بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ساخت و بررسی خواص حرارتی نانوکامپوزیت پلی متیل متاکریلات/نانو اکسید گرافن
خلاصه
پلی متیل متاکریلات (PMMA) یک ترموپلاستیک شفاف است که خواص نوری و سطح شفاف فوق العاده ای برخوردار است و در عین حال از نظر استحکام در برابر ضربه از شیشه مقاوم تر و درصد جذب رطوبت بسیار کم، مقاومت کششی و الکتریکی خوبی دارد. در این پژوهش نانو ذرات اکسید گرافن برای تهیه و بهبود خواص نانو کامپوزیت های پلی متیل متاکریلات (PMMA) استفاده شد.نانو کامپوزیت مورد نظر به روش محلولی تهیه شد. نتایج مربوط به تست های TGA,DSC و بررسی انرژی فعالسازی برای نانو کامپوزیت پلی متیل متاکریلات و نانو اکسید گرافن با درصدهای وزنی مختلف نانو در چند ریت دمایی مختلف مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات انجام شده در زمینه تخریب حرارتی پلی متیل متاکریلات و نانو اکسید گرافن نیز در یک مرحله کاهش وزن پیشرفت می کند بطوریکه تخریب هر دو به صورت گسست تصادفی زنجیر می باشد و در پایان تخریب مقدار بسیار کمی از وزن نانو کامپوزیت باقیمانده بر جای می ماندو حضور نانو اکسید گرافن، فرایند تخریب را با روش دیگر تخریب کاتالیز می کند و نیازمند انرژی فعالسازی بیشتری هستند.
کلمات کلیدی: : نانو کامپوزیت، پلی متیل متاکریلات، ذرات نانو اکسید گرافن،تخریب حرارتی
.1 مقدمه
یک ماده کامپوزیتی، را می توان مخلوط فیزیکی در مقیاس ماکروسکوپی از دو یا چند ماده در نظر گرفت. هرکدام از اجزاء خواص فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ می کنند اما برآیند خواص آنها باعث می شود که کل ساختار کامپوزیت دارای خواصی مطلوب باشد. نانو کامپوزیت ها به کامپوزیت هایی گفته می شود که دارای یک فاز با ابعاد نانو متری هستند.[1]
گرافن ورقهای دو بعدی از اتمهای کربن در یک پیکربندی شش ضلعی (لانهزنبوری) است که در آن اتمهای کربن با هیبرید SP2 به هم متصل شدهاند.اکسید گرافن ورقه ای از گرافن است که با گروه های هیدروکسیل و اپوکسید پوشیده شده است.[2] با افزودن مقدار کمی اکسید گرافن، خواص کامپوزیت به طور چشمگیری ارتقاء می یابد. به همین علت در مقایسه با دیگر کامپوزیت ها، می توان کامپوزیت های گرافن را به آسانی در مقیاس تجاری تولید نمود و در کاربرد های بسیاری از آن استفاده کرد.
کاربردهایی نظیر لوازم ورزشی، درون کاشت های (ایمپلنت) پزشکی و بخش هایی نظیر هوافضا و انرژی های تجدیدپذیر که در آنها از مواد مهندسی (فلزات، پلیمرها و سرامیک ها) استفاده می گردد، از این پتانسیل برخوردار هستند
تا از مزایای کامپوزیت های گرافن بهره مند گردند. کشف گرافن سبب گردید تا با استفاده از آن مواد کامپوزیتی سبک، ارزان قیمت و با عملکرد بالا تولید شوند و برای آنها کاربردهای متنوعی ایجاد گردد. هدف اصلی در این پروژه بررسی اثرات نانو اکسید گرافن بر روی خواص حرارتی نانو کامپوزیت پلی متیل متاکریلات/ نانو اکسید گرافن می باشد که با افزایش مقدار نانو اکسید گرافن چه تغییراتی در نانو کامپوزیت رخ می دهد.
پلی متیل متاکریلات دارای ساختار آتاکتیک و وزن مولکولی بالا، دمای شیشه ای شدن (Tg) معادل 120 – 105 درجه سانتی گراد و دمای ذوب 160 درجه سانتی گراد است. در دمای اتاق، این پلیمر خاصیت شکنندگی دارد. اما دردماهای بالاتر از دمای شیشه ای شده، ساختاری نرم داشته و خصوصیات ویسکوالاستیکی به خود می گیرد.[3]
.2 تجربی
گرافن اکساید مورد استفاده در این تحقیق از روش بهبود یافته هامر [4] تهیه شد. برای این منظور مخلوطی از 360 میلی لیتر H2SO4 و 40 میلی لیتر H3PO4 (به نسبت 9 به (1 به مخلوطی از 3 گرم گرافیت و 18 گرم KMNO4 (به نسبت 1 به (6 اظافه شد.یک مخلوط گرما زا با دمای 35 تا 40 درجه سانتیگراد تولید شد.سپس به مخلوط تا 50 درجه سانتیگراد حرارت داده شد و به مدت 12 ساعت به هم زده شد.بعد از آن واکنش با پاشیده شدن روی400 میلی لیتر یخ با 3 میلی لیتر H2O2 سرد شد . مخلوط از طریق یک فلز استاندارد الک شد وسپس با عبور از الیاف پلی استر تصفیه شد.مخلوط تصفیه شده به مدت 4 ساعت در 4000 دور در دقیقه سانتریفیوژ شد و مواد شناور دور ریخته شد. پلی متیل متاکریلات مورد استفاده در این پژوهش از گرید PLEXIGLAS Satinice df22 7H بود.
