1-7-3-3-نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی-سرامیکی………………………………………………………………………… 14
1-7-3-4-نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی…………………………………………………………………………………………. 14
1-8-مزایا ومعایب نانوکامپوزیتها……………………………………………………………………………………………………………… 14
1-9-روشهای تهیه نانوکامپوزیتها………………………………………………………………………………………………………….. 16
1-9-1-مخلوطسازی مستقیم……………………………………………………………………………………………………………….. 16
1-9-2-فرآوری محلول………………………………………………………………………………………………………………………….. 16
1-9-3-پلیمریزاسیون درجا…………………………………………………………………………………………………………………… 17
ب
1-9-4-روش سل-ژل…………………………………………………………………………………………………………………………… 17
1-9-5-سنتز با استفاده از تمپلیتها……………………………………………………………………………………………………. 18
1-10-ضرورت توجه به نانوکامپوزیتهای پلیمری……………………………………………………………………………………. 19
1-11-کاربردهای نانوکامپوزیتها………………………………………………………………………………………………………………. 19
1-12- اهداف تهیه نانوکامپوزیتهای پلیمری………………………………………………………………………………………….. 20
1-13- انواع پرکنندهها با ابعاد نانو…………………………………………………………………………………………………………….. 21
1-13-1- لایهای…………………………………………………………………………………………………………………………………… 21
1-13-2- لیفی……………………………………………………………………………………………………………………………………… 21
1-13-3-کروی……………………………………………………………………………………………………………………………………… 21
1-14- معرفی پلی وینیل الکل………………………………………………………………………………………………………………….. 22
1-14-1-خواص فیزیکی پلی وینیل الکل……………………………………………………………………………………………. 23
1-14-1-1- نقطه ذوب و تبلور………………………………………………………………………………………………………. 23
1-14-1-2- دمای شیشهای شدن………………………………………………………………………………………………….. 24
1-14-1-3- قابلیت انحلال………………………………………………………………………………………………………………. 24
1-15-تخریب پلیمرها…………………………………………………………………………………………………………………………………. 25
1-15-1-انواع تخریب…………………………………………………………………………………………………………………………….. 26
1-15-1-1-تخریب حرارتی……………………………………………………………………………………………………………….. 26
1-15-1-2-تخریب مکانیکی……………………………………………………………………………………………………………… 26
ج
1-15-1-3-تخریب با آب (تخریب هیدرولیکی)……………………………………………………………………………….. 26
1-15-1-4-تخریب با امواج مافوق صوت…………………………………………………………………………………………… 26
1-15-1-5-تخریب شیمیایی……………………………………………………………………………………………………………… 27
1-15-1-6-تخریب با تشعشع…………………………………………………………………………………………………………….. 27
1-15-1-7-زیست تخریب شدن………………………………………………………………………………………………………… 27
1-16-پلاستیکهای زیست تخریب پذیر…………………………………………………………………………………………………….. 27
1-17-زیست تخریب پذیری در پلیمرها……………………………………………………………………………………………………… 27
1-17-1-پلیمرهای زیست تخریب پذیر طبیعی……………………………………………………………………………………… 29
1 -17-2-پلیمرهای زیست تخریب پذیر سنتزی……………………………………………………………………………………. 29
1-18-عوامل موثر بر زیست تخریب پذیری پلیمرها…………………………………………………………………………………… 30
1-19-روشهای زیست تخریب پذیری……………………………………………………………………………………………………….. 30
1-19-1-میکروارگانیسمها………………………………………………………………………………………………………………………. 31
1-19-1-1-فرآیند هوازی (در حضور اکسیژن)………………………………………………………………………………….. 31
1-19-1-2-فرآیند غیر هوازی (در غیاب اکسیژن)…………………………………………………………………………….. 31
1-19-2-آنزیمها………………………………………………………………………………………………………………………………………. 31
1-20-کاربرد پلیمرهای زیست تخریب پذیر………………………………………………………………………………………………. 31
1-21-روشهای تخریب پلیمرهای زیست تخریب پذیر…………………………………………………………………………….. 32
1-21-1-تخریب از طریق نور…………………………………………………………………………………………………………………. 32
د
1-21-2-تخریب از طریق میکروبی……………………………………………………………………………………………………….. 32
1-21-3-تخریب شیمیایی……………………………………………………………………………………………………………………… 33
1-22-روشهای شناسایی نانوکامپوزیتها…………………………………………………………………………………………………. 33
1-22-1-استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD)…………………………………………………………………………………… 33
1-22-2-استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)………………………………………………………………… 35
1-22-3-استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)………………………………………………………………… 36
1-22-4-استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)………………………………………………………………………. 37
فصل دوم: بخش تجربی
2-1-وسایل، مواد و دستگاههای مورد استفاده…………………………………………………………………………………………… 39
2-1-1-وسایل آزمایشگاهی……………………………………………………………………………………………………………………. 39
2-1-2-مواد شیمیایی…………………………………………………………………………………………………………………………….. 39
2-2-تعیین جرم مولکولی…………………………………………………………………………………………………………………………… 41
2-3-تهیه نمونهها……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 44
2-3-1-آماده سازی نانو ذرات………………………………………………………………………………………………………………… 44
2-3-1-1-روش تهیهی نانوذرات CdS…………………………………………………………………………………………………..44
2-3-2-آماده سازی نمونههای نانو کامپوزیتی…………………………………………………………………………………………45
2-3-2-1-روش تهیه کامپوزیتStarch/PVA ………………………………………………………………………………… 45
2-3-2-2- روش تهیه نانوکامپوزیتStarch/PVA/CdS ……………………………………………………………….. 46
2-4-اندازهگیریها………………………………………………………………………………………………………………………………………. 46
ه
2-4-1-بررسی ساختار………………………………………………………………………………………………………………………….. 47
2-4-1-1- پراش پرتو ایکس (XRD)…………………………………………………………………………………………….. 47
2-4-1-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)………………………………………………………………………… 47
2-4-1-3-طیف سنجی انرژی پراش اشعه ایکس (EDX)…………………………………………………………….. 48
2-4-2- خواص مکانیکی………………………………………………………………………………………………………………………. 48
2-4-3-خواص حرارتی…………………………………………………………………………………………………………………………. 50
2-4-3-2-آنالیز گرماسنج دیفرانسیلی روبشی (DSC)……………………………………………………………….. 50
2-4-4- طیف سنجی مرئی- فرابنفش (UV-VIS)…………………………………………………………………………… 50
2-5- بررسی جذب آب نانوکامپوزیتها……………………………………………………………………………………………………. 51
2-6- بررسی تخریب آنزیمی…………………………………………………………………………………………………………………….. 54
فصل سوم: بحث و نتیجهگیری.
