وبلاگ

فصل اول: مقدمه

1-1- فن­آوری نانو چیست………………………………………………………………………………1

1-2- مقدمه­ای بر پلیمرها…………………………………………………………………………….2

1-3-روش­های سنتز نانوذرات…………………………………………………………………………. 5

1-3-1-روش­های شیمیایی……………………………………………………………………………… 5

1-3-1-1-ته نشینی و رسوب دهی شیمیایی…………………………………………………….. 5

1-3-1-2-سل-ژل…………………………………………………………………………………….. 5

1-3-1-3-پیش ماده­ی پلیمری…………………………………………………………………… 6

1-3-1-4-میکروامولسیون………………………………………………………………………….. 6

1-3-1-5-هیدروترمال……………………………………………………………………………… 6

1-3-1-6-سنتز به کمک احتراق……………………………………………………………………. 7

1-3-2-روش­های فیزیکی– شیمیایی……………………………………………………………. 7

1-3-2-1-تجزیه حرارتی افشانه­ای……………………………………………………………….. 7

1-3-2-2-تغلیظ گاز………………………………………………………………………………… 7

1-3-2-3-سایش مکانیکی………………………………………………………………………… 7

1-3-2-4-روش اولتراسونیک…………………………………………………………………. 8

1-3-2-5-سیالات فوق بحرانی……………………………………………………………. 8

1-4-کامپوزیت­ها………………………………………………………………………………… 8

1-4-1-انواع کامپوزیت­ها……………………………………………………………………….. 9

1-4-1-1-کامپوزیت­های لیفی…………………………………………………………………. 9

1-4-1-2-کامپوزیت­های پودری……………………………………………………………….. 9

1-5-تاریخچه فن­آوری نانوکامپوزیت…………………………………………………………….. 10

1-6-نانوکامپوزیت­ها…………………………………………………………………………… 11

1-7-انواع نانوکامپوزیت…………………………………………………………………………. 12

1-7-1-نانوکامپوزیت­ها بر اساس اجزای تشکیل­دهنده………………………………………….. 12

1-7-2-نانوکامپوزیت­ها بر اساس ابعاد ذرات پراکنده…………………………………………… 12

1-7-3-نانوکامپوزیت­ها بر اساس ماده زمینه……………………………………………………. 13

1-7-3-1-نانوکامپوزیت­های زمینه پلیمری……………………………………………….. 13

1-7-3-2-نانوکامپوزیت­های زمینه سرامیکی………………………………………………… 13

1-7-3-3-نانوکامپوزیت­های زمینه فلزی-سرامیکی………………………………………… 14

1-7-3-4-نانوکامپوزیت­های زمینه فلزی………………………………………………….. 14

1-8-مزایا ومعایب نانوکامپوزیت­ها…………………………………………………………….. 14

1-9-روش­های تهیه نانوکامپوزیت­ها…………………………………………………………….. 16

1-9-1-مخلوط­سازی مستقیم………………………………………………………………… 16

1-9-2-فرآوری محلول…………………………………………………………………………… 16

1-9-3-پلیمریزاسیون درجا……………………………………………………………………. 17

1-9-4-روش سل-ژل………………………………………………………………………. 17

1-9-5-سنتز با بهره گرفتن از تمپلیت­ها…………………………………………………………. 18

1-10-ضرورت توجه به نانوکامپوزیت­های پلیمری………………………………………….. 19

1-11-کاربردهای نانوکامپوزیت­ها………………………………………………………………. 19

1-12- اهداف تهیه نانوکامپوزیت­های پلیمری…………………………………………….. 20

1-13- انواع پرکننده­ها با ابعاد نانو………………………………………………………. 21

1-13-1- لایه­ای……………………………………………………………………………….. 21

1-13-2- لیفی………………………………………………………………………………… 21

1-13-3-کروی……………………………………………………………………………….. 21

1-14- معرفی پلی وینیل الکل…………………………………………………………….. 22

1-14-1-خواص فیزیکی پلی وینیل الکل…………………………………………………… 23

1-14-1-1- نقطه ذوب و تبلور………………………………………………………… 23

1-14-1-2- دمای شیشه­ای شدن………………………………………………………… 24

1-14-1-3- قابلیت انحلال……………………………………………………………………. 24

1-15-تخریب پلیمرها………………………………………………………………………… 25

