افزایش خواص فیزیکی نانو الیاف PS

افزایش خواص فیزیکی نانوالیاف های پلی استایرن با افزودن نانولوله های کربنی چند جداره و رنگدانه طبیعی

غلظت پلی استایرن در نانوکامپوزیت‌های پلیمری سنتز شده از نانوالیاف پلی استایرن و نانو لوله‌های کربنی چند جداره و رنگدانه طبیعی با استفاده از تکنیک الکتروریسی 12 درصد وزنی بود که نانولوله کربنی چند جداره و رنگدانه طبیعی به ترتیب در مقادیر (0، 100، 140 و 200 ppm) و دو قطره (0.063 گرم) به محلول های آماده شده اضافه شدند و آزمایشات زیادی روی محلول های آماده و نمونه های نهایی انجام شد. این آزمایشات شامل تست ویسکوزیته با استفاده از ویسکومتر مخروطی و تست کشش سطحی با استفاده از روش حلقه Du Nouy بود. تست های نانو شامل تست اسپکتروسکوپ FTIR، میکروسکوپی الکترون روبشی گسیل میدانی (FESEM)، تست زاویه تماس و آزمایش اشعه ماوراء بنفش برای استخراج شکاف باند انرژی با استفاده از روش طرح Tauc است. نتایج آزمایشات نشان داد که ویسکوزیته با افزایش مقدار نانولوله کربنی چند جداره و رنگدانه طبیعی افزایش می یابد و همچنین از طرفی، کشش سطحی با نسبت بالای 200 ppm این نانولوله کربنی چند جداره و رنگدانه طبیعی افزایش نسبی داشت. علاوه براین، نوع فیزیکی واکنش بین اجزاء از طریق FTIR تایید شد و افزودن نانولوله های کربن چند جداره و رنگدانه طبیعی باعث صاف شدن الیاف و تشکیل دانه های کمتر شد. افزودن بیش از حد نانو لوله‌ های کربنی چند جداره نمونه‌ها را آبگریزتر کرد و نمودارهای طرح Tauc نشان می دهد که افزایش MWCNT با افزودن رنگدانه طبیعی حساسیت الکتریکی نمونه های آماده شده که شکاف باند انرژی در نمونه های پلی استایرن/ MWCNT 200 ppm/ رنگدانه طبیعی از 1.18 به 0.2 ev کاهش یافته است که استفاده از آن را به عنوان یک سنسور الکتریکی معمولی بیان می کند.

بیشتر روش های امروزی بر استفاده از مواد طبیعی به دلیل اثرات عالی آنها در مقایسه با مواد سنتزی از لحاظ کم هزینه بودن، در دسترس بودن و خواص مطلوب متمرکز شده اند. روش الکتروریسی در سال 1934 توسط فرمهالز اختراع شد. در سال‌ های اخیر، رنکر همکارانش توجه خود را به این روش معطوف کردند که شامل الکتروریسی برای انواع محلول های پلیمری می شود. الکتروریسی از ولتاژ بالا برای ایجاد محلول پلیمری با بار الکتریکی بالا یا جت مایع استفاده می کند که در مسیر خود به سمت سیستم جمع کننده سخت می شود و الیاف را با قطرهای مختلف از زیرمیکرومتر تا مقیاس نانو تولید می کند. به دلیل قطر کم الیاف، الیاف الکتروریسی شده دارای سطح وسیعی هستند که مورفولوژی ها و خواص متفاوتی را ارائه می دهد. همچنین با ترکیبی از الیافی با اندازه بسیار کوچکتر و نسبت تصویر بالا، تکنیک الکتروریسی ممکن است الیاف پیوسته ایجاد کند. در این مقاله بر خواص الیاف الکتروریسی شده و همچنین تارهای غیر بافته از الکتروریسی من جمله تخلخل های بزرگ، قطرهای کوچک، اتصال متقابل منافذ و نسبت بالای سطح به حجم تاکید شده است. با توجه به موارد ذکر شده، چندین پلیمر مصنوعی و طبیعی من جمله پلیمرهای مخلوط منفرد الکتروریسی شده اند؛ به طوری که می توان از آنها برای مصارف مختلف مانند فیلتراسیون، عایق حرارتی و همچنین برای تولید لباس های محافظ، حسگرها، دستگاه های رسانش، پانسمان زخم و نساجی استفاده کرد.

