بخشی از مقاله
برخی از منابع:
مراجع
1) J. R. Potts, D. R. Dreyer, C. W. Bielawski, R. S. Ruoff , Polymer 52 (2011) 5-25.
2) T, Kuilla, S. Bhadrab, D. Yaoa, N. H. Kim, S. Bosed, J. H. Lee, Prog Polym Sci 35 (2010) 1350–1375.
3) V. Singh, D. Joung, L. Zhai, S. Das, S. I. Khondaker, S. Seal, Prog Mater Sci 56 (2011) 1178-
1271.
- مقدمه
در بيست سال اخير نانوتکنولوژي رشد چشمگيري داشته و در حيطههاي مهمي ازجمله سنسورها و زيست پزشکي وارد شده اند. در حال حاضر مواد نانو محدوده ي عظيمي از کاربردها را بدليل ويژگيهاي ساختارشان دارند. کشف گرافن و نانوکامپوزيت - هاي پليمري بر پايه گرافن يک مرحله مهم در زمينهي علم نانو است .
گرافن صفحات تک لايه متشکل از اتم هاي کربن است که اين اتم ها در يک شبکه دو بعدي به هم متصل شده اند.
در واقع گرافن تک لايههاي گرافيت مي باشد. ضخامت لايه گرافن بين ٠.١ تا ٠.٣۵ نانومتر گزارش شده است .
ماده ابتدايي گرافن بدليل تمايل به تشکيل کلوخه براي اضافهکردن به ماتريس پليمري نامناسب است و درنتيجه با عامل دارکردن ، پراکنش و پايدارسازي آن را تسهيل ميکنند. اين گروه هاي عاملي ميتوانند شامل مولکول هاي کوچک يا زنجيرهاي پليمري باشند. روش هاي عمومي براي اصلاح سطح گرافن عبارتند از اصلاح شيميايي گرافن ، کاهش گرافيت اکسيد، اصلاح کووالانسي، اصلاح غيرکووالانسي، استخلاف هستهدوست و اصلاح الکتروشيميايي گرافن .
٢- نانوکامپوزيت هاي پليمر-گرافن
در چند سال اخير پراکنش گرافن در ماتريس پليمري دري تازه در علم مواد باز کرده است . انواع مختلفي از شکل هاي نانوگرافيت مثل گرافيت منبسط شده براي توليد نانوکامپوزيت هاي رسانا با بهبود خواص فيزيکي و شيميايي استفاده ميشود. مطالعات زيادي روي کامپوزيتهاي گرافيتي برپايه اپوکسي، نايلون ، پلياستايرن ، پلي - اتيلن ، پليمتيل متاکريلات ، پلي - آنيلين و سيليکون رابر انجام شده است .
روش هاي مختلفي براي توليد نانوکامپوزيت هاي گرافني وجود دارد. مکانيسم برهم کنش در اين نانوکامپوزيت ها بستگي به قطبيت ، وزن مولکولي، آب گريزي، گروه هاي واکنش پذير و ... در پليمر، گرافن و حلال دارد. سه استراتژي اصلي براي آميزه سازي پليمر با مواد لايهاي ازجمله گرافن وجود دارد که عبارتند از پليمريزاسيون درجا، اختلاط محلولي و اختلاط مذابي. در پليمريزاسيون درجا، گرافن يا گرافن اصلاح شده درون مونومر مايع متورم ميشود و پليمريزاسيون با يکي از دو روش گرمايي يا تشعشعي آغاز ميگردد. تنوعي از نانوکامپوزيت هاي پليمري با استفاده از اين روش آماده ميشوند.
