بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله تاثیر افزوده شدن نانوذرات هیبردی فریک اکسید - پلی تیوفن بر مورفولوژی و خواص مکانیکی پلی استایرن مورد مطالعه قرار گرفته است. بدین منظور نانوذرات فریک اکسید-پلی تیوفن با استفاده از روش پلیمریزاسیون درجا درون پلی استایرن پراکنده شدند. آزمون های طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز - FTIR - میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و سختی برای بررسی ساختار و خواص نانوکامپوزیت مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج بررسی نشان داد پراکنش آنها درون پلی استایرن با استفاده از آنالیز SEM نشان داد پراکنش نانوذرات به نوع آنها و مقدار آنها وابسته است. بررسی خواص مکانیکی نیز نشان داد وجو نانوذرات، سختی را افزایش داده است.
.1 مقدمه
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند . البته تنها کوچک بودن اندازه مدنظر نیست، بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت به خوردگی و ... تغییر می یابد .[1] در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند. اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذره است .[1] نانوذرات فلزی دسته ای از این ذرات هستند که از فلزات مختلف بدست آمده و خواص جالبی را از خود نشان می دهند. این نانوذرات فلزی نیز در ساخت کامپوزیت ها به کار می روند، به خصوص کامپوزیت هایی که زمینه پلیمری دارند .[3-2] نانوکامپوزیت های نانوذره ای فلزی قابلیت ها ویژه ای در هدایت گرمایی و الکتریکی دارند که کارآیی آنها را افزایش می دهد. تیوفن یک ترکیب هتروسیکل آروماتیک است که شامل چهار اتم کربن و یک اتم گوگرد می باشد. مشابه های تیوفن، فوران و پیرول می باشند که در آن ها اتم SجایگزینO و NH شده است . تیوفن به وسیله ی ویکتورمیر در 1883کشف شد.بعضی از انواع مهم تیوفن ها شامل بنزو تیوفن و دی بنزو تیوفن می باشد که بهترتیب دارای یک و دو گروه بنزنی هستند.در میان پلیمرهای رسانا،b پلی تیوفن و مشتقات آن به دلیل خواص منحصر به فرد الکتریکی، نوری، الکترو شیمیایی، مغناطیسی و نوری به طور گسترده ای مورد بررسی قرار می گیرند..[4]
در بین نانوکامپوزیت ها، بیشترین توجه به نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری معطوف است. کامپوزیت های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سفتی و پایداری حرارتی و ابعادی چندین سال است که در ساخت هواپیماها به کار می روند. با رشد نانوتکنولوژی، کامپوزیت های پلیمری بیش از پیش به کار گرفته خواهند شد. بکارگیری نانوذرات در تولید مواد دیگر می تواند استحکام آن ها را افزایش دهد و یا وزن آن ها را کم کند، مقاومت شیمیایی و حرارتی آنها را بالا ببرد، و واکنش آن ها را در برابر نور و تشعشعات دیگر تغییر دهد. پس اولین کاربردی که برای نانوذرات می توان متصور شد، استفاده از این مواد در تولید نانوکامپوزیت هاست.[7-5] پلی استایرن ساختار بلوری منظمی ندارد و بنابراین بسیار شفاف است - فاقد نواحی بلوری جهت پخش نور می باشد - و ماهیت آمورف دارد. پلی استایرن به راحتی در انواع روش های اکستروژن، قالب گیری تزریقی و قالب گیری بادی برای تولید کامپوزیت ها بکار می رود. اولین بار در سال 1940 پلی استایرن توسط شرکت آلمانی فاربن اینداستریز تولید به عنوان عایق در صنایع الکتریک مصرف می شد . در این مقاله از پلی استایرن به عنوان فاز ماتریس و نانو ذرات فریک اکساید پوشش داده شده با پلی تیوفن به عنوان فاز پراکنده - نانوذره - استفاده می شود و اثر ترکیب درصد فاز پراکنده بر مورفولوژی و خواص نهایی نانوکامپوزیت حاصله مورد بررسی قرار میگیرد.
.2 مواد و روشها
جهت ساخت نانوذرات و نانوکامپوزیت از منومر تیوفن، منومر استایرن، فریک اکسید، اکسید آهن خشک و بنزوئیل پراکسید خریداری شده از شرکت مرک استفاده شد. حلالهای مورد نیاز نیز از شرکت آلدریچ تهیه شده و بدون خالص سازی مورد استفاده قرار گرفت.
