بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، ذرات نانوساختار سیلیکا ایروژل بر اساس روش سل-ژل دومرحلهای و خشککردن در فشار محیط و بلانکتهای لیفی آن با استفاده از روش سنتز درجای نانوساختار سیلیکا ایروژل بر روی لایه بیبافت پلیاستر تهیه و تاثیر شرایط سنتز و ساختار حفرات ایروژل بر خواص آبگریزی ذرات ایروژلی و بلانکتهای حاصل ارزیابی شد. آزمونهای جذب و واجذب نیتروژن، زاویه تماس و تصاویر FE-SEM برای ارزیابی ذرات و بلانکتهای ایروژلی انجام گرفت. ذرات سیلیکا ایروژل حاصل از تخلخل بیش از 80 ، سطح مخصوص بالاتر از 820 m2/g و متوسط اندازه حفرات 6-22 نانومتر برخوردارند.
نتایج نشان داد که میزان کاتالیزور، غلظت ماده اصلاحکننده سطح و تغییر دمای تراکم با وجود تغییر خواص فیزیکی ذرات سیلیکا ایروژل مانند سطح مخصوص، چگالی، اندازه ذرات و اندازه حفرات، بر خاصیت آبگریزی این ذرات و بلانکتهای حاصل اثرگذار نیست. تنها عامل موثر بر خواص آبگریزی ذرات ایروژل و بلانکت لیفی آن، مرحله اصلاح سطح با TMCS از مراحل سنتز بوده بهطوری که با حذف مرحله اصلاح سطح و با حضور گروههای آبدوست بر ساختار، ذرات و بلانکتهای ایروژلی آبدوست حاصل میشوند. بلانکتهای تهیهشده با ایروژلهای آبگریز، زاویه تماس با آب برابر 145 درجه و عدد 3M برابر 2 نشان دادند.
-1 مقدمه
ایروژلها موادی با ساختار شبکهای با پیوندهای عرضی زیاد و حفرات بزرگ بوده که با هوا پر شده و دارای سطح مخصوص زیاد - 1000-300 m2/g - و تخلخل بالای %80، چگالی کم - 0/0-05/5 g/cm3 - و هدایت گرمایی بسیار پایین - 0/04 W/m K - هستند که استفاده از آنها در بسیاری از کاربردهای تجاری مانند کاتالیست، عایق حرارتی و پنجرههای شفاف عایق رو به گسترش است.
در سالهای اخیر، بلانکتهای ایروژلی منعطف مورد توجه محققان قرار گرفتهاند که استفاده از ایروژل در یک ساختار لیفی نظیر منسوج بیبافت، ساختار شکننده ایروژل را بهبود و خواص مکانیکی را تقویت میکند. طالبی و همکاران موفق به تهیه بلانکتهای آبگریز سیلیکا ایروژل/بیبافت پلیاستر به روش سل-ژل تحت فرایند خشککردن در فشار محیط شدند و حضور %66 وزنی سیلیکا ایروژل در منسوج بیبافت منجر به کاهش %64 نفوذ گرمایی آن شد .
مزروعی و همکاران از سیلیکا ایروژل خشکشده در دمای محیط در ترکیب با نانوالیاف پلیاستر به روش الکتروریسی استفاده کردند. برای نانوالیاف حاوی 2 سیلیکا ایروژل با خاصیت فوقآبگریزی به ترتیب زاویه تماس برابر با 130 در مقایسه با نانوالیاف خالص با زاویه تماس 103 درجه حاصل شد .[6] در این تحقیق به بررسی تاثیر متغیرهای فرایند سنتز بر ساختار و خواص آبگریزی ذرات نانوساختار سیلیکاایروژل و بلانکتهای سیلیکا ایروژل تهیهشده در فشار محیط و ارتباط بین ساختار حفرات و خواص فیزیکی ذرات سیلیکا ایروژل بر خاصیت آبگریزی بلانکت لیفی تهیهشده از آن پرداخته خواهد شد.
-2 تجربیات
تترااتوکسیسیلان - TEOS - ، تترامتیلکلروسیلان - TMCS - ، حلال اتانول، هیدروکلریدریکاسید - HCL - و آمونیاک - NH3 - از شرکت مرک و -nهگزان مورداستفاده نیز از شرکت دکتر مجللی تهیه شد. منسوج بیبافت از جنس پلیاستر و از نوع سوزنی 200 g/m2 از شرکت "بیبافت" تهیه شد. لایه بیبافت قبل از استفاده به منظور حذف روغنهای ریسندگی، با اتانول صنعتی شستشو شد. به منظور تهیه نمونههای ذرات و بلانکت سیلیکا ایروژل از روش سل-ژل دومرحلهای و متعاقبا خشککردن در شرایط محیط مطابق تحقیقات قبلی استفاده شد .
