بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به بررسی امکان الکتروریسی نانوالیاف 3و-4پلی اتیلن دی اکسی تیوفن - PEDOT - از مونومر آن پرداخته شده است. به این منظور راهکارهای متفاوتی برای امکان پذیرکردن الکتروریسی آن انجام شد. ابتدا امکان تولید نانوالیاف PEDOT به صورت خالص بررسی شد. با توجه به ناموفق بودن الکتروریسی از پلی آکریلیک اسید - PAA - به عنوان پلیمرکمکی استفاده گردید. پس از انجام آزمایشات به صورت سعی و خطا، کسب شرایط مناسب الکتروریسی دو محلول EDOT/PAA با نسبت 50:50 و 67 :33 نانوالیاف امکانپذیر گردید. سپس اکسید کردن وب نانوالیاف یاد شده از طریق دو روش مستقیم - جمع آوری نانوالیاف در حمام پلیمریزاسیون حاوی اکسیدان - و روش غیر مستقیم - قرار دادن وب نانوالیاف در محلول اکسیدان - مورد بررسی قرار گرفت.
براساس نتایج حاصله نانوالیاف PEDOT/PAA - 67:33 - دارای کمترین قطر 298,6 نانومتر می باشد. همچنین از میان نمونه های تولید شده وب PEDOT/PAA - 50:50 - اکسید شده با فریک کلراید 6 آبه ی 2 مولار دارای بالاترین رسانایی 0/16 S/cm می باشد. رسانایی الکتریکی لایه ی نانوالیاف PEDOT به دست آمده با الکترولیت پلی آکریلیک اسید به عنوان پلیمر کمکی در مقایسه با الکترولیت پلی استایرن سولفونات که در تحقیقات مشابه به عنوان پلیمر کمکی به کار گرفته شده است - بدون استفاده از دوپنت - به صورت چشمگیری بالاتر می باشد.
کلید واژه- پلیمرهای رسانا، الکتروریسی، EDOT ، PEDOT
-مقدمه
پلیمرهای رسانا که از اوایل قرن بیست و یکم به صورت چشمگیر مورد توجه محققان قرار گرفته اند، زیر مجموعه ای از پلیمرهای آلی هستند که خواص نیمه هادی یا هادی از خود نشان می دهند، طبق تعریف اتحادیه بین المللی شیمی محض و کاربردی - IUPAC - ، ابر مولکول زنجیره ای متشکل از چند - پلی - واحد تکراری می باشد .[1] برای مدت طولانی، پلیمرها به عنوان مواد عایق الکتریکی در نظر گرفته می شدند. با این حال تحقیقات نشان داد برخی از پلیمرها خواص نیمه هادی از خود نشان می دهند. پلیمرهای رسانا دارای طیف گسترده ای از هدایت الکتریکی می باشند. رسانایی الکتریکی به مفهوم قابلیت هدایت جریان الکتریکی در یک ماده میباشد و واحد آن در سیستم استاندارد بینالمللی واحدها، زیمنس بر متر - S/m - است.
رسانایی الکتریکی فلزات به تعداد الکترون های آزاد و حرکت آن ها بستگی دارد. در فلزات تمام الکترون های اوربیتال آخر برای حمل بار الکتریکی آزاد هستند. در مقابل عایق ها الکترون آزاد ندارند و به این ترتیب تقریبا هیچ جریان الکتریکی در آن ها شکل نمی گیرد. پلیمرها نیز جهت داشتن خاصیت رسانایی الکتریکی باید به تقلید از یک فلز دارای الکترون های آزاد باشند و به این منظور لازم است که پلیمر از پیوندهای و به صورت متناوب تشکیل شده باشد که به آن باند مزدوج هم گفته می شود. برای افزایش رسانایی پلیمرهای رسانا، لازم است حامل های بار وارد سیستم مزدوج شوند. این امر که از طریق واکنش های اکسید/ احیا و الحاق یونهای مقابل انجام می شود، دوپینگ یا دوپ کردن نام دارد .[2]
مطالعات کتابخانه ای نشان داد تحقیقات انجام شده بیشتر روی پلیمرهای رسانای نوع اول مثل پلی پیرول، پلی آنیلین متمرکز بوده است و مطالعات کمتری روی پلیمرهای هادی نوع دوم مثل PEDOT - شکل - 1 انجام شده است. در میان پلیمرهای رسانایی که در طول 3 دهه اخیر گزارش شده اند PEDOT به عنوان یکی از پلیمرهایی که دارای پتانسیل های فن آوری و تجاری می باشد در نظر گرفته شده است. این امر به علت سنتز آسان، هدایت بالا، فعالیت الکتروکرومیک، زیست سازگاری و ثبات بلند مدت آن در هوا است 3 .[3] و4 پلی اتیلن دی اکسی تیوفن - PEDOT - یکی از پلیمرهای ذاتا رسانایی است که ممکن است به آن PEDT هم گفته شود.پایه این پلیمر رسانا 3و4 -اتیلن دی اکسی تیوفن - EDOT - می باشد.
