بخشی از مقاله
چکیده
امواج فرابنفش به عنوان یک طیف از تابشهای الکترومغناطیسی، آثار مخرب زیادی روی سلامت انسان و دوام مواد پلیمری دارند. محافظت در برابر تابش فرابنفش یکی از چالشهای پیش روی انسان در عصر حاضر میباشد. بنابراین، تولید و استفاده از منسوجاتی که قابلیت حفاظت در برابر امواج UV را دارند، امری ضروری است. نانوذرات اکسید بخاطر شکاف باند بالاتر و خواص حرارتی مطلوبتر نسبت به سایر نانومواد برتری دارد. در این مطالعه سعی بر آن شد که، تأثیر اکسید روی بر خواص مورفولوژیکی، حرارتی و محافظت در برابر امواج UV نانوالیاف کامپوزیتی اکسید روی/ نایلون مورد بررسی و تحلیل قرار گیرد. در این راستا، نانوالیاف کامپوزیتی اکسید روی/ نایلون بوسیله روش الکتروریسی تولید گردید. پس از انجام آزمایشات فوتوکاتالیستی و اندازهگیری میزان پرتو عبوری مشخص شد، نانوذرات با مورفولوژی کشیده خواص جذبی و فوتوکاتالیستی بیشتری نسبت به مورفولوژی کروی از خود نشان دادند. نانوذرات کشیده سطح مخصوص - - 36/18m2/g بیشتری نسبت به نانوذرات کروی - - 21/99m2/g دارند. همین امر باعث میشود، نور بیشتری به سطح نانوذره کشیده تابیده شود و الکترون-حفره بیشتری تولید میشود و باعث خاصیت فوتوکاتالیستی و جذبی بیشتر نانوذره کشیده نسبت به نانوذره کروی میشود. همچنین، افزایش میزان نانوذرات باعث افزایش احتمال برخورد پرتو با نانوذرات و در نتیجه جذب و محافظت بیشتر میشود. در این پژوهش نمونههایی با عامل محافظتی - - UPF، 41 و 48 در شرایط بهینه تولید شد که در رده محافظهای عالی در برابر تابش فرابنفش قراردارند.
مقدمه
بر اساس نظریه موجی، تابش الکترومغناطیسی از دو مؤلفه میدان الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده که این میدانها در حال انتشار موج در محیط، بر یکدیگر و همچنین بر جهت پیشروی موج عمود هستند. یکی از امواج پرخطر در طیف امواج الکترومغناطیس تابش فرابنفش - UV - است. تابش فرابنفش محدودهی طول موجهای 100-400 نانومتر را شامل میشود که به سه دستهی کلی UVA - طول موجهای - 315-400 nm ، UVB - طول موجهای - 280-315 nm، UVC - طول موجهای - 100-280 nm تقسیم میشوند .[1] فوتونهای پرتو فرابنفش به خصوص در محدوده UVB، به هر نوع مولکول DNA متعلق به ارگانهای زنده، به اشکال گوناگون حملهور میشوند. در شایعترین حالت، حمله علیه نزدیکترین ترکیب باز تیمین در حلقه DNA اتفاق میافتد. در این حالت بازهای تیمین همپایه، بهدلیل نگهداری تعادل پلهای DNA یا به عبارتی، به همپایه خویش پیوسته و باعث بوجود آمدن نوعی DNA معیوب میگردند .
