نانوکامپوزیت PVC تقویت شده با اکسید گرافن

دسته: مقالات منتشر شده در 16 فروردين 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 557

خواص سطحی نانوکامپوزیت های پلی وینیل کلرید (PVC) تقویت شده با اکسید گرافن

مشتقات گرافن بعنوان نانوفیلر کاربرد گسترده ای در ساخت نانوکامپوزیت های پلیمری دارند. برای دستیابی به بهبود قابل ملاحظه ای در چسبندگی سطحی بین ماتریس پلیمری و فیلر تقویت کننده همچنان تلاش می شود. در اینجا، برای ساخت کامپوزیت پلی وینیل کلرید (PVC) - اکسید گرافن (GO) از روش اختلاط کلوئیدی استفاده شده است. همچنین، لایه های کامپوزیت PVC/GO با استفاده از طیف FTIR، میکروسکوب الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ الکترونی گذرا (TEM)، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و میکروسکوپ نوری پلاریزه (POM) به دقت مورد بررسی قرار گرفته اند. تأثیر بارگذاری GO بر ترشوندگی لایه های کامپوزیت PVC/GO با اندازه گیری زاویه تماس لایه های کامپوزیت مورد بررسی قرار گرفت. میکروسکوپ نوری نشان می دهد که GO به طور همگن در سراسر ماتریس PVC پراکنده شده است. در مطالعات مورفولوژیکی، شبکه ای از ساختار متراکم تر و تصادفی با سطح ناهموار بعنوان تابعی از بارگذاری GO مشاهده شد. میزان زاویه تماس با توجه به بارگذاری GO در تمام مایعات مورد استفاده کاهش می یابد. انرژی سطح جامد (SE) در لایه های کامپوزیت با استفاده از اندازه گیری زاویه تماس تخمین زده شد. انرژی های سطحی با استفاده از روش های فوک و گود- گریفالکو با چهار مایع مختلف که دامنۀ کشش سطحی وسیع تری دارند، اندازه گیری و بررسی شدند.

 

نانوکامپوزیت های پلیمری بر پایه گرافن، از لحظه اکتشاف تاکنون مورد توجه بسیاری از تحقیقات در سراسر جهان بوده اند. گرافن به دلیل قابلیت پراکندگی در ماتریس های پلیمری مختلف و همچنین داشتن خواص شیمیایی و فیزیکی فوق العاده همچون خواص سطحی بالا، تحرک بالای حامل، انعطاف پذیری بالا و مدول یانگ، رسانای حرارتی بالا کاربرد گسترده ای دارد. در بارگذاری های بسیار کم مناسب بوده و می توان به بهبود قابل توجهی در خواص فیزیکی پلیمرهای میزبان دست یافت. گرافن از یک ورقه مسطح ضخیم تک اتمی متشکل از ساختار کربن پیوندی SP² با خواص فوق العاده کریستالی و الکترونیکی تشکیل شده است. می توان آن را به فولرن های صفر بُعدی (0D)، نانولوله های یک بعدی (1D) و حتی تشکیل گرافیت سه بعدی (3D) تبدیل کرد. گرافن ماده جدیدی است که به دلیل خواص فیزیکوشیمیایی قابل ملاحظه ای که دارد، در بسیاری از حوزه های تحقیقاتی مطرح شده است. همچنین از خواص الکترونیکی نرمال مانند اثر غیرعادی کوانتومی هال به دلیل ساختار الکترونیکی ویژۀ گرافن، تحرک بالای حامل و غلظت حامل بار نسبتآ بالا در دمای محیط برخوردار است. برای اثبات برتری گرافن به مواد سنتی، بسیاری از خواص منحصر به فرد من جمله الکتریکی، حرارتی و مکانیکی گزارش شده است. تأثیر گرافن و نانوفیلرها در سیستم های پلیمری مختلف مانند پلی استایرن (PS)، پلی کربنات (PC)، پلی یورتان (PU)، پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلی آنیلین (PANI)، پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF)، نافیون و غیره به دقت با هدف توسعه عملکرد گرافن براساس کاربرد گستردۀ نانوکامپوزیت ها مورد بررسی قرار گرفته است.

 

