الیاف نانوی پلی آنیلین Polyaniline

دسته: مقالات منتشر شده در 10 خرداد 1399
نوشته شده توسط Admin بازدید: 879

الیاف نانوی پلی آنیلین

 الیاف نانویی پلی آنیلین یکی از درجات ویژه پلی آنیلین می باشند که در واقع نوعی پلیمر است که از مونومرهای آنیلین ساخته شده است و به عنوان رشته های بلندی با قطر متوسط از ۳۰ تا ۱۰۰ نانومتر شناخته می شود. پلی آنیلین نیز یکی از قدیمی ترین پلیمرهای رسانا بوده که بیش از ۱۵۰ سال از شهرت

بسیار زیادی برخوردار بوده است و الیاف نانویی این ماده معمولاً به دلیل توانایی خود در بهبود خواص این پلیمر و یا سایر خواص دیگر همانند ایجاد ساختارهای نانو برای مواد پلیمری مورد تحقیق و بررسی قرار می‌گیرد. ویژگی هایی که باعث می‌شوند تا پلی آنیلین به عنوان یک گزینه کاربردی معرفی شود در الیاف نانوی این مواد نیز دیده می شود همانند سنتز آسان، پایداری محیطی و همچنین ایجاد ناخالصی های اسید و بازی ساده و یا عکس آن در حوزه شیمی. تمامی موارد یاد شده و سایر خواص منجر به شکل‌گیری مصارف بسیار متفاوتی برای الیاف نانوی این ماده شده اند همانند عملگرها، دستگاه‌های دارای حافظه و سنسورها.

 

الیاف نانوی پلی آنیلین چگونه سنتز می شود؟

روش هایی که برای بسپارش الیاف یادشده به کار برده می شوند عبارتند از بسپارش اکسیداتیو شیمیایی، سنتز بخش های مشترک و متد های ترکیبی سریع و سایر روش هایی که از مصرف بسیار کمتری برخوردارند نیز عبارتند از بذرافشانی الیاف نانو، سنتز الکترونیکی، الکتروریسی و همچنین انجام بسپارش در محلولهای رقیق آنیلین.

 

بسپارش اکسیداتیو شیمیایی

بسپارش اکسیداتیو شیمیایی روشی معمول و سنتی برای بسپارش آنیلین در حجم بسیار بزرگ است و زمانی که این ماده با یک اکسایش گر در یک محلول اسیدی ترکیب می‌شود بسپارش رخ میدهد. مهمترین پارامتری که باید در این متد برای سنتز الیاف نانوی پلی آنیلین مورد توجه قرار گیرد این است که هسته زایی همگن بر هسته زایی غیر همگن یا نامتجانس برتری دارد. هسته زایی همگن زمانی اتفاق می‌افتد که هسته به صورت ناگهانی در محلول شکل می گیرد و این درحالی است که هسته زایی ناهمگن زمانی اتفاق می‌افتد که هسته در سایر نمونه ها و گونه ها رشد می کند. در مراحل اولیه بسپارش فقط الیاف نانو شکل می گیرند زیرا هیچ‌گونه هسته ناهمگنی برای هسته زایی وجود ندارد و این در حالی است که اگر کنترل بر واکنش وجود نداشته باشد هسته های ناهمگن غلبه خواهند کرد و این درحالی است که پلی آنیلین به روی ذرات موجود رشد می کند و نوعی انباشتگی و یا تراکم غیرقابل بازگشت را به وجود می‌آورد. این واکنش می‌تواند به صورت کلی مزایای بسیاری برای هسته زایی همگن داشته باشد و این کار نیز از طریق افزایش سرعت واکنش، دمای واکنش و همچنین امکان انجام واکنش بدون ترکیب و یا آمیختگی انجام می گیرد. علاوه بر آن این امکان وجود دارد که قطر الیاف نانو پلیمر یاد شده را توسط اسید انتخاب شده تغییر داد به عنوان مثال هیدروکلریک اسید انواعی از الیاف نانو را با قطر حدود ۳۰ نانومتر تولید می‌کند و این در حالی است که کامفور سولفونیک اسید و پرکلریک اسید انواعی از الیاف با قطر ۵۰ و ۱۲۰ نانومتر را به ترتیب تولید می کند. در شرایط نرمال سنتز انواعی از مشتقات این ماده همانند آنهایی که با الکیل و یا فلوئورو جایگزین می‌شوند نمی‌توانند شکل فیبری مشخصی داشته باشند و این در حالی است که حضور الیگومر های آنیلین باعث می‌شود تا فیبرهای نانو در انواع ویژه ای از مشتقات این ماده بتوانند سنتز شود. اگرچه رایج‌ترین اکسید کننده با نام ammonium peroxydisulfate (APS) شناخته می‌شود اما می‌توان از گروه‌ها و یا انواع متفاوتی نیز استفاده کرد و مطالعه ای نشان می دهد که استفاده از پتاسیم بی یودات به عنوان یک اکساینده می‌تواند منجر به ایجاد الیاف نانویی بلندتری از پلی انیلین شود که علاوه بر آن بلورینگی بیشتری داشته و از رسانایی الکتریکی بیشتری نیز برخوردارند.

