در سال ۲۰۱۲ جیانگ[۳۴] و همکاران، کامپوزیتی متشکل از پلیاتیلن کلرینه شده و الیاف پلیاسترتوخالی[۳۵] را تولید کردند که قابل استفاده در کابین هواپیما،خودروها، قطار و زیر دریاییها میباشد [۳۴].
آشنایی با فناوری نانو
نانوتکنولوژی[۳۶]، فنآوری نوین میان رشتهای است که در دهه اخیر باعث شکوفایی و جهش عظیم در بسیاری از حوزه ها شامل علوم مواد، مکانیک، الکترونیک، نور، پزشکی، پلاستیک، انرژی و هوا فضا شده است. اثرات عمیق نانوتکنولوژی به عنوان یک محرک عظیم در جهت نیل به انقلاب صنعتی دوم مطرح شده است. کوششهای نانوتکنولوژی در جهت دستکاری در اتمها، مولکولها و ذرات در مقیاس نانو با شرایط دقیق وکنترل شده و به منظور ساخت و ایجاد موادی با سازمان بنیادی جدید و خصوصیات نوین هدفگذاری شده است. مواد نانو، بنا به تعریف بنیاد ملی داننش ایالات متحده، موادی هستند که یکی از ابعا آنها کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. واژهی فناوری نانو در سال ۱۹۷۴ توسط ناریو تاناگوچی[۳۷] در دانشگاه توکیو برای توصیف دقت تولید مواد در محدوده نانومتر ابداع شد. اما ریشه این واژه به سال ۱۹۵۹ باز میگردد که در آن فیزیکدانی به نام ریچارد فینمن[۳۸] که به عنوان پدر فناوری نانو شناخته می شود، اصلاح و کنترل مستقیم اتمها را به عنوان گونه ای قدرتمندتر از شیمی مواد مصنوعی مطرح ساخت. در سال ۱۹۸۶ اریک درکسلر[۳۹] از دانشگاه MIT امریکا این مفاهیم را در کتاب خود« موتورهای آفرینش: عصر در حال ظهور فناوری نانو » بسط بیشتری داد، امروزه فناوری نانو نیروی محرکهی یک انقلاب صنعتی جدید تلقی می شود که در آیندهای نه چندان دور می تواند بر همه جنبه های زندگی بشر تأثیر گذاشته و آن را دگرگون سازد. بنیان نانوتکنولوژی براساس این حقیقت پایهگذاری شده است که مشخصات مواد با کاهش مقیاس تا محدوده نانو به طور چشمگیری متحول می شود. وقتی که مواد حجیم به ساختارهایی کوچکتر که یک و یا چند بعد آن مانند طول، عرض و یا ضخامت در محدوده نانومتر و یا حتی کمتر است تقسیم شوند، ذراتی منحصر به فرد و خصوصیاتی غیرقابل پیش بینی مشاهده می شود که با ویژگیهای مواد حجیم تفاوتهای بارزی دارد. ثابت شده است که اتمها و مولکولها رفتارهای کاملاً متفاوتی نسبت به مواد حجیم دارند .در سالهای اخیر نانوتکنولوژی به یکی از مهمترین زمینههای تحقیقات در تکنولوژیهای نوین بدل شده است. این دانش به درک خواص و رفتار جدید ذراتی با اندازه کمتراز nm100میپردازد که به نانو ساختارهای ساخته شده از آن ذرات، منتقل می شود. نانوتکنولوزی علم طراحی، ساخت و کاربرد نانوساختارها یا نانو مواد و بررسی ارتباط خواص مختلف مواد (فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی، الکتریکی و …) با ابعاد نانومتری آنها میباشد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
این دانش با بهره گرفتن از علوم مختلف مانند فیزیک، شیمی، علم مواد، بیولوژی و مهندسی چهار هدف عمده که شامل:
الف: سنتز نانوموادها[۴۰] و نانوساختارها[۴۱]
ب: بررسی ارتباط خواص مواد با ابعاد نانومتری آنها
ج: طراحی و ساخت نانو ابزارها
د: طراحی سازههای جدیدی با بهره گرفتن از نانومواد، میباشند را پیگیری مینماید.
لذا با توجه به خواص مناسبی که نانومواد دارا میباشند، استفاده از این فن آورى در کلیه علوم مانند پزشکى، پتروشیمى، علوم مواد، صنایع دفاعى، الکترونیک و غیره باعث شده است که تحقیقات در زمینه نانو به عنوان یک چالش اصلى علمى و صنعتى پیش روى جهانیان باشد [۳۷-۳۵].
