بخشی از مقاله
چکیده: جهت تهیه پوشش های با خاصیت ضد باکتریایی بر مبنای رزین اپوکسی ، نانو کامپوزیت پلی انیلین با ورقههای اکسید گرافن با استفاده از روش ساده و ارزان تهیه گردید. در این روش کامپوزیت پلی انیلین با نانوورقه های اکسید گرافن با استفاده از روش پلیمریزاسون درجا تهییه می گردد. . تعیین مشخصات محصول تولید شده با استفاده از روش های طیف سنجی مرئی-فرابنفش، طیف سجیی مادون قرمز، تصویر برداری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان می دهد که ورقه های اکسید گرافن به طور یکنواختی در ماتریس پلیمر پراکنده شده و پلیمر دارای ساختار منظم و متقارنی است و پلی انیلین به خوبی بین ورقه های اکسید گرافن پلیمری شده و فرایند لایه نشانی صورت پذیرفته است . علاوه بر این حضور همزمان پلی انیلین و ورقه های اکسید گرافن در کنار هم موجب بهبود و تقویت خواص ضد باکتریایی محصول نهایی می گردد. این خواص بهبود یافته، کامپوزیت تهیه شده را به عنوان گزینه ای مناسب جهت استفاده در ساخت پوشش هایی با خاصیت ضد باکتریایی با استفاده از رزین اپوکسی مطرح می سازد.
مقدمه
در نتیجه افزایش مقاومت میکروبی به عوامل ضد میکروبی مختلف و توسعه گونه های مقاوم میکروبی، تقاضا ها برای مواد ضد میکروبی جدید، با عملکرد بهتر در فرایند گند زدایی در حال افزایش است. در این زمینه، مواد نانوکامپوزیتی به دلیل داشتن نسبت سطح به حجم بالا، که موجب ایجاد مساحت سطح بالا در تماس با میکروارگانیسم می شود. و همچنین به دلیل داشتن خواص شیمیایی و فیزیکی بهبود یافته در مقایسه با مواد بالک، و به دلیل اثر هم افزاییی چند جز موجود در ساختار آن ها، عملکرد بسیار خوبی از نظر خواص ضد میکروبی از خود نشان می دهند.
از جمله مواد نانوکامپوزیتی با خاصیت ضد میکروبی می توان به مواد با محتوی نانوذرات فلزی نظیر نقره، طلا و پلاتین اشاره کرد.[1] اما به دلیل قیمت بالای این نانوذرات، استفاده از مواد آلی ارزان قیمت با خواص ضدمیکروبی مشابه با نانوذرات فلزی، همواره یکی از چالش های پیش روی تولید مواد با خواص ضدباکتریایی و با قیمت پایین بوده است. گرافن از جمله موادی است که از زمان اکتشاف آن، به دلیل داشتن خواصی همچون استحکام مکانیکی بسیار عالی و مقاومت حرارتی بالا توجهات بسیاری را به خود جلب کرده است[2]، اما در این بین اکسید گرافن نیز به دلیل داشتن هزینه تولید پایین، پایداری در محیط های آبی و قابلیت تولید در حجم انبوه به عنوان گزینه ای بسیار مناسب جهت تولید انواع کامپوزیت های برمبنای گرافن مطرح گردیده است.
مطالعات مختلف نشان می دهند که اکسید گرافن از خاصیت ضدباکتریایی بسیار قوی در برابر انواع مختفی از گونه های باکتریایی بر خوردار می باشد. نتایج حاصل از این مطالعات نشان می دهند که خاصیت ضد باکتریایی ورقه های اکسید گرافن می تواند ناشی از لبه های بسیار تیز ورقه های اکسید گرافن در ابعاد اتمی باشد که می تواند در دیواره سلولی گونه های باکتریایی نفوذ کرده و به طور فیزیکی ساختار آن را مختل کند. علاوه بر این آسیب غشایی سلول باکتریایی در اثر پراکسیداسیون لیپیدهای غشا، که از ماهیت اکسید کننده ی اکسید گرافن ناشی می شود، می تواند دلیل دیگر بر ماهیت ضدمیکروبی این ماده کربنی باشد.
مکانیسم خاصیت ضدباکتریایی اکسید گرافن که از نوع تماسی می باشد، در کنار نسبت سطح به حجم بسیار بالا و هزینه تولید بسیار پایین، آن را به عنوان جایگزین ارزان قیمت و با کارایی بالا برای نانوذرات فلزی جهت استفاده در ساخت مواد با خاصیت ضدباکتریایی مطرح کرده است.[3] با توجه به توسعه صنایع، نیاز به تولید موادی با خواص چند گانه بیش از پیش احساس می گردد، که ساخت موادی که در کنار داشتتن خواص ضدباکتریایی از خواص کاربردی دیگر نظیر هدایت الکتریکی نیز بهره مند باشند، در زمره ی این مواد قرار می گیرد.
لذا کاربرد های پیشرفته اکسید گرافن نیازمند اصلاح شیمیایی مناسب آن ها با استفاده از مولکول های آلی و یا قرار دادن آن ها در درون ماتریس های پلیمری نظیر پلیمر های هادی می باشد. که در این بین پلی انیلین به دلیل پایداری محیطی مناسب، خواص ردوکس برگشت پذیر، شیمی آسان، هزینه پایین و خواص ضدباکتریایی گزینه بسیار مناسبی می باشد. بنابراین بررسی خواص نانوکامپوزیت اکسید گرافن با پلی انیلین از جمله خواص ضد باکتریایی آن بسیار جالب توجه خواهد بود. لذا در پژوهش حاضراز خواص متمایمز نانوورقه های اکسید گرافن و پلی انیلین جهت رسیدن به خواص هداینی و ضد باکتریایی بهینه و استفاده از آن جهت ساخت پوشش های ضد باکتریایی بر مبنای رزین اپوکسی بهره گرفته شده است.
