بخشی از مقاله
هدف از این تحقیق کاربرد فیلم های فعال نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات فلزی و غیرفلزی در پلیمر پلی اتیلن سبک خطی و پلی اتیلن سبک می باشد. ماتریکس پلیمری پلی اتیلن سبک و پلی اتیلن سبک خطی، نانوذرات فلزی، انواع خاکهای رسی طبیعی و اصلاح شده فلزی و آلی و مواد سازگاردهنده مناسب نظیر پلی اتیلن گرافت شده توسط آنهیدرید مالیک، اتیلن وینیل استات و پلی اتیلن اکسید شده بکار رفت. برای بررسی خواص مکانیکی فیلمهای نانوکامپوزیتی تهیه شده آنالیزهای مکانیکی مختلفی نظیر تعیین مقاومت به کشش نهایی، مدول یانگ - الاستیک - و ازدیاد طول تا نقطه شکست توسط دستگاه اینسترون انجام شد. نتایج نشان داد که مقاومت به کشش نهایی، مدول الاستیک و ازدیاد طول تا نقطه شکست نانوکامپوزیت های فلزی و آلی بسته به میزان نانوذرات فلزی و رس آلی در مقایسه با نمونه شاهد بهبود یافت. نانوکامپوزیت ها بعنوان فیلر عمل کرده و منافذ موجود در ماتریکس پلیمری را می پوشانند. بعلاوه نتایج میکروسکوپ الکترونی توزیع یکنواخت نانوذرات را در بستر پلیمر نشان داد و نشانه ای از آگلومریزاسیون دیده نشد. نانوکامپوزیت ها می توانند بعنوان جایگزین فیلم های پلی اتیلنی سبک علاوه بر بهبود خواص میکروبی از جنبه خواص بازدارندگی و مکانیکی نیز مورد بررسی قرار گیرند.
واژه های کلیدی: نانوذرات آلی، نانوذرات فلزی ، نانوکامپوزیت، خواص مکانیکی
مقدمه
آزردو - - 2009 در یک مقاله مروری کاربرد نانوکامپوزیت ها را در بسته بندی مواد غذایی شرح داد. مفهوم تکنولوژی نانو برای اولین بار در سال 1959 توسط ریچارد فیمن در جلسه انجمن فیزیک آمریکا بیان شد. برای نانوتکنولوژی دو رویکرد تعریف شده است : رویکرد بالا- پایین1 و رویکرد پایین - بالا.2 تولید تجاری نانوذره ها اغلب از رویکرد اول حاصل می شود. در این روش مواد حجمی به روش های خرد کردن به ذرات در ابعاد نانو تبدیل می شوند. در روش دوم اتمها و مولکول هایی که خاصیت خودجمع شوندگی دارند، توسط نیروهای جذب و دفع تجمع یافته و ذرات نانو را تشکیل می دهند. به ترکیبی از پلیمر و فیلرهای آلی یا غیرآلی کامپوزیت می گویند. فیلرها اشکال متفاوتی از قبیل فیبری، پرک مانند، کروی و ذره ای دارند. اگر یکی از ابعاد فیلر ها در مقیاس نانو باشد، نانوکامپوزیت تولید می شود.
اشکال کروی در مقیاس نانو هستند در حالیکه نانوتیوب دو ابعاد در مقیاس نانو و بعد دیگر در مقیاس میکرو است. فیلرها با نسبت منظر3 بالا بدلیل دارا بودن نیروی جذبی بیشتر مناسب تر هستند. مفهوم پلیمر نانوکامپوزیت پلیمر- رس برای اولین بار در سال 1980 ارائه شد، و توسط شرکت تویوتا به مقیاس تجاری درآمد. در حالیکه در اواخر سال 1990 نتیجه تحقیقات بر این زمینه منتشر شد. سیلیکات های لایه ای که بطور متداول در نانوکامپوزیت ها بکار می رود، دارای دوبعد هستند: 1 نانومتر ضخامت و چندین میکرون طول. در حضور پلیمر پیچ و خم مسیر نفوذ مواد نفوذ کننده افزایش می یابد که در شکل 1 نشان داده شده است. در حالت تاکتوئید4 که در میکروکامپوزیت ها غالب است، پلیمر و رس آمیخته نشده و نتیجه آن تجمع رس در زمینه پلیمر و خواص میکروسکپی ضعیف نانوکامپوزیت است.