نانو ذرات[۴۲]
ذرات نانو از زمانهای بسیار دور مورد استفاده قرار میگرفته است. شاید اولین استفاده آنها در لعابهای چینی و سرامیکهای تزئینی سلسلههای ابتدایی چین بوده است (قرن ۴ و ۵). کشفیات باستان شناسان روشنگر استفاده از نانوتکنولوژی حتی در دوران قبل از میلاد مسیح است. یک محصول معروف که از آن دوره بهجا مانده است، یک جام رومی موسوم به جام لیکورگوساست که در آن از نانو ذرات طلا استفاده شده است تا رنگهای متفاوتی از جام بر حسب نحوه تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید، البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است. کربن سیاه مشهورترین مثال از نانوذراتی است که دهها سال به طور انبوه تولید شده است و در تایرهای اتومبیل به منظور افزایش طول عمر آنها به کار رفته است و علت رنگ سیاه تایر هم، وجود این افزودنی سیاه رنگ است. گذشته از آن در دهه ۱۹۳۰ برای اولین بار روشهای فرآوری بخار جهت تولید نانو ذرات بلوری مورد استفاده قرار گرفته شد. در سالهای اخیر پیشرفتهای بسیار بزرگی در زمینه امکان ساخت نانوذرات از مواد گوناگون وکنترل شدید بر روی اندازه، ترکیب و یکنواختی آنها صورت گرفته است [۳۸].
نانوکامپوزیتها[۴۳]
مواد نانوکامپوزیتی در سالهای اخیر در علوم محض و مهندسی مورد بررسی و تحقیق زیادی قرار گرفتهاند. بهترین مثال برای نانوکامپوزیتهای طبیعی بافت استخوان است که از فاز زمینه سرامیکی و تقویت کننده های آلی تشکیل شده است. این مواد به دلیل تنوع زیادی که دارند، میتوانند کاربردهای فراوانی داشته باشند. نانوکامپوزیتها شامل مواد چند فازی هستند که حداقل یکی از اجزای تشکیلدهنده آن در یک بعد اندازه کمتر از۱۰۰ نانومتر داشته باشد. این مواد زمانیکه یکی از فازها به ابعاد نانو میرسد، خواص نانوکامپوزیت نسبت به کامپوزیتهای مرسوم از همان فازها، تغییر می کند. شایان ذکر است، برای رسیدن به خواص بهتر در نانو کامپوزیتها، میبایست توزیع اندازه نانو ذرات و پراکندگی آنها در فاز ماتریس کامپوزیت را کنترل نمود. علت اینکه این مواد نسبت به کامپوزیتهای متداول خواص ویژه و مطلوبتری را از خود نشان می دهند این است که، نیروهای بین سطح مشترک تقویت کننده و زمینه در یک نانوکامپوزیت، به علت ابعاد نانومتری ذرات تقویت کننده، نسبت به اندازه این نیروها در یک کامپوزیت معمولی قویتر میباشند. نانوکامپوزیتها از دو قسمت اصلی زمینه (ماتریس) و تقویت کننده تشکیل شده است که زمینه از لحاظ جنس، پلیمری، فلزی و یا سرامیکی میباشد. هر یک از این نوع کامپوزیتها براساس خواصی که دارند، کاربردهای متفاوتی نیز خواهند داشت. شیوه های مختلفی جهت تولید نانو کامپوزیتها بهکار گرفته شده است که شیوه انتخابی به خصوصیات پلیمر ماتریس، نوع ذره تقویت کننده و خواص مورد انتظار بستگی دارد. تولید نانوکامپوزیت ها به سه روش در حین پلیمریزاسیون، مخلوط کردن در مذاب و روش محلول انجام می شود. نانوکامپوزیتهای پلیمری را میتوان به وسیله شیوه مخلوط کردن در مذاب در مقیاس صنعتی تولید کرد، سپس به وسیله پروسه ریسندگی الیاف موردنظر را بدست آورد. فاز نانوساختار به کار رفته در نانوکامپوزیت می تواند از نانو مواد صفر بعدی (مانند نقاط کوانتومی)، یک بعدی (مانند نانوتیوب ها[۴۴] و نانوسیمها[۴۵] )، دوبعدی (مانند نانوپوششها) و سه بعدی (مانند نانوساختارها) تشکیل شود. نانوکامپوزیتها میتوانند خواص بهبود یافتگی مکانیکی، الکتریکی، نوری، الکترشیمیایی، کاتالیستی و ساختاری از خود نشان دهند. کامپوزیتها با داشتن آرایشهاى مولکولى متفاوت، کاربردهاى وسیع تر و جدیدترى را تجربه خواهند کرد. از جمله خواص مهم کامپوزیتها، استحکام زیاد در عین وزن کم، مقاومت بالا در برابر خوردگى وخاصیت جذب امواج رادارى است؛ این خاصیت به منظور ساخت هواپیماها و زیردریایىهایى که به وسیله رادار قابل شناسایى نیستند، مورد استفاده قرار مىگیرد [۳۹،۳۸].
