لدائن ذكية: الفرق بين النسختين

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
تم حذف المحتوى تمت إضافة المحتوى
أنشأ الصفحة ب' =اللدائن الذكية= بالانجليزيه:"shape memory polymer" تعد هذه اللدائن من ضمن المواد الذكية التى لها القد...'
(لا فرق)

نسخة 00:43، 23 مايو 2012

اللدائن الذكية

بالانجليزيه:"shape memory polymer" تعد هذه اللدائن من ضمن المواد الذكية التى لها القدره على الرجوع من الحالة التشكيل (حالة مؤقته) الى الحالة الاصليلة (الدائمه)عن طريق عوامل خارجية محفزة مثل التغير فى درجة الحرارة


تاريخ اللدائن الذكية

يعد البولى نوربنن من اوائل اللدائن ذو ذاكرة الاحتفاظ بالشكل والمكتشفة عن طريق شركة فرنسية فى عام 1984 وتم استخدامه تجاريا عن طريق شركة يابنية تحت الاسم التجارى نورسوركس وهذه المادة تمتلك درجة حرارة التحول الى زجاج يتراوح من 35 الى 40 ولكن كان استخدامها فى التطبيقات محدود.

مركب البولى ستيرين بيوتاديين تم تقديمه عن طريق الشركة اليابانية بـ درجة حرارة التحول الى زجاج تتراوح بين 60 الى 90 درجة حرارة

كان يعد معظم التطوير والتطبيقات فى التسعينات فى اللدائن التى تمتلك ذاكرة للاحتفاظ بالشكل متمثل فى الالبولى يورثان المتشكل بالحرارة وكان هناك العديد من الاسباب من اجل ذلك وكان من اهمهم انه يمكن التحكم فى البناء البلورى و بالتالى خواص البولى يورثان. احتمالية ان يمكن التحكم فى تغيير درجة حرارة تحول الزجاج يعطى مدى كبير من التطبيقات التى يمكن استخدام اللدائن الذكية فيها. تعد طبيعة البولى يورثان المتشكل بالحرارة سهلا للتشكيل بالبثق والحقن والتشكيل بالنفخ او بحلول السباكة المختلفة. البولى يورثان يمتلك مقاومة جيدة للمواد الكيماوية والاشعة الفوق البنفسجية وصالحيته للاستخدام فى الاجهزة التعويضية بالمقارنة مع باقى اللدائن الذكية.

خصائص اللدائن الذكية

تسطيع اللدائن الذكية الاحتفاظ بشكلين او فى بعض الاحيان على ثلاث اشكال و التحويل من هذه الاشكال يستحث عن طريق التغير فى درجة الحرارة , كما يتم تغير اشكالها عن طريق تحفيزها بمجال كهربى او مغناطيسى او الضوء او بالتحليل .وهذا حال اللدائن عموما, يتم ايضا تغطية اللدائن الذكية بمدى من مواد ذات خاصية مستقرة قابلة للتفسخ, من اللين الى الصلابة و من المرونة الى الجساءة , اعتمادا على جزيئات البناء البلورى للدائن الذكية. تحتوى اللدائن الذكية على لدائن حرارية و لدائن تتصلد بالحرارة ( متصله بشكل تساهمى ) . ومن المعروف ان اللدائن الذكية تستطيع الاحتفاظ بثلاث اشكال او اكثر فى ذاكرتها.

هناك كميتان مهمان يستخدمان للتعبير على تأثير اللدائن الذكية وهما معدل الرجوع الانفعالى و معدل الثبات الانفعالى . يعبر معدل الرجوع الانفعالى عن قدرة المادة فى الاحتفاظ (تذكر) شكلها الاصلى ,بينما يعبر معدل الثبات الانفعالى عن القدرة الاقسام المباشرى فى الثبات التشكيل الميكانيكى .


حيث :

  • N  : عدد الدورات
  • εm : اقصى انفعال تتحمله المادة
  • εp(N) و εp(N-1) : انفعال بسيط ناجح على دورتين عندما يكون الاجهاد حر قبل منطقة اجهاد الخضوع

حيث :

  • Eg :معامل الوصول الى درجة الحرارة الزجاجيه
  • Er : معامل المرونه
  • fIR : سريان لزوجة الانفعال
  • fα :الانفعال من t >> tr.