 

سنتز بخش‌های مشترک

در روش بسپارشی سنتز بخش‌های مشترک بسپارش در بخش میانی بین لایه های ارگانیک و ابی اتفاق می‌افتد و یک واکنش معمول شامل یک محلول آبی از اسید و اکسنده و همچنین یک لایه ارگانیک از آنیلین می‌شود. این حالت باعث می شود تا بخش میانی واکنشگر برای بسپارش به وجود بیاید و در حالیکه بسپارش همچنان پیشرفت می کند الیاف نانو پلی آنیلین در لایه منتشر می شوند و نوعی لایه واکنشگر را به وجود می‌آورند که این خود منجر به آن می‌شود که هسته زایی همگن همچنان ادامه پیدا کند. شرایط موجود در سنتز بخش‌های میانی را می توان تنظیم کرد همانند نوع اسید به کار برده شده و یا اکسنده ای که مورد استفاده قرار گرفته است.

 

واکنش های ترکیبی سریع

امکان سنتز الیاف نانوی پلی آنیلین از طریق واکنش های ترکیبی سریع نیز وجود دارد و در این روش از رشد بیش از اندازه پیشگیری می‌شود که می‌تواند با قطع ناگهانی بسپارش پس از تشکیل الیاف نانویی باعث شود تا طبیعت این الیاف به خطر بیفتد. این مورد با ترکیب سریع مونومر آنیلین و یک محلول آغاز کننده انجام می گیرد و در ابتدای واکنش، ماده آغاز کننده به سرعت مصرف شده و از بین می‌رود و این درحالی است که الیاف نانو شکل می گیرد. زمانی که مقدار ماده آغازکننده به صفر برسد سنتز پلی آنیلین نیز قطع خواهد شد.

 

