کاهش تبلور در پلیمر هیبریدی CMC-PVA

کاهش تبلور در پلیمر هیبریدی CMC/PVA با پایه فیلم نازک بعنوان میزبان در الکترولیت های پلیمری

سیستم پلیمر هیبریدی با پایه کربوکسی متیل سلولز و پلی وینیل الکل (CMC/PVA) با نسبت ترکیبی متفاوت ازطریق ریخته گری محلول تهیه شده است. خواص برهمکنش بین CMC و PVA با استفاده از روش پراش اشعه ایکس (XRD) و اسپکتروسکوپی مادون قرمز (IR) برای بیان کاهش تبلور سیستم HPe مورد بررسی قرار گرفتند. خواص مورفولوژیکی مشاهده شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) همگنی سیستم HPe را تأیید کرد. نتیجه کالریمتری اسکن تفاضلی (DSC) نیز امتزاج پذیری این سیستم را تفسیر می کند که با استفاده از تغییرات در دمای انتقال شیشه (Tg) تأیید شد. دو مکانیسم تخریب با تحلیل حرارتی (TGA) در این سیستم نشان داده شد که به دی کربوکسیلاسیون درCMC و تخریب برش پیوند در PVA نسبت داده می شود. ترکیب 80/20 سیستم CMC/PVA HPe یک نسبت بهینه با افزایش رسانایی CMC/PVA با کمترین تبلور است.

توسعه دستگاه های ذخیره انرژی کارآمدتر با استفاده از الکترولیت پلیمری (PE) بعنوان پلتفرم های قدرتمند مطرح شده است. حالت جامد بر پایۀ PE یک ماده مهم برای این دستگاه های حالت جامد است که بعنوان عامل اصلی در بسیاری از دستگاه های الکتروشیمیایی شناخته می شود. به همین دلیل، تلاش های زیادی با هدف توسعه الکترولیت پلیمری جامد من جمله استفاده از پلیمرها با پایه نفتی یا بیوپلیمرهای زیست تخریب پذیر صورت گرفته است. مطالعات گسترده ای نیز به کاربرد پلیمرها با پایه نفتی معطوف شده است که از معایبی مانند هزینه بالا، افزایش منابع پترولیوم و مشکلات زیست محیطی برخوردار هستند. اخیرآ استفاده از مواد زیست پلیمری بسیار مورد توجه قرار گرفته است زیرا به وفور در دسترس بوده و از زیست سازگاری خوبی برخوردار هستند. توجه روزافزون به این مواد زیست تخریب پذیر محققان را به انجام تحقیقات گسترده در مورد سیستم الکترولیت پلیمری ترغیب کرده است. چندین منبع تجدیدپذیر پلیمری بعنوان پلیمر میزبان من جمله کیتوزان، کاراگینان، پلی لاکتیدها، آگارز و کربوکسی متیل سلولز (CMC) در تهیه الکترولیت های پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند. کربوکسی متیل سلولز بعنوان مهمترین طبقه بندی پلی ساکارید در نظر گرفته می شود که از خواصی همچون زیست تخریب پذیری، ارزان قیمت، غیر سمّی بودن و نیمه کریستالی بودن برخوردار است. همچنین، از توانایی خوبی در تشکیل فیلم برخوردار بوده اما دارای رسانایی کم و فاقد استحکام است. کاربردهای زیادی از CMC ها بعنوان یک سیستم الکترولیت پلیمری منفرد گزارش شده است. با این حال به دلیل سفتی فوق العاده، میزان کشش در هنگام شکست تا 8 درصد کاهش یافته و پایداری الکتروشیمیایی را مختل می کند. علاوه براین، خواص پلیمر منفرد ممکن است خواص فیزیکی، مکانیکی یا شیمیایی مهمی را برای تطبیق با کاربردهای گستردۀ در دستگاه ذخیره سازی انرژی ارائه ندهد. بنابراین روش اختلاط که با دیگر پلیمرها ادغام می شود، به روشی جایگزین تبدیل می شود که میتواند خواص ساختاری و الکتریکی را تغییر داده و در نتیجه، دامنه کاربرد آن گسترش می یابد.

