علوم و تکنولوژی پلیمر
سال:1397 | دوره:31 | شماره:4 |تعداد مقالات:7

سلولوز فراوان ترین منبع تولید زیست توده است و می تواند جایگزین سوخت های فسیلی شود. راه حل کلی استفاده از سلولوز، تبدیل آن به گلوکوز و سپس تولید اتانول از آن است. روش آبکافت گرمایی به وسیله کاتالیزگرهای اسیدی جامد راه حل مناسبی برای آبکافت سلولوز است. در کار پژوهشی حاضر، کاتالیزگر اسیدی مغناطیسی بر پایه پلیمر مایع یونی با موفقیت تهیه شد. این کاتالیزگر از پلیمرشدن وینیل ایمیدازولیوم سولفونیک اسید در مجاورت نانوذره مغناطیسی اصلاح شده تهیه شد. از آنجا که بستر کاتالیزگر از خود مونومرها تهیه شد، کاتالیزگر در مقایسه با سایر کاتالیزگرهای اسیدی ناهمگن مقدار بارگذاری زیادی نشان داد. کاتالیزگر حاصل با روش های طیف سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه، گرماوزن سنجی، مغناطیس سنجی، طیف سنجی پراش پرتو X، دستگاه جذب اتمی و میکروسکوپی الکترونی عبوری شناسایی شد. طیف سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه نشان داد، پلیمر یونی به خوبی روی سطح نانوذرات تثبیت شده است. نتایج آزمون گرمایی نیز نشان داد، مقدار بارگذاری پلیمر روی سطح بسیار زیاد است و کاتالیزگر پایداری گرمایی زیادی دارد. کاتالیزگر یونی حاصل نشان داد، در فرایند آبکافت سلولوز بسیار موثر است و بهره زیادی از گلوکوز را به دست می دهد. کاتالیزگر اسیدی تهیه شده با سایر کاتالیزورهای تجاری و معدنی مقایسه شد و نتایج گزینش پذیری بیشتر کاتالیزگر سنتزشده را تایید کرد. همچنین کاتالیزگر به وسیله جداسازی با آهن ربا بازیابی شد و مجددا در واکنش استفاده شد. تمام نتایج نشان داد، کاتالیزگر تهیه شده در مقایسه با سایر کاتالیزگرهای گزارش شده بهتر عمل کرده و به مقدار کمتری از کاتالیزگر برای انجام واکنش نیاز است. همه این نتایج نشان داد، کاتالیزگر و فرایند ارائه شده قابلیت استفاده در مقیاس زیاد را دارند.

در پژوهش حاضر، اثر نانوذرات گرافن کاهش یافته گرمایی بر رسانندگی الکتریکی، ثابت دی الکتریک، قابلیت سپر حفاظت امواج الکترومغناطیسی، رفتار رئولوژی و پایداری گرمایی آمیخته PP/PET مطالعه شده است. بدین منظور، نانوکامپوزیت های آمیخته PP/PET با ترکیب درصد 50/50 در مجاورت مقادیر مختلف گرافن به روش اختلاط مذاب تهیه شدند. شکل شناسی نمونه ها هر دو فاز پیوسته بود که با جذب ترجیحی نانوذرات ساختار فراگیر دوگانه تشکیل شد. این ساختار به طور شایان توجهی رسانندگی الکتریکی نانوکامپوزیت ها را افزایش داد. نتایج رئولوژی نشان داد، شبکه سه بعدی نانوذرات گرافن در کسر حجمی کم تشکیل شده است. در کسر حجمی حدود %1/0 از نانوذرات مقدار رسانندگی الکتریکی به دست آمده (S/m 10-6) معیارهای لازم برای فیلم های نازک را در کاربردهای ضدالکتریسیته ساکن برآورده می سازد. در مقدار %2 از نانوذرات مقدار رسانندگی الکتریکی به مقدار درخور توجه 0. 16S/m می رسد که برای بسیاری از کاربردهای الکتریکی قابل قبول است. با افزودن گرافن ثابت دی الکتریک و قابلیت حفاظت از تداخل امواج الکترومغناطیس آمیخته افزایش شایان توجهی داشت، به طوری که با افزودن %2 نانوذرات در بسامد 10Hz، ثابت دی الکتریک آمیخته خالص از حدود 4 به مقدار 107×9 و حفاظت از تداخل امواج الکترومغناطیس از 1dB برای نمونه خالص به مقدار 42dB افزایش یافت. این نتایج نشان می دهد، نانوکامپوزیت تهیه شده به خوبی قابلیت استفاده در کاربرد های حفاظت در برابر تداخل امواج الکترومغناطیس را دارد. نتایج آزمون تجزیه گرماوزن سنجی نشان داد، افزودن نانوصفحه های گرافن به طور چشمگیری باعث پایداری گرمایی آمیخته شده است، به طوری که دمای T10 و Tmax با افزودن گرافن و افزایش مقدار آن به دماهای بیشتر انتقال یافته و سرعت تخریب نیز کاهش یافته است.

