بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش تلاش شد تا شرایط پایدارسازي دوغاب آبی گرافیت بررسی شود. دوغاب گرافیت با استفاده از افزودنی-هاي مختلف تهیه و پارامترهاي پایداري آن مانند رفتار جریانیابی - منحنی گرانروي و تنش برشی بر حسب سرعت برشی - ،پتانسیل زتا و آزمون رسوب ارزیابی شد. همچنین تا حد امکان درصد حجمی ماده جامد افزایش داده شد. در نهایت بهترین شرایط پایداري دوغاب گرافیت در محیط آب بر حسب عوامل بررسی شده بیان شد. نتایج نشان داد با استفاده از %4 وزنی افزودنی گلایدل - Glydol N1055 - و %0/3 وزنی افزودنی kx9009، بهترین شرایط پایداري به دست میآید. دوغاب آبی گرافیت تهیه شده با این درصد افزودنی کمترین گرانروي و بیشترین مقدار پتانسیل زتا را دارد.
واژگان کلیدي: گرافیت، دوغاب، افزودنی، رئولوژي، پتانسیل زتا
-1 مقدمه
-1-1 گرافیت
مصرف انواع گرافیت در فنآوريهاي جدید با توجه به تنوع کاربردهاي آن رو به افزایش است. کاربرد عمده گرافیت در برخی راکتورهاي هستهاي، باطريهاي معمولی، مغز مداد و برخی کارهاي صنعتی دیگر است. از کاربردهاي مهم گرافیت میتوان به استفاده از آن در صنایع هستهاي، تهیه آلومینیوم، خودروسازي، صنایع فضایی نظیر افشانه موشک و پرههاي هدایت، تهیه مدلهاي حرارتی دما بالا، صنایع مخابرات و پزشکی اشاره کرد .[1] همچنین از گرافیت به عنوان کنترل-کننده در راکتورهاي هستهاي استفاده میشود.گرافیت در راکتورهاي هستهاي سرعت نوترونهاي حاصل از متلاشی شدن هسته اتمهاي سنگین را کم کرده و آنها را براي ایجاد شکافت در سایر اتمها آماده میکند .[2]
در خصوص کشورهاي تولید و عرضه کننده این محصول میتوان کشور چین را نام برد که 80 درصد تولید کل گرافیت جهان را به خود اختصاص داده است. همچنین کشورهاي آمریکا، ژاپن، آلمان، روسیه، ایتالیا و فرانسه نیز از جمله کشورهاي بزرگ و صنعتی هستند که نقشی در بازار گرافیت در جهان دارند. در عمل، گرافیت به دو صورت طبیعی و مصنوعی یافت میشود که گرافیت طبیعی از معادن استخراج میشود و معمولا همراه با مواد معدنی دیگر است. گرافیت مصنوعی نیز از کک نفتی و قیر قطران بهدست میآید.
-2-1 دوغاب گرافیت
کاربرد دوغابهاي گرافیتی در صنایع مختلفی گسترده شده است که از آن جمله میتوان به کامپوزیتها، صنایع دیرگداز - تهیه جرمهاي ریختنی حاوي کربن - ، صنایع رنگ، جوهر - تونرهاي مایع - ، فیلرها، الکترودها، فیلمهاي هادي و غیره اشاره کرد .[3] به منظور تهیه دوغاب مناسب و پایدار گرافیتی باید شرایطی را فراهم کرد تا ذرات گرافیت به صورت کاملاًهموژن و یکنواخت در سراسر فاز مایع پراکنده و معلق بمانند و رسوب نکنند. رسیدن به شرایط دیسپرژن کامل بدون استفاده از بایندر یا سرفکتانت مناسب امکانپذیر نیست، زیرا گرافیت مادهاي آبگریز بوده و قابلیت تر شوندگی آن با آب ضعیف است .[4] بنابراین باید عاملهاي فعال سطحی گرافیت را افزایش داد.
این کار با افزودن بایندرها و سرفکتانتها به منظور پوششدهی سطح گرافیت و ایجاد پلهاي میان آنها انجام میشود تا دوغابی پایدار تهیه شود.دوغاب گرافیت، پودر گرافیت بسیار ریزي است که در حلال یا مایعی معلق شده باشد .[5] حلال یا مایع میتواند آب یا الکل باشد که به مقدار کمی بایندر یا سرفکتانت نیاز دارد. این ذرات فقط با همزدن هاي قوي میتوانند معلق بمانند. براي غلبه به این معضل، از بایندر آنیونی پلیمري براي پوششدهی روي سطح ذرات گرافیت استفاده میکنند تا ذرات همدیگر را برانند و به هم نچسبند. علت چسبیدن ذرات، نیروي جاذبه واندروالس میباشد. هنگامی که گرافیت با پلیمر آنیونی پوشش داده شود، ذرات کلوییدي آن بهراحتی در آب پراکنده میشوند و به خاطر حضور نیروي دافعه استریک پایدار میمانند.
