همجوشی هسته ای(Fusion)

چکيده
اين مقاله روشي براي سنتز ترکيبات لاستيک طبيعي (NR) است كه به صورت پراکنده داراي اتصالات عرضي و نانولوله‌هاي کربني است. واکنش نمونه‌هاي لاستيک طبيعي به تغييرات به عنوان تابعي از ميزان گوگرد استفاده شده براي اتصالات عرضي، بر مبناي چگالي عددي اتصالات عرضي در نتيجه فرايند ولکانش است. طيف‌بيني رامان براي تشخيص انتقال عدد موج *D مربوط به نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره (SWNT) و ميزان گوگرد مصرفي به کار مي‌رود. مقايسه نتايج اندازه‌گيري‌هاي مکانيکي و اندازه‌گيري‌هاي طيف‌بيني رامان نشان مي‌دهد که نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره به عنوان حسگر‌هاي رامان به تراکم اتصالات عرضي در لاستيک طبيعي حساس هستند و مي‌توانند براي ارزيابي فرايند تشکيل اتصالات عرضي مواد لاستيکي مورد استفاده قرار بگيرند.
کلمات کليدي: نانولوله‌هاي کربني، خواص مکانيکي، طيف‌بيني رامان، خاصيت کشساني، خواص بين سطحي.
1. مقدمه
در حال حاضر کاربرد نانولوله‌ها در تقويت پليمرها باعث بهبود خواص گرمايي و الکتريکي مي‌شود. اگر چه ساخت کامپوزيت‌هاي لاستيکي همراه با نانولوله کربني تک‌ديواره هنوز با موانع فني متعددي روبه‌روست که بايد حل شود؛ در ميان اينها يکي از اصلي‌ترين مسائل مورد توجه پراکندگي نانولوله‌هاي کربني است. امواج صوتي يکي از روش‌هاي پراکندگي مؤثر است. اگر چه امواج صوتي براي مدت طولاني و با قدرت زياد داراي آثار تخريبي است، يكي از روش‌هاي پراكندگي مؤثر است. با وجود اين مي‌توان از يک سطح بهينه از امواج صوتي (SONICATION) استفاده کرد. از موانع ديگر مي‌توان به گران بودن نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره اشاره کرد که البته ممكن است بهسازي خصيصه مکانيکي ترکيب ارزش اين هزينه كردن را نداشته باشد. نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره ارزش استفاده در برخي کاربرد‌ها نظير حسگر کششي رامان، مواد انباره هيدروژن و ترکيبات خازني سطح بالا را دارند. طيف‌بيني رامان براي اثبات وجود نانولوله‌هاي کربني، تعيين قطر نانولوله‌ها، توزيع قطري بسته‌هاي نانولوله مورد استفاده قرار مي‌گيرد. نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره طيف رامان متمايزي دارند. در اين آزمايش بي‌نظمي پيک *D رامان تهييج شده مربوط به نانولوله‌هاي کربني که در محدوده 2500 تا2700 Cm-1 قرار دارد، مورد بررسي قرار مي‌گيرد. از نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره مي‌توان به عنوان حسگر فشار استفاده کرد. پيک *D براي تشخيص کشش و انتقال در پليمر‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد و به وسيله طيف‌بيني رامان تعيين کميت مي‌شود. اين نوع از کاربرد تنها به ميزان کمي از نانولوله‌هاي کربني کمتر از 5/0درصد وزني نياز دارد و حساسيت اندازه‌گيري مي‌تواند در مقياس بزرگ ماکرو و ميزان مولکولي باشد. نانولوله‌هاي کربني همچنين مي‌توانند در الاستومرها براي سنجش فشار‌هاي بينابيني مورد استفاده قرار گيرند. ويژگي‌هاي يک الاستومر ويژه با ماهيت اتصالات عرضي در شبکه مشخص مي‌شود. در حالي که هنوز گوگرد به مراتب مؤثرترين عامل ولکانش است افزودن ميزان کمي از تسريع‌کننده‌ها نه فقط فرايند‌ها را تسريع مي‌کند، بلکه کميت و نوع اتصالات عرضي شکل گرفته در ولکانش را نيز تعيين مي‌کند. مطالعات مختلف در مورد اثر ساختار‌هاي اتصالا ت عرضي در ولکانش لاستيک با استفاده از گوگرد براي چندين دهه مورد بررسي قرار گرفته است. دانسيته تراکم اتصالات عرضي عامل مهمي است که بر ويژگي‌هاي فيزيکي شبکه الاستومري ولکانيزه شده تأثير مي‌گذارد. دانسيته تراکم يک شبکه اساساً به تعداد زنجيره‌ها، وزن مولکولي و نسبت گوگرد به شتاب‌دهنده بستگي دارد. چندين روش براي ارزيابي تراکم اتصالات عرضي وجود دارد. متورم کردن به وسيله يک حلال ارگانيک يکي از متداول‌ترين روش‌ها براي توصيف شبکه‌هاي الاستومر است. اندازه گيري‌هاي تنش-کرنش يکي از روش‌هاي غير مستقيم براي اندازه‌گيري ميزان تراکم اتصالات عرضي است. هدف اصلي اين روش ساخت کامپوزيت (SWNT/NR) ومقايسه ويژگي‌هاي مکانيکي کامپوزيت و لاستيک طبيعي خالص است. بعد از آن امکان استفاده از نانوحسگرهاي رامان براي توصيف شرايط ايجادلاستيک طبيعي با استفاده از ميزان‌هاي مختلفي از گوگرد بررسي مي‌شود. داده‌هاي تنش-کرنش تک‌محوري براي تحليل تراکم اتصالات عرضي الاستومرهاي ولکانيزه شده استفاده مي‌شود و سپس از آن با نتيجه تحليل رامان مقايسه مي‌شود.
