ﭼﻜﻴده
در سالهای اخیر، تحقیقات بر روی نانوکامپوزیتهای پلیمری توجه زیادی را به خود جلب کرده است و این به دلیل خواص مکانیکی، حرارتی، نوری و شیمی فیزیکی بهبود یافته این پلیمرها نسبت به پلیمر خالص و کامپوزیتهای معمولی است. در دهههای گذشته توجه محققان بر روی نانوکامپوزیتهای پلیمری – خاک رس متمرکز بوده است در حالی که در چند سال اخیر توجه به سمت انواع دیگر نانوذرات معدنی به منظور بهبود خواص جلب شده است.
پلی وینیل الکل (PVA)، یکی از پلیمرهای سنتزی سازگار با طبیعت و محلول در آب است که دارای خواص بسیار عالی میباشد. این پلیمر به عنوان یک محصول تجاری و صنعتی ارزشمند، از نظر حلالیت و زیست تخریب پذیر بودن آسیب کمی به محیط زیست میرساند و به همین دلیل مورد توجه محققین و صنعتگران قرار گرفته است. با وجود این، خواص پلی وینیل الکل می تواند توسط پخش نانوذرات معدنی گوناگون در ماتریس پلیمری بهبود یابد.
در این پژوهش، نانوذرات CdS به روش همرسوبی ساخته شده است. نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS نیز با اضافه کردن نانوذرات سنتزی به پلیمر توسط روش فرآوری محلول تهیه شده است. در راستای این پژوهش ساختار نانوذرات و نانوکامپوزیتهای تهیه شده توسط الگوی پراش اشعه ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و طیف سنجی انرژی پراش اشعه ایکس (EDX) مورد بررسی قرار گرفته شد. همچنین در این پژوهش خواص مکانیکی، حرارتی، نوری، جذب آب و تخریب آنزیمی نمونهها مورد بررسی قرار گرفت و سپس نتایج حاصل در مورد بعضی از نمونهها با یکدیگر مقایسه شد.
کلمات کلیدی: پلی وینیل الکل، نشاسته، نانوکامپوزیت، نانوذرات، فرآوری محلول، خواص نانوکامپوزیت، زیست تجزیهپذیر
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1- فنآوری نانو چیست……………………………………………………………………………………………………………………………..1
1-2- مقدمهای بر پلیمرها……………………………………………………………………………………………………………………………..2
1-3-روشهای سنتز نانوذرات……………………………………………………………………………………………………………………… 5
1-3-1-روشهای شیمیایی……………………………………………………………………………………………………………………. 5
1-3-1-1-ته نشینی و رسوب دهی شیمیایی………………………………………………………………………………….. 5
1-3-1-2-سل-ژل…………………………………………………………………………………………………………………………….. 5
1-3-1-3-پیش مادهی پلیمری………………………………………………………………………………………………………… 6
1-3-1-4-میکروامولسیون…………………………………………………………………………………………………………………. 6
1-3-1-5-هیدروترمال………………………………………………………………………………………………………………………. 6
1-3-1-6-سنتز به کمک احتراق………………………………………………………………………………………………………. 7
1–3-2-روشهای فیزیکی– شیمیایی……………………………………………………………………………………………………… 7
1-3-2-1-تجزیه حرارتی افشانهای…………………………………………………………………………………………………….. 7
1-3-2-2-تغلیظ گاز…………………………………………………………………………………………………………………………… 7
1-3-2-3-سایش مکانیکی………………………………………………………………………………………………………………….. 7
1-3-2-4-روش اولتراسونیک……………………………………………………………………………………………………………… 8
1-3-2-5-سیالات فوق بحرانی…………………………………………………………………………………………………………… 8
آ
1-4-کامپوزیتها………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 8
1-4-1-انواع کامپوزیتها………………………………………………………………………………………………………………………… 9
1-4-1-1-کامپوزیتهای لیفی………………………………………………………………………………………………………….. 9
1-4-1-2-کامپوزیتهای پودری……………………………………………………………………………………………………….. 9
1-5-تاریخچه فنآوری نانوکامپوزیت…………………………………………………………………………………………………………. 10
1-6-نانوکامپوزیتها……………………………………………………………………………………………………………………………………. 11
1-7-انواع نانوکامپوزیت………………………………………………………………………………………………………………………………. 12
1-7-1-نانوکامپوزیتها بر اساس اجزای تشکیلدهنده………………………………………………………………………… 12
1-7-2-نانوکامپوزیتها بر اساس ابعاد ذرات پراکنده…………………………………………………………………………… 12
1-7-3-نانوکامپوزیتها بر اساس ماده زمینه……………………………………………………………………………………….. 13
1-7-3-1-نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری……………………………………………………………………………………… 13
1-7-3-2-نانوکامپوزیتهای زمینه سرامیکی…………………………………………………………………………………… 13
1-7-3-3-نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی-سرامیکی………………………………………………………………………… 14
1-7-3-4-نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی…………………………………………………………………………………………. 14