ذاكرة الاحتفاظ بالشكل الثلاثية

بينما معظم اللدائن التقليديه الذكية تستطيع تثبيت شكلها الاصلى او المؤقت,سمح التقدم التكنولوجى مقدمة الى المواد الذكية الثلاثيه.معظم اللدائن الذكية التقليديه تتغير شكلها المؤقت الى شكلها الاصلى عن درجة حرارة جزئيا ولكن تستطيع المواد الذكية الثلاثية ان تتغير من اول شكل مؤقت عن درجة حرارة انتقال الاولى ثم العودة الى شكلها الاصلى عند درجة حرارة التنشيط اعلى . هذا يحدث عادة عن طريق خلط ثنائى للدائن الذكيه فى درجات حرارة انتقال الزجاج المختلفه.

وصف ذاكرة الاحتفاظ بالشكل المستحثه حراريا

اللدائن التى تحتفظ بالشكل التأثيرى يرى لها اكثر من شكل: الشكل الحالى (المؤقت) و الشكل المحتفظ به (الدائم). يتم تصينع اللدائن الذكية عن طريق الطرق التقلديه, تتغير الماده من الشكل الاصلى الى المؤقت عن طريق معالجة بالحرارة ثم التشكيل ثم اخير التبريد . تبقى اللدائن الشكلِ المؤقت حتى تغيير الشكل إلى الشكل الدائمِ عن طريق عامل محفظ تنشيطى خارجى. السر وراء هذه المواد تكمن في تركيب شبكتهم الجزيئي، الذي يحتوي على الأقل مرحلتان منفصلتان.

الشكل يظهر تأثير الانتقاال الحرارى الاعلى .( درجة الحرارة الابتدائية) تعتبر درجة حرارة الواجبه التى يجب تجاوزها لانشاء روابط متصلة فيزيائية المسئولة عن الشكل الدائم.تعبر القطع المرتبطه - من الناحية الاخرى – لها القدرة على العوده الى اللين فى درجة حرارة الانتقال و مسئول عن الشكل المؤقت. فى بعض الحالات تعتبر درجة حرارة الانتقال الزجاجية و الاخرى درجة حرارة الانصهار. ينشط تجاوز .( درجة الحرارة الابتدائية) (بينما البقاء تحت (درجة الحرارة الابتدائية) الانتقال عن طريق التلين حيث يسمح للمادة باستئناف شكلها الاصلى (الدائم).تحت (درجة الحرارة الابتدائية),تعتبر القطع فى حد المرونة محدده جزئيا.فى حالة اختيار (درجة حرارة الانصهار) لعملية التنظيم للدائن الذكية, عندما يزداد الاجهاد فوق (درجة حرارة الانصهار) يكون بداية الاجهاد المستحث للبلورة انتقال القطع و بعد التبريد تحت (درجة حرارة الانصهار) هذه البلورات المكافئة التساهمية التى تحمى اللدائن من اعادة التشكيلها الى بنائها الملفوف المعتاد. معدل القطع بين الصلابه واللين بين 5/95 و95/5 ,ولكن فى الحالة المثالية تكون النسبه بين 20/80 و 80/20 .تعتبر اللدائن الذكية عمليا لها العديد من النماذج و المرونة الانسيابيه و طرق التحليل الموجوده.

تأثير الديناميكا الحرارية لذاكرة الاحتفاظ بالشكل

فى الحالة العشوائية , سلاسل اللدائن تعوض بالكامل المسافات العشوائية ضمن الاساس.كما يعبر عن القوة الاحتماليه الملفوفه للبلمرة و الموافقه على اقصى درجة تعادل حرارى و على الاغلب الحالة العشوائية لحالة الخطية لسلسلة اللدائن .

حيث يمكن التعبير عنها بمعادلة رياضيه

( k = ln W)
حيث :

  • k = ثابت بولتزمان [Boltzmann constant]
  • w = تمثل القوة

فى مرحلة الانتقال من الحالة الزجاجية الى حالة المطاط المرن عن طريق التنشيط الحرارى , الدورات حول روابط القطع تصبح على نحو متزايد غير معرقل . هذه يسمح للسلاسل بتعويض الممكن,من الجزيئات مكافئة بشكل نشيط بكمية صغيرة من التفكك.نتيجة لكل ذلك, الاغلبية من اللدائن الذكية النتجه من الانضغاط تتكون من حلقات عشوائية بسبب الموافقات التى تصل لدرجة التعادل الحرارى للجزيئات .