تماس دهنده های غشایی گاز-مایع به عنوان یکی از جایگزین های بالقوه برای حذف کربن دی اکسید در مقایسه با فناوری های متداول درنظر گرفته شده اند. با وجود این، ترشدگی غشاها به وسیله جاذب های مایع طی این فرایند، عملکرد تماس دهنده های غشایی را محدود می کند که این موضوع ضرورت استفاده از غشاهای ابرآب گریز را در این سامانه ها نشان می دهد. در سال های اخیر، استفاده از نانوذرات برای افزایش آب گریزی سطح غشاهای پلیمری و ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی به طور قابل ملاحظه ای مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در راستای کاهش مشکل ترشدگی غشاها، در پژوهش پیش رو از نانوذرات سیلیکای پیوندخورده با گروه عاملی متیل (CH3SiO2) برای افزایش آب گریزی سطح غشای پلی پروپیلنی استفاده شد که این نانوذرات با روش سل-ژل سنتز شدند. غشاهای ساخته شده با آزمون های ATR-FTIR، FE-SEM، XRD و اندازه گیری زاویه تماس، استحکام مکانیکی و فشار نفوذ بحرانی ارزیابی شدند. نتایج حاصل از آزمون ATR-FTIR سنتز نانوذرات سیلیکای اصلاح شده با عامل متیل را روی سطح غشای پلی پروپیلنی تایید کرد. نتایج حاصل از اندازه گیری زاویه تماس نیز نشان داد، در غشاهای نانوکامپوزیتی با افزایش نسبت مولی MTES/TEOS از 1 تا 4، اندازه زاویه تماس از ° 125 تا ° 164 افزایش یافته ولی با افزایش بیشتر نسبت مولی MTES/TEOS اندازه زاویه تماس کاهش یافته است. همچنین با دقت در نتایج حاصل از اندازه گیری استحکام مکانیکی می توان دریافت، سنتز نانوذرات، استحکام کششی غشا را تا 12. 8MPa افزایش داده است. در نهایت، عملکرد غشاها در تماس دهنده های غشایی برای جذب گاز کربن دی اکسید ارزیابی شد که نتایج حاکی از کاهش شدید شار عبوری برای غشاهای خالص در مقایسه با غشاهای نانوکامپوزیتی بود.

نانوکامپوزیت های هیبریدی لاستیک طبیعی و لاستیک استیرن-بوتادی ان (NR/SBR) تقویت شده با الیاف کوتاه نایلون و نانولوله های کربن در غلتک آزمایشگاهی تهیه شدند. اثر مقادیر مختلف نانولوله های کربن چنددیواره (MWCNT) اصلاح شده و نشده در مقادیر مختلف وزنی 0phr تا 3phr بر خواص مکانیکی، ساختاری و شکل شناسی آمیزه های تهیه شده بررسی شد. نتایج نشان داد، چسبندگی الیاف به ماتریس لاستیکی با افزودن عامل سازگارکننده هگزامتیلن تتراآمین، رزورسینول و سیلیکای آب دار (HRH) افزایش یافت. با افزایش مقدار نانولوله کربن چنددیواره اصلاح شده و نشده زمان پخت و شاخص تورم کاهش یافت، در حالی که سرعت پخت و بیشینه گشتاور افزایش یافت. خواص مکانیکی، استحکام پارگی، سختی و مانایی فشاری آمیزه های مزبور با افزایش ترکیب درصد نانولوله های کربن چنددیواره اصلاح شده و نشده در دو جهت طولی (L) و عرضی (T) افزایش نشان داد. جهندگی نانوکامپوزیت های تهیه شده با افزایش ترکیب درصد نانولوله کاهش یافت و در نانولوله اصلاح شده کاهش بیشتری مشاهده شد. ساختار نانوکامپوزیت ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) مطالعه شد. نتایج حاکی از آن است که با افزودن نانولوله کربن به ویژه اصلاح شده در جهت طولی بیرون زدگی الیاف و حفره های توخالی کمتر است. بدین معنا که چسبندگی قوی تری بین ماتریس و الیاف با وجود نانولوله اصلاح شده به وجود آمده است. برای نمونه ها در جهت عرضی، بیرون زدگی الیاف بیشتر و چسبندگی ضعیف تری مشاهده شد.