3-1-مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 57
3-2- تعیین جرم مولکولی پلی وینیل الکل……………………………………………………………………………………………… 58
3-3- شناسایی ساختار نانوذرات CdS…………………………………………………………………………………………………….. 58
3-3-1- نتایج XRD…………………………………………………………………………………………………………………………. 58
3-3-2- نتایج SEM…………………………………………………………………………………………………………………………. 60
3-4- شناسایی نانوکامپوزیتها………………………………………………………………………………………………………………… 66
3-4-1- نتایج XRD ………………………………………………………………………………………………………………………… 62
3-4-2- نتایج SEM…………………………………………………………………………………………………………………………. 63
3-4-3- نتایج EDX…………………………………………………………………………………………………………………………. 64
و
3-5- بررسی خواص نانوکامپوزیتهای Starch/PVA/CdS…………………………………………………………….. 66
3-5-1- نتایج آزمون مکانیکی تنش- کرنش…………………………………………………………………………………….. 66
3-5-2- نتایج آزمون حرارتی (DSC)………………………………………………………………………………………………. 70
3-5-3- نتایج جذب نور مرئی- فرابنفش…………………………. ……………………………………………………………… 74
3-5-4- نتایج آزمون جذب آب…………………………………………………………………………………………………………. 78
3-5-5- نتایج آزمون تخریب آنزیمی………………………………………………………………………………………………….83
3-5- نتیجهگیری…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 87
فهرست منابع……………………………………………………………………………………………………………………………………………..89
ز
فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول (2-1)-انواع مواد شیمیایی مورد استفاده……………………………………………………………………………………. 40
جدول (3-1)- زمان ریزش محلولها با غلظتهای مختلف در ویسکومتر استوالد……………………………….. 62
جدول (3-2)- درصد تقریبی عناصر موجود در نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS………………………… 70
جدول (3-3)- دادههای آزمون کشش………………………………………………………………………………………………….. 71
جدول (3-4)- دادههای مربوط به آزمون کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC)……………………………………. 78
جدول (3-5)- دادههای مربوط به باند گپ نمونههای نانوکامپوزیتی…………………………………………………… 80
ح
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل (1-1)- فرمول شیمیایی پلی وینیل الکل………………………………………………………………………………………. 22

شکل (1-2) دستگاه پراش اشعه ایکس……………………………………………………………………………………………………. 34
شکل (1-3) دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی………………………………………………………………………………… 36
شکل (1-4) دستگاه میکروسکوپ الکترونی عبوری………………………………………………………………………………… 37
شکل (1-5) دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی………………………………………………………………………………………. 38
شکل (2-1)- دستگاه تست کشش مورد استفاده در این پژوهش…………………………………………………………. 52
شکل (3-1)- الگوی XRD نانوذرات CdS………………………………………………………………………………………….. 63
شکل (3-2)- تصاویر SEM مربوط به نانوذرات CdS…………………………………………………………………………. 65
شکل (3-3)- الگوی XRD مربوط به نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS………………………………………. 67
شکل (3-4)- تصاویر SEM مربوط به نانوکامپوزیتهای Starch/PVA/CdS………………………………. 68
شکل (3-5)- آنالیز عنصری (EDX) مربوط به نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS……………………….. 69
شکل (3-6)- آزمون Tensile………………………………………………………………………………………………………………. 72
شکل (3-7)- آزمون DSC. ترموگرام مربوط به ماتریس پلیمری Starch/PVA……………………………. 77
شکل (3-8)- آزمون DSC. ترموگرام مربوط به نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS (5%)………….. 77
شکل (3-9)- طیف UV-Vis مربوط به نانوکامپوزیتهای Starch/PVA/CdS………………………….. 79
ط
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار (3-1)- تاًثیر مقدار نانوذره CdS بر روی استحکام کششی……………………………………………………… 73
نمودار (3-2)- تاًثیر مقدار نانوذرات CdS بر روی مدول کشسانی……………………………………………………… 74
نمودار (3-3)- تاًثیر مقدار نانوذرات CdS بر روی ازدیاد طول……………………………………………………………. 75
نمودار (3-4)- بررسی اثر زمان و مقدار نانوذرات CdS بر روی وزن نمونههای آبدار نانوکامپوزیتی….. 81
نمودار (3-5)- بررسی اثر زمان و مقدار نانوذرات CdS بر روی درجهی جذب آب نمونهها………………. 82
نمودار (3-6)- تاًثیر افزایش نانوذرات CdS بر روی تخریب آنزیمی نانوکامپوزیتها…………………………… 83
ی
فهرست علائم و اختصارات
AFM Atomic Force
DSC Differential Scanning Calorimetry
DED Degree of enzymatic degradation
EDX Energy Dispersive X-ray spectroscopy
XRD X-ray Diffraction
PVA Polyvinyl Alcohol
PVAC Polyvinyl Acetate
S Starch
SEM Scanning Electron Microscopy
TGA Termal Gravimetric Analysis
TEM Transmission Electron Microscope
rpm revolution per minute
nm nanometer
Mpa Mega pascal
WAC Water Absorption Capability
ک
فصل اول:
مقدمه
1-1-فنآوری نانو چیست؟
فنآوری نانو واژهای است کلی که به تمام فنآوریهای پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق میشود. معمولاٌ منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود یک تا 100 نانومتر میباشد. (1 نانومتر یک میلیاردم متر است) [1]. اولین جرقه فنآوری نانو در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن1 طی یک سخنرانی با عنوان (فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد) ایده فنآوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آیندهای نزدیک میتوانیم مولکولها و اتمها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم [2].