1-15-1-انواع تخریب………………………………………………………………………… 26

1-15-1-1-تخریب حرارتی………………………………………………………….. 26

1-15-1-2-تخریب مکانیکی………………………………………………………….. 26

1-15-1-3-تخریب با آب (تخریب هیدرولیکی)…………………………………………… 26

1-15-1-4-تخریب با امواج مافوق صوت…………………………………………………. 26

1-15-1-5-تخریب شیمیایی……………………………………………………………… 27

1-15-1-6-تخریب با تشعشع……………………………………………………………… 27

1-15-1-7-زیست تخریب شدن…………………………………………………………… 27

1-16-پلاستیک­های زیست تخریب پذیر…………………………………………………. 27

1-17-زیست تخریب پذیری در پلیمرها……………………………………………………. 27

1-17-1-پلیمرهای زیست تخریب پذیر طبیعی…………………………………………. 29

1 -17-2-پلیمرهای زیست تخریب پذیر سنتزی……………………………………………. 29

1-18-عوامل موثر بر زیست تخریب پذیری پلیمرها………………………………….. 30

1-19-روش­های زیست تخریب پذیری……………………………………………………. 30

1-19-1-میکروارگانیسم­ها……………………………………………………………….. 31

1-19-1-1-فرآیند هوازی (در حضور اکسیژن)………………………………………….. 31

1-19-1-2-فرآیند غیر هوازی (در غیاب اکسیژن)………………………………….. 31

1-19-2-آنزیم­ها…………………………………………………………………………. 31

1-20-کاربرد پلیمرهای زیست تخریب پذیر…………………………………………… 31

 

1-21-روش­های تخریب پلیمرهای زیست تخریب پذیر……………………………… 32

1-21-1-تخریب از طریق نور………………………………………………………….. 32

1-21-2-تخریب از طریق میكروبی…………………………………………………… 32

1-21-3-تخریب شیمیایی………………………………………………………………. 33

1-22-روش­های شناسایی نانوکامپوزیت­ها………………………………………………. 33

1-22-1-استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD)………………………………………. 33

1-22-2-استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)…………………………… 35

1-22-3-استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)…………………………. 36

1-22-4-استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)………………………………. 37

فصل دوم: بخش تجربی

2-1-وسایل، مواد و دستگاه­های مورد استفاده……………………………………… 39

2-1-1-وسایل آزمایشگاهی……………………………………………………………… 39

2-1-2-مواد شیمیایی………………………………………………………………… 39

2-2-تعیین جرم مولکولی……………………………………………………………….. 41

2-3-تهیه نمونه­ ها……………………………………………………………………….. 44

2-3-1-آماده سازی نانو ذرات……………………………………………………………… 44

2-3-1-1-روش تهیه­ نانوذرات CdS…………………………………………………….

2-3-2-آماده سازی نمونه­های نانو کامپوزیتی…………………………………………..45

2-3-2-1-روش تهیه کامپوزیتStarch/PVA ………………………………………………

2-3-2-2- روش تهیه نانوکامپوزیتStarch/PVA/CdS …………………………….

2-4-اندازه­ گیری ­ها……………………………………………………………………… 46

2-4-1-بررسی ساختار………………………………………………………………….. 47

2-4-1-1- پراش پرتو ایکس (XRD)…………………………………………………… 47

2-4-1-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)…………………………………. 47

2-4-1-3-طیف سنجی انرژی پراش اشعه ایکس (EDX)…………………………. 48

2-4-2- خواص مکانیکی………………………………………………………………. 48

2-4-3-خواص حرارتی…………………………………………………………………….. 50     

2-4-3-2-آنالیز گرماسنج دیفرانسیلی روبشی (DSC)………………………….. 50 

2-4-4- طیف سنجی مرئی- فرابنفش (UV-VIS)…………………………………. 50

2-5- بررسی جذب آب نانوکامپوزیت­ها………………………………………………… 51

2-6- بررسی تخریب آنزیمی……………………………………………………………. 54

فصل سوم: بحث و نتیجه­ گیری.