.1,2 روش سنتز نانوذره
در این پزوهش سه نمونه نانوذره با نسبت وزنی مختلف از منومر تیوفن به فریک اکسید به روش پلیمریزاسیون درجا تهیه شد. این نمونها ها حاوی 5، 10 و 20 درصد وزنی فریک اکسید نسبت به تویفن بودند که به ترتیب نانوذره A، B و C نامگذاری شدند.
.2,2 روش تهیه نانوکامپوزیت
نانوذرات سنتز شده در مرحله قبل درون فاز زمینه پلی استایرن به روش پلیمریزاسیون درجای منومر استایرن با مکانیزم بالک - توده - ، تهیه شد. بدین منظور نانوذرات پلی تیوفن- نانوذرات فریک اکساید درون 10 میلی لیتر مونومر استایرن با استفاده از اومواج مافوق صوت در مدت 20 دقیقه پراکنده شدند. پس از آن ماده حاصله را در حمام آب 70 درجه سانتیگراد به مدت 10 دقیقه گرم شده و سپس مقدار 0/06 گرم آغازگر بنزوییل پراکسید BPO اضافه شد. به مخلوط حاصله 4 ساعت اجازه داده شد تا پلیمریزاسیون پلی استایرن انجام شود. پس از آن ماده حاصل در حمام آب یخ قرار داده میشود تا واکنش پلیمریزاسیون متوقف شود و سپس منومر واکنش نداده با استفاده از روش حلال - ضد جداسازی میشود. از تولوئن به عنوان حلال و متانول به عنوان ضد حلال استفاده شد. بدین صورت که پس از حل شدن محصول واکنش درون تولوئن، ماده حاصل شده قطره قطره در متانول ریخته شد و رسوب مشاهده شده در آون با دمای 70 درجه سانتیگراد در مدت زمان 12 ساعت قرار داده تا خشک شود. نانوذرات فریک اکسید و پلی تیوفن نیز با همین روش درون پلی استایرن پراکنده شدند. نانوذرات با مقادیر 0/1، 0/5، 1 و 2 درصد وزنی با استایرن ترکیب شدند. برای شناسایی نانوکامپوزیت از آنالیز طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز - FTIR - ، میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و آزمون سختی استفاده شده است.
.3 نتایج و بحث
نتایج آزمون FTIR پس از پلیمریزاسیون استایرن در حضور نانوذرات پلی تیوفن-فریک اکسید در شکل 1 نشان داده شده است. همانگونه که در این شکل ملاحظه میشود نانوکامپوزیت های پلی استایرن/فریک اکسید- پلی تیوفن تمام پیک های جذب پلی استایرن را دارا میباشد که این نشان از سنتز استایرن در حضور نانوذرات است. همچنین پیک مربوط به گروه C-S-C در محدوده عدد موجب 780 از حلقه های پلی تیوفن در نانوکامپوزیت های پلی استایرن/فریک اکسید- پلی تیوفن مشاهده نمیشود که این بدلیل مقدار کم این ماده در نانوکامپوزیت و یا همپوشانی آن با پیک مشخصه ی ماتریس پلی استایرن است. شکل -1 طیف FTIR پلی استایرن، فریک اکسید-پلی تیوفن و نانوکامپوزیت پلی استایرن/فریک اکسید- پلی تیوفن پراکندگی نانوذرات در ماتریس پلیمری به طور مستقیم با اثربخشی آن در بهبود خواص نهایی از جمله خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی، جذب و دیگر خواص ارتباط دارد. لذا برای بررسی مورفولوژی نانوذرات و مطالعه پراکنش آنها در ماتریس پلی استایرن از آزمون میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM و نوری استفاده شده که نتایج آن ها در ادامه، مورد بحث و بررسی قرار می گیرد. شکل 2 نتایج آزمون میکروسکوپ الکترون روبشی - SEM - از نانوکامپوزیت های حاوی 0/5 درصدوزنی نانوذرات و پلی استایرن خالص را نشان میدهد. همانگونه که در این شکل ملاحظه میشود با وجود یکسان بودن مقدار نانوذره، میزان پراکنش ذرات با یکدیگر متفاوت است که این امر بدلیل تفاوت آنها در ساختار ماده است. قرار گرفتن لایه ای از پلی