نانومواد در سالهای اخیر به علت کارایی بالایی که در حوزههای وسیعی از زمینههای مختلف دانش مانند الکترونیک، کاتالیست، سرامیک، ذخیره دادههای مغناطیسی و…. دارند، گسترش قابل توجهی یافتهاند. در حقیقت برای تحقق نیازهای فنآورانه در زمینههای یاد شده با استفاده از نانومواد، اندازه مواد در ابعاد طول، عرض و یا ارتفاع تا مقیاس نانومتری کاهش مییابد. با کاهش اندازه مواد تا ابعاد نانومتری، خواص مکانیکی و فیزیکی مواد بهبود قابل توجهی پیدا میکند، به طور مثال استحکام مکانیکی و به ویژه مقاومت الکتریکی و حرارتی افزایش مییابد [3].
نانومواد را میتوان در یک طبقهبندی کلی، به دو دسته نانوبلورها و نانوذرات تقسیم کرد:
1-نانوبلورها: عبارتند از مواد چند بلوری با اندازه دانههای کمتر از nm100.
2-نانوذرات: عبارتند از ذرات بسیار کوچک با ابعاد ریز (کمتر از nm100) که به عنوان بلوکهای ساختمانی نانومواد بلوری در نظر گرفته میشوند.
روشهای جدید تولید نانوذرات عمدتاٌ فرآیندهایی بر پایه حالت بخار، مایع و جامد میباشند:
روشهای بر پایه بخار:PVD ،CVD ، روشهای پاششی و….
روشهای بر پایه مایع: روش سل-ژل، روشهای شیمیایی تر و….
روشهای بر پایه جامد: آلیاژسازی مکانیکی و…. [4]
هدف نانوتکنولوژی بهرهبرداری از خواص نانوساختارها با کنترل ساختارها در سطوح اتمی و مولکولی است. نانوساختارها طبق تعریف به مواد و ساختارهایی گفته میشود که در یکی از ردهبندیهای زیر قرار گیرند [5]:
نانوساختارهای صفر بعدی: ساختارهایی که هر سه بعد آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. مانند نانوذرات، نانوپودرها، نانوخوشهها2.
نانوساختارهای یک بعدی: به مواد و ساختارهایی اطلاق میشود که دو بعد از سه بعد آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. مانند نانوسیمها3 و نانولولهها.
نانوساختارهای دو بعدی: به مواد و ساختارهایی میگویند که دارای یک بعد کمتر از 100 نانومتر باشد. مانند لایههای نازک و کلیها4.
نانوساختارهای سه بعدی: ساختارهایی هستند که دارای حفرات نانوساختار هستند مانند زئولیتها5 [6].

1-2-مقدمهای بر پلیمرها
شاید برخی تصور کنند که ترکیبات پلیمری از جمله دستاوردها و ابداعات دنیای مدرن هستند در صورتی که مدت زمان استفاده از پلیمرهای طبیعی به هزاران سال میرسد.
چوب، پنبه، پشم، چرم و ابریشم از جمله این پلیمرهای طبیعی هستند. زمان ابداع و توسعه پلیمرهای مصنوعی به قرن اخیر و به خصوص به بعد از جنگ جهانی دوم برمیگردد، که در بیشتر حالتها، این مواد مصنوعی از نظر ساخت سادهتر و ارزانتر نسبت به پلیمرهای طبیعی مرسوم تهیه میشوند. به طور کلی، پلیمرها دارای رشتههای مولکولی بسیار طویلی هستند که این رشتهها از تکرار واحدهای کوچک درست شدهاند. به هر یک از واحدهای تکراری مونومر میگویند [7].
پلیمرها از نظر خواص فیزیکی به سه دسته تقسیم میشوند: الاستومرها، الیاف و پلاستیکها، که خود پلاستیکها با توجه به خواص گرمایی خود به دو گروه ترموپلاستیکها و ترموستها تقسیمبندی میشوند [8]. ترموپلاست به آن دسته از پلیمرها اطلاق میشود که قابلیت فرآیندپذیری در اثر گرما را داشته باشند، به طوری که قابلیت سیکلهای متعدد گرم وسرد شدن را دارند. از جمله این پلیمرها میتوان به پلی وینیل کلرید، پلی استیلن، پلی استایرن اشاره کرد [9].