سنتز PEDOT را می توان به دو روش پلیمریزاسیون شیمیاییEDOT و الکتروشیمیایی EDOT تقسیم بندیکرد.[4] از ویژگی های PEDOT می توان به هدایت الکتریکی بالا و پایداری عالی اشاره کرد. انواع کاربردهای مختلف PEDOT سنسور، سلول سوختی الکترود، اثر میدانی ترانزیستور، لایه ی هادی سلول خورشیدی و دیود ساطع کننده نور میباشد . انحلال پذیری ضعیف PEDOT در حلال های متداول، فرآیند پذیری آن را با مشکل مواجه کرده است. تولید PEDOT به شکل نانوالیاف، افزایش سطح ویژه را به صورت قابل ملاحظه در پی دارد.هدف از انجام این تحقیق بررسی امکان الکتروریسی نانوالیاف PEDOT از مونومر آن - EDOT - و همچنین تولید PEDOT پس از اکسیداسیون نانوالیاف EDOT و در نهایت بررسی خصوصیات ساختاری و الکتریکی نانوالیاف نهایی می باشد.
- تجربیات/تئوری
مونومر EDOT ، نمک سدیم آنتراکینون--2 سولفونیک اسید، چیپس پلی - اتیلن گلیکول - با متوسط وزن مولکولی 400000، پودر پلیمر پلی آکریلیک اسید با متوسط وزن مولکولی 450000 گرم بر مول از شرکت Sigma-Aldrich آمریکا خریداری شدند.در این پژوهش ابتدا مونومر EDOT با استفاده از فریک کلراید 6 آبه براساس روش ذکر شده در منابع [5] به پلیمر PEDOT سنتز گردید سپس جهت بررسی امکان الکتروریسی PEDOT روش های متفاوتی امتحان گردید از جمله:
-الکتروریسی PEDOT بدون دوپنت در اتیلن گلایکول و دی متیل سولفوکساید به صورت جداگانه،
-الکتروریسی محلول PEDOT در دی متیل سولفوکساید در حضور دوپنت آنتراکینون سولفونیک اسید
-الکتروریسی محلول مخلوط PEDOT و پلی اتیلن گلایکول در حلال دی متیل سولفوکساید بدون دوپنت
-الکتروریسی محلول مونومر EDOT و پلیمر پلی آکریلیک اسید در حلال دی متیل فرمامید
غلظتهای مختلف 5 PEDOT و 10 و 20 و 30 و 40 و 50 درصد وزنی حجمی جهت الکتروریسی تهیه گردید. پس از اضافه کردن PEDOT به حلال، محلول پس از 12 ساعت همزدن با مگنت در دمای محیط تهیه شد.همچنین محلول EDOT/PAA در حلال دی متیل فرمامید به مدت 72 ساعت در دمای محیط تهیه گردید. از محلول به دست آمده که بی رنگ، شفاف و همگن می باشد به عنوان محلول الکتروریسی استفاده شد. لازم به ذکر است که الکتروریسی مذکور در 4 سطح نسبت 2 - EDOT/PAA درصد وزنی حجمی EDOT/PAA - 50:50 - و20 درصد وزنی حجمی - 50:50 - ، - 67:33 - و - 83:17 - - EDOT/PAA در دی متیل فرمامید و شرایط مختلف الکتروریسی انجام شد. در این حالت اکسیداسیون پس از الکتروریسی محلول حاوی EDOT انجام گرفت تا مونومر EDOT پلیمریزه شود و پلیمر PEDOT به دست آید.از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، مدل Philips XL 30 ساخت شرکت Philips کشور هلند جهت بررسی مورفولوژی نانوالیاف تولیدی استفاده گردید. هدایت الکتریکی به روش پروب چهار نقطه ای اندازهگیری شد که دستگاه اندازه گیری جریان با دقت 1 پیکو آمپر، مدل keithely 2400 sourcemeter ، ساخت شرکت Tektronix کشور آمریکا می باشد.