فى الحالة المرنة للدائن يكون متوسط عدد الوزن الذرى لها اكثر من 20000 تتمدد فى الاتجاهات نتيجة لقوى الخارجية. فى حالة كانت القوة المؤثرة فى مدة زمنية قصيرة , التشابك بين سلاسل اللدائن مع من بجوارها تمنع تحرك السلسلة بقدر كبير , كما تتسعيد جزء بسيط من شكلها بازاله تاثير القوة . اما فى حالة كانت القوة المؤثرة كبيرة فى مدة زمنية كبيرة وحيث يحدث عملية استرخاء و تشويه غير قابل للتغير البلاستيكى من العنية ويحدث بسبب الانزلاق وحل سلاسل اللدائن. يحدث عملية استرخاء و تشويه غير قابل للتغير البلاستيكى من العنية ويحدث بسبب الانزلاق وحل سلاسل اللدائن.

لحماية من الانزلاق او تدفق سلاسل اللدائن يتم ذلك عن طريق الارتباط التساهمى سواء كان بطريقة كيميائية او فيزيائيه.

تطبيقات اللدائن الذكية

تعد انابيب التمدد والانكماش واحدة من اهم تطبيقات تأثير ذاكرة الاحتفاظ بالشكل. فعندما يحدث لهذه الانابيب تشكل (تمدد) عند درجات الحرارة المرتفعة ثم عندما يتم تبريدها فإنها تحتفظ بهذا الشكل ولكن إذا تم تسخينها مرة اخرى فإنها تعود الى الوضع قبل التشكل. كان من الملاحظ فى عام 1997 ان استخدام اللدائن الذكية فى تطبيقات محدود للغاية ولكن المؤلفات فى ذلك الوقت تشير الى الحاجة الى مادة لدنة ذكية وتشمل هذه التطبيقات الاستخدام فى مواد الملابس والاجهزة الطبية وفى امتصاص الصدمات وفى وصل المواسير ومانع التسرب. تمتلك هذه اللدائن المحتوية على ذاكرة للشكل على خصائص اخرى مثل النفاذية للرطوبة والحجم النوعى وكذلك معمل الفقد الذين يتغيرون عند درجة حرارة تحول الزجاج. يرجع السبب الرئيسى لتسمية هذه المواد بالذكية الى تأثير ذاكرة الاحتفاظ بالشكل. وهذه التطبيقات التالى ذكرها فى السطور القادمة تعتمد ليس على تأثير ذاكرة الاحتفاظ بالشكل وكن ايضا على تغير خواص المادة فى منطقة تحول الزجاج.