1-8-مزایا ومعایب نانوکامپوزیتها……………………………………………………………………………………………………………… 14
1-9-روشهای تهیه نانوکامپوزیتها………………………………………………………………………………………………………….. 16
1-9-1-مخلوطسازی مستقیم……………………………………………………………………………………………………………….. 16
1-9-2-فرآوری محلول………………………………………………………………………………………………………………………….. 16
1-9-3-پلیمریزاسیون درجا…………………………………………………………………………………………………………………… 17
ب
1-9-4-روش سل-ژل…………………………………………………………………………………………………………………………… 17
1-9-5-سنتز با بهره گرفتن از تمپلیتها……………………………………………………………………………………………………. 18
1-10-ضرورت توجه به نانوکامپوزیتهای پلیمری……………………………………………………………………………………. 19
1-11-کاربردهای نانوکامپوزیتها………………………………………………………………………………………………………………. 19
1-12- اهداف تهیه نانوکامپوزیتهای پلیمری………………………………………………………………………………………….. 20
1-13- انواع پرکنندهها با ابعاد
نانو…………………………………………………………………………………………………………….. 21
1-13-1- لایهای…………………………………………………………………………………………………………………………………… 21
1-13-2- لیفی……………………………………………………………………………………………………………………………………… 21
1-13-3-کروی……………………………………………………………………………………………………………………………………… 21
1-14- معرفی پلی وینیل الکل………………………………………………………………………………………………………………….. 22
1-14-1-خواص فیزیکی پلی وینیل الکل……………………………………………………………………………………………. 23
1-14-1-1- نقطه ذوب و تبلور………………………………………………………………………………………………………. 23
1-14-1-2- دمای شیشه ای شدن………………………………………………………………………………………………….. 24
1-14-1-3- قابلیت انحلال………………………………………………………………………………………………………………. 24
1-15-تخریب پلیمرها…………………………………………………………………………………………………………………………………. 25
1-15-1-انواع تخریب…………………………………………………………………………………………………………………………….. 26
1-15-1-1-تخریب حرارتی……………………………………………………………………………………………………………….. 26
1-15-1-2-تخریب مکانیکی……………………………………………………………………………………………………………… 26
ج
1-15-1-3-تخریب با آب (تخریب هیدرولیکی)……………………………………………………………………………….. 26
1-15-1-4-تخریب با امواج مافوق صوت…………………………………………………………………………………………… 26
1-15-1-5-تخریب شیمیایی……………………………………………………………………………………………………………… 27
1-15-1-6-تخریب با تشعشع…………………………………………………………………………………………………………….. 27
1-15-1-7-زیست تخریب شدن………………………………………………………………………………………………………… 27
1-16-پلاستیکهای زیست تخریب پذیر…………………………………………………………………………………………………….. 27
1-17-زیست تخریب پذیری در پلیمرها……………………………………………………………………………………………………… 27
1-17-1-پلیمرهای زیست تخریب پذیر طبیعی……………………………………………………………………………………… 29
1 -17-2-پلیمرهای زیست تخریب پذیر سنتزی……………………………………………………………………………………. 29
1-18-عوامل موثر بر زیست تخریب پذیری پلیمرها…………………………………………………………………………………… 30
1-19-روشهای زیست تخریب پذیری……………………………………………………………………………………………………….. 30
1-19-1-میکروارگانیسمها………………………………………………………………………………………………………………………. 31
1-19-1-1-فرایند هوازی (در حضور اکسیژن)………………………………………………………………………………….. 31
1-19-1-2-فرایند غیر هوازی (در غیاب اکسیژن)…………………………………………………………………………….. 31
1-19-2-آنزیمها………………………………………………………………………………………………………………………………………. 31
1-20-کاربرد پلیمرهای زیست تخریب پذیر………………………………………………………………………………………………. 31
1-21-روشهای تخریب پلیمرهای زیست تخریب پذیر…………………………………………………………………………….. 32
1-21-1-تخریب از طریق نور…………………………………………………………………………………………………………………. 32
د
1-21-2-تخریب از طریق میكروبی……………………………………………………………………………………………………….. 32
1-21-3-تخریب شیمیایی……………………………………………………………………………………………………………………… 33
1-22-روشهای شناسایی نانوکامپوزیتها…………………………………………………………………………………………………. 33
1-22-1-استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD)…………………………………………………………………………………… 33
1-22-2-استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)………………………………………………………………… 35
1-22-3-استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)………………………………………………………………… 36
1-22-4-استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)………………………………………………………………………. 37
فصل دوم: بخش تجربی
2-1-وسایل، مواد و دستگاههای مورد استفاده…………………………………………………………………………………………… 39
