بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش نانوکامپوزیت هاي پلی آنیلین به روش شیمیایی با استفاده از آمونیوم پروکسی دي سولفات APS به عنوان اکسیدانت و پلی وینیل پیرولیدون PVP به عنوان سورفکتانت و تیتانیوم دي اکسید - TiO2 - به عنوان افزودنی تهیه شدند. اثرات غلظت سورفکتانت و اکسید فلزي بر مورفولوژي محصولات بررسی شده است. بررسی ریزنگارهاي SEM نشان میدادند که حضور سورفکتانت و اکسید فلزي نقش مهمی در مورفولوژي، اندازه و یکنواختی نانوکامپوزیت حاصل دارد. ساختار شیمیایی محصولات با استفاده از طیف سنج مادون قرمز مورد بررسی قرار گرفت. طیف FTIR نشان داد که ذرات پلی وینیل پیرولیدون در محصولات موجود است. ماهیت کریستالی نانوکامپوزیت ها از طریق آنالیز XRD تعیین شد. نتایج حاصل از الگوهاي XRD
بیانگر افزایش درصد بلورینگی نانوکامپوزیت در مقایسه با پلیمر خالص است. همچنین شدت پیکها در حضور نانوذرات تیتانیوم دياکسید افزایش یافته است.
واژههاي کلیدي: افزودنی، پلی آنیلین، مورفولوژي، نانوکامپوزیت، ساختار شیمیایی، سورفکتانت، تیتانیوم دي اکسید
-1 مقدمه
در طول دهه گذشته نانوکامپوزیتهاي پلیمري در زمینه هاي پژوهشی و صنعتی توجه زیادي را به خود جلب نموده اند که دلیل آن خواص مکانیکی شامل مدول الاستیک مناسب و استحکام بالا با افزودن مقدار کمی از نانو مواد می باشد که ناشی از نسبت سطح به حجم بالا در مواد نانونسبت به مواد میکرو می باشد .[1] پلیمرهاي رساناي ذاتی - ICP - به عنوان دسته جدید و مهمی از مواد آلی شناخته می شوند این دسته از پلیمرها با توجه به دارا بودن قابلیت رسانایی الکتریکی و خواص منحصر به فرد الکتریکی و نوري [2] در سال هاي اخیر توجه زیادي را به خود جلب نمودند که در این بین پلی آنیلین به سبب سنتز آسان، پایداري محیطی و حرارتی نسبتاً مناسب [3]، رسانایی الکتریکی بالا [4-5]، ارزانی [6] و سمی نبودن مونومرها و همچنین کاربردهاي فراوانی نظیر باتري هاي قابل شارژ [ 7-8]، سل هاي خورشیدي [9-10]، محافظت از خوردگی [11] و سنسورهاي شیمیایی - بیوشیمیایی [12] توجه بیشتري به خود جلب کرده است و حجم بیشتري از مطالعات را به خود اختصاص داده است. مهمترین مانع براي استفاده هاي عملی از پلیمرهاي رسانا شامل رسانایی کمتر نسبت به فلزاتی مانند مس، خواص مکانیکی نه چندان بالا، محلول نبودن در حلال هاي متداول آلی و عدم قابلیت ذوب شدن است که سبب محدود شدن توان فرآوري این پلیمرها شده است .[13] از جمله راه هاي موثر براي رفع این نقص ها، تهیه نانوکامپوزیت از پلیمرهاي رسانا است که می تواند با استفاده از کامپوزیت کردن پلیمر رسانا و پلیمري با خواص مکانیکی مناسب در زمینه ي پلیمرهاي رسانا تهیه گردد.[14] در کامپوزیت هاي حاصل از پلیمر رسانا و پلیمر معمولی با وجود بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی، افت شدید رسانایی نسبت به پلیمر خالص مشاهده می شود که این موضوع باعث به حاشیه رفتن خاصیت رسانایی حاصل می شود پس استفاده
از نانو مواد براي بهبود خواص پلیمر هاي رسانا مورد توجه واقع شده است چون با انتخاب و استفاده از نانو ماده مناسب می توان کامپوزیتی تهیه نمود که هم داراي خاصیت مکانیکی مطلوبی است و هم از قابلیت رسانایی بالایی برخوردار است .[15-16]
-2 مواد
مونومر آنیلین، آمونیوم پروکسی دي سولفات APS ، پلی وینیل پیرولیدون M.W= 105 ، اکسید تیتانیوم و اسید سولفوریک همگی از نوع آزمایشگاهی و از شرکت مرك آلمان تهیه شدند . همچنین در تمام آزمایشات از آب مقطر استفاده شد. همه ي مواد شیمیایی به کاربرده شده داراي خلوص زیاد بوده و بدون خالص سازي بیشتر مصرف شدند، به جز مونومر آنیلین که قبل از استفاده تقطیر و در یخچال نگهداري شد.
-3 دستگاه ها
در این پژوهش، از ترازوي دیجیتال - مدل FR200، آلمان - ، همزن مغناطیسی - مدل MK20، آلمان - ، میکروسکوپ الکترونی - مدل AIS2100، کره جنوبی - ، دستگاه XRD - مدل EQUNIOX3000 ، فرانسه - ، طیف سنج FTIR - مدل Nexus 670، آمریکا - و آون - مدل Binder- FD 23، آمریکا - استفاده شده است.