برای تهیه نانوکامپوزیت از روش محلولی[5] استفاده شد. به این صورت که ابتدا 180 گرم پلی متیل متاکریلات درون 420 سی سی تترا هیدرو فوران(%32,5 وزنی) ریخته شده و به کمک صفحه گرم کننده در آن حل شد. ذرات نانو اکسید گرافن با توجه به درصد های مورد نیاز(%1,6 و (% 3,2 در مقداری تترا هیدرو فوران مخلوط شد. در این مرحله محلول نانو، به مدت 20 دقیقه و توان 150 وات درون دستگاه سونیکاتور قرار گرفت تا توزیع مناسبی از ذرات نانو درون حلال به وجود آید. در مرحله ی بعد محلول نانو به محلول پلیمر افزوده شد. محلول حاصل مجددا درون سونیکاتور قرا داده شد و این بار با توان 400 وات به مدت 10 دقیقه این عمل ادامه یافت. و در نهایت محصول به دست آمده در آون در دمای به مدت هشت ساعت خشک شد.
در این پژوهش از دستگاهDSC/TGAمارک METTLER TOLEDOمدل Gas Controller GC10 ساخت کشور سوئیس موجود در آزمایشگاه دانشگاه آزاد اسلامی واحد شیراز استفاده شد. مقدار 30 میلی گرم از پلیمر پلی متیل متاکریلات با درصدهای وزنی مختلف نانو اکسید گرافن در دمای 25 -500 درجه سانتی گراد در چند ریت دمایی مختلف(2,5,10,20 درجه سانتیگراد بر دقیقه) مورد آزمایش قرار گرفت. لازم به ذکر است در اتمسفر نیتروژن (N2) آزمایش انجام گرفت. همچنین از دستگاهDSC مارک Netzsch ساخت کشور آلمان موجود در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران استفاده شد.
برای محاسبه انرژی فعالسازی از روش هم تبدیلی استارینک [6]استفاده شد. در این روش، دماهای متناسب با درصد تبدیل ثابت در نرخ های مختلف حرارت دهی β، سنجیده شده و در نهایت، نمودار β/T^1.92) ln) بر حسب (T/1) در روش استارینک رسم شد. از طریق محاسبه شیب این نمودار خطی، انرژی فعالسازی محاسبه شد.
که در آنEa انژری اکتیواسیون؛ β نرخ های مختلف حرارت دهی ؛ T دمای مورد آزمایش وR ثابت است.
در تخریب حرارتی پلی متیل متاکریلات [7]بطور کلی کاهش وزن در یک مرحله، دو مرحله، سه یا چهار مرحله رخ می دهد. مراحل تخریب حرارتی PMMA با توجه به ساختار مولکولی پلیمر و نحوه تولید پلیمر در آزمایشگاه متفاوت می باشد. پیوند های ضعیف در ساختار مولکولی پلیمر در ساختار پلیمر در دماهای پایین گسیخته می شوند، حال آنکه پیوند های قوی تر دارای پایداری حرارتی بیشتر می باشند. تخریب با گسست پیوند های ضعیف و گسست تصادفی زنجیر، آغاز می شود. پیوند های ضعیف در حین پلیمریزاسیون با پیوند سر به سر اضافی یا با واکنش تهسیم نامتتناسب در طی مرحله اختتام، که انتهای زنجیر وینیلیدنی تولید می کند، ایجاد می شوند.
.3 نتایج و بحث
نتایج بدست آمده از تست TGA برای پلی متیل متاکریلات و نانوکامپوزیت آن با درصدهای وزنی مختلف نانو اکسید گرافن در ریت دمایی 10 درجه سانتی گراد بر دقیقه در شکل 1 نشان داده شده است. با مقایسه گرافها مشاهده می گردد که در همه نمونه ها کاهش وزن یا افت دو مرحله ای رخ داده است که مرحله اول در محدوده دمایی 90 تا 100 مربوط به تبخیر حلال بوده و کاهش وزن مرحله دوم تقریبا بین دمای 350- 400 مربوط به تخریب پلیمر است . همچنین مشاهده می شود که تخریب حرارتی نانوکامپوزیتها در دمایی بالاتر از تخریب پلیمر خالص صورت می گیرد. هرچقدر میزان اکسید گرافن بیشتر افت در دمای بالاتری اتفاق می افتد، این افزایش دمای تخریب در حدود 15-10 درجه سانتی گراد برای دمای مربوط به حداکثر سرعت تخریب است.
شکل :1 نمودار TGA نمونه ها در ریت 10° C/ min