2-1-1-وسایل آزمایشگاهی……………………………………………………………………………………………………………………. 39
2-1-2-مواد شیمیایی…………………………………………………………………………………………………………………………….. 39
2-2-تعیین جرم مولکولی…………………………………………………………………………………………………………………………… 41
2-3-تهیه نمونهها……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 44
2-3-1-آماده سازی نانو ذرات………………………………………………………………………………………………………………… 44
2-3-1-1-روش تهیه نانوذرات CdS…………………………………………………………………………………………………..44
2-3-2-آماده سازی نمونههای نانو کامپوزیتی…………………………………………………………………………………………45
2-3-2-1-روش تهیه کامپوزیتStarch/PVA ………………………………………………………………………………… 45
2-3-2-2- روش تهیه نانوکامپوزیتStarch/PVA/CdS ……………………………………………………………….. 46
2-4-اندازه گیریها………………………………………………………………………………………………………………………………………. 46
ه
2-4-1-بررسی ساختار………………………………………………………………………………………………………………………….. 47
2-4-1-1- پراش پرتو ایکس (XRD)…………………………………………………………………………………………….. 47
2-4-1-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)………………………………………………………………………… 47
2-4-1-3-طیف سنجی انرژی پراش اشعه ایکس (EDX)…………………………………………………………….. 48
2-4-2- خواص مکانیکی………………………………………………………………………………………………………………………. 48
2-4-3-خواص حرارتی…………………………………………………………………………………………………………………………. 50
2-4-3-2-آنالیز گرماسنج دیفرانسیلی روبشی (DSC)……………………………………………………………….. 50
2-4-4- طیف سنجی مرئی- فرابنفش (UV-VIS)…………………………………………………………………………… 50
2-5- بررسی جذب آب نانوکامپوزیتها……………………………………………………………………………………………………. 51
2-6- بررسی تخریب آنزیمی…………………………………………………………………………………………………………………….. 54
فصل سوم: بحث و نتیجه گیری.
3-1-مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 57
3-2- تعیین جرم مولکولی پلی وینیل الکل……………………………………………………………………………………………… 58
3-3- شناسایی ساختار نانوذرات CdS…………………………………………………………………………………………………….. 58
3-3-1- نتایج XRD…………………………………………………………………………………………………………………………. 58
3-3-2- نتایج SEM…………………………………………………………………………………………………………………………. 60
3-4- شناسایی نانوکامپوزیتها………………………………………………………………………………………………………………… 66
3-4-1- نتایج XRD ………………………………………………………………………………………………………………………… 62
3-4-2- نتایج SEM…………………………………………………………………………………………………………………………. 63
3-4-3- نتایج EDX…………………………………………………………………………………………………………………………. 64
و
3-5- بررسی خواص نانوکامپوزیتهای Starch/PVA/CdS…………………………………………………………….. 66
3-5-1- نتایج آزمون مکانیکی تنش- کرنش…………………………………………………………………………………….. 66
3-5-2- نتایج آزمون حرارتی (DSC)………………………………………………………………………………………………. 70
3-5-3- نتایج جذب نور مرئی- فرابنفش…………………………. ……………………………………………………………… 74
3-5-4- نتایج آزمون جذب آب…………………………………………………………………………………………………………. 78
3-5-5- نتایج آزمون تخریب آنزیمی………………………………………………………………………………………………….83
3-5- نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 87
فهرست منابع……………………………………………………………………………………………………………………………………………..89
فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول (2-1)-انواع مواد شیمیایی مورد استفاده……………………………………………………………………………………. 40
جدول (3-1)- زمان ریزش محلولها با غلظتهای مختلف در ویسکومتر استوالد……………………………….. 62
جدول (3-2)- درصد تقریبی عناصر موجود در نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS………………………… 70
جدول (3-3)- داده های آزمون کشش………………………………………………………………………………………………….. 71
جدول (3-4)- داده های مربوط به آزمون کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC)……………………………………. 78
جدول (3-5)- داده های مربوط به باند گپ نمونههای نانوکامپوزیتی…………………………………………………… 80
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل (1-1)- فرمول شیمیایی پلی وینیل الکل………………………………………………………………………………………. 22
شکل (1-2) دستگاه پراش اشعه ایکس……………………………………………………………………………………………………. 34
شکل (1-3) دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی………………………………………………………………………………… 36
شکل (1-4) دستگاه میکروسکوپ الکترونی عبوری………………………………………………………………………………… 37
شکل (1-5) دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی………………………………………………………………………………………. 38