-بحث و نتایج
با توجه به آزمایش های انجام گرفته به طور کل نتیجه گیری شد که الکتروریسی پلیمر PEDOT سنتز شده امکان پذیر نمی باشد و حتی به کارگیری مواد کمکی هم به بهبود نتایج الکتروریسی منجر نمی شود. شکل 2 تصاویر SEM به دست آمده از این مرحله می باشد. تمرکز تحقیق متوجه الکتروریسی مونومر EDOT گردید. به همین علت از پلیمر کمکی پلی آکریلیک اسید با مونومر EDOT استفاده شد. از آن جایی که پلیمر پلی آکریلیک اسید با درصدهای بسیار کم به تنهایی الکتروریسی می شود [6]، محلول2 درصد وزنی حجمی EDOT/PAA - 50:50 - در حلال دی متیل فرم آمید تهیه گردید و سپس امکان الکتروریسی آن بررسی شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - شکل - 3 نشان داد که با این غلظت، الکتروریسی امکان پذیر نبوده و حاصل الکترواسپری می باشد که به تولید نانوذرات می انجامد.
با توجه به موفق نبودن الکتروریسی محلول 2 درصد وزنی حجمی، غلظت محلول افزایش داده نهایتا در 20 درصد وزنی حجمی EDOT/PAA - 50:50 - نانوالیاف بدون دانه و نسبتا یکنواخت تولید گردید - شکل-4 الف - . به منظور افزایش سهم EDOT در نانوالیاف الکتروریسی شده سهم EDOT به 67 درصد افزایش داده شد و محلول 20 درصد وزنی حجمی EDOT/PAA - 67:33 - تهیه گردید و نانوالیاف بدون دانه و نسبتا یکنواخت به دست آمد - شکل-4 ب - . در راستای افزایش سهم EDOT در نانو الیاف نهایی در این مرحله سهم EDOT به 83 درصد افزایش داده و الکتروریسی محلول با غلظت 20 درصد در دی متیل فرمامید انجام شد. از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده می شود الکتروریسی با سهم 83 درصد برای EDOT ناموفق بوده و بیشتر ذراتی که با الیاف هم مربوط می گردند شکل گرفته است - شکل. - 5
اکسیداسیون نانوالیاف EDOT/PAA به روش غیرمستقیم و مستقیم انجام گردید. منظور از اکسیداسیون غیرمستقیم، قرار دادن لام پوشش داده شده با نانوالیاف الکتروریسی شده در محلول اکسیدان می باشد. براساس نتایج به دست آمده این روش برای اکسیداسیون وب نانوالیاف EDOT/PAA مناسب نمی باشد. همچنین اکسیداسیون نانوالیاف EDOT/PAA به روش مستقیم انجام شد. منظور از اکسیداسیون مستقیم، قرار دادن محلول اکسیدان فریک کلراید 6 آبه زیر منطقه ی الکتروریسی می باشد و نانوالیاف روی صفحه ی جمع کننده وارد حمام اکسیداسیون می شوند. لازم به ذکر است برخلاف روش غیرمستقیم، تغییر رنگ نانوالیاف از سفید به سیاه بر اثر پلیمریزاسیون EDOT به PEDOT در حمام اکسیداسیون در فاصله زمانی کوتاهی شکل می گرفت - شکل-4 ج و -4 د - .
-نتیجه گیری
نانوالیاف PEDOT/PAA با دو نسبت 50:50 و 67:33 به روش الکتروریسی محلول مونومر EDOT و پلیمر کمکی PAA در محلول اکسیدان بدون دانه ونسبتا یکنواخت الکتروریسی شد. کمترین میانگین قطر نانوالیاف 298,6 PEDOT/PAA نانومتر به دست آمد. بیشترین هدایت الکتریکی مربوط به نانوالیاف 0/16 S/cm - 50:50 - PEDOT/PAA اندازه گیری شد که در مقایسه با پژوهش های انجام شده ی مشابه - جدول - 1 به صورت چشمگیری بالاتر می باشد.