تجربی
-4 روش ها
4-1 تهیه پلی آنیلین در محیط آبی
براي تهیه پلی آنیلین به روش شیمیایی، ابتدا مقدار 1 گرم APS با استفاده از ترازو دیجیتال وزن شد و به ارلن حاوي 100 سی سی اسید سولفوریک 1 مولار اضافه شد - نوع اسید مورد استفاده نقش بسیار تعیین کننده اي در هدایت الکتریکی، مورفولوژي و خواص پلیمر حاصل دارد - . و به مدت 15 دقیقه روي دستگاه همزن مغناطیسی قرارداده شد کاملاًتا حل گردد، سپس مقدار 1 سی سی مونومر آنیلین تقطیر شده را به صورت قطره قطره به محلول اضافه و با اضافه کردن مونومر آنیلین تقطیر شده شاهد تغییر رنگ محلول بوده که این موضوع نشانگر آغاز واکنش می باشد، رنگ سبز تیره تمامی نمونه ها نشان دهنده تبدیل مونومر به پلیمر بوده و همچنین نشانگر خاصیت هدایت الکتریکی ذرات پلی آنیلین می باشد. سپس محلول به مدت4 ساعت روي دستگاه همزن مغناطیسی - با سرعت چرخش حدود - 400 rpm قرار داده شد تا پلیمر تشکیل گردد. بعد از گذشت4 ساعت محلول را صاف و به منظور حذف ناخالصی ها و الیگومرهاي موجود، پلیمر به دست آمده چند مرتبه با استفاده از آب مقطر شستشو داده شد. سپس پلی آنیلین به دست آمده را روي شیشه ساعت گذاشته و داخل دستگاه آون با تنظیم دماي60 درجه سانتیگراد قرار داده تا خشک گردد. بعد از انجام پروسه ي خشک شدن پلیمر درون ظرف دربسته نگهداري شده است.
4-2 تهیه نانوکامپوزیت پلی آنیلین با استفاده از تیتانیوم دي اکسید و PVP در محیط آبی
ابتدا پایدار کننده PVP را وزن نموده و به 75 سی سی اسیدسولفوریک 1 مولار اضافه می نماییم و به مدت حدود 30 دقیقه روي دستگاه همزن مغناطیسی قرار داده کاملاًتا حل شود، سپس اکسید تیتانیوم را وزن نموده و به محلول اضافه و اجازه می دهیم تا
در اثر بهم زدن محلول یکنواخت گردد. سپس 1 گرم APS را وزن نموده و به 25 سی سی اسید سولفوریک 1 مولار اضافه و به مدت 5 دقیقه روي دستگاه همزن مغناطیسی قرار داده کاملاًتا حل شود. حال محلول APS را به محلول حاوي PVP و تیتانیوم دي اکسید اضافه و 15 دقیقه به آن زمان می دهیم تا روي دستگاه همزن مغناطیسی همزده شود . سپس 1 سی سی مونومر آنیلین تقطیر شده را به صورت قطره قطره به محلول افزوده، با افزودن مونومر شاهد تغییر رنگ محلول خواهیم بود که این موضوع نشانگر آغاز واکنش می باشد . حال باید محلول را به مدت 4 ساعت روي دستگاه همزن مغناطیسی - با سرعت چرخش حدود - 400rpm قرار دهیم . بعد از گذشت 4 ساعت محلول را صاف و به منظور حذف ناخالصی ها و الیگومرهاي موجود می بایست نانوکامپوزیت به دست آمده را چند مرتبه با استفاده از آب مقطر شستشو دهیم. پس از صاف شدن ، نانوکامپوزیت به دست آمده را روي شیشه ساعت گذاشته و داخل دستگاه آون با تنظیم دماي 60 درجه سانتیگراد قرار می دهیم تا خشک گردد. بعد از انجام پروسه خشک شدن نانوکامپوزیت درون ظرف دربسته نگهداري میگردد.
-5 نتایج و بحث
-5-1 بررسی طیف FTIR
با استفاده از طیف FTIR به بررسی ساختمان شیمیایی نانوکامپوزیت ها اقدام می گردد. شدت پیک ها به نوع سورفکتانت، ماده افزودنی و غلظت هاي آنها وابسته هستند و این موضوع به دلیل تعاملات میان پلی آنیلین و سورفکتانت است . تصاویر FTIR نشان می دهند که طول موج نمونه هایی که حاوي سورفکتانت هستند نسبت به نمونه خالص به مقدار جزئی جابهجا شده اند که دلیل آن برهم کنش مواد کمکی می باشد. طیف ها همگی در محدوده 400-4000 میباشند.
در شکل 2 که مربوط به پلی آنیلین خالص و بدون حضور سورفکتانت است مشاهده می شود که پیک3447/38 cm-1 مربوط به ارتعاشات N-H، پیک2921/48 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی پیوند C-H، پیک1518/96 cm-1مربوط به ارتعاشات کششی پیوند C=C در حلقه کینوئیدي، پیک1463/38 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی پیوند C=C در حلقه بنزوئید، پیک 1291/51 مربوط به ارتعاشات کششی پیوند C-N ، پیک 1104/75 مربوط به ارتعاشات خمشی پیوند C-H - داخل صفحه حلقه - می باشد. در شکل 3 که مربوط به نانوکامپوزیت پلی آنیلین و پلی وینیل پیرولیدون با غلظت 10 g/L می باشد مشاهده می شود که پیک3445/39 cm-1 مربوط به ارتعاشات N-H، پیک2926/48 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی پیوند C-H، پیک1553/21 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی پیوند C=C در حلقه کینوئیدي، پیک1508/82 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی پیوند C=C در حلقه بنزوئید، پیک1303/94 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی پیوند C-N ، پیک 1137/58 cm-1 مربوط به ارتعاشات خمشی پیوند C-H - داخل صفحه حلقه - میباشد.
با بررسی طیف FTIR صحت تشکیل پلیمر و کامپوزیت آن با پلی وینیل پیرولیدون تایید شد.