اما پلیمرهای ترموست قابلیت فرآیندپذیری با ذوب شدن یا حل شدن ندارند به این جهت که قبل از نرم شدن و فرآیندپذیری، پلیمر دچار تجزیه میگردد. مواد ترموپلاست در دمای بالاتر از دمای ذوب یا دمای انتقال شیشهای و کمتر از دمای تخریب حرارتی میتوانند تغییر شکل غیرکشسان نامحدودی را داشته باشند، در این دما پلیمر زنجیرهای منفرد طولانی دارد که به یکدیگر اتصالات عرضی ندارند. از طرف دیگر مواد ترموست وقتی در مقابل گرما قرار میگیرند تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیری را انجام میدهند [10].
در یک دستهبندی دیگر از نظر ساختاری، پلیمرها به دو دسته کلی هموپلیمر و کوپلیمر تقسیمبندی میشوند. اگر تنها یک نوع واحد تکرار شونده (مونومر) در تشکیل زنجیر پلیمری شرکت داشته باشند به آن ترکیب هموپلیمر گفته میشود. اما اگر مونومر دیگری نیز در تشکیل زنجیر پلیمری نقش داشته باشد به ترکیب حاصل کوپلیمر میگویند [11].

3
در یک تقسیمبندی متفاوت، پلیمرها از نظر ساختار به چهار دسته اصلی تقسیم میشوند:
1- پلیمرهای خطی: که در آن زنجیر های طویل و انعطافپذیر با نیروهای واندروالس یا توسط پیوندهای هیدروژنی در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند.
2- پلیمرهای شاخهای: در این ساختار زنجیرهای پلیمری دارای ساختار شاخهای هستند که در آن مقدار به هم فشردگی و دانسیته زنجیرها نسبت به پلیمر خطی بسیار کمتر است.
3- پلیمرهای با اتصالات عرضی: در این ساختار زنجیرهای پلیمری توسط پیوندهای عرضی به یکدیگر متصل شدهاند، این پیوندهای عرضی هم میتوانند در طی زمان سنتز ایجاد شوند وهم میتوانند در طی یک فرآیند مجزا در پلیمر به وجود آیند. مانند اضافه کردن ناخالصیهایی که باعث متصل شدن زنجیرها میشوند، از جمله معروفترین این ناخالصیها میتوان به ترکیبات دوعاملی، دی اسیدها، دی آمینها، آمینو اسیدها و انیدریدها اشاره کرد.
4- پلیمرهای شبکهای: زمانی که از مونومرهای سه عاملی برای سنتز استفاده شود نتیجه پلیمریزاسیون ساختار شبکهای و سه بعدی خواهد بود. این پلیمرها دارای خواص ترموست هستند.
از نظر میزان استحکام این پلیمرها با یکدیگر کاملاً متفاوت هستند. از آنجا که در پلیمرهای خطی، زنجیرهای پلیمری تنها با نیروهای ضعیف واندروالسی در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند کمترین استحکام را از خود نشان میدهند. پلیمرهای عرضی به خاطر نیروهای کووالانسی عرضی استحکام بالاتری را از خود نشان میدهند. پلیمرهای شبکهای به دلیل اتصالات و پیوندهای کووالانسی گوناگون بالاترین میزان استحکام را نسبت به سه گروه دیگر دارد [12].

4
1-3-روشهای سنتز نانوذرات
در طول 10 سال گذشته، سنتز ومطالعهی نانوذرات بخش مهمی از تحقیقات را در زمینههای مختلف علمی به خود اختصاص داده است. یکی ازمهمترین خواص نانوذرات، نسبت سطح به حجم بسیار بالای آنهاست، یعنی اتمهای موجود در سطح، کسر بالایی از اتمهای تشکیلدهنده یک ذره را تشکیل میدهند، لذا این نسبت به همراه اندازه وشکل تقریباٌ یکنواخت، باعث خواص کاملاٌ متفاوت نانوذرات در مقایسه با ذرات درشتتر و مواد بالک شده است. اندازه، ساختار و خواص نانوذرات به صورت اساسی وابسته به روش ساخت آنها میباشد. روش سنتز مناسب و ایدهآل روشی است که دارای خصوصیات زیر باشد:
1- قابلیت تکثیر و تولید دوباره را داشته باشد.
2- نانوذراتی با ابعاد ریز و اندازههای یکسان تولید کند.
3- امکان کنترل شکل ذرات وجود داشته باشد.
4- آسان و ارزان باشد [13].
کل فرآیندهای سنتز نانوذرات به صورت گسترده به دو دستهی روشهای شیمیایی و فیزیکی تبدیل میشوند.
1-3-1-روشهای شیمیایی
1-3-1-1-ته نشینی و رسوب دهی شیمیایی
در اثر واکنش ایجاد شده در محلول، ذرات جامد حاصل میشوند که این ذرات را میتوان به وسیلهی سانتریفوژ و یا با ثابت نگه داشتن محلول و زمان دادن برای ته نشینی جداسازی کرد.
