فصل اول: مقدمه. 3
1-1- بیان مسئله. 3
1-2- اهمیت و اهداف پروژه. 5
فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده. 7
2-1- پلیمریزاسیون تعلیقی.. 9
2-1-1- دور همزن.. 9
2-1-2- غلظت پایدار کننده. 10
2-2-  سیلیکات­های لایه ای.. 11
2-3- هدف از اصلاح سطحی نانوخاک رس و روش­های آن.. ….15
2-4-  هدف از اصلاح سطح و لبه صفحات خاک رس توسط اصلاح کننده های سیلانی و چگونگی پیوند خوردن آن بر سطح   18
2-5-  ساختار نانو کامپوزیت­های سیلیکاتی لایه ای.. 19
2-5-1- نانوکامپوزیت لخته ای.. 19
2-5-2- نانوکامپوزیت میان لایه ای.. 19
2-5- 3- نانوکامپوزیت ورقه ورقه شده. 20
2-6- روش­های تهیه نانو کامپوزیت­های حاوی خاک رس… 20
2-6-1-  روش فیزیکی.. 21
2-6-1-ا- روش محلولی.. 21
2-6-1-ب- روش اختلاط مذاب… 22
 
2-6-2- روش شیمیایی.. 24
2-6-2-ا- روش پلیمریزاسیون  درجا 24
2-7- روش­های شناسایی مورفولوژی نانوکامپوزیت­ها 25
2-7-1- پراش اشعه ایکس…. 27
2-7-2- میکروسکوپ الکترونی عبوری.. 28
2-8-  خواص نانوکامپوزیت­ها 28
2-9-  بررسی کار­های انجام شده. 30
فصل سوم : تجربی.. 45
3-1-مواد مصرفی.. 45
3-2-اصلاح مجدد نانو ذرات خاک رس… 48
3-3-تهیه مخلوط حاوی مونومر / خاک رس… 49
3-4- تهیه نانوکامپوزیت پلیمر/ خاک رس اصلاح شده. 49
3-4-1- تهیه پلی متیل متاکریلات به روش سوسپانسیونی.. 49
3-4-2- تهیه نانوکامپوزیت­های پلی متیل متاکریلات / خاک رس اصلاح شده به روش پلیمریزاسیون سوسپانسیونی­درجا 50
3-4-3- تهیه نانوکامپوزیت به روش اصلاح درجا و پلیمریزاسیون درجا 53
3-5- دستگاه­ها و آزمون­های مورد استفاده جهت بررسی نوع ساختار و خواص حرارتی و مکانیکی نانو کامپوزیت­ها 54
3-5-1- آزمون طیف سنجی زیر قرمز(FTIR). 54
3-5-2- آزمون پراش اشعه ایکس(XRD). 54
3-5-3- آزمون گرماوزن سنجی(TGA). 55
3-5-4- آزمون خواص گرمایی دینامیکی- مکانیکی(DMTA). 55
3-5-5-  آزمون میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM). 55
3-5-6- آزمون اندازه گیری زاویه تماس(Contact angle). 56
 
3-5-7- آزمون اندازه گیری درصد ژل(Gel content). 56
فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادات… 58
4-1- نتیجه گیری.. 58
4-2- پیشنهادات… 61
منابع 62
فهرست اشکال
شکل 2-1 ساختار خاک رس مونت موریلونیت… 13
شکل 2-2ریز ساختار مونت موریلونیت 14
شکل 2-3  تصویری از اصلاح لایه ­های خاک رس توسط کاتیون­های آلی.. 16
شکل 2-4  مدل­های رشد زنجیره­های آلکیلی، a: زنجیره­های کوتاه، b: زنجیره های متوسط، c : زنجیره­های بلند   17

