بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به بررسی نوع تخلخلهای یک نمونهی سیلیکایی تهیه شده به روش حذف حرارتی پرداختهایم. در ابتدا به منظور تهیهی نانوذرات سیلیکایی با دو نوع تخلخل شامل تخلخلهای مزو و ماکرو، مروری بر فعالیت عملی را نشان داده، و مواد آلی مورد استفاده در سیستم، شامل پلیمر پلیاستایرن و سورفکتانت CTAB را با رویکرد کلسیناسیون از سیستم حذف کرده، تا با حذف خود تخلخل ایجاد کنند . سپس ایزوترمهای مربوط به تخلخلسنجی با استفاده از گاز نیتروژن و مطابق با مدل BET تهیه شده است. از اهداف این پژوهش، مشخص کردن نوع تخلخلهای موجود در ذرات سیلیکایی تهیهشده، و همچنین میزان یکنواختی در اندازهی حفرات این تخلخلها است.
در این تحقیق با استفاده از گاز نیتروژن مطابق با مدل BET ایزوترمهای مربوط به جذب و واجذب گاز نیتروژن درون حفرات نمونهی سیلیکایی تهیه شده را مورد بررسی قرار میدهیم، که در این بررسیها و تحقیقات به عمل آمده، با تشکیل یک حلقهی هیستریزس در نمودار تهیه شده از ایزوترم جذب و واجذب نمونههای سیلیکایی، و با توجه به شکل منحنی به دست آمده مشخص میشود که ایزوترم نوع IV میباشد. شاخههای جذب و واجذب مربوط به این نمونه نسبتا افقی بوده و تقریباً با هم موازی میباشند.
این شرایط میتواند ناشی از یکنواختی در اندازهی حفرات مزو باشد. این وضعیت اما در فشارهای نسبی بالاتر تغییر کرده و مورد بررسی قرار میگیرد. همچنین برای بررسی دقیقتر حفرات موجود در ذرات سیلیکا و نیز کسب اطمینان از تشکیل تخلخلهای مزو و ماکرو در محصولات تهیهشده، توزیع اندازهی تخلخلها بر اساس مدل BJH نیز مورد بررسی و مطاله قرار گرفته است. نتایج به دست آمده از توزیع اندازهی تخلخلها مورد بررسی قرار گرفتهاند.
-1 مقدمه
در این پژوهش برای تخلخلسنجی و مشخصی کردن نوع تخلخلهای موجود در یک نمونهی سیلیکایی تهیه شده به روش حذف حرارتی، در ابتدا به منظور تهیهی این نمونه، نانوذرات سیلیکایی با دو نوع تخلخل شامل تخلخلهای مزو و ماکرو، با استفاده از رویکرد کلسیناسیون، مواد آلی شامل پلیمر پلیاستایرن و سورفکتانت CTAB را از سیستم حذف کرده، تا با حذف خود تخلخل ایجاد کنند. و سپس با استفاده از ایزوترمهای مربوط به جذب و واجذب گاز نیتروژن مطابق با مدل BET، میتوان درون حفرات نمونهی سیلیکایی تهیه شده را مورد بررسی و مطالعه قرار داد، که بر این اساس با توجه به نتایج به دست آمده و همچنین طبق دستاوردهای مربوط به مدل BET، میتوان ادعا کرد که ذرات سیلیکایی تهیهشده دارای چه نوع حفراتی هستند.
و میتوان با توجه به شاخههای جذب و واجذب و نوع قرارگرفتن آنها با هم، یکنواختی اندازهی حفرات موجود را مشخص کرد. مواد متخلخل بر اساس معیارهای گوناگونی از جمله اندازهی تخلخل، شکل تخلخل، مواد سازنده و روش تولید طبقهبندی میشوند. اندازهی تخلخلها در مواد نانومتخلخل بین 1 تا حدود 100 نانومتر میباشد. اتحادیه بینالمللی شیمی محض وکاربردی1 مواد نانومتخلخل را بر اساس اندازه تخلخلها به سه گروه زیر تقسیم میکند.
-1 مواد میکرومتخلخل2 - اندازه تخلخل 0 تا 2 نانومتر -
-2 مواد مزومتخلخل3 - اندازه تخلخل 2 تا 50 نانومتر -
-3مواد ماکرومتخلخل4 - اندازه تخلخل بیش از 50 نانومتر - .
لازم به ذکر است که دراین تقسیم بندی، الزامی به تخلخلهای منظم وجود ندارد، و مواد میکرومتخلخل، مزومتخلخل و ماکرومتخلخل همگی میتوانند دارای سامانهای تصادفی از تخلخلها باشند. این محدودهها کاملاً مطلق نیستند، چرا که مکانیزمهای پر شدن تخلخلها نه تنها وابسته به شکل تخلخلها، بلکه تحت تأثیر خواص مادهی جذب شونده و میانکنشهای مواد جاذب و جذبشونده نیز هستند. یک روش مناسب برای تشخیص و تقسیمبندی مواد متخلخل بر پایهی اندازهی تخلخل آنها، آنالیز جذب و واجذب است.
