V ولتاژ، W عرض نمونه، I متوسط شدت جریان عبوری و l طول فاصله الکترودها می باشد.
بررسی سطح نمونهها
به منظور بررسی سطح نمونهها پس از لایهنشانی توسط نانوذرات فلزی، پلیمر رسانا و نانولولههای کربنی از نمونهها از میکروسکوپ الکترونی پویشی نشر میدانی مدل S -4160 ساخت هیتاچی ژاپن استفاده شد.
میکروسکوپ الکترونی پویشی با بهره گرفتن از یکسری پرتوهای الکترونی پرانرژی، سیگنالهای متفاوتی بر روی سطح نمونههای جامد ایجاد می کند. هنگامی که پرتو الکترونی به سطح نمونه برخورد می کند و در اثر برهمکنش با اتمهای نمونه، سیگنالهایی به شکل الکترونهای ثانویه تولید میشوند که اطلاعاتی در مورد توپوگرافی سطح زیرلایه می دهند.
شکل ۲‑۷- تصویر میکروسکوپ الکترونی پویشی نشر میدانی
تعیین چگونگی برهمکنش شیمیایی پلیمرها و نانولولهی کربنی با پارچه
طیف سنجی مادونقرمز براساس جذب تابش و بررسی جهشهای ارتعاشی مولکول و یونهای چنداتمی صورت میگیرد که از آن برای تعیین ساختار و اندازه گیری گونه های شیمیایی استفاده میگردد. برهمکنش تابش مادونقرمز با یک نمونه باعث تغییر انرژی ارتعاشی پیوند در مولکولهای آن می شود و روش مناسبی برای شناسایی گروه های عاملی و ساختار مولکولی است. شرط جذب انرژی مادونقرمز توسط مولکول این است که گشتاور دو قطبی در حین ارتعاش تغییر نماید. در طیف الکترومغناطیسی ناحیه بین ۴۰۰-۸/۰ مربوط به ناحیه مادونقرمز است ولی ناحیهای که در جهت تجزیه شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد، بین ۵۰-۸/۰ است. ناحیه بالاتر از ۲۵-۸ را ناحیه اثر انگشت مینامند. هر جسم در این ناحیه یک طیف مخصوص به خود دارد که برای شناسایی گروه های عاملی آن به کار میرود. برای شناسایی کیفی یک نمونه مجهول، نوع گروه های عاملی و پیوندهای موجود در مولکولهای آن، طیف مادونقرمز را بدست آورده و با مراجعه به جداول مربوطه که موقعیت ارتعاش پیوندهای مختلف و یا طیف IR اجسام را نشان می دهند، طول موج یا عدد موج گروه ها و پیوندها را شناسایی می کنند. به همین منظور جهت بررسی چگونگی اتصال پلیمر و نانولولههای کربنی با پارچه، از پارچه قبل و بعد از لایه نشانی طیف FT-IR (Magna-IR 560, Nicolet Ltd., England) گرفته شد (شکل ۲-۸).
( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
شکل ۲‑۸- تصویر دستگاه طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه
بررسی میزان انعکاس نور از سطح نمونهها
برای تعیین ویژگی های انعکاسی نمونهها در محدوده مرئی از طیف سنج انعکاسی مدل Colour-Eye 7000A ساخت شرکت X-Rite آمریکا استفاده شد. اندازه گیریهای انعکاسی در محدوده طول موج ۳۶۰ تا ۷۵۰ نانومتر با فواصل ۱۰ نانومتر انجام شد. این دستگاه میزان انعکاس کلی را در این محدوده نشان میدهد.
