بخشی از مقاله
چکیده
وبهای نانوالیاف کربن دارای هدایت الکتریکی و حرارتی، تخلخل و مساحت سطح بالا هستند که آنها را به گزینههایی مناسب برای به کارگیری در کاربردهای مختلف تبدیل میکند. در این پژوهش، وبهای نانوالیاف کربن - با قطر متوسط 300nm؛ - 110 با استفاده از الکتروریسی 3 نوع کوپلیمر پلی اکریلونیتریل - PAN - - قطر 530 nm؛ - 220 و انجام عملیات حرارتی پایدارسازی و کربنیزاسیون، تولید شده و اثر ترکیب شیمیایی کوپلیمرها بر میزان پیشرفت واکنشهای پایدارسازی و تغییر مورفولوژی نانوالیاف PAN در طی عملیات حرارتی بررسی شد. نتایج نشان دادند که پیشرفت بالای واکنشهای پایدارسازی در نانوالیاف PAN دارای کومونومرهای اسیدی - بیش از - %98 شرط کافی برای افزایش هدایت الکتریکی - کمتر از - 2/5 S/cm نانوالیاف کربن نهایی نیست، در حالی که نانوالیاف PAN فاقد کومونومر اسیدی با پیشرفت 87 درصدی واکنشهای پایدارسازی برای تشکیل ساختار مناسب در نانوالیاف کربن با هدایت الکتریکی بالا - حدود - 17 S/cm مناسب است. علاوه بر این با بررسی نتایج مشخص شد که تشکیل مورفولوژی اسفنجی شکل به هم تنیده در نانوالیاف کربن برای دستیابی به هدایت الکتریکی بالا ضروری است.
کلید واژه- نانوالیاف کربن، نانوالیاف PAN، پایدارسازی، مورفولوژی، هدایت الکتریکی.
-1 مقدمه
یکی از مهمترین اهداف در تکنولوژی تولید الیاف کربن، دستیابی به الیاف کربن با قطر کوچک است، زیرا کاهش قطر الیاف راه حلی موثر برای به حداقل رساندن نواقص ساختاری و در نتیجه بهبود خواص مکانیکی است همچنین کاهش قطر موجب افزایش مساحت سطح در واحد جرم شده، پایدارسازی الیاف پیش ماده را تسهیل کرده و در نتیجه مانع از تشکیل ساختارهای هسته- پوسته در الیاف میشود .[2 ,1]کوپلیمرهای پلی اکریلونیتریل - PAN - بهترین پیشماده برای تولید نانوالیاف کربن هستند.
افزودن کومونومر به هموپلیمر PAN علاوه بر کاهش فعل و انفعالهای نیتریل- نیتریل و افزایش قابلیت حلالیت کوپلیمر، موجب آرایش بهتر زنجیرهای پلیمر در بستر لیفی شده و با کاهش انرژی فعالسازی و دمای آغاز واکنشهای پایدارسازی و افزایش محدوده دمایی آزاد شدن حرارت ناشی از وقوع واکنشهای گرمازا میتوانند وقوع واکنشهای ترموشیمیایی در طی پایدارسازی اکسایشی را تسهیلکرده و همچنین موجب بهبود یکنواختی و خواص مکانیکی الیاف پیشماده و میکروالیاف کربن نهایی شوند 4]؛.[2 در مرحله پایدارسازی، که پیچیدهترین و طولانیترین فرآیند در تولید الیاف کربن است و در اتمسفر هوا انجام میشود، تغییرات شیمیایی و فیزیکی از قبیل واکنشهای حلقوی شدن، هیدروژنزدایی، اکسیداسیون، ایجاد اتصالات عرضی و قطعه قطعه شدن زنجیر، به وقوع پیوسته و نانوالیاف PAN با ساختار خطی به پلیمری پایدار و غیر قابل ذوب با ساختار نردبانی تبدیل میشود و در نتیجه الیاف PAN ابعاد خود را طی فرآیند کربنیزاسیون که در دمای بالاتری انجام میشود، حفظ میکنند 7]؛.[5
عملیات حرارتی کربنیزاسیون پس از پایدارسازی بر روی الیاف انجام می شود که شامل اتصال عرضی، نوآرایی و به هم پیوستن بخشهای حلقوی، همراه با تبدیل ساختار از حالت نردبانی در لیف پایدار به ساختار شبه گرافیتی در لیف کربن است که در دمای بالا - 800 -3000œC - و در محیط گاز خنثی انجام میشود .[8] برخی از محققان نشان دادند که با افزایش دما و زمان عملیات کربنیزاسیون، ریزساختار نانوالیاف کربن گرافیتیتر و منظمتر شده، اتصالات بین نانوالیاف کربن در وب افزایش یافته و در نتیجه هدایت الکتریکی نانوالیاف کربن افزایش مییابد. افزایش دمای کربنیزاسیون منجر به کاهش حفرات در بین واحدهای ساختاری نانوالیاف کربن شده و صفحات گرافیتی شکل را که در مجاورت هم قرار دارند به یکدیگر متصل میکند 11]؛.[9
ظاهرا افزایش اتصالات بین نانوالیاف، هدایت الکتریکی نانوالیاف کربن حاصل را افزایش می دهد .[13 ,12]تاکنون تحقیقات کمی در مورد تولید نانوالیاف کربن از پیشمادههای PAN با ترکیبات شیمیایی مختلف و مقایسه خواص آنها با یکدیگر انجام شده است. بنابراین در این پژوهش، از سه نوع کوپلیمر PAN برای تهیه نانوالیاف PAN و انجام عملیات حرارتی پایدارسازی و کربنیزاسیون و تولید نانوالیاف کربن استفاده شد. به منظور بررسی خواص نانوالیاف کربن و همچنین تأثیر عوامل فرآیندی در طی عملیات حرارتی بر روی نانوالیاف PAN از تکنیکهای آنالیز مختلفی شامل گرماسنجی پویشی تفاضلی - DSC - ، میکروسکوپ الکترونی پویشی گسیل میدانی - FE-SEM - هدایت الکتریکی استفاده شد.
