بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر، تولید نانو کامپوزیتهای لیفی با استفاده از تقویت کننده های در ابعاد نانو موجب بهبود خصوصیات و بالا رفتن کارائی الیاف شده است. یکی از نانو ذراتی که اخیرا مورد توجه بسیار دانشمندان قرار گرفته است، نانوصفحات گرافن می باشد. در این پژوهش، تهیه الیاف نانوکامپوزیت سلولزبازیافته تقویت شده با نانوصفحات گرافن گزارش شده است. در تهیه این نانوکامپوزیتهای لیفی از روش ترریسی استفاده شد. ساختار نانوکامپوزیتها توسط آنالیز XRD مورد بررسی قرار گرفت.
علاوه بر این خواص حرارتی نانوکامپوزیتها مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج آنالیز XRD نشان داد الیاف نانوکامپوزیت لیوسل/گرافن دارای ساختار کریستالی سلولز II میباشد. علاوه بر این، در نانوکامپوزیتها، پیک گرافن در 2 26.5 با فاصله صفحات 3,35 Å مشاهده شد و شدت این پیک در نانوکامپوزیتها با افزایش درصد گرافن، افزایش یافت. ثبات حرارتی نانوکامپوزیتها با افزودن نانوصفحات گرافن بهبود یافت.
با افزودن 2 درصد وزنی گرافن، مقدار T20 و T70 الیاف لیوسل در مقایسه با الیاف لیوسل خالص بترتیب 36 œC و 60 œC افزایش یافت. همچنین، مقدار ذغال باقی مانده الیاف با افزودن گرافن، افزایش یافت. بعنوان مثال، در 650 œC، مقدار ذغال الیاف لیوسل 19/5 درصد بود درحالیکه در الیاف نانوکامپوزیت با 1 و 2 درصد وزنی گرافن، مقدار ذغال بترتیب به حدود 20/3 و 22/5 درصد رسید.
مقدمه
در سالهای اخیر، نانوتکنولوژی بصورت گستردهای در صتایع نساجی از جمله صنایع تولید الیاف بکار میرود. تولید الیاف نانو کامپوزیت با استفاده از تقویت کننده های در ابعاد نانو موجب بالا رفتن کارایی و بهبود خصوصیات الیاف می شود. بهبود ویژگی های نانو کامپوزیت ها در مقایسه با پلیمرهای خالص از دیدگاه مختلف قابل توجه است. از دیدگاه زیست محیطی، نانوکامپوزیتها بدلیل دارا بودن خواص مکانیکی مطلوبتر نسبت به مواد پلیمری مشابه خالص دارای طول عمر و زمان مصرف بلند مدت بوده و از این رو معضل ضایعات و دور ریز این مواد و به دنبال آن، مشکلات زیست محیطی آن نیز کاهش می یابد. با توجه به خواص متنوع نانوکامپوزیتهای پلیمری، دلایل زیادی را می توان برای گسترش نانوکامپوزیتهای پلیمری نام برد. نانوکامپوزیتهای پلیمری عموماَ دارای استحکام بالا، وزن کم، پایداری حرارتی بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت شیمیایی بالایی هستند
یکی از نانو ذراتی که اخیرا مورد توجه بسیار دانشمندان قرار گرفته است، نانوصفحات گرافن1 می باشد. گرافن در سال 2004 توسط دو پژوهشگر در دانشگاه منچستر کشف شد و بعنوان جادوی قرن 21 شناخته می شود. گرافن یکی از مواد کریستالی دو بعدی است که در سالهای اخیر شناسایی شده است. گرافن مادهای تخت و تکلایه متشکل از اتمهای کربن است که این اتمها در یک شبکه دوبعدی و کندو مانند به هم متصل شدهاند و این ساختاری است که همه مواد گرافنی در ابعاد دیگر نیز از آن تبعیت میکنند. در واقع گرافن اصطلاحی هست که به نوارهای بسیار نازکی از تک لایه های گرافیت گفته می شود - شکل - 1، اگر گرافیت را یک دفترچه از صفحات موازی در نظر بگیریم ،به هر ورق آن گرافن گفته می شود
گرافن سختترین ماده ای است که بشر تا کنون به آن دست پیدا کرده است و ترکیب غیر عادی خواص آن نظیر سختی و استحکام مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی قابل تنظیم، خصوصیات عالی نوری و سطحی باعث شده است که این ماده دارای کاربردهای فراوانی در نانوکامپوزیتها، نانو الکترونیک، پیلهای خورشیدی و غیره می باشد. علاوه بر این گرافن دارای قیمت تولید تمام شده پایین تر از سایر نانومواد کربنی مانند نانولوله های کربنی می باشد
شکل :1 ساختار گرافن در مقایسه با Fullerenes، نانولوله های کربنی و گرافیت
در سالهای اخیر تهیه نانوکامپوزیتهای پلیمرهای طبیعی مورد توجه بسیار قرار گرفته است. سلولز نیز بعنوان فراوانترین پلیمر طبیعی و بدلیل خصوصیات ویژه آن از جمله زیست تخریب بودن آن؛ قابلیت تجدید پذیری آن در طبیعت؛ فراوانی منابع تولید و غیر سمی و ارزان بودن آن مادهای قابل توجه برای تولید نانوکامپوزیتهای پلیمری زیست تخریب پذیرمی باشد. تهیه نانوکامپوزیتهای سلولز به روش فراوری محلول انجام می شود. اولین روشهای حل کردن سلولز، Cu - OH - 2 و روش ویسکوز بودند.