شکل ۲‑۹- تصویر اسپکتروسکوپی انعکاسی
ولتامتری چرخهای[۲۹]
ولتامتری چرخه ای تکنیک قدرتمندی در مطالعات الکتروشیمیایی است که اطلاعات زیادی در مورد پتانسیل و فرایند های الکتروشیمیایی که بر روی سطح انجام میگیرد، میدهد. به طوری که قادر است پارامترهای سینتیکی را برای گستره وسیعی از مکانیزمها تعیین کند. این روش به طور گسترده در مطالعات جذب فرایندهای اصلاح[۳۰] سطح، انتقال فاز و سینتیک الکترودها بکار گرفته میشود. همچنینCV روش خوبی برای تشخیص آلودگیهای محلول و کیفیت آماده سازی الکترود میباشد [۱۰۰]. CV عبارت است از روبش پتانسیل الکترود بین دو حد E1 و E2 با سرعت معین در( ν (، اما به محض رسیدن به پتانسیل E2، روبش پتانسیل به جای تمام شدن ( معمولا با همان سرعت روبش) در جهت معکوس انجام میگیرد. روبش پتانسیل پس از رسیدن مجدد به پتانسیل E1 ممکن است متوقف یا دوباره در جهت معکوس و تا مقدار E دیگر ادامه یابد. جریان در CV بر حسب تابعی از پتانسیل اعمالی ثبت میشود [۱۰۰]. برای اندازه گیری نمودار ولتامتری چرخهای نمونهها از دستگاه Potentiotate Galvanostate- Auto lab استفاده گردید. در این روش اندازه گیری از الکترود مرجع Ag/AgCl ، الکترود کمکی پلاتین و الکترود کار (نمونههای لایهنشانی شده با پلیمر رسانا و نانولولههای کربنی) غوطهور شده در محلول الکترولیت (لیتیم پرکلرات ۱/۰ مولار، لیتیم یدید ۱۰ میلیمولار و ید ۱ میلیمولار در استونیتریل) استفاده شد. اندازه گیری با سرعت اسکن ۱۰ میلیولت بر ثانیه و محدوده ولتاژ اعمالی ۸/۰- تا ۶/۱ انجام شد.
شکل ۲‑۱۰- دستگاه ولتامتری چرخهای
فصل سوم
نتایج و بحث
.
مقدمه
همانطور که پیشتر اشاره شد هدف از پروژه فوق، در ابتدا تکمیل منسوج با پلیمرهای رسانا و سپس نانولولههای کربنی میباشد. برای این منظور از پارچهی پلیاستر به عنوان زیرلایه استفاده شد جهت آماده سازی دو نوع عملیات هیدرولیز قلیایی و عملآوری با پلاسمای اکسیژن بر روی نمونهها انجام شد. تعدادی از نمونهها با نانو ذرات مس و نیکل پوششدهی شدند. سپس لایهنشانی پلیمر رسانا بر روی زیرلایههای فوق توسط روش پلیمریزاسیون شیمیایی انجام شد.
بررسی خصوصیات منسوج لایهنشانی شده با بهره گرفتن از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی، اسپکتروسکوپی مادون قرمز تبدیل فوریه، اسپکتروسکوپی انعکاسی، ولتامتری چرخهای انجام شد.
بررسی مورفولوژی نمونههای آماده شده با پلاسمای اکسیژن و هیدرولیز قلیایی
قبل از لایهنشانی سطح منسوج کاملا صاف و تمیز و بدون هیچ گونه خراشی میباشد. در طی فرایند آماده سازی با توجه به نوع فرایند یکسری خراش یا فرسایش روی سطح ایجاد می شود که می تواند باعث بهبود بسیاری از خواص منسوجات مثل ترشوندگی، چسبندگی، قابلیت چاپ، اصطکاک، مقاومت در برابر لک و … می شود. به عبارت دیگر با اصلاح سطح میتوان خصوصیات و عملکرد متنوع و مطلوبی را در منسوجات ایجاد کرد اما در ویژگیهای اصلی ماده تغییری ایجاد نمی شود. [۹۷].
هیدرولیز شیمیایی با ایجاد فضاهای لازم برای به تله افتادن ذرات لایه نشانی شده بطرز بسیار ملایمی انجام شده است که بصورت سطوح موجدار و یا بصورت زبری بر روی سطح ظاهر می شود.
بعد از آماده سازی نمونهها با پلاسمای اکسیژن، تغییراتی در مورفولوژی سطح الیاف مشاهده شد که این به علت تخریب موضعی پلیمر در لایه های سطحی میباشد. این تغییرات مورفولوژی به صورت زبریهایی بر روی سطح مشاهده میگردد.