[2] گزینههای مختلفی به عنوان مواد محافظ امواج فرابنفش مطرح شدهاست. در این بین، مواد در ابعاد نانو به علت اندازه کوچک ذرات، نسبت سطح به حجم بالا و اثر تونلی کوانتومی دارای خواص الکتریکی، مغناطیسی و نوری بالاتری هستند بنابراین، دارای عملکرد بالاتر و بهتر نسبت به مواد دیگر میباشند. در تحقیقی [3]، نانوالیاف PAN با استفاده از نانوذرات TiO2 به روش سل-ژل پوشش دادهشد و با بررسی خواص آن در طول موجهای امواج فرابنفش مشخص شد، کاهش قطر الیاف و افزایش تراکم سطحی لایه نانوالیاف باعث کاهش اندازه حفرهها و افزایش سطح تماس نانوذرات با تابش فرابنفش میشود، که این دو عامل باعث جذب و افزایش تعداد برخورد تابش فرابنفش با ساختار نانو لیفی میگردند. در گزارشی دیگر [4]، با الکتروریسی نایلون6 به همراه نانوذرات TiO2، نشان دادهشد با افزایش غلظت نانوذرات TiO2 میزان انعکاس در نمونه کاهش مییابد، زیرا در اثر انتقال الکترون از لایه ظرفیت به لایه هدایت، امواج فرابنفش توسط نانوذرات TiO2 جذب میشود. در پژوهشی [5]، نانوالیاف کامپوزیتی پلییورتان/اکسیدروی بر روی بستری از جنس پلیپروپیلن الکتروریسی شده و مشخص گردید با افزایش چگالی خطی لایه نانوالیاف و افزایش میزان نانوذرات اکسیدروی، از میزان عبور امواج فرابنفش کاسته میشود و نیز در محدوده 280-380 nm میزان عبور بهطور تقریبی در حدود صفر است.
در گزارش دیگری [6]، کامپوزیت نانوالیاف پلیاکریلونیتریل/اکسیدروی که شامل سه مورفولوژی مختلف نانوذرات اکسید روی بصورت میوه کاج، گل و توتیای دریایی میباشد، تولید و تأثیر ساختارهای مختلف نانوذرات اکسیدروی بر میزان محافظت در برابر پرتو فرابنفش بررسی گردید. نانوذره توتیای دریایی با بیشترین سطح مخصوص، بیشترین میزان محافظت را در برابر تابش فرابنفش داشت. همچنین در پژوهشی [7]، نانوکامپوزیت پلیوینیلالکل/ اکسیدروی با استفاده از روشهای مختلف سنتز نانوذرات اکسیدروی تولید شد و نتایج نشان داد که، با افزایش میزان اکسیدروی و نیز افزایش غلظت نانوذرات به دلیل افزایش احتمال برخورد و افزایش توانایی ساختار در جذب، حبس پرتو فرابنفش بیشتر میگردد. از این روی در پژوهش حاضر نانوالیاف کامپوزیتی نایلون6 لایهنشانی شده با اکسیدروی به روش الکتروریسی/الکترواسپری تولید شده و خواص ساختاری و محافظت در برابر امواج الکترومغناطیسی آنها مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 تجربیات
نانوذرات روی اکسید با ساختار کروی و کشیده با اندازه ذرات 10nm؛30، پلیآمید 6 با متوسط وزن مولکولی 27600g/mol، پوششدهنده پلیمری پلیوینیلپیرولیدون - PVP - با وزن مولکولی 10000g/mol، اسید فرمیک و اتانول به عنوان مواد اولیه در این پژوهش بهکار رفتهاند. ابتدا، نانوذرات توسط PVP در اتانول دیسپرس و همچنین محلول %15 نایلون 6 تهیه شد، سپس طی 6 ساعت با اختلاف پتانسیل 20kV، نرخ تغذیه 0/1 mL/h، فاصله منبع تغذیه تا جمعکننده 18 cm و همچنین با استفاده از جمعکننده استوانهای دوار، لایه نانوالیاف تولید گردید . پس از آن، برای تهیه لایه کامپوزیتی از دو نازل که در طرفین جمعکننده دوار قرارگرفته است، استفاده شد. به گونهای که، از یک طرف بر روی پلیمر نایلون الکتروریسی صورت گرفت و از طرف