وبلاگ

دانشگاه آزاداسلامی واحد دامغان          

دانشکده علوم پایه

گروه شیمی

پایان‌نامه جهت اخذ درجه ­كارشناسی­ ارشد(M.Sc.)

(گرایش آلی)

نانو آمیزه های جدید از کو پلی (اتر- اورتان) با الگوی نرم – سخت – نرم و “تیتانیا“ی اصلاح سطحی شده

استاد راهنما:

دکتر حسین بهنیافر

استاد مشاور:

دکتر شعبانزاده

تکه هایی از متن به عنوان نمونه : (ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
پیش­گفتار                                              
  امروزه استفاده از پلیمرها به اندازه­ای رایج شده كه می­توان گفت بدون استفاده از آن­ها بسیاری از نیازهای روزمره ما مختل خواهد شد. هنگامی كه تركیبات آلی در دمای بالا حرارت داده می­شوند، به تشكیل تركیبات آروماتیک تمایل پیدا می­كنند. بنابراین می­توان نتیجه گرفت كه پلیمرهای آروماتیک باید در مقابل دماهای بالا مقاوم باشند. انواع وسیعی از پلیمرها كه واحدهای تكراری آروماتیک دارند، در سال­های اخیر توسعه و تكامل داده شده ­اند. پلیمرهای مقاوم حرارتی به پلیمرهایی گفته می­شوند كه در دمای بالا بكار برده می­شوند. از آنجا كه مقاومت حرارتی تابعی از انرژی پیوندی است، وقتی دما به حدی برسد كه باعث شود پیوندها گسیخته شوند، پلیمر از طریق انرژی ارتعاشی شكسته می­ شود. پس پلیمرهایی كه دارای پیوند ضعیفی هستند در دمای بالا قابل استفاده نیستند و از بكار بردن مونومرها و همچنین گروه­های عاملی كه باعث می­ شود این پدیده تشدید شود، باید خودداری كرد. تأثیرات متقابلی كه بین زنجیرهای ماکرومولکولی وجود دارد، ناشی از تأثیرات متقابل قطبی- قطبی و پیوند هیدروژنی است كه باعث بالا رفتن مقاومت حرارتی در پلیمرها می­شوند. این قبیل پلیمرها باید قطبی و دارای عامل­هایی باشند كه پیوند هیدروژنی را به وجود آورند، مانند: پلی­ایمیدها و پلی­یورتان­ها [1،2].
1-2- نانو­ذره­ های TiO2
     عمده ترین مصرف تیتانیوم در صنایع به دو صورت فلزی و ­تیتانیوم­­دی­اکسید است. شکل فلزی آن به دلیل مشکلات تهیه و خالص­سازی، مصرف چندانی ندارد. اما در عوض مصرف اکسید آن بصورت تیتانیوم­دی­اکسید در صنعت کاربرد بسیار گسترده­ای دارد. به طوری که ۹۰ درصد از صنایع مصرف ­کننده­ اکسید­تیتانیوم هستند. امروزه فلز تیتانیوم به عنوان یک فلز مهم در موتور و ساختمان داخلی هواپیما­ها، موشک­ها، جت­ها، ماشین­های نساجی، وسایل­ شیمیایی، وسایل جراحی، وسایل نمک­زدایی، وسایل ارتوپدی، ساخت زیردریایی­ها، دستگاه­های خنک کننده­ نیروگاه­های اتمی و حرارتی و دهها مورد دیگر کاربرد دارد. همچنین تیتانیوم­دی­اکسید در صنایع سرامیک، پلاستیک، کاغذ و الکترونیک کاربرد دارد. مصرف این ماده در کشورهای پیشرفته تقریباً ۱۰ برابر کشورهای در حال توسعه می باشد. از 3 دهه­ اخیر تاکنون به علت سمی نبودن و قدرت انعکاس بالا، از تیتانیوم­دی­اکسید به عنوان رنگدانه­ های سفید در کرم­ها و پودر­های آرایشی، فتوکاتالیست­ها و غشا­ها و… کاربرد داشته است [کِن و همکاران[1] 2011]. تیتانیوم­دی­اکسید با نام­های تیتانیوم IV اکسید یا تیتانیا شناخته می­ شود، دارای فرمول شیمیایی TiO2 است ]3،4[. تیتانیوم­دی­اکسید پودر سفید رنگی است. همانطور که گفته شد مصرف عمده­ی آن در صنایع رنگ­سازی به عنوان رنگ دانه­ی سفید می­باشد. زمانی که به عنوان رنگدانه مورد استفاده قرار می­گیرد به نام­های تیتانیوم سفید، رنگدانه­ی سفید، و CI77891 هم خوانده می­ شود. تمام خصوصیات تیتانیوم­دی­اکسید نیز در نانو تیتانیوم­دی­اکسید وجود دارد. با این تفاوت که اندازه­ ذرات آن بسیار کوچک­تر است. از این رو قابلیت و اثر­کنندگی بیشتری دارد. چرا که به واسطه­ کوچک بودن اندازه­ی
ذرات، سطح تماس بیشتر می­ شود و کارآیی افزایش می­یابد. بنابراین، زمانی که اندازه­ ذرات TiO2 به مقیاس نانو افزایش می­یابد، فعالیت فتو­کاتالیستی می ­تواند افزایش یابد چرا که مساحت سطح موثر افزایش می­یابد. در سال­های اخیر ذرات ریز تیتانیوم­دی­اکسید موضوع پژوهش­ها­ی وسیع شیمیدان­ها، فیزیکدان­ها و زیست شناسان­ قرار گرفته است. زیرا خصوصیات جالبی مانند: اکسید­کنندگی قوی، خاصیت شیمیایی خنثی و قابلیت پایداری نوری در بلند مدت را دارا است. تیتانیوم­دی­اکسید به صورت، آمورف و در سه فاز بلوری