1-3-1-2-سل-ژل6
این روش شامل دو مرحله است. در مرحلهی اول، ذرات کلوئیدی در محیط آب و یا اسید رقیق پخش میشوند که به مرحلهی سل معروف است. در مرحلهی بعدی، فاز مایع حذف شده و ژل تشکیل میشود. با کنترل فرآیند تبدیل سل به ژل میتوان اندازه و شکل ذرات را کنترل کرد. در سل ذرات نه حل میشوند و نه رسوب میکنند. برای تشکبل ژل باید حالت تعلیق حفظ شود و ذرات رسوب نکنند. در این روش، ذرات را از خشک کردن سریع و یا مرحلهای ژل تولید میکنند.
1-3-1-3-پیش مادهی پلیمری
این روش شامل اختلاط کاتیونها در یک محیط آبی است که روشی ارزان بوده و توزیع همگنی از یونها را در سطح مولکولی به همراه دارد. از جمله فواید این روش، امکان کار کردن در محلولهای آبی با کنترل بالای استوکیومتری است. همچنین دمای عملیاتی و هزینهی عملیاتی و تجهیزاتی این فرآیند پایین است [14].
1-3-1-4-میکروامولسیون7
میکروامولسیونها، مخلوطهای مایع پایا و همگنی از روغن، آب و سورفکتانت هستند. فاز آبی شامل نمکها و یا دیگر عناصر بوده و روغن ممکن است مخلوطی از هیدروکربنها و الفینهای مختلف باشد. میکروامولسیونها بر خلاف امولسیونهای معمولی در شرایط اختلاط معمولی وساده تشکیل میشوند. دو نوع میکروامولسیون داریم. میکروامولسیون مستقیم که پخش روغن در آب و میکروامولسیون معکوس که پخش آب در روغن است. در سیستمهای سهتایی، مولکولهای سورفکتانت ممکن است به صورت یک لایه، در فصل مشترک روغن و آب قرار گیرند. سر آبگریز مولکولهای سورفکتانت، در فاز روغن و سر آب دوست آن در فاز آلی حل میشود. وظیفهی سورفکتانت تثبیت مخلوط روغن/ آب میباشد [15].
1-3-1-5-هیدروترمال8
این روش برای سنتز پودرهای اکسیدی ساده و در دمای نسبتاٌ پایین به کار میرود. در این فرآیند پس از تهیهی یک سل از محلول با حرارت دادن آن در اتوکلاو، نانو ذرات اکسیدی سنتز میشوند [16].
1-3-1-6-سنتز به کمک احتراق
در این روش، مادهی آغازین را در محفظهای با مخلوط گازهایی چون اکسیژن و استیلن ویا اکسیژن و هیدروژن ترکیب میکنند. در اثر انفجار، انرژی لازم برای سنتز مواد ایجاد میشود. از معایب این روش، تجمع بالای ذرات است که در نتیجهی فشار بالای گاز در طول فرآیند حاصل میشود. برای کنترل اندازه وابعاد محصول نهایی، باید شعله کاملاٌ کنترل شده و یکنواخت باشد. با توجه به اکسیدی بودن محیط سنتز این روش برای تولید پودرهای اکسیدی مناسب است [16].
1-3-2-روشهای فیزیکی– شیمیایی
1-3-2-1-تجزیه حرارتی افشانهای
در این روش مادهی آغازین به صورت ذرات ریزی در آورده شده و ترکیبات زائد در معرض شعله میسوزد.
1-3-2-2-تغلیظ گاز
در این روش یک فلز و یا یک مادهی معدنی، در اثر اشعهی الکترونی و یا جرقه در محیط گازهایی چون آرگون، نئون و کریپتون تبخیر میشوند. سپس خوشههای ذرات به وسیلهی هستهزایی همگن در فاز گاز و در مجاورت منبع تشکیل شده و با ملحق شدن اتمهای دیگر رشد میکنند. رشد ذرات تابع زمان قرار گرفتن خوشهها در محیط است که با تغییر فشار گاز کنترل میشود. برای جمع آوری ذرات از یک چرخ دوار خنک شونده با نیتروژن مایع استفاده میشود. در این روش، اندازهی ذرات 50-2 نانومتر بوده وتجمع و انباشتگی ذرات را نداریم [17].
1-3-2-3-سایش مکانیکی
در سایش مکانیکی، مواد از طریق خرد شدن تهیه میشوند. از جمله مزایای این روش تجهیزات نسبتاٌ ارزان در مقیاس آزمایشگاهی، قابلیت سنتز اکثر مواد و سهولت استفاده از آن
7
در مقیاس صنعتی میباشد. عمده محدودیت این روش، آلودگی ناشی از پخش ذرات در محیط آسیاب و تجمع ذرات در حین آسیاب کردن است. در سایش مکانیکی، معمولاٌ از آسیابهای چرخشی با انرژی بالا استفاده شده و نانوذرات بر اساس تنشهای برشی وارده بر مواد تولید میشوند. انرژی مورد نیاز آسیاب کردن، از طریق گلولههای آسیاب به ذرات وارد میشود. برای تولید نانوذرات غیر اکسیدی و حساس به اکسید شدن، معمولاٌ محیط اطراف آسیاب را خنثی و بیاثر در نظر میگیرند [17].
1-3-2-4-روش اولتراسونیک9
از امواج مافوق صوت برای تولید نانوذرات استفاده میکنند.
1-3-2-5-سیالات فوق بحرانی
به دلیل برخی از خواص گازگونه و مایع گونهی سیالات فوق بحرانی مانند نفوذپذیری و دانسیته، امکان استفاده از این سیالات در تولید نانوذرات به وجود آمده است. این سیالات، معایب دیگر روشها مانند اثرات گرمایی و شیمیایی را ندارند [17].

