بخشی از مقاله
خلاصه
میکروکامپوزیتها، مواد پلیمری با افزونه های خارجی جهت افزایش استقامت یا رسانایی میباشند. میکرو کامپوزیتهای رسانا در صنایع مختلف از جمله پزشکی، مهندسی پزشکی، شیلیدینگ و... به صورت فراگیر مورد استفاده قرار میگیرند. مشکلاتی همچون رسانایی کمتر نسبت به فلزات - مثل مس - ، خواص مکانیکی نه چندان بالا، محلول نبودن در حلالهای متداول آلی و ... استفاده ی عملی از پلیمرهای رسانای ذاتی - ICP - را تا حد زیادی محدودکرده است.
علاوه بر این بهره گیری از نانو کامپوزیت ها با وجود بهبود خواص مکانیکی، موجب کاهش خواص رسانایی پلیمرها میشود. بنابراین در این تحقیق روشهای مختلف جهت دستیابی به میکروکامپوزیت با رسانایی موثر جهت مصارف مختلف بخصوص مهندسی پزشکی مورد ارزیابی قرار گرفته است. جهت ساخت میکروکامپوزیت مورد نظر از پلیمر پلی استر و افزونه ی نقره در ابعاد میکرو استفاده شده است.
جهت ارزیابی، مقایسه و دستیابی به حالت مطلوب برخی پلیمرهای دردسترس مانند پلی اورتان، اپوکسی، سیلیکون و پلی استر جهت ماده ی زمینه و برخی افزونه های رسانا همچون مس، آلومینیم، نقره و طلا مورد استفاده قرار گرفته است. ترکیبات ساخته شده با مقادیر مختلف اختلاط پلیمر و ماده ی افزونه در آزمایشگاه متالوگرافی مورد ارزیابی میکروسکوپی قرار گرفته است.
همچنین مقادیر مقاومت الکتریکی هر یک از این ترکیبات بر حسب اهم اندازه گیری شده است. سپس از بهترین ترکیب برای ساخت الکترودهای پزشکی جهت ارزیابی این میکرو کامپوزیت در کاربردهای پزشکی و مهندسی پزشکی بهره گرفته شده است.
با توجه به نتیجه آزمایشات امپدانس سنجی الکترود-پوست ترکیبات مختلف، ترکیب 35 درصد ماده ی زمینه پلی استر و 65 درصد ماده ی افزونه ی نقره در ابعاد میکرو کمترین مقاومت را از خود نشان میدهد. نتایج بدست آمده حاکی از رسانایی برابر این میکروکامپوزیت با فلزاتی چون مس و نقره میباشد که قابلیت استفاده در صنعت مهندسی پزشکی و ساخت الکترودهای ثبت پتانسیل حیاتی را فراهم می کند.
.1 مقدمه
تلاش برای دستیابی به پلیمرهای رسانای قابل رقابت با فلزاتی همچون مس و نقره مورد توجه محققین و اندیشمندان سراسر جهان میباشد. در چند سال اخیر نانو کامپوزیتهای پلیمری درزمینه های مختلف توجه زیادی به خود جلب کرده اند. دلیل این امر خواص مکانیکی شامل مدول الاستیک مناسب و استحکام بالا با افزودن مقدار کمی از نانو مواد میباشد که ناشی از نسب سطح به حجم بالا در مواد نانو میباشد.
پلیمرهای رسانای ذاتی - - ICP به عنوان دسته بسیار مهمی از مواد آلی شناخته میشوند که با توجه به دارا بودن قابلیت رسانایی الکتریکی و خواص منحصر به فرد الکتریکی و نوری [5] بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. تحول درزمینه پلیمرهای رسانا با کشف پلی سولفور نیترید - SN - x که در دماهای پایین تبدیل به ابررسانا میشد آغاز شد .