طبق یافته های رودضیاح و همکارانش، ادغام CMC در کاراگینان ثابت کرده است که اختلاط می تواند ساختار پلیمر را دستکاری کرده و رسانایی را ازطریق تشکیل پیوند H افزایش دهد. بررسی روش اختلاط در کمپلکس بین مولکولی بر کنترل افزایش آمورف و میزان رسانایی متمرکز شده است. مطالعات گسترده ای در زمینه سیستم پلیمر هیبریدی من جمله نشاسته/ کیتوزان، کربوکسی متیل سلولز/ کیتوزان وپلی وینیل الکل/ پلی اتیلن اکسید صورت گرفته است. ادغام بیوپلیمرها به دلیل خواص منحصر به فرد آنها که قابلیت تجدید پذیری و سهولت در آماده سازی را دارند بسیار مطلوب است. در این مطالعه، برای ارائه خواص الکتروشیمیایی مطلوب و جدید از پلیمر کربوهیدرات به نام کربوکسی متیل سلولز با اتخاذ تکنیک اختلاط با افزودن پلی وینیل الکل به منظور تولید سیستم پلیمری هیبریدی تلاش شده است.

مقایسۀ بین تصاویر SEM از ترکیبات مختلف CMC/PVA در شکل زیر ارائه شده است.

شکل 1:

SEM مورفولوژی سطح سیستم HPe را در 25 میکرومتر بیان می کند و میکرو ساختار پیوستۀ سیستم مخلوط را بدون تفکیک فاز با ماهیت آمورف نشان می دهد. این نتایج بدست آمده یافته های فصیحی و همکارانش را تأیید می کنند که به گفته آنها سیستم HPe امتزاج پذیری خوبی دارد که به پیوند H ایجاد شده بین CMC و PVA متصل می شود. ظاهرآ ریزنمودارها نشان می دهند که PVA اضافی تعدادی گلبول منظم با اندازه های متفاوت ایجاد می کند که اندازه آنها به نسبت ترکیبی سیستم Hpe بستگی دارد. طیف سنجی IR نقش مهمی در مشخص کردن پیکربندی و ساختار ترکیبی پلیمرها برای تفسیر پیچیدگی بین مخلوط های بیوپلیمری ایفا می کند. رایج ترین ترکیب در پلیمر پیوند هیدروژنی (یا پیوند H) است که به معنای واقعی کلمه برای تغییر ماهیت کریستالی مواد با طیف گسترده مهم است. در همین حال، طیف IR محاسبه شده CMC/PVA و ساختار بهینه شده برای هر دو ترکیب با طیف های آزمایشی ATR-FTIR مقایسه شده و به ترتیب در بخش های اول و دوم شکل زیر ارائه شده است.

شکل 2:

باتوجه به یافته های اسکات و رادوم، DFT می تواند پیش بینی مهمی از فرکانس های ارتعاشی طیف وسیعی از مولکول ها با درصد دقت 5-10 درصد ارائه دهد که در نهایت می تواند مشخصه های ATR-FTIR را با سیستم HPe در این مطالعه مرتبط کند. لازم به ذکر است که تعداد موج اندازه گیری شده توسط آنالیز DFT در سیستم CMC/PVA و CMC/PVA HPe با آنالیز ATR-FTIR تقریبآ یکسان است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که محاسبات DFT ممکن است ورودی قابل توجهی برای مطالعات مقایسه ای ارائه دهد و علاوه براین، روند کلی در تجزیه و تحلیل FTIR نیز مشاهده شده است.

کربوکسی متیل سلولز با پایه سیستم پلیمری هیبریدی (HPe) کمپلکس شده با پلی وینیل الکل با موفقیت ازطریق ریخته گری محلول تهیه شد. XRD کاهش تدریجی شدت پیک را با افزودن 20 درصد PVA به دلیل افزایش ماهیت آمورف HPe نشان می دهد. این روند نشان داد که پیوند بین مولکولی H باعث کاهش درجه تبلور می شود. ترموگرام TGA و DSC پایداری حرارتی و امتزاج پذیری خوبی را در نمونه ها با نسبت ترکیب 80/20 نشان داد. این نسبت ترکیب در سیستم پلیمری هیبریدی یک نسبت بهینه با رسانایی بالاتر از 9.12-0.04 محسوب می شود. تأثیر ترکیب هیبریدی در افزایش رسانایی سیستم CMC/PVA HPe ازطریق طیف سنجی امپدانس به اثبات رسیده است. این نتایج بدست آمده نشان می دهد که میتوان میزان آمورف را افزایش داد و در نتیجه، خواص الکتروشیمیایی سیستم HPe افزایش می یابد.