1-4-کامپوزیتها
واژه کامپوزیت از کلمه انگلیسی to compose به معانی ترکیب کردن، ساختن و مخلوط کردن مشتق شده است، لذا یک ماده کامپوزیتی از ترکیب و اختلاط چند ماده حاصل میشود. لازم به ذکر است که ترکیب و اختلاط فیزیکی است و نه شیمیایی، به طوری که اجزا تشکیل دهنده ماهیت شیمیایی وطبیعی خود را کاملاٌ حفظ میکنند [18]. کامپوزیتها یا مواد مرکب از جمله مواد مهندسی و ساختمانی جدیدی هستند که در توسعه و کاربرد آنها متخصصین فراوانی از رشتههای مختلف مانند: متالوژی، سرامیک، پلیمر و غیره سهم به سزایی داشتهاند.
استفاده از کامپوزیتهای مدرن در حقیقت از اوایل سال 1940 میلادی شروع شد. در این سال برای اولین بار از الیاف شیشه جهت تقویت پلاستیکهای مصرفی در ساخت پوشش پلاستیکی آنتن رادار هواپیما استفاده شد [19]. به پلیمرهای تقویتشده با الیاف یا ذرات پودری کامپوزیتهای پلیمری گفته میشود که دارای دو یا چند فاز مشخص هستند. هدف از تهیه کامپوزیتها تقویت یکی از فازهای تشکیل دهنده است که به فاز تقویت شونده اصطلاحاٌ ماتریس (زمینه) یا فاز پیوسته میگویند. به دلیل اینکه فاز غیر پیوسته نسبت به فاز پیوسته، عمدتاٌ سختتر و قویتر است به آن فاز تقویتکننده میگویند [20]. خواص نهایی کامپوزیتها به فاز پیوسته، فاز غیر پیوسته و فصل مشترک بستگی دارد [21].
1-4-1-انواع کامپوزیتها
1- کامپوزیتهای لیفی
2- کامپوزیتهای پودری
1-4-1-1-کامپوزیتهای لیفی
فاز غیرپیوسته در این کامپوزیتها را رشتههای کوتاه یا بلند الیاف تشکیل میدهند. نکتهای که در این نوع کامپوزیتها مهم است این است که در ساخت این نوع کامپوزیتها باید سعی شود تا الیافی که در ماتریس پلیمر توزیع میشوند یکنواخت باشد و چنانچه الیاف استفاده شده با طول بلند باشد، نحوه آرایش الیاف جهت یکنواخت شدن در زمینه پلیمری مهم است [22]. در این زمینه الیاف شیشهای، کربنی، تالک و میکا از مهمترین الیافها هستند [23].
1-4-1-2-کامپوزیتهای پودری

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

در این نوع کامپوزیتها ماده تقویتکننده به صورت پودر است. پودرها در بهبود خواص مکانیکی از قبیل استحکام، سختی و چقرمگی بالای کامپوزیت نقش دارند اما در مقایسه با الیاف این نقش به مراتب کمتر است. از این پودرها میتوان به پودرهای مس، آلومینیوم، گرافیت، زغال سیاه اشاره کرد [22]
9
1-5-تاریخچه فنآوری نانوکامپوزیت
در چند دهه اخیر نانوکامپوزیتهای آلی-معدنی در عرصه علم و صنعت توجه بسیاری را به خود جلب کردهاند. با افزودن مقادیر بسیار کم، در مقیاس نانومتر، افزودنیها و پرکنندههایی مانند خاک رس به جای کامپوزیتهای عادی خواص حرارتی و مکانیکی آنها بهبود مییابد و این امکان فراهم میشود تا موادی جدید با انعطافپذیری بینظیر و خواص فیزیکی پیشرفته، طراحی و ساخته شوند [24].
در اواخرقرن بیستم زمینه جدیدی تحت عنوان نانوکامپوزیتها10 وارد عرصه علم وفنآوری کامپوزیتها شد. به دلیل تغییر در ترکیب شیمیایی و ساختار مواد در مقیاس نانومتری و ارائه خواص ویژه و بینظیر این ترکیبات نسبت به مواد کامپوزیتی در مقیاسهای متداول، در ده سال اخیر پیشرفت قابل توجهی در این زمینه صورت گرفته است و فنآوریهای پیشرفتهای در ساخت ذرات نانومتری ارائه شده است.

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

استفاده از خاک رس11 به دهه 50 مربوط میشود که در آن زمان از خاک رس جهت تقویت لاستیک لاتکس استفاده میشد، ولی بررسیهای موشکافانه در این فرآیند صورت نمیگرفت و از خاک رس تنها به عنوان یک افزودنی معمولی استفاده میشد. در واقع خاک رس بدون تغییرات شیمیایی در آن تا حدودی خواص را بهبود میداد [25].
البته در سال 1961 بلوم استین12 منومر وینیل را توسط نانوذرات مونت موریلونیت13 تقویت کرده بود و در سال 1963 نیز شرکت یونیون اویل14 از خاک رس در جهت بهبود محصولات خود استفاده کرد ولی باز هم محصول تولیدی نانوکامپوزیت مطلوب نبود چرا که شیمی فرآیند هنوز توسعه نیافته بود. در سال 1967 شرکت ژاپنی یونیچیکا15 موفق شد اولین کامپوزیت پلیآمید تقویت شده با مونت موریلونیت را تولید نماید و خواص به دست آمده در این محصول بسیار بهتر از نتایج قبلی بود و این نشان از بهبود تقویت ساختار در مقیاس نانویی بوده است [26].
