علوم و تکنولوژی پلیمر
سال:1395 | دوره:29 | شماره:5 |تعداد مقالات:6

با توجه به توسعه روزافزون فناوری های غشایی در صنایع مختلف و نیز اهمیت شکل شناسی غشاهای نامتقارن در تعیین عملکرد فرایندهای جداسازی غشایی، کنترل این مشخصه به عنوان موضوعی مهم در فرایند ساخت غشا به شمار می آید. از این رو، در این مقاله اثر خواص رئولوژی محلول های پلیمری از جمله رفتار گرانروکشسانی و ژل شدن بر شکل گیری (فرایند جدایی فاز) و شکل شناسی انواع غشاها (اعم از تخت و الیاف توخالی) بررسی شده است. مطالعات انجام شده نشان داد، جدایی فاز، فرایندی شاخص در تشکیل غشاهای نامتقارن است و دو سازوکار مهم جدایی مایع-مایع و جامد-مایع نیز عاملی موثر در تغییر شکل شناسی غشا به شمار می آید. بنابراین، با کنترل مرحله ابتدایی فرایند جدایی فاز، می توان ریزساختار غشا را کنترل کرد و ساختاری مطلوب به دست آورد. افزون براین، رفتار رئولوژی محلول های پلیمری حین ساخت غشا نیز عاملی اثرگذار بر ساختار شکل شناسی غشا به شمار می آید. بنابراین، مطالعه و بررسی اصول حاکم بر رفتار رئولوژی محلول های پلیمری مانند گرانروکشسانی، گرانروی برشی و گرانروی کششی نقش مهمی در تعیین شکل شناسی و عملکرد جداسازی غشا ایفا می کند. در این مقاله، با توجه به اثر متقابل رئولوژی محلول های پلیمری و فرایند جدایی فاز، اثر تغییر ویژگی های رئولوژی محلول بر فرایند جدایی فاز و در نهایت تشکیل غشاهایی با شکل شناسی و ساختار متفاوت مطالعه شده است. همچنین، ضمن بررسی اثر مشخصه زمان استراحت محلول های پلیمری که در فرایند ساخت غشا قرار دارند و تحلیل ژل شدن و سازوکارهای آن، شکل شناسی نهایی غشا با توجه به رقابت میان سرعت رشد نواحی (فرایند جدایی فاز) و سرعت ژل شدن (رفتار رئولوژیکی) بحث شده است.

در پژوهش حاضر، با هدف بهبود خواص مکانیکی و خاصیت ضدباکتریایی پلی وینیل کلرید ، نانوذرات روی اکسید به عنوان تقویت کننده انتخاب شد. نانوکامپوزیت پلی وینیل کلرید-روی اکسید از اختلاط نانوذرات روی اکسید با محلول پلی وینیل کلرید تهیه شد. در این راستا، اثر پنج عامل مقدار روی اکسید، نوع حلال، روش اضافه کردن روی اکسید، دمای خشک شدن فیلم و مدت زمان همزدن پس از اضافه کردن روی اکسید در سطح های مختلف در بهبود خواص مکانیکی نانوکامپوزیت حاصل با استفاده از روش تاگوچی بررسی شد. حالت بهینه با به کارگیری روش تحلیل سیگنال به نوفه (S/N) معین شد. نتایج نشان داد، نوع حلال، روش اضافه کردن روی اکسید و مقدار وزنی روی اکسید در سطح اطمینان %95 معنی دار هستند. برای انجام دادن آزمون ضدباکتری از دو نوع باکتری استافیلوکوکوس اورئوس و اشرشیاکلی (یک باکتری گرم مثبت و یک باکتری گرم منفی) در محیط کشت مولر هینتون آگار استفاده شد. این آزمون خاصیت ضدباکتریایی نانوکامپوزیت بهینه را در مقایسه با پلی وینیل کلرید خالص تایید کرد. میکروسکوپ الکترونی پویشی متصل به سامانه پراش انرژی پرتو X (EDX) برای مشخص کردن ترکیب و ساختار نانوکامپوزیت تهیه شده در حالت بهینه استفاده شد.

