بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر بهرهبرداری از سلولز و مشتقات آن به عنوان تقویتکننده مواد کامپوزیتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این مواد نه تنها به دلیل نگرانیهای زیستمحیطی، بلکه به منظور اراِئهی یک ترکیب منحصر به فرد از لحاظ عملکرد عالی، قابلیت انعطافپذیری و هزینه مطلوب، جایگزین بسیاری از مواد مصنوعی شدهاند. پلیاستایرن - PS - پلیمری است که در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار میگیرد. با این حال، فیلمهای تهیه شده از این پلیمر، بسیار شکننده میباشند. بنابراین استفاده از تقویتکنندهها جهت بهبود خواص مکانیکی فیلمهای مذکور امری ضروری میباشد. در این راستا، سلولز نانوکریستال - CNC - به عنوان نانوذره با مدول بالا به فیلمهای پلیاستایرن افزوده شده و مشاهده شد که خواص مکانیکی نانوکامپوزیت حاصل به میزان قابل توجهی بهبود مییابد.
کلید واژه- پلیاستایرن، سلولز نانوکریستال، فیلم پلیمری، نانوکامپوزیت.
مقدمه
پلیاستایرن، از طریق پلیمریزاسیون مونومر استایرن - مشتقات نفت خام - تولید میشود. این پلیمر تنها از اتمهای کربن و هیدروژن تشکیل شده است که از طریق پیوند کوالانسی به یکدیگر متصل هستند. در زنجیرهی پلی استایرن به هر اتم کربن متناوب، یک گروه فنیل - حلقه بنزن - متصل شده است. چگالی پلیاستایرن 10 kg/m3؛15 میباشد. همچنین این پلیمر در حالت اکسترود شده، توانایی شناور ماندن روی آب را داراست از این رو از آن در تختههای شنا استفاده میشود. اشکال کریستالی پلیاستایرن استحکام ضربهای کمی دارند و بزرگترین ضعف آنها، شکنندگی است .[1]نانوکریستالهای سلولز - CNC - از طریق هیدرولیز اسیدی سلولز پنبه با استفاده از اسید سولفوریک تهیه میشوند. در نتیجهی این هیدرولیز، سطح مخصوص تقریبا به میزان 9 برابر سلولز اولیه افزایش مییابد.
CNC در مقایسه با الیاف سلولزی دارای مزایای بسیاری مانند ابعاد نانو، استحکام و مدول بالا، سطح مخصوص بالا، خواص نوری منحصربفرد و ... میباشد. با توجه به ابعاد نانو و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی ذاتی، CNC یک بیومواد تجدیدپذیر است که میتواند به عنوان یک جزء تقویت-کننده در نانوکامپوزیتهای با کارایی بالا استفاده شود. این خواص فیزیکی و شیمیایی شگفتانگیز، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده و باعث شده پیشرفتها و کاربردهای فراوانی در زمینههای مختلف، به خصوص در زمینه مواد کامپوزیت داشته باشد. یک ویژگی مهم CNC زمانی که در اسید سولفوریک تهیه میشود، وجود بار منفی روی سطح میباشد که به علت تشکیل گروههای سولفات استر در طول عمل با اسید است. این بار منفی ثبات CNCها را در محلولهای آبی افزایش میدهد.به دلیل اینکه تقسیم شدن زنجیرهای سلولزی در طول فرایند هیدرولیز به صورت تصادفی رخ میدهد، ابعاد CNCها یکسان نیست .[2]
تجربیات
-تهیه نانوکریستال سلولز