-2 تجربیات
-1-2 مواد
از سه نوع کوپلیمر PAN - جدول - 1 و حلال N,N دی متیل فرمامید - DMF - - خلوص %99/5، شرکت مرک - برای تهیه محلولهای الکتروریسی استفاده شد.
-2-2 تولید نانوالیاف
پس از تهیه محلولهای الکتروریسی - غلظت %10 وزنی - ، فرآیند الکتروریسی در دمای محیط، با ولتاژ 11kV، نرخ جریان 0/25ml/h، فاصله ریسندگی 15cm انجام شد. نانوالیاف PAN تهیه شده در اتمسفر هوا، با نرخ حرارتدهی 5œC/min تا 300œC تحت عملیات پایدارسازی و سپس نانوالیاف پایدار در اتمسفر N2 با نرخ 40œC/min تا دمای 1250œC تحت عملیات کربنیزاسیون قرار گرفت. نحوه نامگذاری نانوالیاف تولید شده در مراحل مختلف و همچنین شرایط عملیات پایدارسازی و کربنیزاسیون در جدول 2 نشان داده شده است.
-2-3 مشخصه سازی
مطالعه رفتار حرارتی نانوالیاف PAN - در محدوده 50 تا - 450œC و نانوالیاف PAN پایدار - در محدوده 50 تا - 600œC با استفاده از دستگاه DSC مدل Mettler Toledo DSC 802، در اتمسفر هوا و با نرخ حرارتدهی 5œC/min انجام شد. اندیس پایدارسازی - CI - جهت تعیین پیشرفت واکنشهای پایدارسازی با استفاده از مقادیر آنتالپی واکنشهای پایدارسازی نانوالیاف PAN خام و نانوالیاف PAN پایدار و از طریق رابطه - 1 - محاسبه شد :[6]که در آن ∆HPF و ∆HSF به ترتیب آنتالپی واکنش نانوالیاف PAN و نانوالیاف PAN پایدار هستند که با استفاده از مساحت زیر پیک گرمازا در منحنی DSC محاسبه شد.از میکروسکوپ الکترونی پویشی گسیل میدانی - FE-SEM, Hitachi U-4080 - برای بررسی مورفولوژی سطحی نانوالیاف PAN و نانوالیاف کربن استفاده شد و قطر متوسط نانوالیاف با استفاده از نرم افزار Image J اندازهگیری شد.هدایت الکتریکی وبهای نانوالیاف کربن با استفاده از روش Four-point probe و به کمک رابطه - 2 - اندازهگیری شد :[9]که در آن L فاصله بین دو الکترود برحسب cm، R مقاومت الکتریکی برحسب اهم و A مساحت صفحه نانوالیاف کربن برحسب cm2 است.
-3 نتایج و بحث
-1-3 رفتار حرارتی نانوالیاف PAN خام و پایدار
منحنی DSC نانوالیاف PAN نانوالیاف پایدار، مقادیر آنتالپی واکنشهای پایدارسازی نانوالیاف PAN خام و پایدار و اندیسهای پایدارسازی نانوالیاف PAN پایدار در شکل 1 نشان داده شده است. وجود کومونومر اسیدی در نانوالیاف PF2 و PF3 موجب آغاز واکنشهای حلقوی شدن توسط مکانیزم یونی شده [15 ,14 ,4] به این ترتیب پیک گرمازا پهنتر شده و دمای آغاز پیک نسبت به نانوالیاف PF1 کاهش یافته است. در اثر انجام عملیات پایدارسازی، آنتالپی واکنش گرمازا علی الخصوص در نمونه های حاوی کومونومر اسیدی PF2 - و - PF3 به طور قابل توجهی کاهش یافته است که نشاندهنده پیشرفت قابل توجه واکنش-های پایدارسازی بوده و تنها حجم اندکی از واکنشها در اثر حرارتدهی به نانوالیاف PAN پایدار در طول آزمایش DSC به وقوع پیوسته است. نانوالیاف PF1 برخلاف نانوالیاف PF2 و PF3 فاقد کومونومر اسیدی است و علی رغم شرایط پایدارسازی مشابه با سایر الیاف، مقدار پیشرفت واکنشهای پایدارسازی در حدود %87 است در حالی که در نانوالیاف PF2 و PF3 به واسطه حضور کومونومرهای اسیدی پیشرفت واکنشهای پایدارسازی، بیش از %98 بوده که نشانگر وقوع حداکثری پیشرفت واکنشهای پایدارسازی می باشد.
-2-3 مورفولوژی نانوالیاف PAN و نانوالیاف کربن
تصاویر FE-SEM نانوالیاف PAN و نانوالیاف کربن در شکل 2 و نتایج کمیسازی آماری آنها در جدول 3 نشان داده شده است. قطر متوسط نانوالیاف PF1 در مقایسه با قطر نانوالیاف PF2 و PF3 کمتر است که علت آن را میتوان به وزن مولکولی کمتر