کوپلیمرهای اتیلن/1-هگزن که با استفاده از سه دسته اصلی کاتالیزورهای کوئوردیناسیونی، زیگلر-ناتا، فیلیپس و متالوسن تهیه شدند، برای شناسایی ریزساختار کوپلیمرهای تولید شده با استفاده از روش جداسازی گرمایی SSA مطالعه شدند. مشاهده شد، کومونومرپذیری کاتالیزورها به ترتیب برای کاتالیزورهای متالوسن< زیگلر-ناتا< فیلیپس افزایش یافته است. توزیع ترکیب شیمیایی (CCD) کوپلیمرهای تولید شده با استفاده از این سه دسته کاتالیزور نیز بررسی و مشاهده شد، کاتالیزورهای متالوسن که به طور مستقیم پایه دار شدند، پلیمرهایی با توزیع ناهمگنی در توزیع ترکیب شیمیایی مانند کاتالیزورهای زیگلر-ناتا و فیلیپس دارند. ضخامت لایه ها و توزیع آنها نیز با استفاده از تفکیک منحنی های DSC محاسبه شد. به طور مشخص نوع کاتالیزور روی نگه دارنده اثر چندانی روی توزیع ضخامت لایه ها و توزیع ترکیب شیمیایی پلیمرهای تهیه شده نداشته و توزیع ضخامت لایه ها در پلیمرهای ساخته شده با کاتالیزور متالوسنی که به روش مستقیم پایه دار شده اند، با سایر کاتالیزورهای زیگلر-ناتا و فیلیپس چدر محدوده 2.29Å است. در حالی که محدوده ضخامت لایه های پلیمر با کاتالیزور متالوسن بدون نگه دارنده باریک تر و در محدوده 2.7Å است. با افزایش مقدار 1-هگزن در زنجیر اصلی پلیمر سهم ضخامت لایه های بزرگ تر نسبت به ضخامت لایه های کوچک تر کاهش یافته و مقادیر شاخص DSC((DSCI به سمت 1 میل می کند. نتایج همچنین نشان داد، استفاده از روش درجا در پایه دارکردن کاتالیزورهای متالوسنی اثر مطلوبی بر همگنی توزیع کومونومر در ریزساختار پلیمر نسبت به روش مستقیم پایه دار کردن این کاتالیزورها می گذارد.

لایه سطحی متراکم که به علت ماهیت فرایند ساخت غشاهای پلیمری به روش جدایی فاز با القای گرمایی معمولاً در سطح بیرونی غشاها تشکیل می شود، نقش بسزایی در کاهش مقدار تراوایی و در پی آن تسریع گرفتگی غشاهای ساخته شده با این روش در فرایند تغلیظ و خالص سازی محلول های پروتئینی دارد. در کار اخیر، اثر دمای حمام بر ضخامت لایه سطحی متراکم و اثر آن بر عملکرد غشاهای ساخته شده بررسی شد. از آزمون خالص سازی محلول پروتئین کلاژن برای بررسی اثر حذف لایه متراکم بر عملکرد و سازوکار گرفتگی غشا و بازده جداسازی پروتئین کلاژن استفاده شد. نتایج به دست آمده حاکی از حذف لایه متراکم سطحی با افزایش دمای حمام انعقاد بود، طوری که در غشاهای با تخلخل سطحی کمتر، کاهش شار تراوایی محلول پروتئینی در نتیجه گرفتگی استاندارد حفره های غشا به وقوع می پیوندد که یک سازوکار گرفتگی برگشت ناپذیر به شمار می آید. در حالی که با افزایش تخلخل سطحی و حذف لایه متراکم در سطح بیرونی، کاهش شار تراوایی در نتیجه گرفتگی متوسط حفره هاست که گرفتگی برگشت پذیر به شمار می آید. نتایج حاصل از شار تراوایی و طیف -نورسنجی جریان خوراک و جریان تغلیظ شده نشان داد، پس از 800 min، مقدار تغلیظ کلاژن برای غشای با تخلخل سطحی زیاد حدود %5.6 است که این مقدار برای غشای با تخلخل سطحی کمتر حدود %1 است. افزون بر این غشای با تخلخل سطحی کمتر، پس از زمان 400 min عملیات فیلتر کردن محلول کلاژن به علت گرفتگی غشا طی امکان پذیر نبود، در حالی که برای غشا با تخلخل سطحی بیشتر، عمل تغلیظ کلاژن طی مدت 800 min ادامه داشت.