3-1-مقدمه………………………………………………………………………………. 57

3-2- تعیین جرم مولکولی پلی وینیل الکل……………………………………………… 58

3-3- شناسایی ساختار نانوذرات CdS…………………………………………………..

3-3-1- نتایج XRD………………………………………………………………………..

3-3-2- نتایج SEM………………………………………………………………….

3-4- شناسایی نانوکامپوزیت­ها…………………………………………………….. 66

3-4-1- نتایج XRD ……………………………………………………………….

3-4-2- نتایج SEM……………………………………………………………………

3-4-3- نتایج EDX……………………………………………………………………..

3-5- بررسی خواص نانوکامپوزیت­های Starch/PVA/CdS…………………………..

3-5-1- نتایج آزمون مکانیکی تنش- کرنش…………………………………………. 66

3-5-2- نتایج آزمون حرارتی (DSC)………………………………………………. 70

3-5-3- نتایج جذب نور مرئی- فرابنفش…………………………………………….. 74

3-5-4- نتایج آزمون جذب آب……………………………………………………… 78

3-5-5- نتایج آزمون تخریب آنزیمی……………………………………………………83

3-5- نتیجه­ گیری………………………………………………………………………… 87

فهرست منابع……………………………………………………………………………89

چکیده:

در سال­های اخیر، تحقیقات بر روی نانوکامپوزیت­های پلیمری توجه زیادی را به خود جلب کرده است و این به دلیل خواص مکانیکی، حرارتی، نوری و شیمی فیزیکی بهبود یافته این پلیمرها نسبت به پلیمر خالص و کامپوزیت­های معمولی است. در دهه­های گذشته توجه محققان بر روی نانوکامپوزیت­های پلیمری – خاک رس متمرکز بوده است در حالی که در چند سال اخیر توجه به سمت انواع دیگر نانوذرات معدنی به منظور بهبود خواص جلب شده است.

پلی وینیل الکل (PVA)، یکی از پلیمرهای سنتزی سازگار با طبیعت و محلول در آب است که دارای خواص بسیار عالی می­باشد. این پلیمر به عنوان یک محصول تجاری و صنعتی ارزشمند، از نظر حلالیت و زیست تخریب پذیر بودن آسیب کمی به محیط زیست می­رساند و به همین دلیل مورد توجه محققین و صنعت­گران قرار گرفته است. با وجود این، خواص پلی وینیل الکل می ­تواند توسط پخش نانوذرات معدنی گوناگون در ماتریس پلیمری بهبود یابد.

در این پژوهش، نانوذرات CdS به روش هم­رسوبی ساخته شده است. نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS نیز با اضافه کردن نانوذرات سنتزی به پلیمر توسط روش فرآوری محلول تهیه شده است. در راستای این پژوهش ساختار نانوذرات و نانوکامپوزیت­های تهیه شده توسط الگوی پراش اشعه ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و طیف سنجی انرژی پراش اشعه ایکس (EDX) مورد بررسی قرار گرفته شد. هم­چنین در این پژوهش خواص مکانیکی، حرارتی، نوری، جذب آب و تخریب آنزیمی نمونه­ها مورد بررسی قرار گرفت و سپس نتایج حاصل در مورد بعضی از نمونه­ها با یکدیگر مقایسه شد.

فصل اول: مقدمه

1-1- فناوری نانو چیست؟

فن­آوری نانو واژه­ای است کلی که به تمام فن­آوری­های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می­شود. معمولاٌ منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود یک تا 100 نانومتر می­باشد. (1 نانومتر یک میلیاردم متر است) [1]. اولین جرقه فن­آوری نانو در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن[1] طی یک سخنرانی با عنوان (فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد) ایده فن­آوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده­ای نزدیک می­توانیم مولکول­ها و اتم­ها را به صورت مستقیم دست­کاری کنیم [2].