ساخت الیاف جمع شده به تعداد متغیرها بستگی دارد:

(الف) نیروی ویسکوالاستیک در غلظت محلول، وزن مولکولی متوسط ​​پلیمر و ویسکوزیته محلول

(ب) کشش سطحی که به غلظت محلول آماده شده، میانگین وزن مولکولی پلیمر و سطح کششی حلال بستگی دارد

(ج) نیروی گرانشی که به چگالی محلول، میانگین وزن مولکولی پلیمر، و کشش سطحی حلال متکی است

(د) نیروی الکترواستاتیکی که به میدان الکترواستاتیک اعمال شده (یعنی تقسیم پتانسیل الکترواستاتیک اعمال شده با فاصله جمع آوری) و رسانش محلول.

نانولوله های کربنی (CNT) امروزه به دلیل دارا بودن خواصی مانند سطح وسیع، نسبت تصویر بهتر، مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی، خواص حرارتی برتر، استحکام 10 تا 1000 برابر بالاتر از فولاد، قیمت ارزان و رسانش الکتریکی بالا به عنوان یکی از جالب ترین مواد مورد توجه قرار گرفته اند. پلی استایرن ماده دیگری است که از عملکرد مکانیکی بالا، اثرات شیمیایی خنثی، پردازش پذیری عالی و پیشرفت تکنولوژیکی برخوردار است. بنابراین، از نظر مکانیکی و الکتریکی، پراکندگی یا ادغام نانو لوله‌ های کربنی در داخل ماتریس نانوالیاف به منظور تولید مواد کامپوزیتی بسیار امیدوارکننده به نظر می‌رسد. ترکیب خواصی همچون نسبت تصویر بالا، طول فشرده بالا، استحکام و سختی بالا، چگالی کم، رسانش بالا، دوام و کشش بالا، توانایی مقابله با سطح مقطعی و ظرفیت فشاری نانولوله های کربنی آنها را به گزینه ای عالی برای تولید محصولات نانو کامپوزیت بدون شکستگی تبدیل کرده است.  در این بررسی، نمونه ای با خواص مطلوب تولید کردیم که آن را مستحق استفاده به عنوان حسگر می کند. از آنجا که رسانش الکتریکی بیشتری از نانولوله کربنی چند جداره دارد، با افزودن رنگدانه طبیعی بهبود یافته است که به طور طبیعی حاوی گیرنده نوری است و خواص مکانیکی بالاتری از پلی استایرن دارند. این ترکیبات طیف گسترده ای از کاربردهای حسی و الکترونیکی را به ما ارائه می دهند.

نتایج کشش سطحی

با افزایش MWCNT و رنگدانه طبیعی به محلول ها، مقادیر کشش سطحی اندکی کاهش می یابد. افزایش مشاهده شده در نمونه های (PS/MWCNT 200 ppm/ رنگدانه طبیعی) با نتایج به دست آمی توسط جاروسوواناپوم کاملا مطابقت دارد.  برای محلول های پلی استایرن خالص و تاثیر افزودن MWCNT هیچ تغییر محسوسی مشاهده نشد زیرا کشش سطحی بدون حل کامل آنها در محیط، به غلظت آنها بستگی ندارد. کشش سطحی حلال مطابق با یافته های کلوپی و پرونت بررسی شد. با توجه به جدول زیر، افزودن دو قطره رنگدانه طبیعی افزایش قابل توجهی در مقادیر کشش سطحی ایجاد نکرد زیرا زمانی که رنگدانه به محلول پلیمری اضافه می شود، دو نوع محلول تولید می کند؛ محلول پلیمری و محلول رنگدانه که به طور کامل در محلول پلیمری حل نشده است.

جدول 1:

نتایج ویسکوزیته

جدول زیر مقادیر ویسکوزیته محلول را نشان می دهد.

جدول 2:

مشاهده شد که ویسکوزیته با افزودن رنگدانه طبیعی افزایش می یابد و همچنین، نسبت های نانولوله کربنی چند جداره با افزودن رنگدانه طبیعی با MWCNT به محلول های پلیمری افزایش یافته و باعث مقاومت بیشتر در برابر تحرک مولکول های محلول می شود که آن هم به نوبه خود منجر به افزایش ویسکوزیته محلول می شود.

در پایان این مطالعه به این نتیجه می رسیم که:

الف. افزودن MWCNT به نانوالیاف پلی استایرن منجر به افزایش حساسیت الکتریکی منسوجات آماده شده می شود و می توان از آن در سلول خورشیدی استفاده کرد.

ب. افزودن نانولوله های کربنی به محلول پلیمری ممکن است منجر به ظهور برخی از مهره های ناخواسته در منسوجات نانو الیاف شود.

ج. مقادیر بهتر شکاف انرژی و بافتی عاری از دانه های ناخواسته همراه با نرمی بهتر منسوجات با افزودن رنگدانه گل زرد به دست آمد که منجر به کارایی بسیار بالاتر منسوجات آماده شده برای حسگرهای سلول های خورشیدی است.