بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر، نانوالیاف مغناطیسی حاوی نانوذرات مگنتایت با ضخامت لایه بسیار پایین به روش الکتروریسی جهت کاربرد محافظت در برابر امواج در ناحیه 8/2-12/4 گیگاهرتز تولید شدند. آنالیز میکروسکوپ الکترونی نشان دهنده دیسپرسیون بسیار مناسب نانوذرات در بستر پلیمری و تولید نانوالیافی با متوسط قطری 150-500 نانومتر میباشند. خواص مغناطیسی نانوالیاف حاوی نانوذرات مگنتایت مورد بررسی قرار گرفت و نشان دهنده وابستگی نتایج به غلظت نانوذرات مگنتایت بودند که مبین افزایش خواص مغناطیسی لایه با افزایش غلظت نانوذرات مگنتایت در ساختار نانوالیاف میباشند. محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس نانوالیاف مغناطیسی تا مقدار 22 دسیبل با مقدار 4 درصد نانوذرات در ضخامت 1 میلیمتر بدست آمد که سهم غالب آن براساس جذب امواج استوار و مقدار بسیار کمی از آن نیز انعکاس بود. نتایج بدست آمده از تحقیق حاضر نشان دهنده امکان کاربرد نانوالیاف مغناطیسی حاوی نانوذرات مگنتایت جهت کاربرد در مواد جاذب امواج الکترومغناطیس میباشد.
کلید واژه- نانوالیاف، الکتروریسی، نانوذرات مغناطیسی، کامپوزیت، محافظت در برابر تداخل امواج
-1 مقدمه
نگرانیها درباره آثار مخرب امواج الکترومغناطیسی برروی سلامت انسان رشد روزافزونی یافته و البته این نگرانیها با توجه به رشد روزافزون فناوریهای جدید چندان عجیب به نظر نمیرسد. تاثیرات امواج الکترومغناطیسی برروی سلامتی بشر به دو صورت ایجاد انواع سرطانها و اختلالات در سامانه عصبی مرکزی - CNS - مغز انسان مطرح میشوند. بنابر آمار بیان شده بوسیله آژانس بینالمللی تحقیقات سرطان - IARC - ، یکی از مهمترین دلایل افزایش سرطان در جامعه کنونی آلوده بودن بیش از حد محیط زیست به امواج الکترومغناطیسی میباشد. تحقیقات مختلفی در سطح جهان برروی تاثیر امواج الکترومغناطیسی برروی انواع سرطانها انجام شده ولی تمرکز اصلی برروی سه سرطان خون، مغز و سینه میباشد .[1]
امواج الکترومغناطیس نیز مانند هر فناوری دیگر با توجه به مزایای بی شمار، چالشهایی را نیز با خود به همراه آورده که از آن جمله میتوان به تداخل امواج الکترومغناطیس و مختل ساختن کارایی وسایل الکترونیکی و همچنین مضرات برای سلامتی انسانها اشاره نمود. از این روی برای مقابله با این چالشها و رشد روزافزون وسایل الکترونیکی باید اقدامات جدی انجام شود و فقط توصیههای ایمنی کارگشا نمیباشد. از این روی محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس میتواند تا حدی مشکلات این راه را کاهش دهد. برای کنترل این آلودگی الکترومغناطیسی سه سازوکار انعکاس سطحی، انعکاس مضاعف و جذب امواج وجود دارد که مکانیزم جذب از اهمیت ویژهای برخوردار است و مواد جاذب امواج، بهترین گزینه برای محافظت از امواج الکترومغناطیسی هستند 2]و.[3
در سالهای اخیر نانوذرات مغناطیسی برای کاربردهای محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس، به عنوان پرکنندههای مغناطیسی، به طور گسترده استفاده شدهاند. نانوذرات مغناطیسی به دلیل داشتن خصوصیات منحصر به فرد، مثل مدول یانگ بسیار بالا، خصوصیات مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی و حرارتی مورد توجه ویژهای قرار گرفتهاند .[4] در دهههای اخیر تحقیقات زیادی در مورد بهبود خصوصیات جذب امواج الکترومغناطیس به وسیله کامپوزیتهای حاوی نانوذرات مغناطیسی به خصوص نانوکامپوزیتهای پلیمر/نانوذرات مغناطیسی انجام شده است 5]و.[6 اما گزارشی در مورد محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس بوسیله نانوالیاف کامپوزیتی حاوی نانوذرات مغناطیسی وجود ندارد. در این پژوهش سعی شده است رفتار محافظت امواج الکترومغناطیس برای نانوالیاف کامپوزیتی حاوی نانوذرات مغناطیسی در محدوده فرکانسی باند X بررسی شده است و تاثیر ساختار جاذب روی میزان جذب امواج مطالعه گردیده است.
-2 تجربیات
از پودر پلی وینیل پیرولیدون - PVP - با وزن مولکولی 1300 کیلو دالتون شرکت Sigma-Aldrich به عنوان پلیمر در تولید نانوالیاف استفاده شده است. نانوذرات مغناطیسی مگنتایت - Fe3O4 - با خلوص %95 و متوسط قطری 20-30 نانومتر تهیه شده از Nano-Research تهیه شد. از دیمتیل فرمآمید - DMF - شرکت Merck و با درجه خلوص %99 به عنوان حلال پلیمر مصرفی استفاده گردید. همچنین از پوشش دهنده پلیمری PVP با وزن مولکولی 10000g/mol شرکت Sigma-Aldrich برای بهبود دیسپرسیون نانوذرات در حلال DMF استفاده گردید.با توجه به کارهای قبلی 7]و[8 غلظت 13wt% در حلال DMF به عنوان غلظت بهینه از پلیمر PVP انتخاب شد.