نانو­مواد در سال­های اخیر به علت کارایی بالایی که در حوزه­های وسیعی از زمینه ­های مختلف دانش مانند الکترونیک، کاتالیست، سرامیک، ذخیره داده­های مغناطیسی و…. دارند، گسترش قابل توجهی یافته­اند. در حقیقت برای تحقق نیاز­های فن­آورانه در زمینه ­های یاد شده با بهره گرفتن از نانو­مواد، اندازه مواد در ابعاد طول، عرض و یا ارتفاع تا مقیاس نانومتری کاهش می­یابد. با کاهش اندازه مواد تا ابعاد نانومتری، خواص مکانیکی و فیزیکی مواد بهبود قابل توجهی پیدا می­ کند، به طور مثال استحکام مکانیکی و به ویژه مقاومت الکتریکی و حرارتی افزایش می­یابد [3].

نانومواد را می­توان در یک طبقه ­بندی کلی، به دو دسته نانو­بلور­ها و نانوذرات تقسیم کرد:

1-نانوبلور­ها: عبارتند از مواد چند بلوری با اندازه دانه­های کمتر از nm100.

2-نانوذرات: عبارتند از ذرات بسیار کوچک با ابعاد ریز (کمتر از nm100) که به عنوان بلوک­های ساختمانی نانومواد بلوری در نظر گرفته می­شوند.

روش­های جدید تولید نانوذرات عمدتاٌ فرآیند­هایی بر پایه حالت بخار، مایع و جامد می­باشند:

روش­های بر پایه بخار:PVD ،CVD ، روش­های پاششی و….

روش­های بر پایه مایع: روش سل-ژل، روش­های شیمیایی تر و….

روش­های بر پایه جامد: آلیاژ­سازی مکانیکی و…. [4]

هدف نانوتکنولوژی بهره ­برداری از خواص نانوساختار­ها با کنترل ساختار­ها در سطوح اتمی و مولکولی است. نانوساختار­ها طبق تعریف به مواد و ساختار­هایی گفته می­شود که در یکی از رده­بندی­های زیر قرار گیرند [5]:

نانوساختار­های صفر بعدی: ساختار­هایی که هر سه بعد آن­ها کمتر از 100 نانومتر باشد. مانند نانوذرات، نانوپودر­ها، نانوخوشه­ها[2].

نانوساختار­های یک بعدی: به مواد و ساختار­هایی اطلاق می­شود که دو بعد از سه بعد آن­ها کمتر از 100 نانومتر باشد. مانند نانوسیم­ها[3] و نانولوله­ها.

نانوساختار­های دو بعدی: به مواد و ساختار­هایی می­گویند که دارای یک بعد کمتر از 100 نانومتر باشد. مانند لایه­های نازک و کلی­ها[4].

نانوساختار­های سه بعدی: ساختار­هایی هستند که دارای حفرات نانوساختار هستند مانند زئولیت­ها[5] [6].

2-1- مقدمه ای بر پلیمرها

شاید برخی تصور کنند که ترکیبات پلیمری از جمله دستاوردها و ابداعات دنیای مدرن هستند در صورتی که مدت زمان استفاده از پلیمرهای طبیعی به هزاران سال می­رسد.

چوب، پنبه، پشم، چرم و ابریشم از جمله این پلیمرهای طبیعی هستند. زمان ابداع و توسعه پلیمرهای مصنوعی به قرن اخیر و به خصوص به بعد از جنگ جهانی دوم برمی­گردد، که در بیشتر حالت­ها، این مواد مصنوعی از نظر ساخت ساده­تر و ارزان­تر نسبت به پلیمرهای طبیعی مرسوم تهیه می­شوند. به طور کلی، پلیمرها دارای رشته­های مولکولی بسیار طویلی هستند که این رشته­ها از تکرار واحدهای کوچک درست شده­اند. به هر یک از واحدهای تکراری مونومر می­گویند [7].