التطبيق الطبى للدائن الذكية

هناك عدد من التطبيقات الطبية الحيوية تعتبر من اليورثينات المتعددة التى تعتمد على اللدائن الذكية التى تحتظ بشكلها . اثنان من خواص هذه التطبيقات تهتم بها العالم الطبى . واحدة منهم ان المواد التى تستخدم فيها تمتاز بالتوافق الحيوى . الميزة الجذابة الاخرى فى درجة الحرارة التى تنتقل من خلال الزجاج يمكن ان تصمم على ان تعود الى شكلها الاصلى و تستخدم فى مختلف الادوات الطبية التى تتصل او تدخل الى جسم الانسان . العالم اليابانى (هياشى) كان يتحرى عن اللدائن الذكية لعدة تطبيقات طبية مختلفة و كان من نتائج هذه التحريات ان مواد اللدائن الذكية قريبا سوف تستخدم فى تصنيع العديد من القسطرات فى الوقت الحاضر تحت التطوير . هذه القسطرات ستبقى متصلبة خارجيا للتلاعب الدقيق من قبل الطبيب , ولكنهم سيصبحون انعم و اكثر راحة داخل الجسم الانسانى . نفس مجموعة الباحثين اعتبرت ان تصنيع الشيالات و الشظايا التجربية من مواد اللدائن الذكية التى يمكن ان تتلائم مع متطلبات الفردية . بتسخين مكون ذاكرة الاختفاظ بالشكل الى اعلى من درجة انتقال حرارة الزجاج و تشكيلها ,و يمكن الحصول عليها حسب الشكل المطلوب ثم تثبت بعد التبريد . فى التطبيق الاول , اليوريثنات المتعددة اللتى تعتمد على اللدائن الذكية كانت تستعمل لتصميم مقبض معلقة خاصة , صممت من اجل المعاقين جسديا . فى هذا التطبييق , مقبض المعلقة يمكن تسخينها و تشكيلها لاشكال فردية من الايادى و بعد ذلك تشكيلها يتم فى درجة حرارة الغرفة لتزويد قدر الراحة و حسب الطلب . استخدام مواد اللدائن الذكية فى التجبيرية و جراحات الاسنان تحت الفحص . يتم استعمال اللدائن الذكية نتيجة لخصائصها مثل نفاذية الرطوبة و فقد الطاقة و مخازن للضمادات و الجلود الاصطناعية . منطقة الانتقال فى اللدائن الذكية يكون مشابه جدا لجلد الانسان , و يتم تزويد شعور ناعم طبيعى بالاتصال معه او زرعه فى الجسم الانسانى . مؤخرا , تم اجراء دراسة الجدوى و التطوير التمهيدى على حلقة من اللدائن الفاتحة الوعائية بذاكرة الاحتفاظ بالشكل كنظام لتوزيع العقاقير. عينات من اللدائن المتصلدة بالحرارة و اليوريثنات المتعددة المعتمدة على اللدائن الذكية كانت تصنع بواسطة الحقن و مجال تطبيقات حلقة اللدائن الفاتحة عرضت فى قبل المحاكمات . فى الوقت الحاضر تقريبا كل الحلقات الفاتحة المتوفرة بشكل تجارى تصنع من المواد المعدنية . هناك عدة تصميمات لهذه الحلقات الفاتحة الوعائية القليلة المزروعة لدى التطبيقات التاجية بين التى شبكة انبوبية , شق الانابيب و الحلزونات.استخدام الحلقات المفتوحة المصنوعة من اللدائن الذكية كنظام توزيع عقاقير يؤدى الى تخفيض هام فى التخثر . التفاوت الحيوى المحسن عموما يتوقع حدوثه عند استعمال مواد اللدائن الذكية الاكثر حيوية . يوجد تطبيق اخر للدائن الذكية , هى استعمالها كخياطة لاغلاق الجرح . تصميم الخياطة الجراحية الذكية اعتبر بشكل مؤقت يمكن الحصول عليه بتطويل الليف بالتحكم فى الاجهاد . هذه الخياطة تطبق بشكل طليق فى شكلها المطول مؤقتا . عندما تترفع درجة الحرارة اعلى من درجة حرارة انتقال الزجاج , فان الخياطة تنكمش و و بشد العقدة تطبق القوة القصوى . مواد اللدائن الذكية يمكن ان تستعمل فى تشكيل الادوات الطبية المختلفة و المنتجات التشخيصية كعناصر من الطعوم الوعائية تضاف الى مكونات منظمات القلب القلبية و القلوب الاصطناعية . المعادن الذكية الحالية مثل النيكل و التيتانيوم تستعمل كمكونات للادوات المختلفة و تزود متوسط ادخال المواد الرفيعة , و يتم ربطها مثل الاداة , و يحتوى على ابرة صغيرة تشبه الغلاف من خلال الشق الصغير . هذه الاداة يمكن ان تستعيد اشكال اكثر تعقيدا عند حالة الازالة . مواد اللدائن الذكية لها قابلية عالية على التغليف يمكن ان تدخل خلال الشق الصغير او الطر يق الغير متدخل بالقسطرات و يستعيدان شكلهم الاصلى بعد ذلك من قبل حرارة الجسم و بعد ذلك يبقيان هناك رغبا فى اداء الوظيفة . تمثل الحلقة الفاتحة المصنوعة من اللدائن الذكية ايضا بديل ابداعى الى الحلقة الفاتحة التقليدية بسبب اقل سعر للتصنيع اذا ما قورن بمعدن الحلقات الفاتحة . تصنيع الحلقات الفاتحة المصنوعة من اللدائن الذكية يتم بواسطة تشكيل الحقن او النتوء او تقنية الاطلاء من المحلول اللذان يضمنانا الانتاج الاقتصادى . عند مقارنة انتاج الحلقات المعدنية المفتوحة بالطرق التقليدية و بطريقة الشق باستخدام الليزر , نجد ان تكاليف الانتاج اقل باكثر من %50 .