پلیاستر
تحقیقات منظم و اصولی در مورد زنجیرههای پلیمری پلیاستر از سال ۱۹۲۸ توسط کاروترز[۴۶] امریکایی در دوپنت[۴۷] شروع شد. پلیاسترهایی که کاروترز پیدا نمود، غالباً از زنجیرهای طویل آلیفاتیک و موادی با نقطه ذوب (۹۰-۶۰) بوده و حلالیت زیاد در حلالهای آلی داشته و مقاومتشان در مقابل هیدرولیز شدن بسیار کم بود. مطالعات توسط دیگر محققین و دانشمندان در انگلستان ادامه پیدا کرد که نهایتاً در سال ۱۹۴۱، منجر به تولید پلیاتیلن ترفتالات توسط دیکسون[۴۸] گردید؛ یک ماده با نقطه ذوب زیاد که خصوصیات عالی جهت تهیه فیلم و الیاف داشت [۴۰]. پلیاستر یک پلیمر تراکمی ( یا پلیمر با رشد مرحله ای) حاوی گروه های استری در زنجیر تعریف میشوند که اصولاً این واحدهای استری پیوند اصلی زنجیرهای تشکیل دهنده پلیمر هستند. سادهترین روش تهیه پلیاستر، ترکیب یک مولکول الکل دو ظرفیتی دیول[۴۹] با یک اسید دو ظرفیتی دی کربوکسلیک اسید[۵۰] میباشد. الیاف پلیاستر که بیشتر منظور لیف پلیاتیلنترفتالات[۵۱] است، مهمترین لیف در صنعت الیاف مصنوعی دنیا میباشد. این الیاف ارزان هستند؛ به راحتی از مواد شیمیایی نفتی تولید میشوند و همچنین از خواص فیزیکی مطلوبی نیز برخوردارند. الیاف پلیاستر مستحکم، سبک و دارای خاصیت ضد چروک بوده و همچنین دارای خواص بشور و بپوش خیلی خوبی هستند. امکان تولید الیاف میکرو از پلیاستر وجود دارد که در البسههای رویی و لباسهای ورزشی از آن استفاده می شود. از پلیاستر در فرش، نخ لاستیک اتومبیل، کمربند ایمنی، فیلترهای پارچه ای، چادر مسافرتی، بادبان کشتی و امروزه به عنوان تقویت کننده در بسیاری از کامپوزیتهای جاذب صوت مورد استفاده قرار میگیرد [۴۳،۰۴].
پلیاتیلن کلرینه شده[۵۲]
تعداد زیادی از اصلاحات شیمیایی[۵۳] یا تغییر فرمهای ایجاد شده بر روی پلیاتیلن، به وسیله فرایند یا واکنشهایی نظیر:کلریناسیون، کلروسولفوناسیون، اکسیداسیون، پیوندزدن[۵۴] و به وجود آوردن شبکه های عرضی[۵۵] انجام می شود. در بین همه محصولات تولیدی، فرآیندهای کلریناسیون و کلروسولفوناسیون پلیاتیلن به دلیل خواص، کاربرد و درجات مختلف محصولات تولیدی، جایگاه خاصی دارد. واکنش کلریناسیون بر روی پلیاتیلن از نوع رادیکالی است که به وسیله نور یا آغازگرهای شیمیایی شروع می شود [۴۴].
واکنش کلریناسیون پلیاتیلن از دیدگاه کلی به صورت زیر میباشد.
شکل (۱-۷) واکنش کلریناسیون پلیاتیلن [۴۴]
خواص پلیاتیلن کلرینه شده بیشتر تحت تأثیر وزن مولکولی پلیمر، درجه کلریناسیون، ساختمان زنجیر و تکنیکهای استفاده شده برای کلریناسیون میباشد. پلیاتیلن کلرینه شده به دلیل خاصیت تقویت کنندگی در هنگام ترکیب شدن با دیگر پلیمرها، استفاده می شود. در بسیاری موارد میتوان به عنوان روکش کابل و سیم، رزین در صنایع رنگ، کفی کفش، چسب، جوهر چاپ و به عنوان یک الاستومر چندمنظوره استفاده کرد [۴۵].