از الیاف نانویی پلی آنیلین به منظور تولید چه محصولاتی استفاده می شود؟

  • الیاف نانوی پلی آنیلین در ساخت فعال کننده و یا محرکهای یکپارچه به کار برده می‌شدند و زمانی که در معرض نور قرار می‌گیرند پلی آنیلین انرژی جذب شده را مستقیماً به حرارت تبدیل می کند. در فیلم‌های ساخته شده از این ماده حرارت در داخل پلیمر پخش می‌شود و در الیاف نانو، آن حرارت در تک تک الیاف به دام می افتد بنابراین اگر تراکم نور به اندازه کافی باشد باعث می شود تا دمای الیاف نانو با سرعت زیادی بالا رود و در نهایت امکان ایجاد سوختگی و یا جوش خوردگی آنها به یکدیگر وجود دارد. اگر شدت جرقه‌های به وجود آمده متوسط باشد الیاف نانویی به سرعت ذوب می شوند تا فیلم هایی را به وجود بیاورند و با استفاده از ماسک و این روش می‌توان الگوهای متفاوتی را جوش داد. در صورتی که الیاف نانو از ضخامت زیادی برخوردار باشند، فقط بخشی از آنها که در معرض جرقه ها قرار می گیرند جوش داده خواهند شد و در نهایت یک فیلم غیر متقارن را به وجود می‌آورند که یک طرف از آنها کاملا دست نخورده باقی مانده و این در حالی است که طرف دوم به دلیل جوش خوردگی دارای پیوندهای عرضی می باشد. این فیلم های غیر متقارن نشان دهنده نوعی فعال کننده با قابلیت بازگشت سریع در حضور اسیدها و بازها می‌باشند به شکلی که امکان خمیدگی و یا ایجاد انحنا در آنها وجود خواهد داشت و از مزیت های این فیلم ها در برابر سایر انواع می توان به سادگی در سنتز، درجه بالای اتصال، امکان ایجاد الگوهای متفاوت و عدم جدایی لایه ها اشاره کرد. تمامی موارد یاد شده در توسعه عضلات مصنوعی، سنسورهای شیمیایی و ساختارهای فعال کننده های دارای الگو به کار برده می شود.
  • الیاف نانویی پلی آنیلین موفقیت‌های بسیاری به عنوان سنسورهای شیمیایی به دست آورده اند زیرا می توانند در مقایسه با فیلم های ساخته شده از این ماده که بسیار سنتی و قدیمی باشند در آزمایش های متفاوتی عملکرد بهتری داشته باشند. این تفاوت در عملکرد به سطح بزرگ آنها، سوراخ های متعدد و همچنین قطر پایین آنها نسبت داده می شود که میزان انتشار مواد در داخل الیاف نانو را افزایش میدهد. علاوه بر این سنسور های ساخته شده از الیاف نانوی این ماده با تغییر در مقاومت می توانند عملکرد خوبی داشته باشند. فیلم‌های الیاف نانو به روی یک الکترود قرار داده می‌شوند و سپس یک جریان از درون آنها گذر می کند و زمانی که هدف نهایی با فیلم برخوردی داشته باشد مقاومت الکترود تغییر می‌کند و همین باعث می‌شود تا هدف مورد نظر کشف شود. در مطالعه‌ای پیشنهاد شد که سنسورهای گاز هیدروژن با استفاده از الیاف نانوی پلی آنیلین ساخته شوند و این مورد نشان می‌دهد که هر دو نوع الیاف خالص و ناخالص می‌توانند برای کشف گاز هیدروژن از طریق تغییرات مقاومتی به کار برده شوند. در مطالعه دیگر امکان به کارگیری الیاف نانوی این ماده به عنوان سنسورهای گازی نیتروژنی مورد بررسی قرار می گیرد. گاز نیتروژن به عنوان یک عامل اکسایش گر قوی برای حالت امرالدین در الیاف نانوی پلی آنیلین می باشد که خود تغییرات مقاومتی سه برابر بزرگتر از ۱۰۰ ppm به وجود می آورد. تشخیص هدف می‌تواند با استفاده از افزودن موادی به الیاف نانوی پلی آنیلینی صورت بگیرد و یکی از مطالعات پیشنهاد می‌کند که از ترکیبات الیاف نانو با نمک های فلزی برای کشف هیدروژن سولفید استفاده شود. هیدروژن سولفید نوعی اسید ضعیف می باشد که با غلظت کم هم می‌تواند خطرناک باشد اما الیاف نانوی پلی آنیلین می‌توانند پاسخی بسیار مثبت به اسیدهای قوی داشته باشند و نمک های فلزی هم می‌توانند با هیدروژن سولفات واکنش دهند تا ذرات ته نشین شده ی سولفید فلزی و همچنین اسید های قوی را به وجود بیاورند. با ترکیب نمک های فلزی و الیاف نانو کشف هیدروژن سولفید انجام خواهد گرفت. در مطالعه دیگر الیاف نانو با ذرات بسیار ریز طلا طراحی شدند تا بتوان ترکیبات فرار سولفور در بازدم انسان را کشف کرد. از این سنسورها می‌توان به منظور بررسی تنفس انسان و همچنین تشخیص انواعی از بیماری ها استفاده کرد. سنسورهای رطوبتی نیز با استفاده از الیاف نانو پلیمر یادشده ساخته شده اند و این سنسورها با استفاده از الکتروریسی محلول N,N-dimethylformamide فیبرهای نانوی پلی آنیلین، پلی وینیل بوتیرال و پلی اتیلن اکسید ساخته می شوند. این سنسورها از حساسیت بسیار بالایی برخوردار بوده و تغییرات مقاومتی نیز در آنها سه برابر بیشتر می باشد و علاوه بر آن این سنسور ها به خوبی می توانند حالت خطی را کشف کنند و پاسخگویی سریع داشته و قابلیت تکرار در این مواد بالا می باشد.