شکل2-5   a : واکنش هیدرولیز.b :واکنش تراکمی.. 18
شکل 2-6  انواع ساختار­های نانوکامپوزیت­ پلیمر / خاک رس، a : ساختار لخته ای، b: ساختار میان لایه ای، c: ساختار ورقه ورقه ای بانظم ، d: ساختار ورقه ورقه ای بی نظم.. 20
شکل 2-7  نفوذ زنجیره­های پلیمر درون صفحات خاک رس به روش محلولی.. 22
شكل2-8  شمایی ازتهیه نانوکامپوزیت به روش لاتکس…. 22
شكل 2-9  شمایی از تهیه نانوکامپوزیت­ به روش مذاب زنجیره­های پلیمری.. 23
شكل 2-10  شمایی از تهیه نانوکامپوزیت به روش پلیمریزاسیون درجا 25
شكل 2-11 حالت­های مختلف پراکنش ذرات خاک رس اصلاح شده در ماتریس پلیمری با بهره گرفتن از آزمون­های پراش اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی عبوری.. 26
شكل 2-12 طرحی از پراش اشعه ایکس…. 27
شكل2-13 بهبود خواص سدی نانوکامپوزیت با حضور نانو ذرات خاک رس… 30
شكل 2-14 ساختار مولکولی اصلاح کننده­ها، a : چهاروجهی کوکو آمین ، b : تری متوکسی وینیل سیلان.. 35
شكل 2-15 مراحل اصلاح خاک رس کلوزیت 20A و تهیه نانوکامپوزیت پلیمر / خاک رس… 39
شكل 3-1 ساختار یون­های آمونیومی اصلاح کننده­ های خاک رس معدنی.. 47
شكل 3-2 ساختار اصلاح کننده­ های سیلانی.. 47
شکل3-3 شمایی از یک قطره نانو کامپوزیت… 50
فهرست جداول
جدول 2-1 ساختار شیمیایی خاک های رس­ اسمکتیت رایج، M :کاتیون تک ظرفیتی ، X :درجه جانشینی کاتیون­های هم ریخت درصفحات هشت وجهی.. 13
جدول 2-2 نتایج آزمون پراش اشعه ایکس]50[. 31
جدول 2-3 نتایج آزمون پراش اشعه ایکس برای خاک رس اولیه و اصلاح شده ونانو کامپوزیت های تهیه شده با آنها]53[. 36
جدول 2-4 نتایج آزمون پراش اشعه ایکس]54[. 37
جدول 2-5  نتایج آزمون پراش اشعه ایکس برای خاک رس اولیه و اصلاح شده و نانو کامپوزیت های تهیه شده]55[. 40
جدول 2-6 نتایج آزمون پراش اشعه ایکس برای خاک رس اولیه و اصلاح شده]56[. 42
جدول 3-1 مشخصات مواد شیمیایی استفاده شده. 45
جدول 3-2 مقادیر مونومر و خاک­های رس یک و دوبار اصلاح شده. 49
جدول 3-3 دستور العمل تهیه  نانوکامپوزیت های NKT و NKD دردرصد های وزنی 1و3.. 51
جدول 3-4 دستورالعمل تهیه نانوکامپوزیت­های تهیه شده با خاک رس دوبار اصلاح شده. 52
جدول 3-5 دستورالعمل تهیه نانوکامپوزیت هایNKTMPS دردرصدهای وزنی مختلف…. 52
جدول 3-6 دستورالعمل تهیه نانوکامپوزیت های تهیه شده به روش اصلاح درجا 53
جدول 3-7 دستورالعمل تهیه نمونه ها جهت بررسی مقدار ژل.. 57
 