اخیرآ، اکسید گرافن (GO) بعنوان یک پیش مادۀ مناسب در تهیه گرافن و کامپوزیت های پلیمری بر پایه گرافن بسیار مورد توجه قرار گرفته است. هدف اصلی آن، تهیه نانوکامپوزیت های پلیمری با استفاده از GO یا آلوتروپ های آن بعنوان فیلر با تأکید بر افزایش خواص کامپوزیت های مختلف است. GO همانند گرافن، اساسآ تک اتم ضخیم است اما می تواند تا ده ها میکرومتر عرض داشته باشد که منجر به ایجاد نوع خاصی از بلوک های ساختاری با دو مقیاس طولی متفاوت می شود. ورق های GO کاملآ اکسیژنه بوده و علاوه بر گروه های کربونیل و کوبوکسیل واقع در لبه های ورق، حاوی گروههای عامل هیدروکسیل و اپوکسی در صفحه صفحه پایۀ خود هستند. این گروه های عامل نقاط واکنشی را برای تغییرات سطحی مختلف به منظور توسعه GO عامل دار و آلوتروپ های آن فراهم می کنند. از طرفی، وجود این گروه های عامل دار باعث می شود ورقه های GO به شدت آبدوست شده و در آب پراکنده شوند؛ در نتیجه، کلوئیدهای پایداری تشکیل دهند. ورقه های GO به دلیل ماهیت آبدوستی، فقط می توانند در محیط های آبی ناسازگار با پلیمرهای آلی پراکنده شوند. همچنین، GO به دلیل داشتن برخی خواص منحصر به فرد که ممکن است به کاربردهای فناوری در حوزه های مختلف من جمله ذخیره سازی انرژی، مواد کامپوزیت، حسگرهای شیمیایی، دستگاه های نوری و الکترونیکی ختم شوند، در بسیاری از حوزه های تحقیقاتی در سراسر جهان مورد توجه قرار گرفته است. برای استفاده از ساختار و خواص فیزیکی مواد کربن مشتق شده از گرافیت مانند گرافن، GO، GO کاهش یافته شیمیایی (CRGO) یا GO کاهش یافته حرارتی (TRGO)، یا ورقه های گرافن عامل دار (FGS) چندین عامل کلیدی من جمله درجه پراکندگی، جهت گیری و چسبندگی سطحی وجود دارد که بایستی در ساخت نانوکامپوزیت های پلیمری مدنظر قرار گیرند. ترشوندگی یک پدیده سطحی عمده است که که در آن یکی از فازهای سیال به طور کامل یا نسبی در فاز سیال دیگر از سطح مایع یا جامد جدا می شود. زاویه تماس معیاری برای ترشوندگی و زبری سطوح پلیمری است. اگر زاویه تماس بسیار کمتر از مایع باشد، می تواند جامد را خیس کند. بنابراین، هدف از این مطالعه ساخت نانوکامپوزیت های PVC با GO به روش اختلاط کلوئیدی و بررسی خواص سطحی آنها است. برای ارزیابی ترشوندگی . زبری سطح فیلم های کامپوزیتی از تکنیک های زاویه سنجی زاویه تماس و تکنیک های AFM استفاده می کنیم. PVC را بعنوان ماده میزبان انتخاب می کنیم زیرا یکی از مهم ترین پلیمرهای تجاری با کاربرد گسترده در چندین حوزه صنعت مواد مانند قالب های پلاستیکی انعطاف پذیر یا سخت، لوله ها، کابل های الکتریکی، الیاف، فیلم ها و لمینت ها است. علاوه براین، به دلیل خواص منحصر به فرد همچون کم هزینه بودن، فرایند پذیری خوب، پایداری شیمیایی، زیست سازگاری و اشتعال پذیری کم یکی از مهم ترین و پرکاربردترین ترموپلاستیک ها در صنایع ساختمانی و خودروسازی است. برای توسعه نانوکامپوزیت های پلیمری با خواص فیزیکوشیمیایی جدید، ترکیب خواص منحصر به فرد GO و فرایندپذیری خوب پلیمر می تواند کمک کننده باشد. در تقویت کامپوزیت های پلیمری، وجود پراکندگی سطح مولکولی در ماتریس پلیمر بسیار مهم است. ما از پراکندگی GO و PVC در تتراهیدروفوران (THF) برای دستیابی به پراکندگی کلوئیدی سطح مولکولی کمک گرفتیم.

 

فیلم های کامپوزیت PVC/GO انعطاف پذیر به طور موفقیت آمیزی با اختلاط کلوئیدی آماده شدند. پراکندگی همگن PVC با GO با تیمار اولتراسونیک به دست آمد. از روش های TEM، SEM، FTIR، AFM و میکروسکوپ نوری برای بررسی فیلم های کامپوزیتی استفاده شد. FTIR تغییرات ساختاری را با توجه به درصد مختلف بارگذاری GO نشان داد. تصاویر سه بعدی و توپوگرافیک AFM نشان دهندۀ تنوع مورفولوژی سطحی و زبری آن به عنوان تابعی از بارگذاری GO هستند. تجزیه و تحلیل SEM نشان می دهد که اکثر GO به طور یکنواختی در سراسر ماتریس پلیمری با تجمع کم پراکنده شده است. میزان زاویه تماس با بارگذاری GO نسبت معکوس دارند؛ در حالی که، انرژی سطح و چسبندگی مستقیمآ با بارگذاری GO متناسب است. علاوه براین، با استفاده از روش فوک، در مقایسه با روش گود- گریفالکو از دقت اندازه گیری انرژی سطحی اطمینان حاصل شد. در نهایت، می توان گفت ما بر این باوریم که این مطالعه دامنۀ گسترده ای برای تنظیم خواص سطحی بهینه در این کامپوزیت های مصنوعی دارد.