شکل ۳‑۱- تصویر میکروسکوپ الکترونی پویشی پارچهی پلیاستری الف) خام، ب) عملشده با پلاسمای اکسیژن، ج) عملشده با سدیم هیدروکسید
بررسی طیف سنج مادون قرمز تبدیل فوریه
به منظور بررسی تشکیل گروه های هیدروکسیل بر روی سطح پارچهی پلیاستری آماده سازی شده با پلاسمای اکسیژن و سدیم هیدروکسید از طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه استفاده شده است که طیف حاصل در شکل ۳-۲- مشاهده می شود. پیک ظاهر شده در ۱- Cm3437 مربوط به ارتعاشات کششی –OH میباشد. شدت و پهنای این پیک بعد از فرایند آماده سازی تغییر کرده که می تواند نشاندهنده تشکیل گروه های هیدروکسیل توسط فرایند آماده سازی در سطح پارچه باشد. شدت تغییرات در طیف مربوط به پارچهی آماده سازی شده با پلاسما بیشتر میباشد که نشاندهنده تاثیر بیشتر فرایند پلاسمای اکسیژن در تشکیل گروه های هیدروکسیل در سطح پارچه است.
پلاسما از طریق برخورد الکترونها و فرآیندهای فتوشیمیایی باعث قطع ارتباط مولکولها و درنتیجه تولید رادیکالهای آزاد با چگالی بالا می شود. این عمل باعث اختلال پیوندهای شیمیایی در سطح الیاف و پلیمرها و درنتیجه شکل گیری گونه های شیمیایی جدید می شود. هم شیمی سطح و هم توپوگرافی سطح تحت تاثیر پلاسما تغییر می کند اما در ویژگیهای اصلی ماده تغییری ایجاد نمیکند[۹۵, ۹۸].
شکل ۳‑۲- طیف مادون قرمز پارچهی پلیاستر خام، عمل شده با پلاسمای اکسیژن، عمل شده با سدیم هیدروکسید
بررسی مورفولوژی نمونههای لایهنشانی شده با نانوذرات مس و نیکل
در مرحله بعد جهت پوششدهی پارچهها با بهره گرفتن از نانوذرات مس و نیکل از روش لایهنشانی احیایی استفاده شد. با مقایسه شکل ۳-۱ و ۳-۳ واضح است که مورفولوژی سطح تغییر کرده و به طور کامل با بهره گرفتن از نانوذرات فلزی پوششدهی شده است. در پارچههای عمل شده با پلاسما، مورفولوژی نانوذرات مس به صورت مخروطی است که در جهتهای مختلف رشد پیدا کردند. این نوع مورفولوژی باعث ایجاد خلل و فرج در سطح می شود.
نانوذرات نیکل پوششدهی شده بر روی سطح پارچه دارای مورفولوژی مخروطی یا گلکلمی هستند به همین دیل نسبتا سطح صافتری داشته و خلل و فرج کمتری روی سطح منسوج لایهنشانی شده مشاهده می شود.
شکل ۳‑۳- تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی الف) لایهنشانی شده با نانوذرات نیکل ب) لایهنشانی شده با نانوذرات مس
(فرایند آماده سازی با بهره گرفتن از پلاسمای اکسیژن انجام شد.)
در پارچههای هیدرولیز شده برای نانو ذرات مس، ذرات مخروطی شکل مشاهده نشده و ذرات به صورت گلکلمی و همراه با خلل و فرج میباشند. مورفولوژی سطح یکنواختتر و خلل و فرج کمتری نسبت به حالت پلاسما مشاهده میگردد.
برای نانوذرات نیکل نوع فرایند آماده سازی تاثیر زیادی بر شکل نانوذرات لایهنشانی شده نداشته و فقط در میزان تراکم لایه ایجاد شده تفاوت حاصل شد.