از کامپوزیت الیاف شیشه در ساخت محفظه سوختن سازه های فضایی استفاده می شود. برای بهبود عملکرد کامپوزیت ها در این سازه ها، ذرات سیلیکا در مقیاس میکرون کاربرد گسترده ای پیدا کرده اند. در پژوهش حاضر، امکان ساخت کامپوزیت فنولی الیاف شیشه با ذرات سیلیکا در مقیاس نانو برای جایگزینی کامپوزیت های رایج ساخته شده از ذرات سیلیکون دی اکسید در مقیاس میکرون بررسی شده است. هدف از ساخت این نانوکامپوزیت ها افزایش عملکرد فداشوندگی این سازه ها و نیز کاهش وزن مرده و هزینه ساخت این سازه های فضایی است. برای ساخت نمونه ها، ابتدا مقدار مشخصی از رزین در متیل الکل حل شد. سپس، مقدار لازم نانوسیلیکا به مخلوط اضافه شد و مخلوط حاصل به مدت 1h به طور هم زمان با همزن مکانیکی و فراصوت دهی همزده شد. برای ساخت نانوکامپوزیت الیاف شیشه، ابتدا مقدار نظری الیاف خرده شده وزن شد. سپس، این الیاف به طور دستی با مخلوط رزین به دست آمده آغشته سازی شدند. برای ساخت نانوکامپوزیت ها خمیر آماده شده داخل قالب استوانه ای ریخته شد و به روش قالب گیری فشاری در دمای 170C و فشار 10bar پخت شد. برای بررسی خواص فداشوندگی نمونه های ساخته شده از آزمون اکسی استیلن استفاده شد. در این آزمون از داده های کاهش وزن نمونه ها و بررسی سطح نمونه ها پیش و پس از فداشوندگی برای تحلیل نتایج به دست آمده استفاده شد. نتایج نشان داد، وجود نانوسیلیکا باعث تشکیل لایه مذاب با گرانروی زیاد شده که به عنوان لایه محافظ در برابر نفوذ گرما عمل کرده و از تخریب بیشتر لایه های پایین تر نمونه ها جلوگیری می کند. همچنین، فرسایش وزنی نانوکامپوزیت دارای فقط 2، 4 و %6 وزنی نانوسیلیکا نسبت به نمونه بدون نانوسیلیکا به ترتیب حدود 12، 19 و %31 کاهش یافته است.