در این پژوهش، خواص گرمایی، اشتعال پذیری و مکانیکی سه نوع مختلف رزین پلی استر غیراشباع ارتو، ایزو و وینیل استر و رزین اپوکسی برپایه دی گلیسیدیل اتر بیس فنول A بررسی و مقایسه شد. نظر به استفاده گسترده از این رزین ها در صنعت کامپوزیت، شناخت دقیق خواص آنها برای انتخاب بهترین رزین بسیار حائز اهمیت است. بدین منظور، از آزمون های گرانروی سنجی، طیف سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR)، سرعت سوزش، تجزیه گرماوزن سنجی (TGA)، شاخص حدی اکسیژن (LOI) و اندازه گیری خواص خمشی استفاده شد. از آنجا که گرانروی رزین های پلی استر غیراشباع در محدوده 300 cp تا 450 cp قرار دارد، از مزیت شایان توجهی نسبت به رزین های اپوکسی برخوردارند که گرانروی در محدوده 600 cp تا 1000 cp دارند. از میان سه نوع مختلف رزین پلی استر غیراشباع برررسی شده در این پژوهش، رزین ارتو بیشترین مقدار درصد تبدیل را دارد. پس از آن این مقادیر به ترتیب متعلق به نمونه وینیل استر و ایزو بود. نتایج نشان داد، رزین وینیل استر، خواص بهینه ای از نظر گرمایی، مقاومت در برابر اشتعال و مکانیکی در میان رزین های پلی استر دارد. از مقایسه رزین اپوکسی با انواع پلی استر مشاهده شد، رزین اپوکسی سرعت سوزش بیشتری دارد، اما مقدار زغال باقی مانده (12.4%) و درصد (20.2%) LOI آن بیشتر و در نتیجه از پایداری گرمایی زیادتری برخوردار است. نتایج آزمون خمش بیانگر آن است که رزین اپوکسی مدول (4.1 GPa) و استحکام خمشی (116 MPa) بیشتری نسبت به رزین های پلی استر دارد، اما مقدار خمش تا شکست (2.8%) و چقرمگی این نمونه از سه نوع مختلف پلی استر غیراشباع کمتر است.

وارونگی فازی، روشی مرسوم برای ساخت غشاهای پلیمری است و اغلب غشاهای ساخته شده به این روش، ساختار نامتقارن دارند. جداسازی ذرات در این نوع غشاها با لایه متراکم سطحی و در فشار عملکردی زیاد انجام می شود. از سوی دیگر، در غشاهای متقارن دارای حفره های سطحی، جداسازی افزون بر سطح، در عمق غشا و در فشار عملکردی کمتر انجام می شود. در پژوهش حاضر، ساخت غشاها برپایه پلی اتر سولفون با استفاده ازحلال دی متیل استامید و ضدحلال آب به روش وارونگی فازی انجام شد. برای کنترل تخلخل و تغییر ساختار غشا از افزودنی آبدوست پلی وینیل پیرولیدون و نیز تغییر شرایط انعقاد، با اعمال یک مرحله توقف در محیطی با کنترل دقیق دما و رطوبت استفاده شد. برای بررسی ساختاری غشاهای تهیه شده، تصویربرداری با میکروسکوپ الکترونی پویشی، آزمون های تعیین نقطه حباب، تعیین تخلخل و تعیین شعاع متوسط حفره ها به کار گرفته شد. همچنین، عملکرد غشاها با استفاده از محاسبه تراوایی آب خالص و انجام آزمون حذف باکتری از محیط کشت سلول ارزیابی شد. نتایج حاصل نشان داد، با استفاده از روش انعقاد اجرا شده در این پژوهش، می توان به غشاهایی با ساختار متقارن، حفره هایی با قطر کمتر از 0.4 mm، تراوایی مناسب آب خالص و قابلیت حذف باکتری دست یافت. همچنین مشاهده شد، افزایش غلظت افزودنی پلی وینیل پیرولیدون موجب افزایش تخلخل، تراوایی و اندازه حفره های نمونه های غشایی می شود. از سوی دیگر، استحکام کششی و نیز ازدیاد طول در ناحیه شکست نمونه های غشایی با افزایش غلظت افزودنی پلی وینیل پیرولیدون کاهش یافته است.