واکنشهای مختلف تبدیل شدن پلیاتیلن به CPE
از واکنشهای تبدیل پلیاتیلن به پلیاتیلن کلرینه شده میتوان به ۱. کلریناسیون حلالی۲. کلریناسیون تعلیقی(سوسپانسیون)[۵۶] ۳. کلریناسیون به روش توده۴. کلریناسیون در فاز گاز- جامد نام برد، که دو روش اول پرکاربردتر میباشد. در کلریناسیون حلالی میتوان محصولی از %۱۰ تا %۸۰ کلر تولید نمود. محصول تولیدی کاملا ًیکنواخت و همگن است؛ رنگ آن روشن و خواص کششی آن کاملاً مطلوب است. در روش حلالی مشکلات زیست محیطی، مشکلات اقتصادی ناشی از جداسازی حلال باقیمانده در بافت محصول تولیدی، که احتیاج به مراحل مختلف خالصسازی و خشک کردن دارد وجود دارد. کلریناسیون تعلیقی یک فرایند ناهمگن است و احتیاج به مراقبت ویژه دارد تا توزیع کلر و کریستالینیته را یکنواختتر کند.
پلیاتیلن کلرینه شده دارای ویژگیهای: خاصیت تقویت کنندگی در ترکیب با پلیمرهای دیگر،داشتن فرم الاستومری و مدول پایین،تأخیر در آتش پذیری، سازگاری و قابلیت ترکیب با پلیمرهای دیگر، حلالیت خوب با بسیاری از حلالهای آروماتیک و آلیفاتیک، مقاومت در برابر مواد شیمیایی و شرایط محیطی (ازن، اکسیژن، رطوبت) می باشد [۴۵،۴۴].
نانوکلی[۵۷]
نانو ذرات کلی از مجموعه آلومینوسیلیکاتها[۵۸] میباشند که به دو دسته کلی سیلیکاتهای[۵۹] لایهای طبیعی مانند مونت موریلونیت[۶۰] و سیلیکاتهای لایهای سنتزی مانند مگادیت[۶۱] ، میکا[۶۲] ، لاپونیت[۶۳] و فلوروهکتویت[۶۴] تقسیم بندی میشوند. هر کدام از این مواد دارای ساختار کریستالی و ترکیب شیمیایی متفاوتی هستند که خصوصیات خاصی را به ماتریس پلیمری میبخشند. نانوذرات مونت موریلونیت به دلیل اینکه از خلوص بالاتری نسبت به سایر نانو مواد برخوردار بوده و در طبیعت به وفور یافت می شود، بیشتر مورد توجه قرارگرفتهاند. مونت موریلونیت یک سیلیکات لایهای نوع ۲:۱ میباشد که این نوع لایه های سیلیکاتی از یک اکتاهیدرال آلومینا[۶۵] که بین دو پوسته تتراهیدرال سیلیکا[۶۶] قرار گرفته است، تشکیل شده است .پوستههای سلیکا دارای یونهای مثبت سدیم[۶۷]، کلسیم[۶۸] و پتاسیم[۶۹] روی سطح خود میباشند که جهت اختلاط مناسب با پلیمر باید این یونهای معدنی را با یونهای آلی جایگزین کرد. با قرارگرفتن یونهای آلی که معمولاً یونهای کاتیونی آلکیل آمونیوم[۷۰] میباشند، تمایل فاز آلی به قرار گرفتن بین صفحات نانو بیشتر شده و اختلاط بهتری انجام میگیرد. این اصل کلی وجود دارد که هر چه اختلاط نانو ذرات در ماتریس پلیمری بهتر انجام گیرد و ذرات نانو بطور یکنواختتر در سرتاسر ماتریس پلیمری پخش شوند، خصوصیات بهتر از نانوکامپوزیت حاصل بدست می آید. علاوه براین ایجاد سازگاری مناسب بین ماتریس پلیمری و نانو ذرات، سطح مشترک قوی بین اجزاء نیز در شکل گیری خواص مکانیکی مطلوب حائز اهمیت میباشد. نانوکامپوزیتهای تقویت شده بهوسیله نانو ذرات کلی از آن لحاظ بسیار مهم میباشند که، ماتریس پلیمری که فاز آلی است بهوسیله نانو ذرات معدنی تقویت می شود که حاصل آن یکی از مهمترین کلاسههای مواد مصنوعی است که هم مزایای مواد آلی مانند سبکی، انعطافپذیری، فرآیندپذیری مطلوب را دارا میباشد و هم از خصوصیات مواد معدنی مانند استحکام بالا، پایداری حرارتی مناسب و مقاومت شیمیایی قابل قبول، برخوردار میباشد. این کلاس از مواد مهندسی که یک هیبرید[۷۱] آلی، غیر آلی میباشد، توانایی ارائه موادی را دارند که با مقدار کمی تقویت کننده معدنی خصوصیات قابل قبولی را به محصول میدهد. به دلیل سطح زیاد صفحات نانو ذرات معدنی کلی این پلیمرها قابلیت ممانعت عبور گاز را دارا میباشند. از دیگر قابلیت های این مواد استحکام بالا، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت در خراشیدگی و سایش و پایداری حرارتی میباشد. شیوه های گوناگونی جهت تولید نانو کامپوزیت تولید شده بهوسیله استفاده از نانو ذرات معدنی کلی وجود دارد که میتوان به روشهای اضافه کردن نانو ذرات به پلیمر محلول، قرار دادن لایه های نانوکلی در زمان پلیمریزاسیون[۷۲] و مخلوط کردن در مذاب اشاره کرد [۴۸-۴۶].