مواد صناعة الاقمشة

تتغير النفاذية لبخار الماء فى اللدائن ذات ذاكرة الاحتفاظ بالشكل (الذكية) عند الاقتراب من الشكل الزجاجى. هذه الخاصية تم استخدامها فى تصميم الاقمشة القابلة للتنفس وتشمل ملابس المطر وفى فرش الاحذية. لحسن الحظ فإن طلاء البولى يورثان الذى أوجد مقاومة الماء والذى اضاف فى انتاج ملابس المطر. تزداد نفاذية بخار الماء لهذه الطلاءات عندما يتم تسخينها الى درجة حرارة طور التحول. هذه الاضافات زادت قاباية التنفس فى درجات الحرارة العالية وطورت الشعور بالراحة عند ارتداء هذه المتعلقات.

امتصاص الصدمات

تم استخدام اللدائن الذكية كطبقة لامتصاص الصدمات فى المواد المركبة المقواة بالفيبروعن طريق التحكم فى درجة الحرارة للمادة المركبة فان خاصية امتصاص الصدمات ممكن ان تتغير. يمكن استخدام البولى يورثان المحتوى على اللدائن الذكية (درجة حرارة التحول الى زجاج =40 درجة) تم ادخاله مع مركب الكربون والفيبر. الكربون والفيبر تم استخدامهم لتسخين اللدائن الذكية والتحكم فى خاصية الامتصاص فى المركب. يتم استخدام المركب المحتوى على اللدائن الذكية عالى الكثافة من الفيبر فى مواد البناء ذات التكيف للاهتزازات النشطة وايضا فى التحكم بالشكل.

المواد الانشائية

تم التاكد من قابلية استخدام اللدائن الذكي فى شكل فوم الحوائط المفتوحة بسبب قلة الوزن والحجم وايضا التكلفة وهذا المبدا تم تسميته (الذاكرة المرنة نتيجة الاحتفاظ بالبروده). وهناك العديد من المزايا وهى قلة الوزن وحجم التخزين والاعتمادية العالية وقدرة عالية على امتصاص الصدمات وسهولة التصنيع ومقاومة للاشعاعات وايضا عزل حرارى وكهربائى. العيب الواضح ان الاستعداد يحتاج الى مصدر حرارى. يتم استخدامهم فى بناء نظام الاتصالات الارضية وفى الفضاء كما فى مكوك الفضاء. تدل التحقيقات المتتابعة فى تأثيرنوع خاص من الفوم على انها تتمدد الى الحالة الاصلية فى تقريبا 4 ايام وهذا يرجع الى درجة حرارة التخزين للفوم القريبة من درجة حرارة التحول الى زجاج للتخلص من كل حركات ميكرو- براونين مع حدوث ارخاء للانفعال المؤثر. هذه النقاط خارج اهمية اختيار المواد ذات ذاكرة الاحتفاظ بالشكل عند درجات التحول والتى تضمن انها ستؤدى كما متوقع فى مدى درجات الحرارة لهذه التطبيق. عرض لينغ استخدام الفيبر المقوى مع اللدائن الذكية لزيادة الجساءة وقدرتها على تحمل الاجهادات العالية مما يسمح استخدامها فى كراسى التحميل فى المواد الانشائية. تم اجراء عدة تجارب فى الوقت الحالى على اللدائن الذكية المقواة بالكربون حيث وجد ان هذا المركب يمكن استخدامه فى تطبيقات الفضاء وتم اجراء هذه الاختبارات بسبب رغبة وزارة الدفاع الامريكية ووكالة ناسا الى مركب متوفر على الارض ويمكن تخزينه وارساله الى الفضاء لاستخدامه فى كجمالونات فى البناء. لاعداد هذه النماذج التجريبية فان المادة المركبة يتم تسخينها وتشكيلها ثم يتم تبريدها مع وجود التشكل حتى يثبت على نفس الشكل. يتم تصنيع الجمالونات الغير المستوية المستخدمة فى تطبيقات الفضاء من اللدائن الذكية كأساس ومقوى بالفيبركربون ووضحت نتائج الاختبارات ان هذه لجمالونات افضل من الجمالونات المستخدمة حاليا.