شرایط سنتز نمونهها متفاوت بوده و کدبندی آنها در جدول 1 آمده است. کد نمونههای بلانکتی شامل حروف لاتین بیانگر کد نمونه ذرات سیلیکا ایروژل مورداستفاده در تهیه بلانکت بوده و اعداد 14، 24 و 34 بیانگر حجم سل - cm3 - مورداستفاده برای تهیه نمونه بلانکت به ابعاد 10×8 cm است. لایه بیبافت پلیاستر اولیه و شاهد با وزن واحد سطح 200 g/m2 با کد B مشخص شده است.
مرحله اول سنتز شامل هیدرولیز و تشکیل سل است که در این مرحله تترااتوکسیسیلان - TEOS - با نسبتهای مولی مشخص با آب و اتانول مخلوط شده و در حضور هیدروکلریکاسید هیدرولیز میگردد. pH محلول تهیهشده برابر 4 و زمان و دمای مناسب برای واکنش هیدرولیز به ترتیب 90 دقیقه و 60 °C است . [7] پس از مرحله هیدرولیز، مرحله آغشتهسازی برای تهیه بلانکت ایروژلی به مراحل سنتز اضافه شد و این مرحله در مراحل سنتز نمونههای پودری وجود ندارد.
در این مرحله لایه بیبافت به محلول سل در دمای 60 °C آغشته شده و به مدت 30 دقیقه در این شرایط زمان داده شد. سپس نمونه بعد از آغشتهسازی تا دمای 30 °C سرد شده و مرحله تراکم و تشکیل ژل در pH برابر 7-8 بر روی لایه الیاف و همچنین برای ذرات سیلیکا ایروژل با استفاده از آب و آمونیاک صورت گرفت و پس از آن، نمونه به مدت 90 دقیقه در دمای 50 °C قرار گرفته تا ساختار ژل به صورت کامل تراکم یابد.
سایر مراحل تهیه ذرات و بلانکت ایروژلی شامل زماندهی، تبادل حلال، اصلاح شیمیایی سطح ژل با محلول 5% TMCS در انهگزان و شستوشو نیز مطابق روش ارائه شده در تحقیقات قبلی صورت گرفت؛ با این تفاوت که خشککردن نمونهها در 4 مرحله شامل 12 ساعت در دمای محیط، 5 ساعت در 60œC، 5 ساعت در 80œC و در پایان 2 ساعت در 120œC انجام شد .
-3 بحث و نتایج
1؛-3 خواص آبگریزی ذرات سیلیکا ایروژل
نتایج خواص فیزیکی و ساختار حفرات ذرات سیلیکا ایروژل سنتز شده در شرایط متفاوت در جدول 2 و نتایج خواص آبگریزی آنها و تصاویر قطره آب بر روی پودر فشرده شده این نمونهها در شکل 1 گزارش شده است. نمونههای I و C در شرایط زماندهی متفاوت سنتز شدند که نمونه I آبدوست - اصلاح سطح نشده - و نمونه C، آبگریز - اصلاح سطح شده - است. نمونه I در 12 ساعت اولیه زماندهی در محلول اتانول، TEOS و آب زماندهی شده است که دارای چگالی بالا - 0/39 g/cm3 - و تخلخل کم نسبت به نمونه C و اندازه حفرهها در محدوده 6 نانومتر است - جدول . - 2 افزایش چگالی نمونه I ناشی از عدم اصلاح سطح بوده بهطوریکه
جدول :2 شرایط تهیه ذرات و نمونههای بلانکت سیلیکا ایروژل.
با وجود زماندهی در محلول حاوی TEOS و تقویت و استحکامبخشی بیشتر شبکه ژل این مرحله، حجم حفرهها آن به cm3/g - - 1/64 کاهش یافته است. نتایج ارزیابی خواص آبگریزی نمونهها - شکل - 1 نشان داد که در تماس قطره آب با سطح نمونههای ایروژلی، نمونه I دارای زاویه تماس 52 درجه است که خاصیت آبدوستی ایروژل I را به دلیل حذف مرحله اصلاح سطح از فرایند سنتز آن تایید میکند در حالیکه نمونه C با زاویه تماس 158 درجه فوقآبگریز است. این نتایج تاثیر بسیار زیاد مرحله اصلاح سطح بر ساختار حفرات و خواص فیزیکی و آبگریزی سیلیکا ایروژل را نشان میدهد.
اختلاف در دمای تشکیل ژل نمونههای J، C و K - به ترتیب 20، 30 و - 40 °C منجر شد ایروژلهایی با چگالی متفاوت حاصل گردند که ناشی از تفاوت در سرعت ژلشدن آنهاست. خواص آبگریزی این نمونهها نیز تفاوت قابل ملاحظهای نشان نداد. در نمونه U با مقادیر زیاد اسید، چگالی ایروژل افزایش و تخلخل کاهش یافته است. با افزایش مقدار اسید، سل بسیار اسیدی شده که منجر به تولید ذرات و حفرهها کوچکتر با پیوند عرضی کمتر شده که در مرحله خشککردن دچار جمعشدگی بسیار خواهد شد. اما نتایج ارزیابی زاویه تماس با آب نشان میدهد که خواص آبگریزی نمونه U مشابه نمونه C بوده