عمل پلاسما
آکاسوفو[۷۳] و همکارانش اشاره کردند که در سال ۱۹۲۳ میلادی لانگ مویر[۷۴] و تنگس[۷۵] دو فیزیکدان آمریکایی اعلام کردند که پلاسما گازی است که اکثر اتمها یا مولکولهای آن یونیزه شده باشد [۴۹]. ویژگیهای منحصر به فرد محیط پلاسما این تکنولوژی را برای صنعت نساجی جذاب کرده است. اصولاً پلاسما یک حالت ماده از درجهحرارت ۱۰۰۰۰درجه سانتی گراد به بالا میباشد و این همان حالتی از ماده است که حداکثر اجرام سماوی مانند خورشید از آن تشکیل شده اند. پلاسما فراوانترین ماده در جهان است و اصولاً اجرام سماوی را که منبع حرارت هستند، تودههای متراکم پلاسمایی نامیدهاند. طبقهی بالایی جو نیز از پلاسما تشکیل شده، به همین علت آن را یونوسفر[۷۶] مینامند.
پلاسما از ریشه یونانی پلسین[۷۷] ( به معنی شکل گرفتن و قالب پذیرفتن) گرفته شده است. دانشمندان معتقدند که ماده می تواند در چهار حالت جامد، مایع، گاز و پلاسما وجود داشته باشد. در تعریف علمی پلاسما گاز یونیزه شده است که قسمت های زیادی از اتمهای آن یک یا چند الکترون خود را از دست داده باشند و به یونهای مثبت تبدیل شوند. در کل پلاسما را میتوان مخلوطی متشکل از سه جزء: الکترونهای آزاد، یونهای مثبت و اتمها یا مولکولهای خنثی در نظر گرفت [۵۰].
شیمی پلاسما
اجزای اصلی
بیشتر پلاسماهای مورد استفاده، از گاز مولکولی یا یک ترکیب گازی شامل مولکولها، ایجاد میشوند. بنابراین در این حالت تعداد زیادی اجزای اصلی وجود خواهد داشت. انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از یک مولکول یا یک اتم به عنوان پتانسیل یونیزه شدن شناخته می شود. انرژی های لازم برای شکست یک مولکول به اجزاء اصلی گوناگون با نام انرژی تجزیه شناخته می شود. براساس جدول (۱-۲)، این انرژیهای تجزیه عموماً از پتانسیل یونیزه شدن کمتر هستند، بنابراین اغلب درجه بالایی از یونیزه شدن در گازهای یونیزه شده وجود دارد. محصولات تجزیه مولکول اولیه از اهمیت بالایی برخوردارند چون میتوانند به صورت شیمیایی با اجزاء سطح، واکنش دهند[۵۱] .
جدول (۱-۲) مشخصههای انرژی برای چند اتم و مولکول [۵۱]
اتم یا مولکول
پتانسیل یونیزاسیون
(ev)
میل به الکترون
(ev)
سطح انرژی کم ثبات (ev)
پایینترین انرژی تهیج(ev)
انرژی تجزیه
(ev)
H
۶/۱۳
۷۵/۰
۲/۱۰
He
۶/۲۴
۸/۱۹
