میزان سازگاری

دانلود پایان نامه

کامپوزیتهای تشکیل‌شده از نانو رسها می‌توانند به روشهای مختلفی تهیه شوند که این روشها شامل پلیمریزاسیون درجا۴۲ ، روش محلولی و پلیمریزاسیون مذاب است.
الف) پلیمریزاسیون درجا
در این روش ابتدا نانو رس اصلاح‌شده با ترکیبات آلی در مونومر مایع یا محلول مونومر متورم می‌شود. سپس واکنش پلیمریزاسیون میتواند برای مونومرهای قرارگرفته در فاصلهی بین صفحات رخ دهد. به دلیل کم بودن قطبیت زنجیرهای پلیمر در مقایسه با مونومرها بر اساس قوانین ترمودینامیکی زنجیرها از داخل لایههای سیلیکاتی خارج‌شده و مونومرها جایگزین آن‌ها می‌شوند تا در نهایت مولکولهای مونومر، لایههای سیلیکاتی را از هم جدا کنند و زنجیرهای پلیمری ما بین این لایهها قرار گیرند. شروع واکنش ممکن است از طریق حرارت یا تابش، نفوذ یک شروع‌کننده‌ی مناسب و یا به وسیلهی کاتالیزوری که در مرحله تبادل یونی در فاصله بین صفحات قرار گرفته است انجام شود. پلیمریزاسیون بستر پلیمری در حضور نانو ذرات انجام می‌شود و منومر در حین رشد، ذرات پر کننده را در بر می‌گیرد. نکته‌ی کلیدی در این روش نحوهی توزیع نانو ذرات در منومر است. با کنترل پیوند بین نانو ذرات و ماده زمینه، می‌توان توزیع مورد نظر را به دست آورد. بسیاری از نانو کامپوزیت‌ها با زمینه پلیمری را می‌توان با این روش تولید کرد [۲۹–۳۱]. شماتیکی از این روش در شکل ۲-۱۵ آورده شده است.

شکل ‏۲۱۵ شماتیکی از نانو کامپوزیت بدست آمده با روش پلیمریزاسیون درجا.

ب) روش محلول
این روش بر پایهی حلالی است که پلیمر یا پیش پلیمر در آن قابل حل بوده و لایههای سیلیکات در آن متورم میشوند. غلظتهای کم خاک رس آلی ابتدا در یک حلال مانند آب، کلروفورم و یا تولوئن پخش می‌شوند. به علت برهم‌کنش ضعیف بین لایههای سیلیکاتی در این سیستم سوسپانسیون، زنجیرهای پلیمری بر روی سطح صفحات سیلیکات جذب سطحی شده و جایگزین مولکولهای حلال موجود بین صفحات می‌شوند. با جداسازی حلال از طریق تقطیر، ساختار درهم رفتهی نانو کامپوزیت پلیمری باقی میماند [۳۰].
شماتیکی از این روش در شکل ۲-۱۶ نشان داده شده است.

شکل ‏۲۱۶ شماتیکی از نانوکامپوزیت بدست آمده از روش جا دهی حلال [۳۲].

د) روش اختلاط مذاب
روش اختلاط مذاب به علت اقتصادی بودن و انعطاف‌پذیری خوب در فرمولاسیون بیش‌ترین روش مورد استفاده در تهیهی نانو کامپوزیتها است که معمولاً در مخلوط کن و اکسترودر انجام می‌شود.ذرات پودری خاک رس آلی تقریباً دارای اندازهی ۸ میلی متر هستند که شامل کلوخه ها یا صفحات به هم چسبیده می‌باشند. تنشی که در طول پلیمریزاسیون مذاب اعمال می‌شود باعث شکستن کلوخهها و پخش کردن لایه‌ها می‌شود. در شکل ۲-۱۷ مکانیسم این روش به صورت شماتیک نشان داده ‌شده است[۲۶,۳۰].