تحول دیگر با کشف پلی استیلن دوپه شده به عنوان اولین پلیمر رسانای ذاتی در سال 1977 به وقوع پیوست.[5] به دنبال کشف رسانایی در پلی استیلن تلاشهای فراوانی برای کشف و یا سنتز دیگر پلیمرها رسانا صورت گرفت و منجر به کشف رسانایی در پلیمرهایی مزدوجی مثل پلی تیوفن، پلی پیرول، پلی پارافنیلن، پلی آنیلین و مشتقات آنها گردید که امروزه به عنوان مهمترین پلیمرهای رسانای ذاتی شناخته میشوند
دراین بین پلی آنیلین به خاطر سنتز آسان،پایداری محیطی و حرارتی نسبتاً مناسب[1] رسانایی الکتریکی بالا [3,8] ارزانی مونومر [11] و کاربردهای فراوانی ازجمله باتریهای قابل شارژ[11,12] ، سلهای خورشیدی[13,15] محافظت از خوردگی فلزات [16] و سنسورهای شیمیایی- بیوشیمیایی [15] توجه بیشتری به خود جلب کرده است و حجم بیشتری از مطالعات آکادمی را به خود اختصاص داده است.
مهمترین مانع برای استفاده های عملی از پلیمرهای رسانا شامل رسانایی کمتر نسبت به فلزات - مثل مس - ، خواص مکانیکی نه چندان بالا، محلول نبودن در حلالهای متداول آلی و عدم قابلیت ذوب شدن است که قابلیت فرآوری این پلیمرها تا حد زیادی را محدودکرده است
ازاینرو پژوهشگران درسدد برطرف کردن این نقصها برآمده اند. ازجمله روشهای مؤثر در اصلاح خواص، تهیه نانو کامپوزیت از پلیمرهای رسانا است که میتواند با استفاده از کامپوزیت کردن پلیمر رسانا و پلیمری با خواص مکانیکی مناسب و یا پخش نانو مواد درزمینه پلیمرهای رسانا تهیه گردد در کامپوزیتهای حاصل از پلیمر رسانا و پلیمر معمولی با وجود بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی، افت شدید رسانایی نسبت به پلیمر خالص مشاهده میگردد که این امر موجب به حاشیه رفتن خاصیت رسانایی کامپوزیت حاصل میگردد. بنابراین استفاده از افزونه های رسانا در ابعاد میکرو برای بهبود خواص رسانایی پلیمرها مورد توجه قرار گرفته است چون با انتخاب افزونه ی مناسب میتوان کامپوزیتی تهیه کرد که علاوه بر دارا بودن خواص مکانیکی مطلوب، از رسانایی بالایی نیز برخوردار باشد.
.2 روش کار
در این پروژه ترکیبات مختلف - ماده ی زمینه ی پلیمری در حضور کربن، مس، آلومینیوم و نقره - جهت دستیابی به پلیمر رسانا با ویژگی های مطلوب مورد مطالعه قرار گرفته است. در نهایت پلیمرهای لاستیکی و رزینی از دسته ی پلیمرهای ترموست و ترموپلاستیک به عنوان ماده ی زمینه ی ساخت الکترود انتخاب شده است. پلیمرهای لاستیکی به دلیل خاصیت ارتجاعی و انعطاف پذیر بودن در ساخت الکترود مورد توجه محققان میباشد. این ویژگی به دلیل نرمی و عدم نفوذ به لایه ی اپیدرم پوست سبب ایجاد حس راحتی برای بیمار شده و امکان ثبت طولانی مدت را برای بیمار فراهم میکند. به همین دلیل در این پروژه پلیمر Silicon به دلیل دردسترس بودن و خاصیت انعطاف پذیری مطلوب جهت آزمایش خصوصیات مورد نظر انتخاب شده است. همچنین پلیمرهای رزینی به دلیل سختی و قابلیت شکل پذیری به فرم دلخواه به عنوان گزینه ی بعدی برای ساخت الکترود قرار گرفتند. که بدین منظور پلیمرهای polyester و Epoxy به عنوان ماده ی زمینه مورد آزمایش برای ساخت الکترود انتخاب شدند.