تطبيقات اخرى

تم التحقق من انه يمكن استخدام اللدائن الذكية فى فك المنتجات الالكترونية وكان هذا جزء من تقليل التكلفة الكتعلقة بإعادة تدوير المنتجات الالكترونية بعد انتهاء عمرها الافتراضى.كما ان يمكن استخدام اللدائن الذكية ايضا فى التليفونات المحمولة من خلال مسامير يتم تنشيطها عند تسخينها الى درجة حرارة اعلى من درجة حرارة التحول الى زجاج.

التطبيقات الحربية

هناك العديد من التطبيقات للدائن الذكية فى مجال الدفاع. الفوم ذو ذاكرة الاحتفاظ بالشكل يمكن استخدامه لتصنيع الاجزاء التى تتميز بخفة الوزن وتشغل حيز اصغر ويسهل نقلها. فى اثناء الحرب ،يمكن برفع درجة الحرارة الحصول على الشكل الاصلى للجزء. هذه الخصائص التى تمتاز بها اللدائن الذكية جعلها مواد جذابة للاستخدام فى تطبيقات الفضاء حيث ان الاجزاء التى يتم تصنيعها على الارض ثم يتم عليها عملية تشكل وغالبا تكون لجعله مضغوط وارساله الى الفضاء وعند التأثير عليه بالحرارة يعود الى شكله الاصلى. اللدائن المتشكلة بالحرارة وأيضا اللدائن المتصلبة بالحرارة والتى تحتوى على ذاكرة للاحتفاظ بالشكل والمقواة بالفيبر يمكن استخدامها فى تطبيقات الفضاء.

الخلاصة

اللدئن الذكية هى نوع من المواد الذكية او التكيفية التى تعرض بشائر للامل فى العديد من التطبيقات . هذه بشائر الامل تعتمد على الخواص التى تميزهم عن غيرهم من المواد الذكية مثل السبائك الذكية و السيراميك . اذا تم مقارنة السبائك الذكية باللدائن الذكية فنجد ان اللدائن الذكية خفيفة الوزن , قادرة على تحسين الاجهاد مائة بالمائة , يمكن تصنيع اللدائن الذكية بواسطة استخدام تقنية المعالجة المتعارف عليها دوليا , رخيصة الثمن , و يعتبر عوارل كهربية و حرارية . ان المعامل المنخفض للدائن الذكية يعتبر عائق فى بعض التطبيقات . على اى حال فان يراد اجراء تحسينات على اندماج تعزيز ألياف . الكتلة الصغيرة و الاحجام الصغيرة من رغو ذاكرة الاحتفاظ بالشكل تجعلهم مواد جذابة للدفاع و تباعد التطبيقات . يمكن تصنيع الاجزاء بشكلهم المعدل ( فى حالة الضغط عموما ) و بعد ذلك يتم ارجاعها مرة اخرى فى المجال او الفضاء . اللدائن الذكية وجد لها تطبيقات فى الادوات الطبية مثل الشظايا ’ المشابك الجراحية ’ و القسطرات الداخلية . كل واحدة من هذه التطبيقات لها امكانية لتحسين الخط الاول فى العناية الطبية بالجنود فى مجالاتهم . اللدائن الذكية و مركبات اللدائن الذكية المقواه بالفيبر تسعى الى السيطرة على الاهتزاز و السيطرة على الشكل . تطوير اللدائن يستند الى الخواص المضبوطة و امكانية ربط الخواص للدائن الذكية يجب ان يوديا الى زيادة تطبيقاتهم . نماذج الدنياميكا الحرارية الخطى واللا خطى تطور ليوصف استجابة اللدائن الذكية. هذه النماذج مفيدة لتصميم عناصر من اللدائن الذكية التى تتم بها تسحين للاجهاد بكمية كبير, و قوة تحسن , و درجات الحرارة الاعلى او الاقل التى يتم عليها العمل تصبح معروفة .

المراجع

Lendlein, A., Kelch, S. (2002). "Shape-memory polymers". Angew. Chem. Int. ISBN:978-3-642-12358-0.{{استشهاد بكتاب}}: صيانة الاستشهاد: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين (link)