یکی از روشهای متداول تهیهی CNC، هیدرولیز اسیدی لینتر پنبه میباشد. در این روش، برخلاف قسمتهای بلوری که در برابر اسید مقاوم هستند، نواحی نیمه بلوری و بینظم لینتر پنبه هیدرولیز میشوند. بدینمنظور، ابتدا لینتر پنبه به مدت 24 ساعت در دمای 40 œc؛45 درآون خلأ، خشک شد. سپس نمونهها بدون تماس با رطوبت، با اسید سولفوریک 65% وزنی، 30 دقیقه هیدرولیز شدند. در حین فرایند ، دمای آون 40œc؛45 ثابت بود. در ابتدا، نسبت لینتر پنبه به اسید 10:1 بود و سپس به منظور تکمیل فرایند هیدرولیز، به ظرف واکنش به میزان 10 برابر حجم اسید، آب مقطر اضافه شد. به منظور کنترل دما در زمان افزودن آب مقطر به اسید، ظرف نمونه در داخل حمام یخ قرار گرفت. سپس به منظور جداسازی بخشهای هیدرولیز شدهی سلولز، نمونه به مدت 20 دقیقه با 6000 rpm تحت فرایند گریز از مرکز قرار گرفت. در آخر نمونه به منظور خشک شدن کامل، به مدت 24 ساعت درون آون در دمای 40œc؛45 درجه قرار گرفت
-تهیه نانوکامپوزیت PS/CNC و بررسی خواص مکانیکی آن
ابتدا مقدار مشخصی CNC نسبت به وزن پلیمر، توزین شد و در مقدار مشخصی از حلال DMF دیسپرس شد. به منظور توزیع یکنواخت CNC در محلول، مخلوط CNC و DMF به مدت 20 دقیقه با امواج فراصوت همگن شدند. سپس پلیمر توزین شده و همراه با مقدار مشخصی DMF به محلول فوق افزوده شد. مخلوط تهیه شده به منظور انحلال کامل و همگن شدن، به مدت 24 ساعت بر روی همزن مغناطیسی در دمای 65œc قرار داده شد و سپس با استفاده از تیغهای با ضخامت مشخص 50 - ، 100 و 200 میکرون - به شکل فیلم کشیده شده و درون آون 80 oC به مدت 24 ساعت خشک شد. خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای حاصل با استفاده از دستگاه زوئیک اندازهگیری و ثبت شد.
- نتایج و بحث
خواص مکانیکی یک پلیمر عمدتا شامل ازدیاد طول، استحکام کششی و مدول آن است .[3] نتایج حاصل از اندازهگیری خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای تولیدی با تغییر میزان CNC در شکل 1 نشان داده شده است. مشاهده میشود که با افزودن سلولز نانو کریستال به فیلم پلیاستایرن و تولید نانوکامپوزیت، خواص مکانیکی نانوکامپوزیت حاصل تغییر مییابد. میزان این تغییر برای ضخامتهای مختلف متفاوت است. به گونهای که برای ضخامتها 50 میکرون، با افزایش میزان CNC مدول نانوکامپوزیت نیز افزایش مییابد. اما در مورد ضخامت 100 میکرون افزایش میزان CNC به بیش از 1%، باعث کاهش مدول میشود. مقدار بهینه CNC در نانوکامپوزیت با ضخامت 200 میکرون به %0/5 کاهش مییابد.
به طور کلی با افزایش ضخامت نانوکامپوزیت درصد بهینه CNC به منظور حصول خواص مکانیکی مطلوب کاهش مییابد. افزایش در مدول احتمالا ناشی از سختتر بودن نانوذرات نسبت به ماتریس پلیمری است. همان گونه که در شکل - 1 - مشاهده میشود، در مورد استحکام نمونههای مشاهده میشود که در ضخامتهای 50 و 200 میکرون، بیشترین استحکام و ازدیاد طول در حین پارگی با افزودن CNC %0/5 حاصل میشود. در مورد نانوکامپوزیت با ضخامت 100 میکرون وضعیت قدری متفاوت بوده و بیشترین استحکام و ازدیاد طول در میزان %1 و CNC %0 به دست میآید. به طور کلی میتوان نتیجه گرفت که بهبود خواص مکانیکی فیلم پلیاستایرن با استفاده از CNC تابعی از میزان CNC در فیلم میباشد. به گونهای که میزان بهینه CNC تابعی از ضخامت نانوکامپوزیت حاصل است.