برای پخششوندگی نانوذرات در حلال DMF از 1 - w/v% - پوشش دهندهی پلیمری و مدت زمان 40 دقیقه دستگاه فراصوت پروبی شرکت Hielscher آلمان - مدل - UP200 استفاده شد. برای تهیه محلولهای پلیمری حاوی نانوذرات مگنتایت پس از تهیه محلول دیسپرسیون، مقدار لازم از پلیمر PVP به آن افزوده شده و سپس برای مدت 4 ساعت بر روی همزن مغناطیسی در دمای اتاق برای انحلال کامل قرار گرفت. برای تولید نانوالیاف کامپوزیتی از شرایط ولتاژ اعمالی 15kV و فاصله 20cm در نرخ تغذیه 0/25mL/h استفاده شد. در نهایت نانوالیاف تولیدی براساس مقادیر نانوذرات در آن بصورتهای - 0wt% - FCNF-0، - 0/5wt% - FCNF-0.5، - 1wt% - FCNF-1، - 2wt% - FCNF-2، - 3wt% - FCNF-3، - 4wt% - FCNF-4 و - 5wt% - FCNF-5کدگذاری شدند.
برای مشاهده ساختار نانوالیاف و اندازه قطر آنها از دستگاه میکروسکوپ الکترونی پویشی Philips مدل XL-30 ساخت کشور هلند استفاده شده است. منحنیهای B-H برای نانوذرات مغناطیسی و نیز نانوالیاف کامپوزیتی حاوی مقادیر مختلف نانوذرات به منظور مطالعه خواص مغناطیسی و محاسبه مغناطش اشباع و نیروی وادارندگی و نیز مطالعه شرایط دیسپرسیون نانوذرات بوسیله دستگاه VSM مورد مطالعه قرار گرفت. از دستگاه تحلیل گر برداری، مدل HP 8510 ساخت کشور آمریکا برای ارزیابی میزان محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس نمونهها استفاده شد. میزان محافظت امواج الکترومغناطیس نمونهها، در بازه فرکانسی 8-12GHz - X-band - ، مورد بررسی قرار گرفته است.
-3 بحث و نتایج
در شکل 1 تصاویر SEM از نانوالیاف خالص و نیز نانوالیاف کامپوزیتی حاوی مقادیر مختلف نانوذرات مگنتایت نشان داده شده است. بطور کامل مشخص میباشد که ساختار سطحی نانوالیاف خالص بسیار صاف بوده و نانوالیاف حاصل هیچ گونه نقاط دانه تسبیحی در خود ندارد. ساختار سطحی نمونههای نانوالیاف کامپوزیتی حاوی 0/5 الی 2wt% نانوذره مغناطیسی نیز بصورت نسبتا یکنواخت و مطلوب میباشد. در نمونههای نانوالیاف کامپوزیتی حاوی 3 و 4wt% مقدار کمی زبری سطح و ناهمواریها دیده میشود. البته این نمونهها هم دارای ساختار قابل قبول میباشند. ولی در نمونه با مقدار 5wt% نانوذره مغناطیسی نقاط تجمع قابل توجهی زیادی مشاهده شده که نشان دهنده دیسپرسیون نامطلوب نانوذرات در ساختار نانوالیاف کامپوزیتی می-باشد.
با افزایش غلظت Fe3O4 در محلول از 0 به 0/5wt% میانگین قطر نانوالیاف با افزایش کمی از 172 22 به 212 31nm رسیده است. ولی افزایش غلظت Fe3O4 در نانوالیاف با غلظتهای 1، 2، 3 و 4wt% متوسط قطر نانوالیاف بصورت چشمگیری به مقادیر 293 55، 390 60، 431 66 و 482 101nm افزایش یافته است. در مقابل با افزایش غلظت Fe3O4 به 5wt% متوسط قطر نانوالیاف به 428 106nm کاهش یافته است. برای مطالعه دقیقتر این تغییرات در متوسط قطر نانوالیاف کامپوزیتی باید به خواص محلولهای الکتروریسی توجه نمود. یکی از مهمترین مشخصههای تاثیرگذار بر مورفولوژی نانوالیاف، گرانروی محلول میباشد. بطوری که افزایش یا کاهش گرانروی محلول بترتیب موجب افزایش یا کاهش متوسط قطر نانوالیاف میگردد.
طیف سنجی مگناتومتری نیز یکی از روشهای بسیار مفید برای بررسی کیفیت دیسپرسیون مواد افزودنی مغناطیسی در نانوکامپوزیتهای پلیمری حاوی نانوذراتی همچون Fe3O4 میباشد. در شکل 2 طیفهای VSM نانوذرات Fe3O4 و نیز نانوالیاف کامپوزیتی حاوی مقادیر مختلف نانوذرات نشان داده شده است. با توجه به طیف نانوذرات مشخص میباشد که دارای مغناطش اشباع 70/2emu/g است که از مقدار نظری 60 برای توده Fe3O4 نیز بیشتر میباشد. نانوالیاف کامپوزیتی FCNF-4 حاوی 4wt% نانوذرات Fe3O4 مغناطش اشباع 10/0emu/g نشان داده است. همچنین مغناطش اشباع برای نانوالیاف FCNF-1، FCNF-2 و FCNF-3 بترتیب برابر 3/5، 4/7 و 7/1emu/g است. با توجه به خواص مغناطیسی نانوالیاف میتوان بیان نمود