نانوکامپوزیت های دارای پایداری گرمایی زیاد از واردکردن نانولوله کربن اصلاح شده به داخل ماتریس رزین اپوکسی پخت شده با رزین نووالاک تهیه شدند. طی فرایند اصلاح، گروه های کربوکسیل در اثر اکسایش با نیتریک اسید و گروه های هیدروکسیل با استفاده از واکنش گروه های اسیدی ایجاد شده با بوتان دی ال روی نانولوله های کربن حاصل شدند. سپس، عاملیت اپوکسی روی سطح نانولوله با استفاده از عامل اتصال دهنده سیلانی (3-گلیسیدیلوکسی پروپیل) تری متوکسی سیلان ایجاد شد. نانولوله کربن اصلاح شده با عاملیت اپوکسی قابلیت واکنش پذیری با گروه های هیدروکسیل نووالاک را دارد. در اثر پخت نانولوله کربن اصلاح شده و رزین اپوکسی دارای گروه های اپوکسیدی با رزین نووالاک شبکه هیبریدی مقاوم گرمایی حاصل شد. با توجه به واکنش پذیری کم گروه های اپوکسی و هیدروکسیل در حالت کاتالیز نشده، از تری فنیل فسفین به عنوان کاتالیزگر برای تسریع واکنش پخت استفاده شد. در نهایت، نتایج حاصل از طیف سنجی زیرقرمز و فوتوالکترونی پرتو X نشان داد، اصلاح نانولوله کربن به طور موثری انجام شده است. آزمون پراش پرتو X، توزیع یکنواخت نانولوله کربن اصلاح شده را در ماتریس اپوکسی پخت شده، نشان داد. طبق نتایج تجزیه گرماوزن سنجی، واردکردن نانولوله کربن اصلاح شده به مقدار 2 و %4 وزنی در داخل شبکه هیبریدی اپوکسی پخت شده با نووالاک باعث افزایش شایان توجه مقدار خاکستر باقی مانده آن از %26. 6 به مقادیر 32. 8 و %38. 2 شد. بر اساس نتایج به دست آمده از میکروسکوپی های الکترونی پویشی و عبوری، نانوله های کربن ساختارهای درهم تنیده و گره خورده با سطحی بسیار صاف و یکنواخت نشان دادند که حتی پس از اصلاح نیز ساختار خود را حفظ می کنند. این روش می تواند به عنوان روش مناسبی برای تهیه گرماسخت های با مقاومت گرمایی زیاد برای استفاده در کاربردهای محافظت گرمایی درنظر گرفته شود.

یافتن روش های جدید اصلاح شیمیایی پلیمرها، رویکردی جالب برای تغییر خواص و در نتیجه کاربرد نهایی آن هاست. پلی (وینیل الکل) (PVA) و کوپلیمر اتیلن-وینیل الکل (EVA) به دلیل وجود گروه های هیدروکسیل در ساختار خود، گزینه های مناسبی برای بررسی عملی انواع اصلاح شیمیایی به شمار می آیند. پلی (وینیل الکل) با استفاده از آکریلویل کلرید در حلال 1-متیل-2-پیرولیدون (دمای معمولی) و مالئیک انیدرید در حلال دی متیل سولفوکسید (دمای C° 100) عامل دار شد. کوپلیمر اتیلن-وینیل الکل نیز با استفاده از کلرواستیل کلرید و آلفابرموایزوبوتیریل برمید از واکنش استری شدن در حلال 1-متیل-2-پیرولیدون و دمای معمولی عامل دار شد. افزون بر این، گروه بنزایمیدازول از واکنش جانشینی کوپلیمر اتیلن-وینیل الکل آلفابرموایزوبوتیریل دارشده با نمک سدیم 2-مرکاپتوبنزایمیدازول در حلال تتراهیدروفوران (دمای 80C° ) وارد ساختار کوپلیمر شد. ساختار پلیمرهای اولیه و اصلاح شده به وسیله آزمون های مختلف مانند طیف سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR) و طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته پروتون (1H NMR) بررسی و تجزیه و تحلیل شدند. پلی (وینیل الکل) با استفاده از آکریلویل کلرید و مالئیک انیدرید به ترتیب 9. 31 و %46. 28 مولی و کوپلیمر اتیلن-وینیل الکل با استفاده از کلرواستیل کلرید و آلفابرموایزوبوتیریل برمید به ترتیب 71. 50 و %63. 46 مولی عامل دار شدند. نتایج به دست آمده نشان داد، روش های استفاده شده به عامل دارشدن زیاد پلیمرها منجر می شود و گزینه های مناسبی برای عامل دارکردن این دسته از پلیمرها هستند. افزون بر این، برای پیش بینی رفتار پلیمرهای عامل دارشده، پارامتر انحلال پذیری کلی و مولفه های آن (قطبی، پراکنشی و پیوند هیدروژنی) با استفاده از روش های مشارکت گروه های عاملی Hoy و Hoftyzer-Van Krevelen محاسبه شدند. محاسبات نشان داد، دی متیل استامید برای پلی (وینیل الکل) آکریلوییل دارشده (A-PVA)، پلی (وینیل الکل) کربوکسی وینیل دارشده (CV-PVA) و کوپلیمر اتیلن-وینیل الکل و استون برای کوپلیمرهای اصلاح شده با کلرواستیل کلرید و آلفابرموایزوبوتیریل برمید و کوپلیمر آزول دارشده بهترین حلال از میان حلال های بررسی شده هستند که با نتایج تجربی مطابقت خوبی داشت.