یک دهه بعد یک تیم تحقیقاتی در شرکت تویوتا16 روشهای بهتری برای تولید نانوکامپوزیتهای پلیآمیدی به دست آوردند. اولین محصول تولیدی این شرکت به عنوان پوشش تسمه تایمینگ17 و در صنعت بستهبندی به کار برده شد و در این میان خواص مهندسی و نفوذپذیری بیشتر مدنظر است [27].
در اصل نانوکامپوزیتهای پلیمری برای نخستین بار توسط محققین مرکز تحقیق و توسعه تویوتا ساخته شدند تا جایگزین برخی قطعات اتومبیل که در برابر گرما مقاوم هستند شوند. در سال 1980 با تهیه نانوکامپوزیتهای بر پایه نایلون-6 و خاک رس به صورت تجاری به وسیله این مرکز، تحقیقات برای ساخت این مواد وارد دوران جدیدی شد و از آن پس شرکتهای یوبی18، هانیول19 و بایر20، تولید نانوکامپوزیت بر پایه نایلون-6 را آغاز نمودند [28].
تعداد دیگری از شرکتها نیز نانوکامپوزیتها را به منظور کاربردهای تجاری مورد مطالعه قرار دادند و در اواخر سال 2001 میلادی شرکت جنرال موتورز21 اولین کاربرد نانوکامپوزیتهای بر پایه ترموپلاستیکهای پلیاولفینی را در قطعات خارجی اتومبیل ارائه نمودند. در حال حاضر نیز جدیدترین تحقیقات در جهان در زمینه نانوکامپوزیتها، عمدتاٌ روی ساخت ذرات بسیار ریز نانومتری و ساخت ترکیبات نانوکامپوزیت پلیمری و بهبود خواص آنهاست [29].

1-6-نانوکامپوزیتها
واژه نانوکامپوزیت، به کامپوزیتهایی که حداقل یکی از ابعاد فاز پراکنده در آن در مقیاس نانومتر باشد، اطلاق میشود. این عبارت معمولاٌ در دو بخش از علم مواد استفاده میشود: سرامیکها و پلیمرها.
نانوکامپوزیتها از بدو تولید خواص خوبی از خود نشان دادهاند و از طرف دیگر هزینههای فرآیندی لازم برای تولید این مواد، چندان بالا نیست و یکی از مزیتهای مهم این مواد کم هزینه بودن فرآیند تولید میباشد. در نانوکامپوزیتها معمولاٌ با درصد خیلی پایین پرکننده (حداکثر 10 درصد) مدول، استحکام و بسیاری خواص مکانیکی دیگر بهبود پیدا میکند. نانوکامپوزیتهای پلیمری علاوه بر افزایش خواص مهندسی و غشائی22، در افزایش کارایی الکتریکی، پایدارسازی در مقابلUV، تاخیراندازی آتش و کنترل کریستالیزاسیون پلیمر کارایی فوقالعاده نشان میدهند. از جمله کاربردهای اصلی این مواد میتوان به صنایع بستهبندی و تولید قطعات اتومبیل و صنایع هوایی اشاره کرد [30].

1-7-انواع نانوکامپوزیت
1-7-1-نانوکامپوزیتها بر اساس اجزای تشکیلدهنده
نانوکامپوزیت پلیمر-پلیمر: در این دسته فاز پراکنده از نوع پلیمری میباشد که در این بخش میتوان به نانوکامپوزیت سلولز-سلولز عاملدار شده اشاره کرد.
نانوکامپوزیت پلیمر-تقویتکننده: در این دسته فاز پیوسته پلیمری و فاز پراکنده (پرکننده) میباشد که بسته به نوع پرکننده مصرفی انواع مختلفی را شامل میشود [31].
1-7-2-نانوکامپوزیتها بر اساس ابعاد ذرات پراکنده
سه بعدی: هر سه بعد فاز پراکنده در مقیاس نانومتر است ونانوذرات دارای ابعاد یکسان هستند، مانند ذرات سیلیکای کروی به دست آمده با روشهای سل-ژل یا پلیمریزاسیون درجا23 [32]و همچنین نانوکلاسترهای24 نیمهرسانا که از انجام پلیمریزاسیون، مستقیماٌ روی سطح ذرات به دست میآیند [33].
دوبعدی: دو بعد فاز پراکنده در مقیاس نانومتر بوده و بعد سوم بزرگتر است که در این حالت یک ساختار کشیده میشود. در این قسمت میتوان از نانوتیوبها25 (مانند نانوتیوبهای کربنی)و یا ویسکرها26 (مانند نانوکامپوزیتهای حاصل از سلولز ویسکرها) نام برد [36-34].
یک بعدی: فاز پراکنده فقط دارای یک بعد در مقیاس نانومتر باشد. در این مورد پرکننده به صورت ورقههایی با ضخامت یک یا چند نانومتر با طول صدها یا هزاران نانومتر میباشد. مانند نانوکامپوزیتهای پلیمر کریستال لایهای [37].
1-7-3-نانوکامپوزیتها بر اساس ماده زمینه
1-7-3-1-نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری:
این نوع کامپوزیت دارای زمینه آلی (پلیمری) و فاز دوم غیر آلی (سرامیکی یا فلزی) در ابعاد نانومتر است و بیشتر تحت عنوان نانوکامپوزیت هیبریدی آلی-غیر آلی شناخته میشود. یکی از مهمترین و رایجترین نانوکامپوزیتها، پلیمر-سیلیکاتهای لایهای است. این نانوکامپوزیتها به علت ویژگیهای مطلوبی همانند مدول و استحکام بالا، مقاومت گرمایی بالا، اشتعالپذیری و قابلیت نفوذ کم گاز و قابلیت تجزیه در محیط زیست، توجه صنعت را به خود جلب کردهاند [39-38].