 آناتاز1 روتایل[2] و بروکلیت[3] یافت می­ شود ] 5،6،7[ .

از بین این سه فاز، فاز روتایل پایدارتر است و دو فاز دیگر یعنى آناتاز و بروكیت در اثر حرارت به روتایل تبدیل مى شوند. هر دو فاز آناتاز و روتایل داراى شکاف انرژى هستند و فعالیت نورى دارند. منظور از فعالیت نورى، تولید گروه­هاى رادیكالى در سطح، تحت تابش نور خورشید است. شکاف انرژی در فاز آناتاز حدود 3/2 الکترون ولت است به همین جهت می­­تواند نور فرابنفش را جذب کند. از این خاصیت می­توان به عنوان جاذب نور فرابنفش در کرم­های ضدآفتاب استفاده کرد [آفیونی و همکاران1 2011].. در شكل 1-1 (الف-ج) فاز­هاى ساختارىآناتاز، روتایل و بروكیت دیده می­ شود]8،9،10 [ .
دو خاصیت مهم نانوتیتانیوم­دی­اکسید که در زندگی امروز آن را به ماده­ای مفید تبدیل کرده است، خواص فتوکاتالیستی و فوق آب­دوستی آن است. از این دو خاصیت برای تصفیه­ی آب و فاضلاب، حذف آلودگی هوا، سرعت بخشیدن به واکنش­های فتوشیمیایی مانند تولید هیدروژن استفاده می­ شود. خاصیت فتوکاتالیستی نانوتیتانیوم­دی­اکسید به این صورت می­باشد: نانوتیتانیوم­دی­اکسید در برخورد با مولکول­های آلوده­کننده­ آب، هوا و خاک که به­ طور معمول مولکول­های آلی­کربنی هستند، آنها را تجزیه می­ کند و به مواد غیرآلی، آب و آنیون­های معدنی بی­ضرر تبدیل می­ کند. خاصیت آب­دوستی زیاد تیتانیوم­دی­اکسید نیز ارتباط تنگاتنگی با خاصیت فتوکاتالیستی آن دارد. خاصیت فوق آب­دوستی آن باعث پدیده­ خودتمیزشوندگی می­ شود ]11 [.
به همین علت لایه ای نازک از تیتانیوم­دی­اکسید را روی سطح شیشه، کاشی و بعضی از ظروف می­نشانند تا مانع از کثیف شدن آنها شوند [زهانگ و همکاران1 2012]. نانو TiO2 با داشتن ویژگى­هاى ممتاز، بیشتر از
نیمه رساناهایى چون CdS و Fe2O3 و ZnO در تخریب فتوكاتالیستى با نیمه رسانا­ها در رفع آلاینده­ها مورد
استفاده قرار مى­گیرد. فتوكاتالیست از دو بخش­”فتو”­و­”كاتالیست” تشكیل شده، كه فتو معرف نوردهى و كاتالیست بیانگر فرایندى است كه سرعت واكنش انتقال شیمیایى را براى مواد شركت كننده، بدون توقف واكنش افزایش مى­دهد. همانطور که گفته شد، در سال­هاى اخیر استفاده از نیمه رساناها به عنوان فتوكاتالیست براى تخریب آلودگى­هاى آلى بسیار فراوان شده است]12،13 [ .
       به علت ویژگى­هاى نورى و الكتریكى، قیمت پایین، فعالیت فتوكاتالیستى بالا، ثبات شیمیایى، غیر سمى بودن، فراوانى و در دسترس بودن و عدم فرسایش و خوردگى در مقابل نور از تیتانیا به عنوان فتوكاتالیست رایج استفاده مى­شود ]کریمی و میرجلیلی 1388]] 14[. فتوکاتالیست­ها می­توانند در تصفیه­ی آب، هوا و پساب­ها­ی شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند. علاوه بر این فتوکاتالیست­ها در معرض نور ماورابنفش می­توانند باکتری­ ها و ویروس­ها را از بین ببرند. خواص خود تمیزشوندگی، ضدباکتری و تجزیه­ی آلاینده­ها محدوده­ وسیعی را برای کاربرد این مواد در حوزه های مختلف فراهم کرده است]15 ،16 [ .