برای ایجاد خاصیت رسانایی در پلیمر نیازمند اختلاط با یک ماده رسانا و ساخت ماده کامپوزیتی میباشد. بدین منظور از یکی از پودرهای افزودنی کربن، مس، آلومینیوم و نقره با ذرات در ابعاد میکرو در ماده ی زمینه ی پلیمری استفاده شده است. با توجه به اینکه این مواد رسانایی الکتریکی بسیار بالایی دارند بنابراین احتمال رسانا شدن ماده کامپوزیتی بررسی شده است. در ابتدا ماده ی زمینه ی Silicon در حضور کربن، مس ،آلومینیوم و نقره مورد تحلیل و ارزیابی قرار گرفته است.
به منظور بررسی تاثیر نوع پلیمر زمینه بر میزان رسانایی الکترود کامپوزیتی، پلیمرهای ترموست نیز علاوه بر پلیمرهای لاستیکی استفاده شدند. پس از تحلیل میکروسکوپی این ترکیبات و اندازه گیری میزان رسانایی ترکیبات مختلف در نهایت ترکیب %35 پلیمر Polyester و %65 ماده ی فرآوری شده ی نقره به عنوان ماده ی اصلی ساخت الکترودها مورد استفاده قرار گرفته است. به منظور بررسی علل رسانایی و عدم رسانایی الکتریکی برخی از مواد مورد آزمایش از آنها نمونه گیری صورت گرفته و در آزمایشگاه متالوگرافی توسط میکروسکوپ مورد تحلیل و ارزیابی قرار گرفته است.
نوع ماده ی مصرفی و نحوه ی اختلاط مواد با یکدیگر تاثیر بسیار زیادی در میزان رسانایی الکترود دارد. بنابراین عکس هایی با بزرگنمایی 500 برابر، 200 برابر و 100 برابر توسط میکروسکوپ از آلیاژهای مختلف ساخته شده تهیه و با یکدیگر مقایسه شده است. عکسهای میکروسکوپی از تراکم مواد افزوده شده در ماده زمینه ی پلیمری گویای اهمیت الگوی اختلاط این مواد با یکدیگر میباشد به طوری که اگر تراکم یکنواخت نباشد و یا اینکه میزان اختلاط کمتر از حد معین شده باشد این ماده قابلیت رسانایی خود را از دست خواهد داد.
از این ترکیب برای ساخت صفحات الکترود پزشکی استفاده شده است. سپس برای ارزیابی عملکرد این ترکیب در کاربرد مورد نظر ثبت سیگنال مغزی از تعداد 9 داوطلب به صورت خشک و نیمه مرطوب - رطوبت اندک با استفاده از محلول سالین - انجام شده است. جهت مقایسه با الکترودهای مرطوب مرسوم Ag/AgCl تمام مراحل ثبت به صورت همزمان با الکترودهای Ag/AgCl صورت گرفته است. پس از پردازش داده ها در نرم افزار SPSS میزان همبستگی بین سیگنالها استخراج شده است. همچنین میزان امپدانس الکترود پوست برای هر داوطلب محاسبه و در قالب نمودار ترسیم شده است.
.3 نتایج
در شکل 1 که ترکیبی از مس و ماده ی زمینه ی پلی استر میباشد، نقاط روشن ذرات مس و نواحی تیره رنگ ماده ی زمینه ی پلیمری میباشد. در شکل -2الف نقاط قهوه ای رنگ ذرات مس در ماده ی زمینه سیلیکون را نشان میدهد. درشکل -2ب و پ که ترکیبی از نقره و ماده ی زمینه ی سیلیکون میباشد، نقاط روشن ذرات نقره و نواحی تیره رنگ ماده ی زمینه ی سیلیکون میباشد. در شکل 3 و 4 نقاط روشن ذرات نقره در ماده ی زمینه ی پلی استر را نشان میدهد.
شکل -1 الف- تصاویر میکروسکوپی از نمونه ی الکترود حاوی %80 مس و %20 زمینه ی پلی استر در بزرگنمایی های الف- 100 برابر ب- 200 برابر ج- 500 برابر