چکیده

دراین تحقیق،  نانو کامپوزیت­های پلی متیل متاکریلات / خاک رس، حاوی درصد­های وزنی مختلفی از خاک­رس (براساس ماده معدنی موجود در ساختار آنها)  به روش پلیمریزاسیون سوسپانسیونی درجا تهیه شدند. خاک­های رس­ یکبار اصلاح شده مصرفی مشتمل بر خاک­های رس کانیپیا تی(KT) و کانیپیا دی(­KD­) بودند که به ترتیب توسط نمک­­های تری متیل اکتا دسیل آمونیوم برماید(TMO) و دی متیل دی اکتا دسیل آمونیوم برماید(DMO) که از نظر تعداد زنجیره آلکیلی موجود در ساختارشان با یکدیگر متفاوت هستند آلی شده ­اند. آزمون­های پراش اشعه ایکس، گرماوزن سنجی و گرمایی دینامیکی – مکانیکی بر روی نانو کامپوزیت­های تهیه شده انجام شد. نتایج آزمون پراش اشعه ایکس برای نمونه هایی با 3 % وزنی از خاک رس یکبار اصلاح شده نشان دادند که ساختار  نانوکامپوزیت­های تهیه شده از نوع میان لایه ای است . همچنین با افزایش درصد وزنی خاک رس یکبار اصلاح شده درون ماتریس پلیمری، پایداری حرارتی و خواص گرمایی دینامیکی – مکانیکی شامل مدول و دمای انتقال شیشه ای نمونه­های نانوکامپوزیتی افزایش یافت.
درمرحله دیگر از این تحقیق، خاک رس یکبار اصلاح شده KT توسط اصلاح کننده های سیلانی  3- متاکریلوکسی پروپیل تری متوکسی سیلان (MPS) و N- (n-بوتیل)-3-آمینوپروپیل تری متوکسی سیلان (1189) مجددا اصلاح شد. اصلاح مجدد خاک­رس KT با هدف اصلاح لبه­ها به منظور افزایش سازگاری بین خاک رس و پلیمر صورت گرفت تا با توزیع مناسب خاک رس دوبار اصلاح شده درون بستر پلیمری و بر هم کنش قوی در فصل مشترک خاک رس و ماتریس پلیمری، خواص نانو کامپوزیت نهایی بهبود یابد. اصلاح کننده­ های سیلانی یاد شده دارای گروه­های متوکسی هستند که پس از هیدرولیز، قابلیت اتصال به لبه­ها را ازطریق انجام واکنش تراکمی با گروه­های هیدروکسیل موجود در لبه­ها پیدا می­ کنند. اصلاح کننده سیلانی MPS ازجمله اصلاح کننده های فعال است که دارای گروه وینیلی در انتهای ساختار خود می باشد، درحالیکه اصلاح کننده سیلانی 1189 یک اصلاح کننده غیر فعال به شمار می آید که توانایی شرکت در واکنش­های پلیمریزاسیون را ندارد. آزمون­های  پراش اشعه ایکس، گرماوزن سنجی، طیف سنجی زیر قرمز و اندازه گیری زاویه تماس برروی خاک ­های رس دوبار اصلاح شده انجام شد . نتایج مربوط به آزمون پراش اشعه ایکس حاکی از افزایش فاصله بین صفحات خاک­های رس دوبار اصلاح شده بود که پس از شستشوی خاک­های رس دوبار اصلاح شده با تولوئن، فاصله بین صفحات کاهش یافت. نتایج آزمون گرماوزن سنجی نشان می دهد که مقدار ماده معدنی باقی مانده در خاک­های رس دوبار اصلاح شده کمتر شده است. همچنین طیف­های مربوط به اعدادموجی ساختار­ اصلاح کننده­ های سیلانی در آزمون طیف سنجی زیر قرمز مشاهده شد که حضور اصلاح کننده­ های سیلانی در ساختار خاک رس را تائید می کنند . نتایج آزمون اندازه ­گیری زاویه تماس نشان داد که با اصلاح مجدد خاک رس یکبار اصلاح شده ماهیت آب گریزی ماده بیشتر شده است. نانوکامپوزیت­های متشکل از پلیمر / خاک­ رس دوبار اصلاح شده در 3% وزنی تهیه شدند و تحت آزمون پراش اشعه ایکس قرار گرفتند. نتایج نشان داد که فاصله بین صفحات در نانوکامپوزیت­های حاوی خاک رس دوبار اصلاح شده با مقدار  nm77/3 نسبت به فاصله بین صفحات درنانوکامپوزیت حاوی خاک رس یکبار اصلاح شده بامقدارnm 6/3 افزایش داشته است که این امر به سازگاری هرچه بیشتر خاک رس دوبار اصلاح شده و پلیمر نسبت داده شد. همچنین پایداری حرارتی نانوکامپوزیت­های حاوی 3% وزنی از خاک رس دوبار اصلاح شده در مقایسه با پلیمر خالص بیشتر شده است.
از سوی دیگر،  نانو کامپوزیت­های پلی متیل متاکریلات حاوی خاک رس دوبار اصلاح شده با MPS، در درصد ­های وزنی 25/0، 5/0، 75/0 و 1 تهیه شدند و آزمون­های مختلفی همچون اندازه گیری درصد ژل ، گرمایی دینامیکی – مکانیکی بر روی آنها انجام شد. بر اساس ننایج حاصله، با افزایش درصد وزنی خاک رس دوبار اصلاح شده، درصد ژل افزایش یافت. همچنین مدول و دمای انتقال شیشه ای برای نانوکامپوزیت­های حاوی 25/0% تا 5/0% وزنی ازخاک رس روندی صعودی را نشان داد که با افزایش درصد وزنی خاک رس دوبار اصلاح شده به میزان 75/0% و 1% وزنی روند نزولی مشاهده شد. تصاویر گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری از نانوکامپوزیت حاوی 5/0% وزنی از خاک رس دوبار اصلاح شده نشان­دهنده توزیع مناسب صفحات خاک رس درون بستر پلیمری با ساختار ورقه ورقه شده هستند، اگرچه اندکی ساختار میان لایه­ای نیز قابل مشاهده است. همچنین مدول  نانوکامپوزیت­ تهیه شده با 5/0% وزنی از خاک رس دوبار اصلاح شده با مقدار 07/1 GPa درمقایسه با مدول نانوکامپوزیت حاوی 5/0% از خاک رس یکبار اصلاح شده KT با مقدارGPa 86/0افزایش چشم­گیری را نشان داد. علاوه بر این،  نتایج آزمون حرارتی دینامیکی – مکانیکی  مربوط به نانوکامپوزیت حاوی 5/0%وزنی از خاک رس دوبار اصلاح شده تقریبا معادل نتایج مربوط به نانوکامپوزیت تهیه شده با 3% وزنی از خاک رسKT است. درنتیجه با درصدکمتری­ازخاک­رس­دوباراصلاح­شده­می­توان­به­خواص­مکانیکی­بالاتری­دست­یافت.
کلیدواژه : پلی متیل متاکریلات، نانو ذرات خاک رس ،  نانوکامپوزیت، پلیمریزاسیون سوسپانسیونی، درجا