             یکی از کاربردهای دیگر نانوتیتانیوم­دی­اکسید که از خاصیت آب­دوستی آن استفاد می­ شود، خاصیت ضدمه­گرفتگی آن است. مه­گرفتگیِ سطح شیشه و آیینه وقتی اتفاق می­افتد که بخار آب سرد روی این سطح می­نشیند و قطره­های آب تشکیل می­ شود. روی یک سطح فوق آب­دوست قطره­های آب تشکیل نمی­ شود
در­واقع، یک فیلم نازک آب به­ طور یکنواخت روی سطح تشکیل می­ شود. این فیلم نازک مانع از مه­گرفتگی می­ شود. وقتی سطح به حالت فوق­آب­دوست برود برای چند روز یا یک هفته حالت خود را بدون تغییر نگه می­دارد. بنابراین، می­توان انواع مختلف شیشه، آیینه، عینک را با این فناوری ضدمه کرد]17 [ .
       در شکل­های زیر (1-2)، (1-3)، (1-4) و (1-5)، نانو­ذره­ های تیتانیوم­دی­اکسید به کمک آنالیز­های FT-IR، TGA، XRD و SEM مورد بررسی قرار گرفته است]18،19 [ .
همان­طور که در طیف بدست آمده از آنالیز  FT-IRمشاهده می­ شود، پیک Cm-1 536 مربوط به ارتعاش کششی Ti-O-Ti است، شکل 1-2.      
– نانو کامپوزیت ها
امروزه نانو کامپوزیت ها در مقایسه با پلیمر های مشابه خالص و کامپوزیت های متداول به دلیل داشتن خواص میکانیکی ، فیزیکی و شیمیایی مطلوب تر ،کاربرد وسیعی در زمینه های مختلف صنعتی و تحقیقاتی یافتند.نانو کامپوزیتهای پلیمری نسل جدیدی از مواد هستند که شامل یه ماتریس پلیمری و درصد کمی از یک تقویت کننده نانو متری هستند .تقویت کننده نانو متری به علت داشتن نسبت طول به قطر زیاد ، ابعاد بسیار کوجک و میان سطح بسیار بالا در مقایسه با تقویت کننده های معمولی باعث بهبود خواص پلیمر می شود . وزن کمتر قطعات نهایی در مقایسه با کامپوزیت های معمولی ، استحکام میکانیکی بالاتر ، مقاوت بالا در برابر نفوذ گازها و بخارات ، سطح ظاهری بهتر ،فرایند پذیری راحتر و تحمل حرارتی بالاتر ، از ویژگی این مواد است . از طرف دیگر نانو کامپوزیت ها به دلیل داشتن خواص میکانیکی مناسب نسبت به مواد پلیمری مشابه ، دارای طول عمر بالاتر بوده و لذا مشکلات زیست محیطی مربوط به پسماند آنها نیز کاهش می- یابد]20،21 [ .
کامپوزیت ها به ماده مرکبی اطلاق می شود که از دو یا چند فاز مشخص تشکیل شده ، به نحوی که فازها به صورت مجزا ،خواص کاملا متفاوتی با یکدیگر داشته باشند . هدف از تهیه کامپوزیت ها ، تقویت یکی از فازهای تشکیل دهنده این مواد است]22 [ . به فاز تقویت شده اصلاحا فاز ماتریس (فاز زمینه یا پیوسته ) و به فاز تقویت کننده ، فاز ناپیوسته گفته می شود . کامپوزیت های زمینه پلیمری که در آن فاز زمینه ،ماده پلیمری است ،از جمله مهمترین دسته های کامپوزیت ها به شمار می روند]23 [. کامپوزیت های زمینه پلیمری از نظر نوع فاز تقویت کننده به سه گروه کامپوزیت های لیفی ، پودری و سطحی تقسیم می شوند .ائر کامپوزیت های لیفی ، فاز تقویت کننده از رشته های کوتاه یا بلند الیاف تشکیل شده و در کامپوزیت های پودری ،این فاز به صورت پودر یا ذرات ریز است .