اگر پلیمر وخاک رس برهم‌کنش خوبی داشته باشند با زمان دادن در دستگاه مخلوط کن همه صفحات از هم جدا می‌شوند . البته میزان پخش به عوامل دیگری مانند نوع اکسترودر و زمان اقامت مواد در آن هم بستگی دارد.
۲-۴-۶ بررسی مورفولوژی و برخی خواص نانو کامپوزیت پلی‌اتیلن- نانو خاک رس
به طور کلی عواملی که بر ساختار نهایی کامپوزیت و خواص فیزیکی آن اثرگذار هستند عبارت‌اند از:
• نسبت گرافت شدن و وزن مولکولی سازگار کننده
• میزان سازگاری ذرات خاک رس با پلیمر پایه
• نسبت وزنی سازگار کننده به نانو فیلر(α)
• شرایط واکنش
نسبت گرافت شدن بالا و یا درصد زیاد سازگار کننده مشکلات امتزاج پذیری را به وجود میآورد. بهترین α برابر ۳ گزارش شده است که یک توزیع خوب از نانو ذرات و بهبود خواص فیزیکی کامپوزیت را می‌دهد [۲۳].
در ادامه به بررسی برخی از خواص نانو کامپوزیتهای پلی‌اتیلنی که تا کنون مورد مطالعه قرارگرفته‌اند پرداخته می‌شود.
الف) مورفولوژی نانو کامپوزیت پلیاتیلن-نانو خاک رس
برای مشاهده میزان جدایش صفحات نانو خاک رس و چگونگی توزیع آن‌ها در ماتریس پلیمری به ترتیب از آزمونهای XRD وTEM استفاده می‌شود. نتیجه آزمون XRD که توسط ژای۴۳ و همکارانش برای سه نمونه نانوکامپوزیت پلی اتیلن انجام شده است در شکل ۲-۱۸ آورده شده است.

با توجه به شکل ۲-۱۸ برای نمونه a هیچ پیکی دیده نمیشودکه نشان می‌دهد ساختار این نانو کامپوزیت به صورت کاملاً ورقه‌ای‌ در آمده است. برای نمونه b وc پیک کوچکی در زاویه کمتر از پیک اصلی مربوط به خاک رس دیده شده است که بیانگر ساختار درهم رفته این نانو کامپوزیت‌ها است. در واقع مشاهده شده است که با افزایش درصد خاک رس ساختار نانو کامپوزیت از ورقه‌ای به درهم رفته تغییر می‌یابد که در اثر کاهش توانایی زنجیرهای پلی‌اتیلن در نفوذ بین صفحات خاک رس است.
توزیع بهتر خاک رس در نمونه ۳% نسبت به نمونه ۵% در تصاویرTEM شکل ۲-۱۹ نیز مشخص است [۳۳].

شکل ‏۲۱۹ تصاویر TEM نانو کامپوزیت PE-g-MAH/Org-MMT با درصد نانو خاک رس: a) 3% و b ) 5% [33].

ب) رفتار حرارتی
در تحقیقاتی که توسط ژای و همکارانش در بررسی رفتار حرارتی نانو کامپوزیت پلی‌اتیلن مالئیک شده و نانو خاک رس اصلاح‌شده در درصدهای متفاوت صورت گرفت، نتایج زیر به دست آمده است [۳۳].
• در آزمون TGA که در شکل ۲-۲۰ نشان داده‌شده است مشخص است که با افزایش ذرات خاک رس دمای تخریب نانو کامپوزیت نسبت به پلی‌اتیلن خالص افزایش‌یافته است.

شکل ‏۲۲۰ نمودارTGAمربوط به PE-g-MAH/Org-MMT [33].

علت این افزایش برهمکنش خوب بین ذ
رات خاک رس و پلیمر گزارش شده است.
• از نمودار به دست آمده در آزمون DSC که در شکل ۲-۲۳ آورده شده است، مشخص میشود که با افزایش ذرات خاک رس دمای بلورینگی نانو کامپوزیت افزایش‌یافته است. علت این افزایش، عمل کردن لایههای سیلیکاتی به عنوان عامل هسته زا بیان شده است که باعث افزایش بلورینگی نیز می‌شود. برای پلی‌اتیلن مالئیک شده هم این افزایش دیده می‌شود که به علت گروه‌های آویزانی است که باعث افزایش هسته سازی هتروژن و افزایش سرعت رشد بلورها شده‌اند.

