بخشی از مقاله
چکیده
سوسپانسیون نانورنگدانههای سرامیکی بر پایه کبالت شامل CoCr2O4 و CoAl2O4 در حلال آلی با روش پلیاول ساخته شد. سوسپانسیونهای حاصل برای چند هفته پایدار است. مزیت این روش از بین روشهای متعدد، سنتز در دمای پایین و جلوگیری از تجمع و به هم چسبیدن ذرات در حین حرارتدهی است. برای تهیه این نانورنگدانهها، ابتدا مقادیر مناسبی از پیشمادهها در دیاتیلنگلیکول حل شد و سپس در دمای 180 œC در سیستم رفلاکس قرارگرفتند.
نمونههای آماده شده توسط آزمونهای پراش اشعه - XRD - X، میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و عبور اپتیکی UV-Vis، توزیع ذرات و پتانسیل زتا مورد ارزیابی و بررسی قرار گرفتهاند. آنالیز XRD نشان داد که نمونهها تک فازی بوده است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز نشان داد که هر دو ترکیب نانورنگدانه حرارت داده شده در دمای بالادارای ریزساختار نانومتری است. طیف عبور اپتیکی UV-Vis و آزمون رنگ سنجی از محلول حاوی نانوذرات سبز بودن نمونهها را نشان میدهد.
مقدمه
نانورنگدانههای سرامیکی، نانوذرات جامد پخش شده در حلالهای آبی یا آلی با اندازه کمتر از 100نانومتر هستند که اخیرا برای دکوراسیون، چاپ کاشیهای سرامیکی با استفاده از سیستم چند رنگی توسعه یافتهاند.[1-2] از کاربرد این نانورنگدانهها تزیین سرامیکها با استفاده از چاپ دیجیتال است، چرا که رنگدانههای میکرونی مشکلاتی مانند مسدود شدن نازلها و پایین بودن کیفیت تصویر را ایجاد میکنند. این مشکلات را میتوان با استفاده از جوهرهای نانویی سرامیکی رفع کرد.
استفاده از نانوذرات میتواند عملکرد رنگدانهها را بهبود ببخشد. رنگدانههای سبز بر پایه کبالت همچون کبالت کرومات به علت عملکرد عالی در خورندگی و مقاومت شیمیایی اغلب در سرامیکها و پوششها و چاپ استفاده میشود.[5-6] برخی رنگدانههای آبی بر پایه کبالت مانند کبالت آلومینات نیز در صنعت مورد استفاده است. کبالت کرومات CoCr2O4 و کبالت آلومینات CoAl2O4 دارای ساختار اسپینل با ترکیب AB2O4 هستند. A یون دو ظرفیتی کبالت و B یون سه ظرفیتی است که به ترتیب در جایگاههای چهاروجهی و هشتوجهی قرار میگیرند.[8] از جمله روشهای تولید نانورنگدانههای نامبرده میتوان به روش سل-ژل، هیدروترمال، پلیاول، تجزیه حرارتی، همرسوبی، ماکروویو، ترسیب شیمیایی اشاره کرد.[1-7] در این مقاله نانورنگدانههای سرامیکی یاد شده به روش پلیاول تهیه و آمادهسازی شده است.
بخش تجربی
در این پژوهش از نیترات کروم - Cr - NO3 - 3.9H2O - ، استات کبالت - Co - CH3COO - 2.4H2O - ، استات آلومینیوم - AlOH - CH3COO - 2 - و دیاتیلنگلیکول - C2H4 - OH - 2 - برای ساخت نانورنگدانههای سبز استفاده شد. در این بخش مراحل ساخت و آمادهسازی نانورنگدانههای کبالت کرومات و کبالت آلومینات به روش پلیاول گزارش شده است. برای ساخت نمونه کبالت کرومات - 0/806 - S1 گرم پیشمادهی نیترات کروم و 0/248گرم استات کبالت را در 30mL دیاتیلنگلیکول حل کرده و به مدت 10 دقیقه تحت همزدن قرار داده میشود. محلول حاصل در دمای 180œC به مدت 13 ساعت تحت رفلاکس قرار داده میشود. سوسپانسیون حاصل در دمای اتاق سرد میشود.
برای بدست آوردن نمونه پودری، نمونه را با 30 mL اتانول شستشو داده و با سرعت 3800 rpm سانتریفیوژ شد. رسوب بدست آمده را در دمای 100œC خشک کرده و پودر حاصل به مدت 4 ساعت در دمای 770œC بازپخت شد. برای ساخت نمونه کبالت آلومینات - 0/299 - S2 و 0/388 گرم به ترتیب از پیش مادههای استات کبالت و آلومینیوم استفاده شد. پس از حل شدن در 30 mL دیاتیلنگلیکول، مخلوط حاصل به مدت 12 ساعت و دمای 180œC در سیستم رفلاکس قرار گرفت.
پس از شستشو، سانتریفیوژ و خشک شدن در دمای 100œC، پودر در دمای 1100œC بازپخت شد. سوسپانسیون و پودر حاصل مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. به منظور شناسایی و ارزیابی نمونههای سنتز شده، آنالیزهای زیر به کار گرفته شده است. آنالیز پراش اشعه X برای بررسی ساختار کریستالی نمونهها، با دستگاه X'PertPro - 40 kV,30 mA - با تابش &X. - 1.5406 Å - انجام شد. میکرو گراف SEM برای بررسی ریزساختارها با استفاده از دستگاه با مدل VEGA3 TESCAN تهیه شد. طیف جذب اپتیکی نمونهها نیز با آنالیز UV-Vis در محدوده طول موج 350-700 نانومتر مورد ارزیابی قرار گرفت.
