بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، فیلمهای نانوکامپوزیتی پلی وینیلیدین فلوراید-نانوذرات الماس، با غلظتهای متفاوت و به روش محلولی ساخته شدند. طیف سنجی فروسرخ نمایش دهندهی تغییرات در پیوندهای ملکولی و در نتیجه تغییرات فازی و به وجود آمدن ساختار بلوری فاز بعد از اضافه کردن نانوذرات الماس به شبکهی پلیمری میباشد. با بررسی مورفولوژی سطحی نمونهها به این نتیجه رسیدیم که اندازهی گوئیچهها بعد از اضافه کردن نانوذرات الماس متناسب با غلظت نانوذرات کاهش پیدا میکند. همچنین نمونههای با غلظت کم تحت فرآیند کشش مکانیکی تک محوره قرار گرفته و تغییرات فازی پیزوالکتریکی توسط طیف سنجی فروسرخ مورد بررسی قرار گرفت.
مقدمه
پلی وینیلیدین فلوراید یک پلیمر نیمه بلوری است واز خانوادهی پلیمرهای فلوئوردار محسوب میشود، که بسته به شرایط بلوری شدن، میتواند در پنج ساختار بلوری متفاوت قرار گیرد. از میان ساختارهای بلوری، تنها دو فاز از لحاظ پیزوالکتریکی فعال هستند. بنابراین افزایش میزان این دو فاز درون پلیمر دارای اهمیت فراوان است.
به دلیل این ویژگی، این پلیمر در باتریها، سنسورها و در ساخت مبدل ها با فرکانس شنوایی مانند میکروفونها کاربرد فراوان دارد. روشهای متعددی برای افزایش فاز پیزوالکتریک شناسایی شده است که از جمله میتوان به اضافه کردن نانوذرات به ساختار شبکهای پلیمر و فرآیند کشش مکانیکی تحت شرایط خاص اشاره کرد. از جمله خواص نانوکامپوزیتهای پلیمری میتوان به ویژگیهای فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آنها اشاره کرد.
الماس یک نیمه رسانای منحصر به فرد، همراه با خواص فیزیکی و شیمیایی متنوع میباشد. نانو ذرات الماس به دلیل خواص رسانشی و نوری، کاربردهای ویژه ای در قسمت صنعت دارا هستند. از طرف دیگر، از مزایای کشش مکانیکی فیلمهایی که در فاز هستند، تبدیل راحت به فاز است.
در این روش نیروی وارد شده به فیلم باعث تنظیم زنجیرهی پلیمری میشود و یک ساختار زیگراگی که مربوط به ساختار است را ایجاد میکند. نتایج بهدست آمده حاکی از آن است که بیشترین میزان فاز به دست آمده در دمای هشتاد درجه سانتیگراد ونسبت کششی پنج است.
منظور از نسبت کششی، نسبت ابعاد نمونه در حالت نهایی تقسیم بر ابعاد نمونه در ابتدای کار میباشد. اما در بهترین حالت، حالت بهینه، نمونهی ما به طور صد در صد به فاز تبدیل نمیشود، پس اینطور استنباط خواهد شد که وقتی که نمونه کشیده میشود در مناطقی که زنجیرهی پلیمری به هم ریخته است، یک همسو سازی انجام خواهد گرفت و میتوان فاز بلوری را به دست آورد
در این پژوهش، تاثیر افزودن نانوذرات الماس با هدف بررسی میزان تغییرات فاز پیزوالکتریک و بررسی خواص شیمیایی فیلمهای نانوکامپوزیت پلی وینیلیدین فلوراید- نانوذرات الماس و همچنین فرآیند کشش مکانیکی تک محوره بر روی فیلمهای نانوکامپوزیتی با غلظت کم در جهت بررسی تغییرات فازی مورد بررسی قرار گرفت.
آمادهسازی و ساخت فیلمهای نانو کامپوزیتی پلیوینیلیدین فلوراید - نانو ذرهی الماس
در این تحقیق از پودر جامد پلی وینیلیدین فلوراید با وزن ملکولی 534000 ساخت شرکت آلدریچ و همچنین از حلال دی متیل فرمامید با خلوص %99 ساخت شرکت مرک استفاده شده است و نانو ذرات الماس ساخت شرکت هیوآن نانوتکنولوژی به عنوان پرکننده مورد استفاده قرار گرفته اند. پودر پلی وینیلیدین فلوراید درون یک بالون ریخته شده و حلال دی متیل فرمامید با نسبت وزنی 10/90 به پودر اضافه گردید. سپس این مخلوط به مدت دو ساعت توسط همزن مکانیکی در دمای اتاق هم زده شد و یک مخلوط کاملا همگن به دست آمد.