بخش تجربی
جهت ساخت نانوکامپوزیت اکسید گرافن و پلی انیلن و استفاده از آن در پوشش های برمبنای رزین اپوکسی از پودر گرافیت، پتاسیم پرمنگنات، نیترات سدیم، آب اکسیژنه، آمونیوم پرسولفات، اسید سولفوریک، هیدروکلریک اسید، مونومر آنلیلن دو بار تقطیر شده ، آب تقطیر شده، رزین اپوکسی اپیران 6 و هاردنر F205 استفاده گردید. جهت سنتز نانوورقه های اکسید گرافن از روش هومر بهره گرفته شد.[4] بدین منظور ابتدا 1/8 گرم پودر گرافیت همراه با 1/8 گرم نیرات سدیم در 100 میلی لیتر از اسید سولفوریک و در حمام یخ به مدت 20 دقیقه مخلوط شده و سپس 10 گرم از پتاسیم پرمنگنات به آن افزوده شده و پس از 30 دقیقه هم خوردن در حمام، مخلوط حاصل به مدت 48 ساعت در دمای محیط همزده شد.
در نهایت 30 میلی لیتر آب اکسیژنه به مخلوط اضافه شده و در نهایت رسوبات حاصل شده صاف گردید. جهت تولید نانوکامپوزیت با پلی انیلین، مقادیر مطلوب از پودر اکسید گرافن کاملا در مخلوط مونومر آنیلین در محلول 2 مولار هیدروکلریک اسید پراکنده گردیده و سپس محلول 0/5 مولار آمونیوم پرسولفات قطره قطره به محلول فوق در حمام یخ اضافه گردید. پس از اتمام پلیمری شدن پلی انیلین رسوبات حاصل شده صاف شده و به مدت 24 ساعت در دمای 60 درجه سانتی گراد خشک گردید.
جهت بررسی میزان هدایت کامپوزیت تهیه شده از روش هدایت سنجی چهار نقطه بهره گرفته شد جهت تهیه پوشش نهایی بر مبنای رزین اپوکسی مقدار 1/5 گرم از کامپوزیت تهیه شده با مقدار 10 گرم از رزین اپوکسی مخلوط شده و سپس مقدار 5 گرم از هاردنر F205 با مخلوط فوق مخلوط شده و 10 گرم از مخلوط نهایی بر روی سطحی به مساخت 100 سانتی متر مربع اعمال گردید. برای تصاویر SEM از دستگاه SEM مدل Tescan VEGA - چک - استفاده شد. برای ثبت طیف IR از دستگاه Tensor 27 ساخت شرکت Bruker آلمان استفاده گردید و برای ثبت طیف UV-Vis نمونه از دستگاه دستگاه طیف سنجی Perkin Elmer مدل Lambda 25 و سل پلاستیکی 1 سانتی متری استفاده گردید.
نتایج و بحث
جهت بررسی و تایید تشکیل کامپوزیت گرافن اکسید با پلی انیلین ابتدا از بررسی طیف جدبی محصول در ناحیه مرئی - فرابنفش بهره گرفته شد. همان گونه که در شکل 1 نیز نشان داده شده است پیک جذبی نسیتا باریک در 328nm به انتقالات - * پیوند های کربن به کربن آروماتیک و پیک پهن در nm 629 به انتقالات - * در پیوند های کربن به کربن کینونی نسبت داده می شود. در مورد نانوکامپوزیت گرافن اکسید و پلی انیلین، دو پیک فوق دارای شدت بسیار بیشتری بوده و به سمت طول موج های بالاتر جابحا می شوند که ناشی از ناحیه پیوستگی الکترونیکی بزرگی است که در اثر پیوند بین سطحی اکسیدگرافن و پلی انیلین ایجاد می گردد.
گونه که شکل 2 نیز نشان می دهد حضور پلی انیلین در حالت نمک اسیدی امرالیدن به واسطه پیک های موچود در ناحیه 600تا cm-11700 کاملا مشخص است. پیک مشاهده شده در ناحیه 1587 cm-1 نشان دهنده کشش پیوند دو گانه کربن به کربن در حلقه کینونی و پیک در ناحیه 1494 cm-1 نشان دهنده کشش پیوند دوگانه کربن به کربن در حلقه بنزونینی می باشد. این پیک های در طیف کامپوزیت اکسید گرافن و پلی انیلین به طول موج های کوتاه تر جابجا شده اند که می تواند به دلیل برهمکنش های - بین حلقه های بنزنی و کینونی پلی انیلین با لایه های اکسید گرافن باشد که ناحیه وسیع تری را به وجود می آورد. علاوه بر این پیک های مشاهده شده در 1109 cm 1 که به ارتعاشات کششی کینون-نیتروژن نسبت داده می شود، در کامپوزیت اکسید گرافن و پلی انیلین به طول موج های کوتاه تر جابجا می شود که ناشی از پلیمری شدن بین لایه ای پلی انیلین در بین لایه های اکسید گرافن و ایجاد پیوند - پلی انیلین و لایه های اکسید گرافن است.
