بخشی از مقاله
چکیده
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، مق اومت 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 XRD و رئومتری برای نانو کامپوزیت پلی متیل متاکریلات و نانو اکسید گرافن با درصدهای وزنی مختلف نانو مورد بررسی قرار گرفت. در حضور نانوذرات، وابستگی مدول ذخیره و مدول اتلاف به قانون توانی در فرکانس پایین کاهش می یابد که نشان دهنده تمایل به رفتار ویسکوالاستیک شبه جامد است. نانوکامپوزیت ها بخصوص در فرکانس های پایین مقاومت بیشتری در برابر جریان دارند. این تغییر در رفتار رئولوژیکی می تواند به برهم کنش های بین نانوذرات و زنجیرهای پلیمری که حرکت دوربرد زنجیرهای پلیمری را محدود می کنند نسبت داده شود.
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. - Liew et al,2015 - 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. - Hu et al,2004 - 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 در دما های بالاتر از دمای شیشه ای شده، ساختاری نرم داشته و خصوصیات ویسکوالاستیکی به خود می گیرد.
تجربی
گرافن اکساید مورد استفاده در این تحقیق از روش بهبود یافته هامر - Marcano et al,2010 - 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 - - Kumar and Weller,1994 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 کلیه آزمونهای رئومتری با استفاده از دستگاه رئومتر - MCR 501ساخت شرکت - Anton Paar موجود در پژوهشگاه پلیمر تهران انجام شد. برای انجام این آزمایش نمونه ی پلیمر با دو درصد وزنی 1 ,6 و 3,2 نانو مورد آزمایش قرار گرفت. انتخاب این نمونه به این دلیل بود که هم تاثیر میزان نانو در پلیمر بر خواص رئولوژیکی بررسی گردد و هم اینکه میزان تاثیر نانو ذرات بر خواص رئولوژیکی مورد مطالعه قرار گیرد. این آزمون در دمای 220 درجه سانتیگراد و با میزان کرنش - 1% - 0,01 و از فرکانس 0,01 تا 652 صورت گرفت. - - Du et al,2004
برای مشخص کردن قرار گیری نانو ذرات در زمینه پلیمر و به منظور ارزیابی میزان بین لایه ای شدن یا ورقه ای شدن لایه های نانو در نانوکامپوزیتهای تهیه شده از دستگاه طیف سنجی پراش پرتو ایکس - XRD - استفاده شد. از نمونه نانو کامپوزیت با درصدهای وزنی مختلف نانو اکسید گرافن این پژوهش در دانشگاه شیراز این تست صورت گرفت. مدل دستگاه مورد نظر عبارت بود از D8ADVANCED ساخت شرکت Brucker axs آلمان. از نمونه ها در زاویه 5 تا 85 واندازه گام 0,05 آزمون XRD به عمل آمد.
نتایج و بحث
نتایج بدست آمده از تست XRD برای پلی متیل متاکریلات و نانوکامپوزیت آن با درصدهای وزنی مختلف نانو اکسید گرافن نتایج نشان داد که PMMA خالص دارای یک قله گسترده در 2theta=20 می باشد همچنان که اختلاط اکسید گرافن - به عنوان کامپوزیت با درصدهای وزنی 1,6 و 3,2 از نانو اکسید گرافن - منجر به ظهور همان پیک در زاویه های اولیه شد.گرافیت یک پیک در 2theta=26 واکسید گرافن در حدود 2theta=9,5 یک پیک می دهد. اگر نانو ذرات در ماتریس پلیمر پخش نشده بودند انتطار این بود که یک پیک در این ناحیه مشاهده شود که مربوط به اکسید گرافن باشد ولی این پیک دیده نشد پس می توان گفت که پراکنش ذرات خوب بوده است.نتایج فوق نشان داد که نانو ذرات اکسید گرافن به خوبی در ماتریس پلیمر پراکنده شد.شکل 1 این نتایج را نشان می دهد.