نیروي دافعه استریک از دافعه میان زنجیرهاي پلیمري جذب شده روي سطح ذرات ناشی میشود .[6]عملکرد افزودنیها به میزان جذب آنها روي سطح بستگی دارد که با تشکیل لایهاي پوششی و محافظ به دور ذرات معلق همراه میباشد. علاوه بر میزان جذب، نوع و درصد خلوص افزودنیها، اندازة ذرات و چگالی مواد معلق نیز تأثیر به سزایی در پایداري دوغاب دارد. توانایی یک افزودنی در میزان کاهش کشش سطحی آب، یک مشخصه اصلی سرفکتانت میباشد که میزان بازدهی و تأثیر آن را بیان میکند. با تغییر کشش سطحی محلول، ترشدن ذرات بهتر میشود. سرفکتانتها با شکستن نیروهاي نگهدارنده مولکولهاي آب به یکدیگر در سطح مشترك، کشش سطحی را میکاهند .[7]
-3-1 مروري بر فعالیتهاي پژوهشگران
پژوهشگران بسیاري تهیه دوغابهاي گرافیتی را بررسی کردهاند. مشکل اصلی تهیه دوغابهاي گرافیتی، قابلیت ترشوندگی پایین پودر گرافیت است که براي رفع آن از پراکنده سازها و یا عملیات ویژة پوششدهی استفاده میشود.روشهایی از قبیل جذب سرفکتانتها در سطح و یا پوششدهی سطح با ذرات هیدروفیل نیز مورد بررسی قرار گرفته است .[12-8]Nonomura و همکارانش [13] دیسپرس کردن ذرات گرافیت را در آب با مشکلات زیادي همراه دانستهاند. در پژوهش وي از مخلوط آب و استون براي دیسپرس کردن گرافیت به همراه 120 دقیقه اولتراسونیک استفاده شد. نتایج آزمون کدري سنجی نشان داد که اگر نسبت استون به آب در محدوده 30 تا 80 درصد وزنی - به جز %60 وزنی - باشد، دوغاب بسیار پایداري از گرافیت تهیه میشود که حتی پس از 14 روز نیز پایداري خود را حفظ میکند. استفاده از بایندر CMCنیز در تهیه دوغابهاي گرافیتی گزارش شده است.
گروههاي فعال آنیونی کربوکسیل مسئول پایداري ذرات هستند و تمایل جذب خوبی با سطح گرافیت دارند که موجب کاهش سرعت رسوب دوغابها میشود .[14] سدیم دودسیل سولفات - SDS - یک سرفکتانت یونی است که براي دیسپرس کردن گرافیت استفاده میشود. حضور و جذب افزودنیSDS به مقدار 0/8 میلی مولار بر سطح گرافیت موجب کاهش زاویه تماس، افزایش تر شوندگی و پایداري دوغاب شد؛ زیرا SDS با برقراري پیوندهاي واندروالس بر سطح گرافیت جذب شد و کشش سطحی آب را کاهش داد. همچنین زاویه تماس گرافیت و آب با حضور SDS کاهش یافت 15]و[17] Moraru .[16
نیز از تایرون به عنوان یک سرفکتانت غیریونی براي دیسپرس کردن گرافیت استفاده کرد و نشان داد که حضور آن موجب کاهش گرانروي دوغاب گرافیت می-شود. در مورد دیسپرس کردن گرافیت در محیط آب و گلیسرول نیز پژوهشی انجام شد .[18]هدف از انجام این پژوهش تهیه دوغابی پایدار از گرافیت در محیط آبی است که یکی از موارد استفاده آن در تهیه کامپوزیتها و نانوکامپوزیتها است. همچنین این دوغابها در تهیه رنگ، جوهر چاپگر و جرمهاي ریختنی داراي کربن کاربرد زیادي دارد. پایداري دوغاب گرافیت و ماندگاري آن به عنوان یکی از عوامل مهم در این کاربردها مطرح است. در این پژوهش تلاش شد تا با استفاده از افزودنی هاي در دسترس و تجاري شرایط پایداري دوغاب آبی گرافیت بررسی شود.
-2 فعالیتهاي تجربی
-1-2 مواد اولیه
گرافیت از شرکت GMP چین با خلوص %98 و متوسط اندازه ذرات 23 میکرون تهیه شد. آنالیز پراش پرتو ایکس گرافیت در شکل 1 آورده شده است که حضور مقداري ناخالصی سولفور در پودر گرافیت دیده شد. افزودنیهاي مورد استفاده از شرکت چیمر اند شوارتز - Zschimmer&Schwarz - آلمان با شناسههاي طبق جدول 1 تهیه شد. در پژوهش حاضر، توزیع اندازه ذرات و الگوي پراش پرتو ایکس پودر اولیه گرافیت با دستگاههاي Fritsch analysette وزیمنس D500 ساخت آلمان اندازهگیري شد.