فصل اول

مقدمه

در این فصل به کلیاتی در مورد بیان مسئله، اهمیت و اهداف این پژوهش پرداخته خواهد شد.

1-1   بیان مسئله

نانو کامپوزیت ها از توزیع یا پراکنش ذرات نانو در یک ماتریس تشکیل می شوند. ماتریس می تواند یک جزئی یا چند جزئی باشد و ممکن است حاوی موادی باشد که خاصیت هایی همچون تقویت کنندگی، چقرمگی و هدایت کنندگی را به سیستم وارد کند.
واژه نانوکامپوزیت، به کامپوزیت هایی که حداقل یکی از ابعاد فاز پراکنده در آن در مقیاس نانوباشد، اطلاق می شود. نانو کامپوزیت ها براساس ابعاد ذرات فاز پراکنده به سه دسته تقسیم می شوند :

• هر سه بعد فاز پراکنده در مقیاس نانومتری هستند. به عنوان مثال ذرات سیلیکای کروی به دست آمده با روش سل– ژل یا پلیمریزاسیون درجا از این دسته اند.
• دو بعد از فاز پراکنده در مقیاس نانومتری هستند و بعد سوم بزرگ تر از 100 نانومتر است. در این حالت یک ساختار کشیده شده ، ایجاد می شود که نانو لوله ها از این دسته هستند. تقویت انواع زمینه های فلزی، سرامیکی و پلیمری توسط نانو لوله ها امکان پذیر است.

• فاز پراکنده فقط دارای یک بعد در مقیاس نانو متری است. در این مورد پرکننده به صورت ورقه هایی با ضخامت یک یا چند نانو متر و با طول صد ها یا هزاران نانو متر می باشد. خاک رس در بین سیلیکات های لایه ای بیشتر