نانوکامپوزيت هاي پلياستايرن ، پلي - متيل متاکريلات ، پلي ايميد، پلي - اتيلن ترفتالات از اين قبيل ميباشند.در روش محلولي، پليمر را در حلال مناسب حل کرده و گرافن يا گرافن اصلاح شده را به آن افزوده و به آن اجازه متورم شدن مي دهند. گرافن يا گرافن اصلاح شده در حلال مناسب مثل آب ، استون ، کلروفرم ، تتراهيدروفوران ، ديمتيل فرماميد و يا تولوئن پراکنده ميشود. سپس پليمر روي ورقه هاي پخش شده بين لايه ها جذب ميشود و با تبخير حلال نانوکامپوزيت آماده ميشود. اين روش ميتواند براي توليد نانوکامپوزيت بر پايه اپوکسي به- کارگرفته شود. در اين روش خارج - کردن حلال يک مساله مهم است و مزيت اصلي اين روش اين است که به نانوکامپوزيت هاي بر پايه پليمر اجازه ميدهد که قطبي يا غيرقطبي شوند. از جمله نانوکامپوزيت هايي که به اين روش توليد ميشوند عبارتند از نانوکامپوزيت هاي بر پايه پلياتيلن مالئيکه، اپوکسي، پلياستايرن ، پليپروپيلن ، پلي - وينيل الکل ، پليوينيل کلرايد، اتيلن وينيل استات . در روش اختلاط مذاب گرافيت يا گرافن با ماتريس پليمري در حالت مذاب و با استفاده از فرايند اکستروژن ، تزريق و ...
مخلوط مي شوند. اين روش به دليل سادگي، هزينه و مشکلات محيط زيستي متر بسيار پرکاربرد است .
٣- مورفولوژي و رفتار کريستاليزاسيون
بهبود خواص نانوکامپوزيت ها به ريزساختار وابسته است ، بنابراين براي اثبات ارتباط بين خواص و ساختار اين مواد، توصيف خواص موثر از مورفولوژي اهميت مييابد. براي مثال تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري گرفته شده از کامپوزيت ها ميتواند مشاهدات مستقيمي را از پراکنش لايههاي گرافني ارائه دهد.
معمولاَ صفحات ضخيم تر وضوح کافي را دارند اما تک لايهها به سختي با ميکروسکوپ الکتروني عبوري مشاهده مي شوند. علاوه بر تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري، پراش اشعه ايکس نيز ميتواند پراکنش صفحات گرافني را نشان دهد. گرافن نظير نانوکلي داراي ساختار لايهاي است و وقتي اين مواد در ماتريس پليمري پراکنده ميشوند، از لحاظ توزيع وضعيتي مشابه کليها دارند، زيرا در اينجا نيز پارامترهاي فرآيندي و همخواني ميان فازها حائز اهميت است . همچنين از لحاظ نسبت ابعادي هم پرکننده هاي گرافني و کليها با هم قابل مقايسه هستند، اگرچه برخي مواد گرافني نسبت به نانوکليها داراي هندسهاي پر چين و چروک و مچاله هستند. از لحاظ چگونگي توزيع نانوکلي در پليمر، کامپوزيت ها سه دسته هستند. چنانچه در شکل ١ ديده ميشود اين سه دسته شامل لايهاي روي هم چيده شده ، ميان افزوده و ورقه ورقه شده مي باشد.
مطالعاتي که بعدها روي مواد گرافني انجام شد نشان داد که در مورد اين دسته از مواد هم وضعيت مشابهي حاکم است .
شکل ١- انواع مورفولوژيهاي قابل شکل گيري از گرافن در ماتريس پليمري، الف ) لايهاي روي هم چيده شده ب ) ميان افزوده ج ) ورقه ورقه شده
صفحات داراي نسبت ابعادي بزرگ در بهبود خواص مکانيکي، حرارتي و الکتريکي کامپوزيت ها موثرتر هستند و چون توزيع صفحات به صورت مورفولوژي ورقه ورقهاي باعث ايجاد نسبت هاي ابعادي بزرگتر مي شوند در مقايسه با مورفولوژي ميان افزوده و مورفولوژي لايههاي روي هم چيده شده مطلوب تر است .
معمولاً از تکنيک ميکروسکوپ الکتروني عبوري نيز به عنوان يک روش مکمل در بررسي سطح مقطع نمونههاي نانوکامپوزيتي گرافني استفاده ميشود. از اين راه ميتوان به طور محدود نحوه توزيع پرکننده را در نانوکامپوزيت ارزيابي کرد.
