایی در آب برای کاربرد های همچون ساخت ‌وساز، صنعت حفاری، صنعت ریخته ‌گری و همچنین در بخش مواد غذایی استفاده می شوند. در این صنایع، کاتیون‌ها (آلومینیوم، کلسیم، منیزیم) در لایه‌های میانی مونت موریلونیت با یون ‌های سدیم جایگزین می ‌شوند.

نانو رس اصلاح شده

بنتونیت های فعال شده با اسید در کاغذ سازی و به عنوان کاتالیزور استفاده می شوند. در واکنش با اسیدها، کاتیون ها (منیزیم، آلومینیوم، آهن) در لایه های میانی این سنگ حل می شوند و کاتیون های هیدروژن جایگزین آنها می شوند. بسته به درجه فعال شدن اسید، مساحت مشخصی تا ۴۵۰ متر مربع در هر گرم را می توان به دست آورد.

بنتونیت های ارگانوفیلیک (organophilic) برای تنظیم خواص اکستروژن پلاستیک، پماد، چربی و روغن استفاده می شود. این ترکیبات ترجیحا از بنتونیت‌های فعال قلیایی تهیه می ‌شوند و با ترکیبات نیتروژن آلی (ترکیبات آمونیومی) واکنش می‌ دهند، زیرا یک نوع نرم ‌کننده‌ پارچه هستند.

با توجه به تغییرات آلی، سطح آب دوست ذرات بنتونیت در اصل آبگریز می شود و بنابراین امکان توزیع کامل پلاکت های فیلوسیلیکات منفرد در حلال های آلی (دفع آب) را فراهم می کند. این امر در هنگام استفاده از نانو کلی های آب گریز بسیار مهم است.

این ذرات به طور قطع بر خواص جریانی پوشش ها و رنگ های مبتنی بر حلال تأثیر می گذارد. بر اساس تقریب های انجام شده توسط تحقیقات بازار، بازار جهانی نانو رس در حال توسعه است و ارزش آن تا سال ۲۰۲۳ به بیش از ۳.۳ میلیارد دلار می رسد.

نانو رس مونت موریلونیت

مونت موریلونیت رایج ترین نانو رس مورد استفاده در کاربردهای مختلف است. کانی مونت موریلونیت متشکل از لایه‌ های آلومینوسیلیکات به ضخامت ۱ نانومتر است که با کاتیون‌های فلزی جایگزین شده و در پشته‌های چند لایه به اندازه ۱۰ میکرومتر روی هم چیده شده ‌اند. بسته به اصلاح سطح لایه‌ های ذرات رس، مونت موریلونیت را می ‌توان در یک زمینه پلیمری پراکنده کرد تا نانوکامپوزیت پلیمر-رس را تشکیل دهد.

نانو رس هالویزیت

نانو ذرات رس هالویزیت یک نانو لوله آلومینوسیلیکات طبیعی است. لوله های نانورس هالویزیت دو لایه، از نظر شیمیایی شبیه به کائولین هستند و ابعاد متوسط ​​۱۵ × ۱۰۰۰ نانومتر قابل مقایسه با نانولوله های کربنی دارند. لوله های نانو ذرات هالویزیت توخالی هستند و می توانند برای تحویل و رها سازی کنترل شده داروها و همچنین کاربردهای نانوکامپوزیت و اصلاح رئولوژی استفاده شوند.

کاربردهای نانو رس

نانو کلی ها کاربردهای بسیار مهمی در بخش های مختلف دارند. برخی از موارد مهم در زیر بیان شده است:

تولید پلاستیک

این ذرات قابل اشتعال نیستند، بنابراین در حفاظت در برابر آتش برای پلاستیک ها استفاده می شوند. نانو کلی در مواد اولیه پلاستیک مخلوط می شوند که باعث کاهش مقدار مواد قابل احتراق در این محصولات می شوند. هنگامی که پلاستیک می سوزد، لایه ای تشکیل می دهد که از سوختن پلاستیک جلوگیری می کند.

صنایع غذایی

نانو کلی ها به عنوان یک افزودنی پلاستیکی در فیلم های بسته بندی مواد غذایی یا بطری های نوشیدنی نیز استفاده می شود. پلاستیک در اثر ترکیب با این ذرات نانو تقویت می شود و اکسیژن کمتری به فیلم بسته بندی نفوذ می کند. بنابراین مواد غذایی بیشتر دوام می آورند یا دی اکسید کربن کمتری از بطری خارج می شود. پلاستیک های فراوری شده با نانو کلی همچنین دارای خواص سایش بهبود یافته، استحکام کششی بالاتر، انبساط حرارتی کمتر، کیفیت سطحی برتر و خواص پردازش بسیار خوب هستند.

تولید رنگ

نانو رس به طور گسترده در صنایع تولید رنگ استفاده می شود. از این ذرات در صنایع تولید رنگ برای بهبود پوشش استفاده می شود. نانو رس ها می توانند اثرات رادیواکتیو سزیم را خنثی کنند و برای کاهش آلودگی رادیواکتیو استفاده می شوند.

بستر حیوانات

به عنوان بستر حیوانات از جمله گربه از مخلوط سپیولیت، زئولیت، بنتونیت یا مونت موریلونیت استفاده می شود. این ذرات نانو با قابلیت جذب بالا برای آب و عناصر ایجاد کننده بو در مدفوع و ادرار گربه استفاده می شوند. استفاده از نانورس ها به عنوان پرکننده برای پوشش های پلیمری در منسوجات نیز در حال بررسی است.