لایه نانوذرات فلزی تشکیل شده بر سطح پارچه ای که به روش پلاسما عمل شده از تراکم و پیوستگی بسیار زیادی برخوردار است اما در روش هیدرولیز شیمیایی از تراکم بسیار کمتری برخوردار میباشد که این امر تایید کننده میزان مقاومت الکتریکی بالاتر در منسوج آماده سازی شده به روش پلاسما میباشد.
شکل ۳‑۴- تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی الف) لایهنشانی شده با نانوذرات نیکل ب) لایهنشانی شده با نانوذرات مس
(فرایند آماده سازی با بهره گرفتن از هیدرولیز قلیایی انجام شد.)
از نمونههای لایهنشانی شده با نانوذرات مس و نیکل و نمونههای خام عمل شده با پلاسمای اکسیژن و سدیم هیدروکسید به عنوان زیرلایه برای مراحل بعدی استفاده شد.
نمونههای عملشده با پلاسمای اکسیژن که با نانوذرات مس لایهنشانی شدند به دلیل مورفولوژی ایجاد شده و شکل مخروطی نسبت به سایر نمونههای نیکل خلل و فرج بیشتری داشته درنتیجه در چسبندگی و میزان لایهی پلیمر رسانا بر روی سطح زیرلایه موثر میباشد.
بررسی خصوصیات منسوج لایهنشانی شده با پلیمر رسانای پلیانیلین و پلیپیرول
بررسی منسوج لایهنشانی شده با پلیانیلین
جهت لایهنشانی منسوج با پلیانیلین به روش پلیمریزاسیون شیمیایی از زیرلایههای مختلف (پارچهخام، پارچهی پوششدهی شده با نانوذرات مس، پارچهی پوششدهی شده با نانوذرات نیکل که آماده سازی هر کدام از این زیرلایهها به دو روش هیدرولیز قلیایی و پلاسمای اکسیژن انجام شد) استفاده شد. لایهنشانی پارچهی خام که با پلاسمای اکسیژن و سدیم هیدروکسید مورد عمل قرار گرفت با موفقیت انجام شد و یک لایهی یکنواختی از پلیانیلین بر روی سطح منسوج تشکیل شد که باعث تغییر رنگ منسوج از سفید به سبز تیره گردید. اما هنگام لایهنشانی پارچههای پوششدهی شده با نانوذرات مس و نیکل با پلیانیلین رفتار جالبی مشاهده گردید. پس از اتمام پلیمریزاسیون و خروج نمونهها از محیط واکنش مشاهده شد که رنگ نمونه کاملا سفید و تمامی نانوذرات مس و نیکل که بر روی سطح پارچه پوششدهی شده بودند، وارد محلول شدند.
البته این اتفاق ناشی از اسیدی بودن محیط و وجود اکسیدکننده آمونیوم پرسولفات میباشد. مس و نیکل به دلیل ویژگیهای خوبی همچون رسانایی بالا و فراوانی در صنعت زیاد مورد استفاده قرار میگیرند. با قرار گرفتن در محیط اسیدی این فلزات دچار خوردگی میشوند. تحقیقاتی جهت جلوگیری از خوردگی مس و نیکل در محلول اسیدکلریدریک ۵/۰ مولار به کمک مواد بازدارنده انجام شد[۱۰۱, ۱۰۲]. ویلیام برای حکاکی مس از یک محلول رقیق آمونیوم پرسولفات استفاده کرد. ویلیام یک حلقهی مسی را وزن کرد و به مدت یک ساعت در محلول آمونیوم پرسولفات قرار داد و پس از خروج و اندازه گیری وزن حلقه متوجه کاهش وزن آن شد.این آزمایش برای فلزات دیگری همچون نیکل، آهن هم انجام شد و کاهش وزن مشاهده شد[۱۰۳].