دیگر نانوذرات روی اکسید الکترواسپری گردید. در این روش فاصله تغذیهکننده حاوی پلیمر تا جمع کننده دوار 18 cm و فاصله تغذیهکننده حاوی محلول نانوذرات تا جمع کننده 15 cm درنظر گرفته شد. همچنین، ولتاژ اعمالی و نرخ تغذیه پلیمر نایلون به ترتیب 20kV و 0/1 mL/h تنظیم گردید. نرخ تغذیه محلول نانوذرات هم برای لایهها مختلف متفاوت در نظر گرفته شده است. جدول 1 مشخصات لایههای کامپوزیتی را نشان میدهد. پس از تهیه لایههای نانوالیاف، برای × مشاهده×ساختار×نانوالیاف×و×اندازهگیری×قطر،×دستگاه×میکروسکوپ×الکترونی×روبشی - SEM - مدل XL-30 ساخت× شرکت × Philips کشور×هلند ×استفاده×شد. برای×بررسی×آرایشیافتگی×و×ساختار× سطحی نمونههای ×نانولیفی×و ×فیلمهای×تهیهشده،×از تصاویر×با×بزرگنمایی 2000، 5000 و 10000 که برای تمام تصاویر ولتاژ شتاب 25kV تنظیم گردید، استفاده شد. همچنین، بهمنظور ×اندازهگیری ×میزان ×امواج ×فرابنفش ×عبوری و انعکاسی نمونهها، دستگاه Specord 250 شرکت SPECORD ساخت آلمان، بهکار گرفته شد.
-3 بحث و نتایج
1؛-3 مورفولوژی نانوالیاف کامپوزیتی
در شکل 1 تصاویر SEM مربوط به نانوالیاف کامپوزیتی نایلون نمایش داده شده است. با توجه به تصاویر سطح نانوالیاف بسیار صاف، بدون بیرونزدگی و فاقد دانه تسبیحی میباشد، که نشاندهنده شرایط خوب الکتروریسی است. قطر نانوالیاف در تمامی نمونهها 140 ±17 nm اندازهگیری شده است. به دلیل نرخ تغذیه بالا در نمونه NS10 نانوذرات به صورت قطرهای بر روی نانوالیاف پاشیده شدهاند . همین عامل سبب میشود تا هنگام جدا کردن لایه از فویل در محلی که قطرههای درشت نانوذرات وجود دارند، سوراخ و پارگیهای متعدد ایحاد شود . همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود ابعاد ذرات موجود در کامپوزیتها در حد میکرون است. به دلیل بالا بودن نسبت سطح به حجم نانوذرات و به عبارتی سطح مخصوص زیاد آنها، واکنشپذیری نانوذرات بسیار بالا است، زیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح در مقایسه با تعداد اتمها یا مولکول-های موجود در توده نمونه بسیار زیاد است، به گونهای که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخهای شدن دارند.
2؛-3 محافظت در برابر امواج فرابنفش
نانوذرات رویاکسید×توانایی×بالایی در×محافظت×در×برابر×امواج فرابنفش دارند. در×حالت×نیمهرسانا×دارای×فاصله باندی 3/37eV میباشند که با استناد به×نظریه×نواری×جسم×جامد،×هنگام×برخورد×نور×با×انرژی×بیشتر×از×فاصله باندی×آنها - طول موج کمتر از لبه جذب - باعث×تهییج×الکترون×از×لایه×ظرفیت×به×لایه×رسانش×و ایجاد×الکترون-×حفره×میشود. میانگین انرژی تابش فرابنفش در محدوده UVA، 3/44eV در محدوده UVB، 4/13eV و در محدوده UVC، 5/28eV می باشد، که همه این مقادیر از فاصله باندی رویاکسید بیشتر است بنابراین، تهییج اتفاق میافتد. مقداری از پرتوی تابیدهشده به سطح لایه جذب و باقیمانده آن منعکس میشود. شرایط ایدهآل برای آنکه بیشترین میزان محافظت اتفاق بیفتد، این است که پرتو تابیده شده از منافذ سطحی عبور کند و در داخل لایه به دام بیافتد. در این صورت پرتوی تابیدهشده پس از هر بار برخورد به سطح نانوذرات مقداری از انرژی خود را به صورت گرما از دست میدهد.
