بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش نانوذرات هیبریدی از جنس پلی تیوفن-گرافن اکساید با نسبت های مختلف گرافن اکساید به پلی تیوفن به روش پلیمریزاسیون شیمیایی تهیه و پس از آن این نانوذره در مقادیر وزنی متفاوت به رزین اپوکسی اضافه شد. در نهایت اثر حضور این نانوذره بر مورفولوژی، خواص مکانیکی نانوکامپوزیت حاصله مورد بررسی قرار گرفت. ساختار شیمیایی مواد با استفاده از آنالیز طیف سنجی عبوری تبدیل فوریه - FTIR - شناسایی شد. برای بررسی مورفولوژی از آزمون هایی همچون میکروسکوپ روبشی - SEM - و آزمون پراش اشعه ایکس - XRD - استفاده شد. خواص مکانیکی نمونه ها با استفاده از آزمون کشش و آزمون میکرو سختی سنج مورد بررسی قرار گرفت. نتایج FTIR ترکیب شدن موفق فاز پراکنده در ماتریس را نشان داد. نتایج آزمون پراش اشعه ایکس پراکنش بهتر نانوذرات درون ماتریس اپوکسی را آشکار کرد. تغییرات در مورفولوژی که از نتایج SEM به دست آمد خواص بهتر نانوکامپوزیت با حضور گرافن اکساید/ پلی تیوفن را نشان داد. نتایج آزمون کشش، میکرو سختی سنج نشان داد که افزودن نانوذرات سبب بهبود خواص مکانیکی نانوکامپوزیت می شود.
کلمات کلیدی: پلی تیوفن – گرافن اکساید – رزین اپوکسی – نانو کامپوزیت
-1 مقدمه
کامپوزیت های پلیمری کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف از جمله صنایع خودرو، هوا فضا، ساختمان، الکترونیک، صنایع دفاعی، تجهیزات پزشکی و حتی لوازم خانگی و بهداشتی دارند، که دلیل آن را می توان به خصوصیات مکانیکی و فیزیکی - مثل استحکام و سفتی - بالاتر و بهتر آن ها نسبت به پلیمر های خالص اشاره کرد. در سال های اخیر، نانوکامپوزیت های پلیمری علاقمندان زیادی پیدا کرده است، زیرا با اضافه کردن مقدار کمی نانوذرات به ماتریس پلیمری این مواد پتانسیل بالایی برای بهبود خواص از خود نشان می دهند. علاوه بر آن، این بهبود مشخص در خصوصیات مختلف با حفظ خصوصیت سبکی ماتریس حاصل می گردد..
اخیرا اکسید گرافن، شکل اکسید شده ی گرافن، به دلیل ویژگی های برجسته و تولید آسان توجه زیادی از محققان و صنعتگران را به خود جلب کرده است. از سوی دیگر با توجه به خواص منحصر به فرد نانو ذرات گرافن اکساید از جمله خواص الکتریکی، حرارتی؛ الکتروشیمیایی و سطح ویژه بالا، توانایی استفاده از این ماده در بسیاری از کاربردها مانند حسگرها؛ کاتالیستها، منابع ذخیره انرژی و انواع کامپوزیتها افزایش چشمگیری داشته است. پلیمرهای رسانا نه تنها دارای خواص رسانایی هستند بلکه خواص فوق العادهای مثل خواص الکتریکی، خواص مغناطیسی، خواص رطوبتی، خواص نوری و همچنین خواص جذب امواج الکترومغناطیسی و همچنین خواص مکانیکی مناسبی را از خود نشان می دهند.
در میان پلیمرهای رسانا، پلی تیوفن ها یکی از ارزشمندترین پلیمرهای رسانا هستند که دارای خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مفیدی مانند انحلال پذیری خوب و رسانایی بالا بوده و موادی با پایداری شیمیایی، حرارتی ومحیطی مناسب را تشکیل میدهند. رزینهای اپوکسی با توجه به خواص حرارتی، مقاومت شیمیایی و خواص محیطی بالا، یکی از پرکاربردترین نوع رزینها محسوب می شوند. اما در بعضی از کاربردها نیاز است تا خواص این مواد ارتقا پیدا کند. افزودن نانوذراتی مانند نانوذرات گرافن و یا مشتقات آن همچون گرافن اکساید، پلی تیوفن-گرافن اکساید نشان داد که خواص مکانیکی و حرارتی به طور چشمگیری بهبود می یابد.
-2 روش تحقیق
-1-2 مواد شیمیایی
مشخصات مواد به کار رفته جهت انجام آزمایش در جدول 1 گزارش شده است.
-2-2 تهیه نانو کامپوزیت ها
1-2-2 روش
ابتدا نانوذرات پلی تیوفن/گرافن اکساید به روش شیمیایی سنتز شده، سپس همراه با رزین استفاده شدند. همچنین به منظور مقایسه بهتر نانوذرات گرافن اکساید نیز همراه با رزین استفاده شد. برای ساخت نمونه ها از قالب های لاستیکی سیلیکونی استفاده شده است مزیت قالب های سیلیکونی دقت ابعادی بسیار بالا، مقاومت حرارتی بالا، انعطاف پذیری بالا و انتقال حرارت مناسب میباشد. شرایط پخت در درجه حرارت محیط و به مدت یک هفته بوده است.