پیوند بین لایه رس و زنجیره پلیمر به سه شکل ممکن است که در شکل 2 نشان داده شده است. ایده آل ترین حالت در توزیع ورقه ای دیده می شود. متداول ترین پرکننده رسی مونت موریلونیت است که سیلیکات آلومینیم هیدراته بوده و یک ورقه اکتاهدرال از هیدروکسیدآلومینیم بین دو لایه تتراهدرال سیلیکات قرار گرفته است - شکل . - 3 بارهای منفی سطح توسط کاتیون های قابل تعویض - Na+,Ca+ - متعادل می شود. به دلیل داشتن سطح بسیار زیاد و نسبت منظر بالا مونت موریلونیت یک پرکننده قوی محسوب می شود. بدلیل هیدروفیل بودن سطح رس امکان توزیع یکنواخت رس در پلیمر آلی وجود ندارد.
رس آلی که از پیوند بین رس معدنی و ترکیبات آلی بدست می آید، در نانوکامپوزیت ها کاربرد مهمی دارد. آلی دوست کردن1 یک مرحله کلیدی جهت توزیع ورقه ای لایه های رس در پلیمر است، سبب کاهش انرژی رس شده و سازگاری آن را با پلیمر آلی افزایش می دهد. رس آلی ارزانتر و فراوانتر بوده و از منابع طبیعی بدست می آید. از تبادل یون های قابل تعویض غیرآلی مونت موریلونیت با یون های آمونیوم آلی بدست آمده و سازگاری آن را در تعامل با پلیمر افزایش می دهد. بعلاوه سبب یک سازماندهی مناسب در لایه های رس شده و جذب آب را کاهش می دهد. سورفاکتانت جهت بهبود توزیع رس استفاده می شود.
از آنها می توان به کوپلیمر پلی اتیلن تصادفی برای پلی اتیلن و بوتیرات استات سلولز جذب شده به آنهیدرید مالیک را نام برد که قادر به افزایش فضای بین لایه های رس بسته به تعداد واحدهای قطبی در مولکول کوپلیمر است. نانوکامپوزیت با سازگارکننده ساختار بین ورقه ای بهتری داشته و خواص مکانیکی بهتری را اعمال می کند. مهمترین تئوری جهت تشریح خواص نانوکامپوزیت پلیمر- رس تئوری نلسون در سال 1967 بود. وی بیان کرد که ایجاد مسیر پرپیچ و خم و طولانی در نانوکامپوزیت بعنوان عملکردی از نسبت منظر بالا نقش مهمی در نفوذناپذیری فیلم ها ایفا می کند. از دیگر مزایای رس می توان به افزایش دمای انتقال شیشه ای و افزایش دمای تجزیه نانوکامپوزیت ها اشاره کرد، اگرچه سبب کاهش شفافیت نانوکامپوزیت می شود.
تولید نانوکامپوزیت بر پایه پلی اولفین ها
نانوکامپوزیت پلی اتیلن - رس با روش اختلاط مذاب و ترکیبات مختلف پلی اتیلن با دانسیته پایین خطی و با آنهیدرید مالیک2 و بدون آنهیدرید مالیک بعنوان سازگارکننده تهیه شد - هوتا و پل ، . - 2004 دو نوع رس آلی دی متیل بیس آمونیوم مونت موریلونیت3 و تری متیل آمونیوم مونت موریلونیت4 در این تحقیق بکار رفت. نتایج طیف سنجی با اشعه فروسرخ با زاویه عریض5 برای دی متیل بیس آمونیوم مونت موریلونیت نشان داد که نسبت به تری متیل آمونیوم مونت موریلونیت، رس آلی در بستر پلیمر به شکل ورقه ای6 توزیع مناسبی داشته و آنهیدرید مالیک یک سازگار کننده مناسب می باشد. نتایج میکروسکوپ الکترونی عبوری نیز مسئله فوق را تصدیق کرد و نشان داد که نسبت منظر برای نمونه های حاوی سازگارکننده و حاوی دو گروه آلکیل افزایش یافته که نشان دهنده توزیع بهتر در بستر پلیمر است.