.
ج) رفتار مکانیکی
لی۴۴ و همکارانش اثر نانو ذرات خاک رس را بر خواص مکانیکی نانو کامپوزیت پلی اتیلنی مطالعه و گزارش کردند. مشاهده شدکه افزایش درصد خاک رس تا ۱۰ درصد وزنی موجب افزایش استحکام در نقطه‌ی شکست و کاهش تغییر شکل در نقطه‌ی شکست نانو کامپوزیت می‌شود [۳۴]. در پژوهشی دیگر که توسط آشورو۴۵ و همکارانش انجام گرفت، مشاهده شد که افزایش درصد خاک رس موجب کاهش استحکام شکست نانو کامپوزیت پلی اتیلن خطی می‌شود که این کاهش را به کاهش درصد تبلور نمونه‌ها با افزایش درصد ذرات خاک رس نسبت داده‌اند [۳۵].
۲-۵ عایقهای الکتریکی پلیمری
خواص الکتریکی پلیمرها در واقع پاسخ آنها در مقابل یک میدان خارجی اعمال‌شده است که محدودهی وسیعی از اصول مولکولی را شامل می‌شود. برخلاف فلزات که پاسخ آنها برای یک میدان اعمال‌شده تنها رسانایی الکتریکی است، پلیمرها رفتارهای متنوعتری در حضور یک میدان دارند. به عنوان مثال پدیدهی قطبش از آشفتگیهایی در مقیاس مولکولی در اثر میدان خارجی حاصل می‌شود.
یک میدان الکتریکی باعث به وجود آمدن دو نوع پاسخ کلی در پلیمرها می‌شود:
۱- خواص دی الکتریک
۲-خواص رسانش توده
چهار فاکتور اساسی برای توصیف این پاسخها وجود دارد. دو پارامتری که خواص دی الکتریک پلیمر را بیان میکنند عبارت‌اند از:
ثابت دی الکتریک که پدیدهی قطبش را توصیف می‌کند و تانژانت زاویه دی الکتریک که اصل آسایش را توضیح می‌دهد.
دو فاکتوری که خواص رسانش توده را در بر می‌گیرند عبارت‌اند از:
استحکام دی الکتریک که مربوط به پدیدهی شکست است و رسانش که رسانایی الکتریکی را توصیف می‌کند [۳۶].
خواص نارسانایی پلیمرها برای محافظت از نشت جریان الکتریکی در یک رسانا و نیز برای تحمل میدانهای الکتریکی قوی بدون شکست کاربرد فراوانی دارد. برای رسیدن به خواص دی الکتریک مطلوب در پلیمرها بایستی به طور کامل با پدیدهی نارسانای الکتریکی و اصول انتخاب مناسب پلیمرها برای عایق آشنا بود [۳۶].
پارامترهای تعیین‌کننده‌ی مناسب بودن یک عایق عبارت‌اند از: ثابت دی الکتریک، استحکام دی الکتریک، فاکتور اتلاف و مقاومت سطحی و حجمی. سه فاکتور اول اهمیت بیشتری دارند که به اختصار بررسی می‌شوند.
۲-۵-۱ ثابت دی الکتریک
ثابت دی الکتریک یک ماده، نسبت ظرفیت یک خازن با دی الکتریک به ظرفیت همان خازن در شرایط خلاء است. منظور از ظرفیت خازن مقدار باری است که یک خازن ذخیره می‌کند.
با اعمال جریان در یک ماده قطبی بارهای مثبت در مولکولها به یک طرف و بارهای منفی به طرف دیگر رانده می‌شوند یعنی درون ماده پدیده قطبش رخ میدهد. می‌توان گفت توانایی بیشتر مولکولها در قطبیده شدن سبب بالاتر رفتن ثابت دی الکتریک در ماده خواهد شد. زیرا بارهای بیشتری در سطح ماده در اثر میدان الکتریکی تجمع پیدا خواهند کرد. البته توانایی قطبیده شدن مولکول به فرکانس میدان اعمال‌شده بر عایق هم بستگی دارد.
برای مولکولهای غیر قطبی، قطبش پذیری از دو اثر ناشی می‌شود:
یکی قطبش الکترونی که در آن میدان اعمال‌شده باعث جابجایی الکترونها نسبت به هسته در هر اتم می‌شود (eα) و دیگری قطبش اتمی که در آن میدان اعمال‌شده باعث جابجایی هستهای اتمها نسبت به هم می‌شود (αa).
در مولکولهای قطبی پدیدهی سومی نیز در قطبش کلی مشارکت می‌کند که به قطبش جهتگیری معروف است (αo). در این قطبش میدان اعمال‌شده باعث جهتگیری ممانهای دوقطبی در جهت موازی با میدان می‌شود.
قطبش کلی یک مولکول مجموع این سه نوع قطبش است (رابطه‌ی۲-۲).

این مطلب مشابه را هم بخوانید :   دانلود مقاله ساختار پایان نامه و ارزیابی عملکرد

(۲-۲).
αr= αe + αa + αo

مکانیزم های مختلف قطبش در شکل ۲-۲۲ نشان داده‌شده است.

شکل ‏۲۲۲ مکانیزم‌های مختلف قطبش: الف) قطبش اتمی، ب) قطبش جهت‌گیری و ج) قطبش الکترونی.