در این آنالیز، تخلخلهایی با اندازههای مختلف به ایجاد مشخصههایی متفاوت در منحنیهای جذب و واجذب میانجامند دراین پژوهش تلاش شده است که، درک صحیح و روشنی از تخلخلسنجی نمونههای سیلیکایی، با استفاده از گاز نیتروژن و مطابق با مدل BET، ایزوترمهای مربوط به جذب و واجذب گاز نیتروژن درون حفرات نمونهی سیلیکایی تهیه شده، و چگونگی مشخص کردن حفرات مزو و ماکرو و تشخیص یکنواختی دراندازهی حفرات را نشان میدهیم. و برای بررسی دقیقتر حفرات موجود در ذرات سیلیکا و نیز کسب اطمینان از تشکیل تخلخلهای مزو و ماکرو در محصولات تهیهشده، توزیع اندازهی تخلخلها بر اساس مدل BJH را نیز مورد بررسی قرار گرفته دادهایم.
-2 فعالیت عملی
-1-2آماده سازی نمونههای تهیه شده به روش حذف حرارتی
ابتدا برای نمونهی سیلیکایی تهیه شده به روش حذف حرارتی، نانوذرات سیلیکایی با دو نوع تخلخل شامل تخلخلهای مزو و ماکرو، مواد آلی مورد استفاده در سیستم شامل پلیمر پلیاستایرن و سورفکتانت CTAB را با استفاده از رویکرد کلسیناسیون از سیستم حذف کرده، تا با حذف خود تخلخل ایجاد کنند. با توجه به دشواری مربوط به انحلال پلیاستایرن با استفاده از حلالهایش، برای حذف این قالبها از رویکرد کلسیناسیون استفاده شد. برای این منظور مطابق با یک رژیم حرارتی مشخص، نمونهها تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند.
با توجه به اینکه رژیم حرارتی مورد استفاده در این سیستم براساس آنالیز دقیق حرارتی استخراج شده بود و نظر به اینکه سیلیکا مادهای با استحکام مکانیکی بسیار مطلوب محسوب میشود، با حذف قالبهای آلی نباید آسیبی به ساختار وارد شود و مورفولوژی ذرات باید حفظ شود. بعداز حذف این قالبهای آلی با استفاده از رویکرد کلسیناسیون، نمونهی سیلیکایی تهیه شده به روش حذف حرارتی، برای انجام آنالیز تخلخلسنجی با استفاده از گاز نیتروژن جهت بررسی تشکیل یا عدم تشکیل این حفرات آماده شده و دراین پژوهش مورد استفاده و تحقیق قرار میگیرد.
-3 تخلخل سنجی نمونه های تهیه شده به روش حذف حرارتی:
در این مرحله ایزوترمهای مربوط به تخلخلسنجی با استفاده از گاز نیتروژن و مطابق با مدل BET تهیه شد. شکل2 ایزوترمهای مربوط به جذب و واجذب گاز نیتروژن درون حفرات نمونهی سیلیکایی تهیه شده را نشان میدهد، که بر این اساس با توجه به اینکه در شکل2 حلقهی هیستریزس تشکیل شده است میتوان ادعا کرد که ذرات سیلیکایی تهیهشده دارای حفرات مزو هستند. با توجه به شکل2 منحنی حاصله و وجود حلقهی هیستریزیس این ایزوترم نوع IV میباشد. شاخههای جذب و واجذب مربوط به این نمونه نسبتا فقیا بوده و تقریباً با هم موازی هستند که این مسئله میتواند ناشی از یکنواختی دراندازهی حفرات مزو باشد.
این وضعیت اما در فشارهای نسبی بالاتر تغییر کرده و میزان جذب افزایش مییابد، علت این افزایش در میزان جذب به وجود حفرات در ابعاد ماکرو منتسب میشود. همچنین طبق دستاوردهای مربوط به مدل BET سطح ویژهی این ذرات سیلیکایی مزومتخلخل سنتز شده برابر با 1180 m2.g-1 میباشند که این رقم در مقایسه با منابع موجود قابل قبول میباشد. در ادامه برای بررسی دقیقتر حفرات موجود در ذرات سیلیکا و نیز کسب اطمینان از تشکیل تخلخلهای مزو و ماکرو در محصولات تهیهشده، توزیع اندازهی تخلخلها بر اساس مدل BJH مطابق شکل3 مورد بررسی قرار گرفته است.