خواص نانو رس

مشخصات برجسته خواص نانو کلی کامپوزیت های نانو رس پلاستیکی را به جایگزینی هیجان انگیز برای مواد تقویت شده معمولی تبدیل کرده است. علاوه بر این، می توان از آنها برای مخلوط کردن پلاستیک های ناسازگار به صورت شیمیایی نیز استفاده کرد.

نانو رس حتی به عنوان یک مخلوط ریز تقسیم شده با هوا (گرد و غبار) تحت تأثیر منبع اشتعال، خود اشتعال نمی شود. از آنجایی که نانو رس قابل اشتعال نیست، امکان انفجار گرد و غبار را نیز از بین می برد.

نانو رس در ترکیب با مواد بازدارنده شعله معدنی بدون هالوژن، تنها با افزودن ۳ درصد به پلاستیک، میزان تری هیدرات آلومینیوم (ATH) مورد نیاز برای گذراندن آزمایش آتش را ده درصد کاهش می دهد و در عین حال انعطاف پذیری بهتری را ارائه می دهد.

نانو رس در کشاورزی

کریستین اولسن دانشمند نروژی، فناوری جدیدی به نام نانو خاک رس مایع (LNC) ایجاد کرده است که از مخلوطی از ذرات خاک رس و آب با کیفیت تقریبا معجزه ‌آسا تشکیل می‌ شود. این فناوری جدید این امکان را فراهم می کند تا یک بیابان شنی را به زمین ‌های حاصلخیز قابل کشت تبدیل کرد.

ماسه موجود در صحرا ظرفیت نگهداری مایعات بسیار کمی دارند که رشد بیشتر گیاهان را غیرممکن می کند. نانو خاک رس مایع هنگامی که با ماسه بیابان مخلوط می شود، به خاک شنی اجازه می دهد تا آب را حفظ کند و باعث می شود که بیابان به خاک حاصلخیز تبدیل شود.

اگرچه باورنکردنی به نظر می رسد که شن های بیابان دارای تمام مواد مغذی لازم برای رشد گیاهان هستند. تنها مشکل شن های بیابان توانایی کم یا عدم توانایی آن ها در حفظ آب است.

فرآیند تبدیل خاک خشک به حاصلخیز بسیار ساده است و مستقیما در محل انجام می شود. نانو خاک رس مایع در سیستم آبیاری مشترک در امتداد منطقه آسیب دیده اعمال می شود. خاک دارای این نانو ذرات مانند اسفنج آب را حفظ می کنند و لایه ای از خاک حاصلخیز ایجاد می شود.

تکنیک‌ های دیگری نیز برای رسیدن به این هدف وجود دارد. تکنیک ‌هایی مانند روشی که برای رشد یک جنگل در مصر استفاده ‌شد، حدود ۱۵ سال طول کشید تا یک خاک شنی به خاک حاصلخیز تبدیل شود. اما با توجه به این ترکیب جدید، اکنون این امر ممکن شده است که تنها در حدود ۷ ساعت خاک بیابان را حاصلخیز کرد. حاصلخیزی خاک بیابان با نانو ذرات رس مایع تا پنج سال دوام می آورد، که این فناوری جدید را بسیار جذاب تر می کند.

چگونه در تماس با نانو رس ها قرار می گیریم

از آنجایی که نانو کلی ها عمدتا به عنوان مواد کمکی استفاده می شوند در مواد مصنوعی مانند بازدارنده های شعله جاسازی می شوند. هیچ خطری برای تماس مستقیم با این ترکیبات برای انسان وجود ندارد.

آیا نانو رس خطری برای انسان و محیط زیست دارد

تحقیقات نشان داده شده است که استنشاق این ذرات تنها باعث التهاب اندک و گذرا در بافت های ریه می شود. تاکنون هیچ داده ای در مورد رفتار آنها در محیط زیست وجود ندارد. از آنجایی که نانو کلی ها از منابع طبیعی تولید می شوند، تشخیص بین شکل طبیعی و مصنوعی این ذرات بسیار دشوار است. در نتیجه بی ضرر هستند و عمدتا در محصولات مقاوم در برابر شعله استفاده می شوند.

خرید نانو رس

نانو کلی ها در انواع مختلف برای مقاصد مختلف در بازار خرید و فروش می شوند. به عنوان مثال قیمت نانو رس مونت موریلونیت با نانو کلی اصلاح شده متفاوت است. فروش نانو پودر در سالهای اخیر بسیار رونق یافته است و بازار آن همچنان رو به رشد است.

نتیجه گیری

نانو رس ها یک نوع فیلوسیلیکات هستند و معمولا بر پایه سنگ رسوبی بنتونیت طبیعی تولید می شوند که به نوبه خود از ۶۰ تا ۸۰ درصد از کانی مونت موریلونیت تشکیل شده است. کانی مونت موریلونیت از لایه‌های آلومینوسیلیکات با ضخامت تقریبی ۱ نانومتر تشکیل شده است که به هم پیوسته اند و پشته ‌های بزرگی (Grand Banks) به طول تقریبا ۱۰ میکرومتر تشکیل می ‌دهند. ساختار لایه ای به آنها اجازه می دهد تا با تجمع آب یا مایعات دیگر یا حذف شدن آب از لایه ها، متورم یا منقبض شود.

این ترکیبات اخیرا برای بسیاری از کاربردها مورد توجه فزاینده ای قرار گرفته اند. پلاستیک های حاوی آنها دارای استحکام کششی بیشتر، سایش افزایش یافته، کاهش اشتعال پذیری و ویژگی های پردازش بسیار خوب هستند. این مشخصات ویژگی استثنایی آن را به یک جایگزین جالب و موثر برای مواد تقویت شده معمولی تبدیل می کند. امروزه از آنها در صنعت برق و الکترونیک نیز استفاده می شود.