حالت فیزیکی پلیمر هم روی قطبیت آن اثرگذار است. این پارامتر به طور غیرمستقیم روی ثابت دی الکتریک اثر دارد. قطبیت پلی وینیل کلراید از کلروپرن بیشتر است ولی ثابت دی الکتریک آن کمتر است زیرا کلروپرن در دمای اتاق در حالت لاستیکی قرار دارد و به دلیل قطبش جهتیابی که در بخشهای زنجیر در حالت لاستیکی رخ میدهد، مقدار ثابت دی الکتریک آن بیشتر است. ولی پلی وینیل کلراید در دمای اتاق در حالت شیشهای است و حرکتهای زنجیر در آن ممنوع است و قطبش جهتیابی دوقطبی فقط به دلیل حرکت گروه‌های قطبی اتفاق میافتد ولی در دماهای بالاتر از دمای انتقال شیشهای، پلی ونیل کلراید ثابت دی الکتریک بالاتری دارد. در حالتهای فیزیکی مختلف به دلیل تفاوت رفتار حرکت‌های حرارتی گروه‌های قطبی، ثابت دی الکتریک متفاوت است. طبیعت حرکتهای حرارتی روی چگونگی قطبش دو قطبیها اثر می‌گذارد. از این رو این امر به اندازه اثر توزیع بار مهم است.
اگر گروه قطبی مشابهی در دو پلیمر با ساختار شیمیایی مختلف وجود داشته باشد که این گروه در یکی در زنجیره اصلی و در دیگری در شاخه فرعی قرار گرف
ته باشد در پلیمر دوم این گروه بیشتر میتواند حرکت کند. از آن جا که یک گروه قطبی منعطف، ممان دوقطبی مؤثر بزرگ‌تری دارد، ثابت دی الکتریک پلیمر اول بیشتر است.
تقارن، ایجاد اتصالات عرضی و کشش زنجیرها، ممان دوقطبی ایجادشده با حرکتهای حرارتی را در گروه‌های قطبی کم می‌کند. از طرف دیگر شاخهای شدن ممان دو قطبی را افزایش می‌دهد. در هنگام سنتز جلوگیری از حضور مونومرهای غیر قطبی در کوپلیمر، باعث بالاتر رفتن ثابت دی الکتریک میشود. استفاده از نرم کنندهها، آنتی اکسیدانتها و کمک فرایندها در آمیزه مقدار ثابت دی الکتریک را بالا میبرد. به طور کلی افزودن یک ماده با توانایی قطبیده شدن یونی یا دو قطبی به یک پلیمر غیر قطبی، ثابت دی الکتریک پلیمر غیر قطبی را بالا میبرد. حالت ایزوتاکتیک نیز به افزایش ثابت دی الکتریک کمک می‌کند.
به طور کلی ثابت دی الکتریک با افزایش دما، افزایش و با افزایش فرکانس میدان، کاهش می‌یابد. البته در پلیمرهای غیر قطبی ثابت دی الکتریک با افزایش دما کمی کاهش می‌یابد درحالی‌که در پلیمرهای قطبی با افزایش دما افزایش در ثابت دی الکتریک مشاهده شده است.
برای یک عایق مناسب بر خلاف خازنها، ثابت دی الکتریک تا حد ممکن باید پایین باشد [۳۷] . ثابت دی الکتریک پلیمرها حداقل ۱ است ولی حد بالایی برای آن وجود ندارد. برای پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده این مقدار برابر با ۳/۲ در فرکانس ۵۰ هرتز گزارش شده است. [۳۶,۳۸] .
۲-۵-۲ تانژانت زاویه اتلاف دی الکتریک
ثابت دی الکتریک ساکن زمانی مشاهده می‌شود که ماده عایق در تعادل با میدان اعمال‌شدهی خارجی باشد. اما اگر فرکانس متغیر میدان خارجی باعث تأخیر در رسیدن به تعادل گردد، فرایند آسایش مطرح می‌شود که در این حالت نیز پدیدهی قطبش تعیین کننده است. انواع قطبش بر اساس زمان مورد نیاز برای این فرایند به دو نوع قطبش سریع و قطبش کند، تقسیم‌بندی می‌شوند.
قطبش سریع به طور عمده شامل قطبش الکترونی است و نیازمند زمانی معادل ۱۶-۱۰ ثانیه است. قطبش اتمی در زمانی معادل ۱۴-۱۰-۱۲-۱۰ ثانیه اتفاق میافتد. زمان مورد نیاز برای قطبش جهتگیری وابسته به مقاومت اصطکاکی محیطی است که جهتگیری مولکولی در آن صورت میگیرد. مقاومت اصطکاکی زیاد در مایعات بسیار ویسکوز و جامدات ممکن است زمان مورد نیاز برای قطبش را از چند ثانیه تا چند دقیقه و حتی بیشتر افزایش دهد.
آسایش دی الکتریک که با نامهای پراکندگی دی الکتریک و اتلاف دی الکتریک نیز بیان می‌شود، زوال نمایی قطبش با زمان در یک دی الکتریک است، هنگامی که میدان اعمال‌شده خارجی حذف شده باشد. زمان آسایش را می‌توان به صورت زمانی که قطبش به e/1 مقدار اصلی خود میرسد تعریف کرد.

دیدگاهتان را بنویسید