با وجود کارایی مطلوب فناوری کامپوزیت ها در تهیه مواد با خلوص مطلوب در اغلب موارد مواد کامپوزیتی پاسخگوی نیازهای صنعتی نبوده اند]24 [ . در سال های اخیر پژوهشگران دریافتند که چنان چه مواد را بتوان مواد را با مقیاس کوچکتر تهیه کرد ،پیوندهایی که ماده با ابعاد کوچکتر با فاز اطراف خود برقرار می کند، به مراتب قوی تر از مقیاس بزرگتر است]25 [ . بر اساس شاخه جدیدی از کامپوزیت ها به نانو کامپوزیت ها ، ارائه و توسعه یافته است . نانو کامپوزیت ها ماده مرکبی است که حداقل یکی از فاز های تشکیل دهنده آن دارای ابعاد نانو (بین 1 تا 100 نانو متر ) باشد . نانو کامپوزیت ها در مقایسه با سایر کامپوزیت ها ، به دلیل داشتن خواص فزیکی ، میکانیکی و شیمیایی مطلوب تر ،کاربرد های وسیعتری دارد .برخی از کاربرد های این مواد عبارتند از : صنایع هوانوردی ، اتومبیل سازی ، لاستیک ، ارتباطات ،صنایع شیمیایی ، متالوژی ، داروسازی ، بهداشت و علوم بیولوژیکی و فناوری انرژی]26 [ .
بهبود ویژگی نانو کامپوزیت ها در مقایسه با پلیمر های خالص ( به ویژه بهبود خواص مکانیکی ) از دیدگاهای مختلف قابل توجه است . از دیدگاهای زیست محیطی ، نانو کامپوزیت ها به دلیل دارا بودن خواص مکانیکی مطلوب تر نسبت به مواد پلیمری مشابه خالص ، دارای طول عمر و زمان مصرف بلند مدت بوده و از رو معضل ضایعات و دور ریز این مواد و به دنبال آن ، مشکلات زیست محیطی آن کاهش می یابد]27 [ .
1-4- خواص و کاربرد های نانو کامپوزیت زمینه پلیمری                                                                
با توجه به خواص متنوع نانو کامپوزیت های پلیمری ، دلایل زیادی را میتوان برای کسترش نانو کامپوزیت های پلیمری نام برد .اولین دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی آنهاست . نانو کامپوزیت های پلیمری عموما داراد
استحکام بالا ، وزن کم ، پایداری حرارتی بالا ، رسانای الکتریکی بالا و مقاومت شیمیایی بالایی هستند . دیگر عوامل موثر در توسعه نانو کامپوزیت های پلیمری و افزایش تحقیقات در این زمینه ، کشف نانو لوله های کربنی در سال 1991 میلادی است .استحکام و خواص الکتریکی نانو لوله های کربنی به طور قابل ملاحظه ای با نانو لایه های گرافیک و دیگر مواد پر کننده تفاوت دارد]28 [. از دیگر کاربرد نانو کامپوزیت های پلیمری پوشش مقاوم به سایش ، پوشش مقاوم به خوردگی ، پلاستیک های رسانا ،حسگرها ، آستر های مقاوم در دما بالا و غشاهای جداسازی گازها و سیالات نفتی است
1-4-1- انواع نانو کامپوزیت های زمینه پلیمری                                                                                    
1-4-1-1- حاوی نانو ذرات                                                                 
نانو ذرات بیشترین کاربرد را به عنوان ماده تقویت کننده در نانو کامپوزیت ها دارند . اضافه کردن ذراتی هم چون سلیکا ، ذرات فلزی و نیز برخی ذرات آلی و غیر آلی دیگر ، به ماده زمینه باعث افزایش و بهبود استحکام کششی و مدول الاستیک ماده زمینه می شود .با کاهش اندازه ذرات موجود در نانو کامپوزیت های پلیمری در ابعاد نانومتری ، خواص فیزیکی ، میکانیکی ، نوری و غیره در کامپوزیت ها بهبود می یابد .با جاسازی ذرات نانومتر شیشه در پلیمر ها میتوان نانو کامپوزیت هایی با شفافیت بالا معروف به نانو کامپوزیت های نورد تولید کرد . از این گروه میتوان به پوشش های اپوکسی حاوی نانو ذرات که توانایی جذب اشعه ماورا بنفش رادارد اشاره کرد]29 [ .