به منظور ساخت نمونه ها، به مخلوط اپوکسی/ گرافن اکساید/ پلی تیوفن مقداری استون و Triton X-100 اضافه کرده و پس از آماده سازی و حباب زدایی به آرامی درون قالب ریخته و اجازه داده شد تا عملیات پخت صورت گیرد. در این قسمت ابتدا روش سنتز نانو ذرات توضیح داده می شود سپس یک روش کلی برای قالبگیری نانو ذرات با رزین اپوکسی بر روی قالب های سیلیکونی معرفی می شود.
1-1-2-2 نانو کامپوزیت گرافن اکساید / پلی تیوفن
نانوکامپوزیت گرافن اکساید/ پلی تیوفن با نسبت 5/1 و 1/10 سنتز شد. به این صورت که مقادیری از گرافن اکساید - نسبت های 1/5 و 1/10 به ترتیب 0,434 و 0,217 گرم - را به همراه 20 میلی لیتر حلال استونیتریل با هم مخلوط شد، سپس مقادیری از FeCl3 به آن اضافه تا همچنان اختلاط صورت گیرد. در ادامه محلول مونومر تیوفن از قبل آماده شده را 2 - میلی لیتر مونومر تیوفن 2/17 - گرم - به همراه ml 20 استونیتریل - ، به محلول اضافه کرده واجازه می دهیم که سنتر نهایی صورت گیرد. سپس رسوب حاصله را با متانول شست و شو داده و در نهایت به مدت 24 ساعت آن را درون آون، تحت دمای 60 تا 80 درجه سانتیگراد، قرار داده تا خشک شود و رطوبت از آن خارج شود.
در مرحله آخر نانوکامپوزیت رزین اپوکسی/ گرافن اکساید/ پلی تیوفن با ترکیب درصد های مختلف تهیه شد. به منظور ساخت نانوکامپوزیت 0,5 درصد وزنی ابتدا مقدار 0,04 gr از نانوذره مورد نظر به 0,38 میلی لیتر - 0.3 gr - استون اضافه شد و به مدت 30 دقیقه مخلوط گردید. سپس دو قطره - triton x-100 به منظور بهبود اختلاط بین نانوذره و رزین - به آن اضافه شد و مجددا به مدت 15 دقیقه مخلوط گردید. مقدار 1,96 gr رزین به آن اضافه شد و به مدت 1 ساعت بوسیله همزن مکانیکی با سرعت 2000 rpm
در مرحله آخر نانوکامپوزیت رزین اپوکسی/ گرافن اکساید/ پلی تیوفن با ترکیب درصد های مختلف تهیه شد. به منظور ساخت نانوکامپوزیت 0,5 درصد وزنی ابتدا مقدار 0,04 gr از نانوذره مورد نظر به 0,38 میلی لیتر - 0.3 gr - استون اضافه شد و به مدت 30 دقیقه مخلوط گردید. سپس دو قطره - triton x-100 به منظور بهبود اختلاط بین نانوذره و رزین - به آن اضافه شد و مجددا به مدت 15 دقیقه مخلوط گردید. مقدار 1,96 gr رزین به آن اضافه شد و به مدت 1 ساعت بوسیله همزن مکانیکی با سرعت 2000 rpm مخلوط گردید. سپس استون موجود در نمونه تحت حرارت خارج گردید و به نمونه مقدار 0,392 gr هاردنر اضافه گردید و مجددا به مدت 30 دقیقه بوسیله همزن مکانیکی با سرعت 2000 rpm مخلوط گردید. پس از آماده سازی و حباب زدایی نمونه به آرامی درون قالب ریخته و اجازه داده شد تا عملیات پخت صورت گیرد. شرایط پخت در درجه حرارت محیط و به مدت یک هفته بوده است. ترکیب درصد های مختلف نانوذرات به همین روش تهیه شد. نانوکامپوزیت های تهیه شده با ترکیب درصد های مختلف نانوذرات مطابق جدول 2 نام گذاری شده اند.
-3 بحث و نتایج
1-3 بررسی ساختار رزین اپوکسی/گرافن اکساید/ پلی تیوفن با استفاده از آنالیز FTIR
در طیف رزین اپوکسی/ پلی تیوفن/ گرافن اکساید - شکل 1 - ، یک پیک پهن در حدود 3297 cm-1 ظاهر شده است که به دلیل ارتعاش کششی O-H می باشد. پیک 2933 و2872 cm-1 به دلیل ارتعاش کششی CH2 می باشد و پیک 2961 و 3059 cm-1 مربوط به متیل و CH ضمیمه به حلقه های آروماتیک است. پیک 1288 cm-1 مربوط به گروه aryl O-CH2- می باشد . پیک 705 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی C-S پلی تیوفن است. پیک 1507 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی C-C پلی تیوفن است. پیک های جذب تیوفن دیسپرس شده در 746 و 829 cm-1 نشان داده شده است. پیک