بعلاوه نانوکامپوزیت تهیه شده توسط دوگروه آلکیل، نسبت به یک گروه آلکیل در زمینه پلی اتیلن بهتر پخش شده و خواص مکانیکی - مدول یانگ و مقاومت تسلیم کششی - را بهبود بخشید. پلی اتیلن با دانسیته پایین خطی نسبت به نایلون 6 تمایل بیشتری در جذب آلکیل نسبت به جذب در سطح سیلیکات دارد. نایلون بدلیل ماهیت قطبی اش با نت موریلونیت دارای یک گروه آلکیل، توزیع بهتری داشته و بنابراین به راحتی جذب سطح سیلیکات می شود، اما پلی الفین ها که ماهیت غیرقطبی داشته، براحتی با دو گروه آلکیل تعامل داشته و افزایش گروه آلکیل منجر به توزیع بیشتر و خواص مکانیکی بهتر خواهد شد. با افزایش نسبت مونت موریلونیت و کاربرد سازگارکننده آنهیدرید مالیک، دی متیل بیس آمونیوم مونت موریلونیت استحکام ذوب بیشتری نشان داده، و خاصیت نفوذپذیری به گازهای اکسیژن، نیتروژن و دی اکسیدکربن نیز کاهش یافت.
نانوکامپوزیت پلی اتیلن با دانسیته پایین / مس را با روش اختلاط مذاب در یک اکسترودر یک مارپیچ تهیه و خواص آن را مورد بررسی قرار گرفت - زیا و همکاران ، . - 2006 نتایج میکروسکوپ الکترونی پایشی و پراش اشعه ایکس نشان داد که نانوکامپوزیت هیبریدی از پلیمر و نانوذرات مس می باشد و توده نانوذرات مس بطور یکنواخت پخش گردیده است. پلیمر / نانوذرات و پلیمر اولیه دارای خواص جهت داده شده و خصوصیات سردشوندگی مشابه ولی خصوصیات کریستالی آنها متفاوت بود، علت آن وجود نانوذرات بعنوان عامل ایجاد کننده هسته عمل کرده و میزان هسته ریزی را بالا می برد. نتایج کالریمتری روبشی7 نشان داد که دمای ذوب کاهش و دمای کریستالی افزایش یافت، علت کاهش دمای ذوب کاهش درجه کریستالی و علت افزایش دمای کریستال این بود که نانوذرات مس بعنوان هسته برای ایجاد کریستال عمل کردند.
اگرچه درجه کریستالی شدن زمینه کامپوزیت نیز کاهش یافت، که به کاهش حرکت زنجیره پلیمری توسط نانوذرات مس نسبت داده شد. بعلاوه نتایج آنالیز وزن سنجی حرارتی8 نشان داد که پایداری حرارتی پلیمر / نانوذرات در مقایسه با پلیمر خالص افزایش یافت و حداقل 18œC افزایش پایداری حرارتی دیده شد. اگر درصد نانوذرات مس از %2 بیشتر باشد، پایداری حرارتی پلیمر کاهش می یابد، در حالیکه میکروذرات مس تا %6 سبب افزایش پایداری حرارتی شده و پس از آن پایداری حرارتی ثابت ماند.
توزیع نانوذرات دی اکسید تیتانیوم را در نانوکامپوزیت پلی اتیلن سبک/ پلی اتیلن سبک خطی در تحقیق دیگری مورد بررسی قرار گرفت - وانگ و همکاران ، . - 2005 دی اکسید تیتانیوم ماده ضد میکروبی فتوکاتالیست است که اگر در معرض نور قرار گیرد حفره الکترون خالی تشکیل شده و می تواند به مولکول آب و اکسیژن حمله کند و رادیکال هیدروکسیل تشکیل دهد که خاصیت ضد میکروبی وسیعی در محصولات کشاورزی و غذایی دارد. ترکیب پلی اتیلن سبک / پلی اتیلن سبک خطی سبب استحکام مکانیکی مورد اخیر و بهبود خواص اولی می شود. در این آزمایش از دو پلیمر