روش ویسکوز به دلیل هزینه پایین آن به سرعت تجاری شد و هنوز هم برای تولید بیش از 80 درصد از الیاف سلولز بازیافته استفاده می شود. الیاف تولیدی به روش ویسکوز "ریون" و فیلم آن "سلوفن" نامیده می شود. روش ویسکوز تولید گازهای سمی سولفید هیدروژن و دی سولفید کربن می کند که ورود انها به طبیعت مضر است .[5] حلالهای دیگری مانند NaOH در محلول اوره [6]، [7] LiCl/DMI و LiCl/DMAc [8 نیز برای حل کردن سلولز مورد استفاده قرار گرفته اند. در سالهای اخیرروش جدیدی به نام روش لیوسل در تولید سلولز بازیافته توسعه یافته است. این روش کوتاه و مناسب با محیط زیست است همچنین درصد بالایی از سلولز را می توان در این روش حل کرد.
درروش صنعتی لیوسل از حلال N-Methylmorpholine-N-oxide - NMMO - برای حل کردن سلولز و تولید االیاف و فیلمهای سلولزی استفاده می شود. اولین گزارش از حل شدن سلولز درtertiary amin oxide در سال 1936 و 1939 توسط Granacher Sallmann گزارش شد 30 .[9] سال بعد Johnson و همکارانش گزارشی در مورد حل شدن انواع پلیمرهای طبیعی و مصنوعی در انواع cyclic tertiary amine oxides ارائه دادند
در اوایل سال 1980 تحقیقات متمرکزی بر روی تولید الیاف سلولزی با استفاده ازمحلول سلولز و آمین اکسید در ایالات متحده آمریکا انجام شد. در میان کل آمین اکسیدهای تست شده، بهترین نتیجه با حلال NMMO بدست آمد .[12] الیاف لیوسل2 گروه جدیدی از خانواده الیاف سلولز بازیافتی می باشد که به دلیل خصوصیات منحصر بفردی چون روش تولید ساده تر و سازگار با محیط زیست، مدول بالاتر، زنجیرهای مولکولی آرایش یافته در طول لیف و قابلیت تولید الیاف ظریف برتری های زیادی نسبت به الیاف ویسکوز دارد.
اخیراَ نانوذرات مختلفی جهت بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی سلولز بازیافته بکاربرده شده اند مانند: خاک رس - لایه های سیلیکات - [13]، نانولوله های کربن [14]، کربن سیاه [15] و .[16] nanohydroxyapatite نانوکامپوزیتهای سلولز بازیافته / نانولوله های کربنی اخیراَ جهت تولید نانوکامپوزیتهای رسانای سلولزی تهیه شده اند .[17] ولی قیمت تولید نانولوله های کربنی بالاست. نانوصفحات گرافن دارای قیمت تولید پایین و رسانایی الکتریکی بالاست. تحقیقات اندکی بر روی تولید نانوکامپوزیتهای سلولز بازیافته/ گرافن انجام گرفته است.
در سال 2012، ونگ و همکارانش [18] تولید فیلم نانوکامپوزیت سلولز بازیافته/اکسید گرافن را با استفاده از حلال یونی، -1 بوتیل -3 متیل ایمیدازولیوم کلرید را گزارش کردند. گزارش شده است که گروههای حاوی اکسیژن اکسید گرافن می توانند با گروههای هیدروکسیل و اکسیژن سلولز پیوند برقرار کنند که پراکنندگی بیشتر اکسید گرافن در ماتریس کمک می کند. همچنین گزارش شده است که در درصدهای پایین گرافن خصوصیات مکانیکی نانوکامپوزیتها در مقایسه با سلولز خالص بهبود یافت بطوریکه با افزودن 0/5 درصد وزنی اکسید گرافن، استحکام کششی 64 درصد افزایش یافت ولی در درصدهای بالاتر گرافن عدم توزیع یکنواخت و تجمع ذرات اکسید گرافن باعث کاهش خصوصیات مکانیکی شد.
-2 مواد و روش
-1-2 مواد مورد استفاده
میکروکریستالین سلولز - MCC - تجاری با میانگین اندازه ذرات 50 میکرون و درجه پلیمریزاسسیون 350 تهیه شده از شرکت Sigma Aldrich در این تحقیق استفاده شد. نانو صفحات گرافن تجاری از شرکت XG Science تهیه شد. نانو صفحات گرافن استفاده شده دارای ضخامت 8-6 نانومتر و قطر 15 میکرون و مساحت سطح -150 m2/g می باشند.