پلیمرها از نظر خواص فیزیکی به سه دسته تقسیم می­شوند: الاستومرها، الیاف و پلاستیک­ها، که خود پلاستیک­ها با توجه به خواص گرمایی خود به دو گروه ترموپلاستیک­ها و ترموست­ها تقسیم­بندی می­شوند [8]. ترموپلاست به آن دسته از پلیمرها اطلاق می­شود که قابلیت فرآیند­پذیری در اثر گرما را داشته باشند، به طوری که قابلیت سیکل­های متعدد گرم وسرد شدن را دارند. از جمله این پلیمرها می­توان به پلی وینیل کلرید، پلی استیلن، پلی استایرن اشاره کرد [9].

اما پلیمرهای ترموست قابلیت فرآیند­پذیری با ذوب شدن یا حل شدن ندارند به این جهت که قبل از نرم شدن و فرآیند­پذیری، پلیمر دچار تجزیه می­گردد. مواد ترموپلاست در دمای بالاتر از دمای ذوب یا دمای انتقال شیشه­ای و کمتر از دمای تخریب حرارتی می­توانند تغییر شکل غیرکشسان نامحدودی را داشته باشند، در این دما پلیمر زنجیرهای منفرد طولانی دارد که به یکدیگر اتصالات عرضی ندارند. از طرف دیگر مواد ترموست وقتی در مقابل گرما قرار می­گیرند تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیری را انجام می­ دهند [10].

در یک دسته­بندی دیگر از نظر ساختاری، پلیمرها به دو دسته کلی هموپلیمر و کوپلیمر تقسیم­بندی می­شوند. اگر تنها یک نوع واحد تکرار شونده (مونومر) در تشکیل زنجیر پلیمری شرکت داشته باشند به آن ترکیب هموپلیمر گفته می­شود. اما اگر مونومر دیگری نیز در تشکیل زنجیر پلیمری نقش داشته باشد به ترکیب حاصل کوپلیمر می­گویند [11].

در یک تقسیم­بندی متفاوت، پلیمرها از نظر ساختار به چهار دسته اصلی تقسیم می­شوند:

1- پلیمرهای خطی: که در آن زنجیر های طویل و انعطاف­پذیر با نیروهای واندروالس یا توسط پیوندهای هیدروژنی در کنار یکدیگر قرار گرفته­اند.

2- پلیمرهای شاخه­ای: در این ساختار زنجیرهای پلیمری دارای ساختار شاخه­ای هستند که در آن مقدار به هم فشردگی و دانسیته زنجیرها نسبت به پلیمر خطی بسیار کمتر است.

3- پلیمرهای با اتصالات عرضی: در این ساختار زنجیرهای پلیمری توسط پیوندهای عرضی به یکدیگر متصل شده­اند، این پیوندهای عرضی هم می­توانند در طی زمان سنتز ایجاد شوند وهم می­توانند در طی یک فرآیند مجزا در پلیمر به وجود آیند. مانند اضافه کردن ناخالصی­هایی که باعث متصل شدن زنجیرها می­شوند، از جمله معروف­ترین این ناخالصی­ها می­توان به ترکیبات دو­عاملی، دی اسیدها، دی آمین­ها، آمینو اسیدها و انیدرید­ها اشاره کرد.

4- پلیمرهای شبکه­ای: زمانی که از مونومرهای سه عاملی برای سنتز استفاده شود نتیجه پلیمریزاسیون ساختار شبکه­ای و سه بعدی خواهد بود. این پلیمرها دارای خواص ترموست هستند.

از نظر میزان استحکام این پلیمرها با یکدیگر کاملاً متفاوت هستند. از آنجا که در پلیمرهای خطی، زنجیرهای پلیمری تنها با نیروهای ضعیف واندروالسی در کنار یکدیگر قرار گرفته­اند کمترین استحکام را از خود نشان می­دهند. پلیمرهای عرضی به خاطر نیروهای کووالانسی عرضی استحکام بالاتری را از خود نشان می­دهند. پلیمرهای شبکه­ای به دلیل اتصالات و پیوندهای کووالانسی گوناگون بالاترین میزان استحکام را نسبت به سه گروه دیگر دارد [12].

3-1- روش­های سنتز نانوذرات