1-7-3-2-نانوکامپوزیتهای زمینه سرامیکی:
این مواد از یک فاز تقویتکننده ریز (معمولاٌ کوچکتر از 100نانومتر) درون دانههای بزرگتر یک زمینه تشکیل شدهاند. ترکیبهای گوناگونی مورد مطالعه قرار گرفتهاند ولی بیشترین پژوهشها در زمینه نانوکامپوزیتهایی با پایه اکسید آلومینیوم یا نیترات سیلیسیم همراه با تقویتکننده صورت گرفته است [40]. این مواد دارای مقاومت حرارتی و مقاومت خزشی قابل توجهی بوده و همانند بقیه نانوکامپوزیتها دارای دو جز هستند که یک جز دمای ذوب بالاتری نسبت به دیگری دارد. نانوکامپوزیتهای سرامیکی عمدتاٌ دارای چگالی بالا و تخلخل کمی هستند [41].
1-7-3-3-نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی-سرامیکی:
این نانوکامپوزیتها عمدتاٌ دارای یک جز سرامیکی با دمای ذوب بالا و یک جز فلزی با دمای ذوب پایین هستند و در ساخت قطعات عملگر کاربرد دارند. در عمل جز سرامیکی استحکام را در دمای بالا تامین میکند و جز فلزی دارای پایداری و دوام بالایی است. این مواد برای تهیه قطعاتی با چگالی زیاد و تخلخل کم نامناسب هستند. این مواد مشابه نانوکامپوزیتهای سرامیکی هستند با این تفاوت که یکی از اجزای آنها به جای ترکیبهای فلزی نظیر اکسیدها، به صورت عنصر فلزی در ساختار ظاهر میشود [42].
1-7-3-4-نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی:
در دهه گذشته پژوهشهای قابل توجهی در جهت توسعه نوعی از کامپوزیتهای زمینه فلزی انجام گرفته است که در آنها تقویتکنندهها از طریق واکنشهای گرمازا بین عناصر یا بین عناصر و ذرات موجود در قطعه تشکیل میشوند. به خاطر تشکیل تقویتکنندههای سرامیکی پایدار (بوریدها، کاربیدها، نیتریدها و اکسیدها) در اندازههای نانو در این روش، قطعه دارای ویژگیهای مکانیکی عالی است. این مواد دارای ویژگیهای مطلوب فلزات (انعطافپذیری و سفتی) و سرامیکها (استحکام و مدول بالا) هستند [43].
1-8-مزایا ومعایب نانوکامپوزیتها
خواص منحصر به فرد مواد نانوکامپوزیتی را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
1-نانوپودرهای کامپوزیتی نسبت سطح به حجم بالایی دارند که در حالت بیشکل این نسبت، به مراتب بیشتر از حالت بلوری است.
2-کسر زیادی از اتمها در سطح نانوپودرهای کامپوزیتی و یا در مرزدانههای ریزساختار نانوکامپوزیتها قرار دارند. این ویژگی سبب افزایش قابلیت تفتجوشی پودرهای نانوکامپوزیتی میشود.
14
3-در ساخت نانوکامپوزیتها با استفاده از پودرهای نانوکامپوزیتی یا نانوپودرها، به دلیل کنترل فرایند در مقیاس نانومتری، ریزساختاری کاملاٌ یکنواخت به دست میآید.
4-نانوکامپوزیتها خواص فیزیکی و مکانیکی بالایی در محدوده وسیعی از دما را دارند. افزودن 5 تا 10 درصد حجمی فاز دوم به فاز زمینه، باعث افزایش چشمگیری در خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیتها میشود [44].
5-افزایش پایداری حرارتی و خود خاموش شوندگی.
6-ممانعت از نفوذ گازهایی مانند اکسیژن، بخار آب، هلیم، دیاکسید کربن و بخارات آلی مانند اتیلاستات (به دلیل تشکیل مسیر متخلخل و پرپیچ و خم به علت حضور خاک رس).
7-افزایش سرعت تخریب پلیمرهای زیست تخریبپذیر.
8-کاربرد در سامانههای خاص برای مطالعه حالت ترمودینامیکی زنجیرههای پلیمری که برای بسیاری از صنایع مانند پوشاک، چسب، کاتالیست و… بسیار مهم است [45].
در مقابل این خواص منحصر به فرد، مشکلات فرایندی قابل توجهی در ساخت نانوکامپوزیتها وجود دارد:
1-عدم توزیع یکنواخت فاز دوم در زمینه نانوکامپوزیتها، خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها را کاهش میدهد.
2-تجمع ذرات پودر بسیار ریز در نانوکامپوزیتها، موجب افزایش انرژی سطحی آنها شده و کاهش خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها را به دنبال دارد.
3-استفاده از مواد شیمیایی گرانقیمت برای توزیع یکنواخت فاز دوم در داخل فاز زمینه و جلوگیری از به هم چسبیدن ذرات پودر نانوکامپوزیتی و ساخت نانوکامپوزیتهایی با ریزساختاری همگن و خواص مکانیکی بالا، باعث غیر اقتصادی شدن و همچنین پیچیدهتر شدن فرایند میگردد [44].

15

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید