بخشی از مقاله
چکیده -
لیزر ها براي اصلاح مورفولوژي و مقاومت پذیري سطوح پلیمري به کار می روند. در این آزمایش تعدادي غشاي سلولز استات و پلی کربنات با متوسط اندازه منافذ 200 و 100 nm را تحت تابش لیزر اگزایمر ArF با طول موج 193 nm در نرخ تکرار 1 Hz، با تعداد پالس هاي لیزري بین 2 تا 20 پالس قرار دادیم.
طیف سنجی تبدیل فوریه فروسرخ - ATR/FTIR - براي شناخت ساختارهاي جدید و شناسایی عوامل شیمیایی به کار گرفته شده و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مورفولوژي سطح نمونه ها ي مرجع و پرتودهی شده با لیزر بررسی شده است. با استفاده از یک آنالیزور فاز- امپدانس - LCR meter - ، خواص دي الکتریکی تمامی نمونه ها بررسی شده است. براي هر دو نمونه غشاي پلیمري با افزایش فرکانس، میزان ثابت دي الکتریک کاهش یافته است.
-1 مقدمه
یک غشاء داراي ساختاري نازك، مسطح و دو وجهی است که دو فاز را ازیکدیگر جدا نموده و تحت تاثیر اختلاف پتانسیل شیمیایی عبور بعضی از ترکیبات موجود در محلول را از روي سطح غشا محدود می کند. حال اگر فرآیند جداسازي در یک فاز مایع ، تحت تاثیر اختلاف فشار کنترل شود به آن فیلتراسیون غشایی گفته می شود. مواد پلیمري که به عنوان غشاهاي آلی براي فیلتراسیون به کار برده می شوند بیشتر از نوع پلیمرهاي آب دوست می باشند.
از این جمله می توان پلی کربنات - - PC و سلولز استات - - CA را نام برد. از مهم ترین کاربرهاي این غشاها با اندازه منافذ مختلف در محدوده نانومتر و میکرومتر می توان به نانوفیلتراسیون، تجزیه و جداسازي دقیق ذرات ریز، گیراندازي باکتریها و قارچها و مخمرها در میکروبیولوژي، فیلتراسیون ویروس، آنزیم، پروتئین، سیالات بیولوژیکی و در صنعت تصفیه آب و پساب براي شیرین سازي و نمک زدایی آب و تصفیه پساب نساجی اشاره نمود. براي بهبود نرخ شارش غشاهاي پلیمري از فناوري - Surface Modification - اصلاح سطح استفاده می شود.
فوتوپلیمریزاسیون یکی از انواع فناوري اصلاح است که بر اساس تابش لیزرهاي فعال در محدوده فرابنفش به خصوص لیزرهاي اگزایمر بر روي سطح پلیمرها و اصلاح خواص سطحی آن ها به کار می روند
پاسخ دي الکتریکی جامدات اطلاعات موجود در مورد تنظیم جهتگیري بارها در محیط دي الکتریک به یک میدان الکتریکی را وسعت بخشیده است. اکثر پلیمرها در دماي پایین انعطاف پذیر بوده و به آسانی شکل می گیرند، همچنین داراي شکست الکتریکی بالا و ثابت دي الکتریکی پایین هستند، که از این جمله کامپوزیت هاي پلیمري با خواص فیزیکی خاص در قطعات الکترونیکی مثل خازن ها به کار می روند.
ثابت دي الکتریک پلیمرها در دماي اتاق به طور معمول مابین 2 و 10 می باشند. مقادیر پایین تر معمولا با خواص پایین تر الکتریکی در ارتباط هستند. ثابت دي الکتریکی برخی مواد با دما تغییر می کند و براي پلیمرها یک افزایش سریع در نزدیکی دماي گذار شیشه دارد، همچنین ثابت دي الکتریک می تواند بر حسب فرکانس نیز تغییر نماید اکثر مواد مورد استفاده براي خازنها به طور ذاتی داراي ثابت دي الکتریکی بزرگتري نسبت به پلیمرها هستند.
براي بدست آوردن ثابت دي الکتریک یک ماده پلیمري از دستگاه آنالیزور فاز- امپدانس - LCR meter - استفاده می شود. مقاومت الکتریکی ویژه را نیز می توان از رابطه - اهم متر - و نفوذ پذیري دي الکتریکی را با استفاده از ε =Cp/C0 ، که Cp ظرفیت اندازه گیري شده به وسیله دستگاه، f فرکانس، D اتلاف الکتریکی و C0= ε0A/t ظرفیت خلا، A و t به ترتیب سطح مقطع الکترود و ضخامت نمونه می باشند به دست آورد. ε0 نفوذ پذیري خلا بوده که برابر 8/85 x10 -12 می باشد
در این آزمایش اثر پرتودهی لیزر اگزایمر آرگون فلوراید در تعداد پالس هاي مختلف بر روي خواص سطحی و دي الکتریکی غشاهاي پلیمري سلولز استات و پلی کربنات نسبت به نمونه هاي مرجع - بدون پرتودهی - بررسی شده است.
-2 روش آزمایش
غشاهاي پلی کربنات در این آزمایش، ساخت شرکت MILLIPORE با کد VCTP04700 با متوسط اندازه منافذ 100nm با ضخامتی بین 6 تا 20µm و سلولز استات، ساخت شرکت SARTORIUS با کد 11107-047N با متوسط اندازه منافذ 200 nm و ضخامت 128 µm و به شکل دایره هایی به قطر47 mm می باشند. لیزر اگزایمر آرگون فلوراید با طول موج Lambda Physik, - 193nm - LPX210، با عرض پالس 25ns و با نرخ تکرار پالس 1Hz به عنوان یک منبع فرابنفش همدوس استفاده شده است.
خواص دي الکتریکی تمامی نمونه ها به وسیله یک LCR meter - Agilent 4258A - در فرکانس هاي مختلف در محدوده 75 kHz تا 30 MHz بررسی شده است.
مورفولوژي غشاء با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM مدل - Philips-XL30 - بررسی شده است. چون سطوح پلیمري رسانایی الکتریکی ندارند، قبل از تصویربرداري SEM یک لایه 10 تا 15 nm طلا با پوشش دهنده پرتابی مدل - BAL-TEC, SDC005 - روي غشاء لایه نشانی شده تا بار الکتروستاتیک به واسطه اشعه الکترونی از سطح برداشته شود. طیف FTIR تمامی نمونه ها در محدوده طول موج 400 تا 4000cm ¹ با استفاده از طیف سنج - BRUKER-EQUINOX55 - ثبت شده است.
-3 بحث و نتایج
با مقایسه میکروگراف هاي نمونه مرجع سلولز استات و نمونه هاي پرتودهی شده مطابق شکل 1 مشاهده شد که در اثر تابش لیزر روي سطح سلولز استات، از 4 پالس به بعد منافذ جمع یا چروك شده و با افزایش نرخ کندگی و تعداد پالس لیزري تا 20 پالس، سطح غشاء ذوب و منافذ به تدریج با سلولز استات ذوب شده پوشانده شده است.
شکل.1 میکروگراف SEM ، الف - سلولزاستات مرجع، ب - پرتودهی با 8 پالس لیزري، ج - پرتودهی با 20 پالس لیزري
.شکل.2 میکروگراف SEM ، الف - پلی کربنات مرجع، ب - پرتودهی با 10 پالس لیزري، ج - پرتودهی با 20 پالس لیزري
پدیدار شده، با افزایش تعداد پالس لیزري به صورت لایه لایه روي هم قرار گرفته و سطح اصلی غشا را پوشانده، منافذ را تنگ تر یا به طور کامل پر می کنند و تعداد منافذ را نیز کاهش می دهد.
با توجه به شکل هاي 1و 2، در تابش لیزر روي سطح غشاي سلولز استات، انرژي تپ ورودي جذب و به انرژي گرمایی در حجم نمونه تبدیل شده و باعث ذوب شدن تدریجی سطح غشاي سلولز استات و روان شدن پلیمر ذوب شده بر روي سطح می شود. حتی در پالس هاي بیشتر لیزر اگزایمر، تبخیر لایه سطحی نیز ممکن خواهد شد. اما براي غشاي پلی کربنات انرژي تپ ورودي بر روي سطح پدیده کندگی - Ablation - را به دنبال داشته است، بدین ترتیب که با افزایش تعداد پالس هاي لیزري، نواحی مختلف سطح دچار کندگی شده و این لایه هاي کنده شده روي سطح را می پوشانند. در اثر فرآیند کندگی لیزري ، ضایعاتی - Debrise -
میکرونی که به صورت ذرات سفید رنگ در شکل 2 مشخص می باشند روي سطح قرار می گیرند.
درطیف FTIR سلولز استات - شکل-3الف - ، ساختار شیمیایی نمونه ها قبل و پس از پرتودهی شبیه به یکدیگر بوده و گروه جدیدي در اثر پرتودهی به وجود نیامده است. گروه کربونیل ارتعاشی در نزدیکی1720 cm ¹ بسیار شدید بوده که مثل باندهاي مربوط به C-O گروه استیل در حدود1240cm ¹ می باشد. همچنین می تواند به باند هاي ارتعاشی - CH3 ي گروه استیل و CH و CH2 ي شامل دو زنجیره مربوط باشد. اما میزان جذب گروه در 2944 و2885 cm ¹ نیز افزایش یافته است.