همانطور که در فصل ۲ گفته شد پلیمریزاسیون انیلین در شرایط اسیدی(مونومر در اسید کلریدریک ۵/۳ مولار و آمونیوم پرسولفات در اسیدکلریدریک ۱ مولار حل شد.) انجام شد. برای بهتر کردن شرایط جهت جلوگیری از انحلال نانوذرات مس و نیکل، محلول مونومر هم در اسید کلریدریک ۱ مولار حل شد اما باز هم تمامی نانوذرات فلزی وارد محلول شد. اگر اسیدیته محیط پایین (اسیدی) نباشد پلیمر حاصل رسانا نخواهد بود[۴۵]. برای حل این مشکل از کلرید آهن (FeCl3) به عنوان آغازگر و اسیدکلریدریک به غلظت ۰۵/۰ مولار استفاده شد اما پس از اتمام پایان فرایند پلیمریزاسیون باز هم نتیجه مشاهده شد که نانوذرات فلزی در محلول حل شد. کلرید آهن کسیدکنندهی ملایمتری نسبت به آمونیوم پرسولفات است که برای انجام پلیمریزاسیون به زمان بیشتری هم نیاز است که در این مدت انحلال نانوذرات هم اتفاق میافتد[۱۰۴].
به طور کلی محیط اسیدی و استفاده از ماده اکسیدکننده برای پلیمریزاسیون پلیانیلین به شکل رسانا، ضروری است اما باعث انحلال نانوذرات فلزی در محلول می شود. لذا برای لایهنشانی زیرلایههایی پوششدهی شده با نانوذرات مس و نیکل از روشهای دیگری استفاده شد. میزان مقاومت الکتریکی سطحی و درصد افزایش وزن پارچههای خام (آماده سازی شده با هیدرولیز قلیایی و پلاسمای اکسیژن) در جدول ۳-۱ گزارش شده است.
در روش غوطهوری و اسپری از محلول ۲و ۵ درصد حاوی پلیانیلین ، AMPSA (با نسبت ۱ گرم پلیانیلین و ۹/۰ گرم AMPSA) در حلال دیکلرو استیک اسید استفاده شد. دیکلرو استیک اسید یک اسید قوی با فرمول شیمیایی CHCl2COOH میباشد. در هر دو روش (اسپری، غوطهوری) هنگامی که نمونه را در آون قرار میدهیم تا خشک شود نمونه حالت خمیری میگیرد که ناشی از تاثیر اسید بر ساختار پارچه میباشد. برای رفع این مشکل از استون استفاده شد. درنتیجه پارچه پس از لایهنشانی با محلول مورد نظر به مدت چند ثانیه در استون غوطهور شد تا حلال از روی سطح پارچه خارج شود اما در این روش هم لایهنشانی با کیفیت خوب انجام نشد چون بخشی از محلول وارد استون شد. در حین اسپری کردن، نمونهها را بر روی سطح هیتر قرار داده شد تا حرارت ببیند اما باز هم همان حالت خمیری در پارچهها مشاهده شد. پارچهی پلیاستری خام بعد از ۴۰ دقیقه غوطهوری در دیکلرو استیک اسید، کاملا در آن حل شد اما پارچهی پوشیده شده با نانوذرات فلزی حل نشد اما بسیار ترد و شکننده شد که نشاندهنده تخریب ساختار پلیاستر توسط اسید میباشد.
بررسی مورفولوژی منسوج لایهنشانی شده با پلیانیلین
شکل ۳-۵ تصویری از پارچهپلیاستری خام و پارچهی پلیاستری لایهنشانی شده با پلیانیلین را نشان میدهد. سطح الیاف قبل از لایهنشانی کاملا صاف و تمیز است اما در پارچهی لایهنشانی شده با پلیانیلین مورفولوژی سطح تغییر کرده و سطح توسط ذرات پلیمری پوشیده شده است. همانطور که در تصویر نیز مشخص است پوششدهی سطح الیاف با پلیانیلین در کاملا یکنواخت نیست که بر روی مقاومت الکتریکی سطح نمونهها ناثیر می گذارد.
شکل ۳‑۵- تصویر میکروسکوپ الکترونی پویشی پارچهی پلیاستری الف) خام ب) لایهنشانی شده با پلیپیرول
بررسی منسوج لایهنشانی شده با پلیپیرول
[چهارشنبه 1400-09-24] [ 10:07:00 ق.ظ ]
|