نتایج و بحث
میکروسکوپ الکترونی، ابزاری قدرتمند برای مشخصهیابی اندازه، شکل و توزیع نانورنگدانهها است. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی میتوان اطلاعاتی از توپوگرافی و ترکیب شیمیایی سطح بدست آورد. تصاویر SEM نمونههای ساخته شده و بازپخت شده در شکل1 نشان داده شده است. تصویر - الف - تصویر SEM نمونه کبالت کرومات بازپخت شده در دمای 770 œC است. مطابق این تصویر نمونه دارای نانوذرات کروی است و اندازه ذرات از 100-20 نانومتر متغیر است.
به نظر میرسد میانگین اندازه ذرات آن 75 نانومتر است و کلوخگی ذرات آن را میتوان ناشی از حرارتدهی در دمای 770œC دانست. تصویر - ب - شکل1 تصویر SEM مربوط به ترکیب کبالت آلومینات بوده که نانوذرات ریز آن به صورت کروی بوده و محدودهی اندازه ذرات آن 120-20 نانومتر است و میانگین اندازه ذرات آن 80 نانومتر تخمین زده شد. شکل 2 طیفهای XRD نمونههای ساخته شده و حرارت داده شده را نمایش میدهد.
همانطور که از طیفهای XRD مشاهده میشود، نمونه کبالت کرومات تصویر - الف - شکل2 دارای فاز بلوری Cubic با ساختار اسپینل و گروه فضایی Fd-3m و پارامترهای شبکه D E F 8.334 Å است. نمونه کبالت آلومینات در تصویر - ب - نیز دارای فاز بلوری Cubic با ساختار اسپینل و گروه فضایی Fd-3m و پارامترهای شبکه a=b=c= 8.08 Å است. در مواد بلوری، پهنای قله پراش اشعه X با کاهش ضخامت بلورکها افزایش مییابد. برای محاسبه اندازه بلورکها، از عرض قله در نصف ارتفاع بیشینه و رابطه شرر استفاده شد.
در رابطه - 1 - ؛ t اندازه بلورک، طول موج تابش اشعهX، زاویه براگ و پهنای بلندترین قله در نصف ارتفاع بیشینه است. اندازه بلورکهای نانوذرات کبالت کرومات 54 نانومتر و کبالت آلومینات 45 نانومتر تخمین زده شد. طیف بازتاب نمونههای پودری بازپخت شده در شکل3 نشان داده شده است. قله قابل مشاهده در محدوده 600-500 نانومتر در تصویر - الف - شکل3 نشاندهنده رنگ سبز نمونه کبالت کرومات است. تصویر - ب - نشان میدهد که وجود قله در ناحیه 500-450 نانومتر تاییدکننده رنگ آبی نمونه کبالت آلومینات است. شکل4 نمودار توزیع اندازه ذرات نانورنگدانهها در سوسپانسیون پس از رفلاکس را نشان میدهد.
متوسط اندازه ذرات سوسپانسیون کبالت کرومات در تصویر - الف - 16 nm است و بیشتر ذرات دارای اندازههای بین 11- 4 nm هستند. همانطور که مشاهده میشود دو دسته از ذرات وجود دارند که احتمالا دسته دوم از به هم چسبیدن دسته اول بدست آمده است و نیز در میان آنها، ذرات بزرگتر تا 32 nm نیز مشاهده میشوند که البته تعداد آنها کم است. تصویر - ب - اندازه متوسط ذرات کبالت آلومینات را 23 nm عنوان میکند در حالی که ذرات در محدودهی40- 11 nm است. پتانسیل زتای اندازهگیری شده برای سوسپانسیون کبالت کرومات -23/6mV است.
بنابراین نانوذرات دارای بار منفی هستند. پتانسیل زتای نمونه کبالت آلومینات -33mV اندازهگیری شد. این مقادیر پتانسیل نیز در مقایسه با حداقل انرژی گرمایی لازم - 25 meV - برای چسبیدن ذرات به یکدیگر، مقادیر مناسبی است که خود گویای پایداری نسبتا خوب برای این نمونهها است. در شکل 5 طیف عبور اپتیکی سوسپانسیون نمونههای ساخته شده آورده شده است. همانطور که در شکل5 مشاهده میشود طیف عبور اپتیکی سوسپانسیون - - S1 در ناحیه 600- 500nm دارای قلهی ضعیفی است.
ضعیف بودن قله، نشاندهنده رنگ سبز تیره نمونه است، در واقع نمونه این طول موجها را بازتاب کرده است. نمودار S2 نیز تاییدکننده رنگ آبی نمونه در محدودهی 600-500nm است که بیانگر آن است که طول موج آبی بازتاب و غیر آبی عبور کرده است. پارامترهای رنگ نمونههای پودری بازپخت شده با استفاده از آزمون رنگ سنجی، در جدول 1 آمده است. این جدول برای نمونه S1 جزء سبز رنگ را با مقدار a*~ -8/17 و برای نمونه S2 جزء آبی رنگ را با مقدار b* ~ - 18/96 نشان میدهد که با مشاهدات ما هم راستا است. پارامتر L* که در محدوده 100-0 متغییر است، میزان روشنایی نمونه را مشخص میکند. با توجه به جدول مشاهده میشود که روشنایی نمونه S1 بالاتر از نمونه S2 است.