برای ساختن فیلمهای نانوکامپوزیتی، مقدار معینی از نانوذرات الماس و حلال دی متیل فرمامید توسط همزن مغناطیسی به مدت یک ساعت در دمای اتاق هم زده شد تا نانوذرات در این حلال به خوبی پراکنده شوند،سپس محلول حاصل به محلول اولیه اضافه گردیده و مجددا به مدت دو ساعت توسط همزن مکانیکی هم زده میشود. درانتهامحلول حاصل به مدت دو ساعت درون کوره در دمای 120 درجه سانتی گراد قرار میگیرد تا حلال به طور کامل تبخیر شده و نمونه خشک شود. این فرآیند برای ساخت فیلمهای نانوکامپوزیتی با درصدهای وزنی متفاوت مورد استفاده واقع گردید.
مشخصه یابی فیلمهای نانوکامپوزیتی
برای شناسایی از پودر نانوذرات الماس، پراش اشعه ایکس گرفته شده که در شکل 1 نمایش داده شده است. در این طیف پیکهایی در منطقهی 43,9 و 75,5 درجه دیده میشود که به ترتیب مربوط به صفحات کریستالی - 111 - و - 220 - میباشد.
همچنین تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از نانوذرات الماس در شکل 2 نمایش داده شده است که همانطور که از شکل پیداست ابعاد این ذرات در مقیاس نانومتر میباشد و نانوذرات تقریبا کروی هستند.
شکل:1 تصویر مربوط به پراش اشعه ایکس از نانوذرات الماس
شکل :2 تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از نانوذرات الماس
شکل3 طیف جذبی فروسرخ از فیلمهای نانوکامپوزیتی با درصدهای متفاوتی از نانو ذرات الماس و نمونهی مرجع در بازهی 400-900cm-1 را نمایش میدهد. فیلم مرجع و نمونههای نانوکامپوزیتی دارای پنج نوار مشخص در نواحی530cm-1، 612، 763، 796، 840 میباشد. که چهار نوار ابتدایی مربوط به فاز کریستالی و نوار840cm-1 مربوط به فاز قطبی میباشد. همچنین از موارد گفته شده، دو نوار مربوط به پیوند CH2 و ارتعاشات متقارن و پادمتقارن مربوط به آن و سه نوار مربوط به پیوند CF2 و مربوط به ارتعاشات کششی میباشند.
نتایج بهدست آمده از طیف جذبی فروسرخ نمایش دهندهی این موضوع است که با افزایش نانوذرات الماس در این فیلمها، میزان حضور پیوند CH2 در فیلمها افزایش پیدا کرده و به نسبت میزان حضور پیوند CF2 در فیلمها کاهش پیدا میکند همچنین با اضافه کردن نانوذرات الماس به ساختار شبکهای پلیمر، تا 8 درصد وزنی، شدت نوارهای مربوط به فاز آمورف کاهش پیدا میکند و شدت نوار مربوط به فاز پیزوالکتریک در پلیمر افزایش پیدا میکند. تاجایی که در غلظت 8 درصد وزنی، نوار مربوط به فاز آمورف کاملا ناپدید میگردد.اما بعد از این غلظت و با اضافه کردن درصد بیشتری از نانوذرات الماس،به علت همپوشانی نانوذرات و برهمزدن ساختار اصلی ماتریس پلیمری، نتیجهی معکوس حاصل خواهد شد. رابطهی زیر نمایشدهندهی میزان حضور فاز در شبکهی پلیمری میباشد
میزان درصد تغییرات حضور فاز در پلیمر، در شکل 4 نمایش داده شده است 3]و.[2 شکل5 تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از فیلم مرجع و فیلمهای نانو کامپوزیتی پلی وینیلیدین فلوراید- نانوذرات الماس با دو غلظت متفاوت 5 و 10 درصد وزنی را نمایش میدهد. با اضافه کردن نانوذرات، اندازه ی گوئیچهها کوچکتر شده و در نتیجه یکنواختی در سطح بیشتر میشود و سطح نمونهها در نهایت هموارتر شده است.
شکل :3 طیف جذبی فروسرخ از فیلم خالص - - a و فیلمهای نانو کامپوزیتی
شکل :4 درصد فاز در فیلمهای نانوکامپوزیتی با درصدهای وزنی متفاوت از نانوذرات الماس