همچنين در اين روش با بررسي چگونگي بيرون کشيده شدن پرکننده ميتوان درباره ميزان استحکام فصل مشترک پليمر-پرکننده اظهار نظر کرد. مواد گرافني در حالت ورقهاي شده چالش برانگيزاند، زيرا زماني که در يک ماتريس پليمري پراکنده مي شوند، به شکل يکسري صفحات کوچک مچاله و خميده شده ديده ميشوند.
روش شکل دهي نانوکامپوزيت نيز مي- تواند ريزساختار را تحت تاثير قرار دهد (شکل ٢). مثلاً زماني که از روش اختلاط محلولي يا پليمريزاسيون درجا استفاده ميشود، صفحات به صورت ورقه ورقه شده و با جهتگيري تصادفي در ماتريس توزيع مي شوند و زماني که از روش اختلاط مذاب استفاده شود، در مورفولوژي کامپوزيت نوعي جهتگيري ديده مي شود. نوع فرآيند شکل دهي نيز مي - تواند باعث ايجاد جهت گيري صفحات تآوستزايع نه شبدهم پيشووسدت،گي امراا کمامهکش ن داهدست در مورد کامپوزيت هايي که با فرآيند قالبگيري تزريقي توليد مي - شوند معمولا جهتگيري تصاًدفدير پميردکاز ميقطکعنهندصفوحادت نواحي نزديک سطح جهتگيري صفحات موازي با سطح ميشود ولي در قطعات نازکي که با فرآيندهايي نظير قالبگيري تحت فشار يا ريختگري فيلم به صورت محلولي تهيهشده اند، در سراسر سطح مقطع قطعه، جهت گيري و امتداد خاص براي صفحات پرکننده ديده مي شود.
افزودن پرکننده به پليمرهاي نيمه- کريستالي مي تواند تغيير در درجه کريستالينيتي، سايز کريستال ها، ساختار اسفرولايت و يا حتي کريستاليزه شدن پليمرهاي ذاتاً آمورف را به همراه داشته باشد.
بسته به ماهيت پليمر، وارد کردن پرکننده هاي گرافني باعث افزايش ، کاهش و يا بدون تغيير ماندن درجه کريستاليزاسيون ماتريس پليمري نيمه کريستالي ميشود. حتي در برخي موارد تغيير دماي ذوب پليمر نيز مشاهده شده است . پرکننده هاي گرافني نرخ کريستاليزاسيون را از طريق هستهگذاري هتروژن تحت تاثير قرار مي دهد.
شکل ٢- تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري نانوکامپوزيت پلي يورتان -گرافن الف ) انباشته يا ورقه ورقه نشده ب ) اختلاط مذابي ج ) اختلاط محلولي د) اختلاط به وسيله پليمريزاسيون درجا
۴-خواص رئولوژيکي و ويسکوالاستيک
مطالعهي رئولوژي نانوکامپوزيت ها براي فهم فرايندهاي شکل دهي و نيز بررسي ريزساختار مورد استفاده قرار ميگيرد . در آزمون اندازه - گيري خواص رئولوژيکي، مقادير مدول در فرکانس پايين ميتواند اطلاعاتي از چگونگي توزيع صفحات بدست دهد.
براي مثال به صفر رسيدن شيب منحني مدول ذخيره ('G) در فرکانس هاي پايين بيانگر ايجاد يک آستانه بهم پيوستگي رئولوژيکي در ماده است و نشان دهنده تشکيل يک شبکه الاستيک شبه جامد از پرکننده درون ماتريس است . يک نمونه از اين رفتار در شکل ٣ و براي نانوکامپوزيت هاي پلي کربنات -گرافن نشان داده شده است .
درصورتيکه صفحات پرکننده همگي در حالت ايده آل و داراي نسبت ابعادي يکسان فرض شده باشند، به کمک آستانه بهم پيوستگي ميتوان پراکندگي پرکننده را بيان کرد.
يکي از راه هايي که ميتوان تصادفي - شدن جهت گيري صفحات پرکننده را تحت تاثير قرار داد عمليات حرارتي در دماي بالاي دماي انتقال شيشهاي است . چنانچه در شکل ٣ ديده ميشود، آستانه بهم پيوستگي رئولوژيکي نانوکامپوزيت ها با يک عمليات حرارتي چند ساعته از ١.۵ درصد به ٠.۵ درصد کاهش پيداکرده است