شکل (2-1)- دستگاه تست کشش مورد استفاده در این پژوهش…………………………………………………………. 52
شکل (3-1)- الگوی XRD نانوذرات CdS………………………………………………………………………………………….. 63
شکل (3-2)- تصاویر SEM مربوط به نانوذرات CdS…………………………………………………………………………. 65
شکل (3-3)- الگوی XRD مربوط به نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS………………………………………. 67
شکل (3-4)- تصاویر SEM مربوط به نانوکامپوزیتهای Starch/PVA/CdS………………………………. 68
شکل (3-5)- آنالیز عنصری (EDX) مربوط به نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS……………………….. 69
شکل (3-6)- آزمون Tensile………………………………………………………………………………………………………………. 72
شکل (3-7)- آزمون DSC. ترموگرام مربوط به ماتریس پلیمری Starch/PVA……………………………. 77
شکل (3-8)- آزمون DSC. ترموگرام مربوط به نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS (5%)………….. 77
شکل (3-9)- طیف UV-Vis مربوط به نانوکامپوزیتهای Starch/PVA/CdS………………………….. 79
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار (3-1)- تاًثیر مقدار نانوذره CdS بر روی استحکام کششی……………………………………………………… 73
نمودار (3-2)- تاًثیر مقدار نانوذرات CdS بر روی مدول کشسانی……………………………………………………… 74
نمودار (3-3)- تاًثیر مقدار نانوذرات CdS بر روی ازدیاد طول……………………………………………………………. 75
نمودار (3-4)- بررسی اثر زمان و مقدار نانوذرات CdS بر روی وزن نمونههای آبدار نانوکامپوزیتی….. 81
نمودار (3-5)- بررسی اثر زمان و مقدار نانوذرات CdS بر روی درجه جذب آب نمونهها………………. 82
نمودار (3-6)- تاًثیر افزایش نانوذرات CdS بر روی تخریب آنزیمی نانوکامپوزیتها…………………………… 83
فهرست علائم و اختصارات
AFM Atomic Force
DSC Differential Scanning Calorimetry
DED Degree of enzymatic degradation
EDX Energy Dispersive X-ray spectroscopy
XRD X-ray Diffraction
PVA Polyvinyl Alcohol
PVAC Polyvinyl Acetate
S Starch
SEM Scanning Electron Microscopy
TGA Termal Gravimetric Analysis
TEM Transmission Electron Microscope
rpm revolution per minute
nm nanometer
Mpa Mega pascal
WAC Water Absorption Capability
-فنآوری نانو چیست؟
فنآوری نانو واژهای است کلی که به تمام فنآوریهای پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می شود. معمولاٌ منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود یک تا 100 نانومتر میباشد. (1 نانومتر یک میلیاردم متر است) [1]. اولین جرقه فنآوری نانو در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن[1] طی یک سخنرانی با عنوان (فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد) ایده فنآوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آیندهای نزدیک میتوانیم مولکولها و اتمها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم [2].
نانومواد در سالهای اخیر به علت کارایی بالایی که در حوزه های وسیعی از زمینه های مختلف دانش مانند الکترونیک، کاتالیست، سرامیک، ذخیره داده های مغناطیسی و…. دارند، گسترش قابل توجهی یافتهاند. در حقیقت برای تحقق نیازهای فنآورانه در زمینه های یاد شده با بهره گرفتن از نانومواد، اندازه مواد در ابعاد طول، عرض و یا ارتفاع تا مقیاس نانومتری کاهش مییابد. با کاهش اندازه مواد تا ابعاد نانومتری، خواص مکانیکی و فیزیکی مواد بهبود قابل توجهی پیدا می کند، به طور مثال استحکام مکانیکی و به ویژه مقاومت الکتریکی و حرارتی افزایش مییابد [3].
نانومواد را میتوان در یک طبقه بندی کلی، به دو دسته نانوبلورها و نانوذرات تقسیم کرد:
1-نانوبلورها: عبارتند از مواد چند بلوری با اندازه دانه های کمتر از nm100.
2-نانوذرات: عبارتند از ذرات بسیار کوچک با ابعاد ریز (کمتر از nm100) که به عنوان بلوکهای ساختمانی نانومواد بلوری در نظر گرفته میشوند.
روشهای جدید تولید نانوذرات عمدتاٌ فرایندهایی بر پایه حالت بخار، مایع و جامد میباشند:
روشهای بر پایه بخار:PVD ،CVD ، روشهای پاششی و….
روشهای بر پایه مایع: روش سل-ژل، روشهای شیمیایی تر و….
روشهای بر پایه جامد: آلیاژسازی مکانیکی و…. [4]
هدف نانوتکنولوژی بهره برداری از خواص نانوساختارها با کنترل ساختارها در سطوح اتمی و مولکولی است. نانوساختارها طبق تعریف به مواد و ساختارهایی گفته می شود که در یکی از ردهبندیهای زیر قرار گیرند [5]:
[دوشنبه 1399-10-01] [ 02:27:00 ب.ظ ]
|