2. روش تجربي
ترکيبات لاستيک طبيعي و کامپوزيت
در دماي اتاق و در حلال تولوئن تهيه مي‌شود. مخلوط لاستيک طبيعي و تولوئن ابتدا تحت تأثير امواج صوتي قرار مي‌گيرد تا لاستيک طبيعي كاملاً حل شود. نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره در تولوئن را امواج صوتي پخش مي‌كنند. محلول نانولوله‌هاي کربني /تولوئن به همراه اکسيد روي و استئاريک اسيد وسيکلو هگزيل بنزو تيازول سولفوناميد (CBS) به محلول لاستيک طبيعي /تولوئن اضافه شده و تحت تأثير امواج صوتي قرار مي‌گيرد تا به‌صورت محلو ل همگن درآيد، سپس محلول حاصل به 15 قسمت مساوي تقسيم مي‌شود و مقادير مختلف گوگرد از صفر تا 60 ميلي گرم به اين قسمت‌ها اضافه مي‌شود. تمام محلول‌ها به خوبي تکان داده مي‌شوند تا زماني که گوگرد به خوبي در محلول پراکنده شود، پس از آن براي مدت يک شبانه‌روز در زير هود باقي مي‌ماند. بعد از تبخير کامل تولوئن نمونه‌هاي کامپوزيت در زير پرس گرم در دماي160 درجه سانتيگراد براي مدت زمان 15 دقيقه تحت فشار 500 كيلو پاسكال قرار گرفته و فيلم نازکي از کامپوزيت با ضخامتي حدود 3/0 ميلي‌متر به دست مي‌آيد. نمونه‌هاي لاستيک طبيعي نيز طبق روش بالا به طور دقيق و بدون افزودن نانولوله‌هاي کربني آماده مي‌شود. تمام نمونه‌ها به‌صورت نوار‌هاي باريکي با عرض چهار ميلي متر و طول 15 ميلي متر و ضخامت 3/0ميلي‌متر براي تست کشش برش داده مي‌شوند. خصوصيات مکانيکي نمونه‌هاي لاستيک طبيعي و نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره در دماي اتاق را دستگاه مکانيکي ديناميک آناليزي در حالت استاتيک و با سرعت تخريب شش ميلي متر بر دقيقه اندازه‌گيري ميكند و در پايان سه نمونه براي هر مورد آماده و مورد آزمايش قرارمي گيرد. منحني تنش-کرنش و مدول کشساني مطابق با نسبت 50 درصد افزايش طول به حالت اوليه براي نمونه‌ها، مورد محاسبه قرار مي‌گيرد. در اين آزمايش نور ليزر 785 نانومتر به عنوان نقطه نوراني بر سطح نمونه به ضخامت دو ميكرو متر تابيده مي‌شود.
3. نتايج و بررسي
با وجود اين که 25/0 درصد وزني از شبکه لاستيک طبيعي ، در اين آزمايش را نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره تشکيل مي‌دهند، ضخامت کم نانولوله‌هاي کربني تک ديواره در سيستم باعث افزايش تعداد نانولوله‌ها در سيستم مي‌شود. تمام نمونه‌هاي کامپوزيت نسبت به نمونه‌هاي لاستيک طبيعي رنگ تيره‌تري دارند. در ابتداي مطالعه، حضور نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره باعث تغيير در خصوصيات مکانيکي لاستيک طبيعي مي‌شود. با وجود جهت‌يابي تصادفي نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره در فيلم به دست آمده، جهت‌يابي نمونه نوارها در اندازه‌گيري‌هاي مکانيکي هيچ گونه تفاوتي در نتايج به دست نمي‌دهد.
3-1. نتايج تست‌هاي مکانيکي
منحني‌هاي تنش –کرنش براي لاستيک طبيعي و کامپوزيت در شکل (1) نشان داده شده است. هردو نمونه لاستيک طبيعي و کامپوزيت بيش از 1200 درصد ازدياد طول را نشان مي‌دهند. به‌دليل پايداري نانولوله‌هاي کربني از لحاظ شيميايي، بر هم کنش بين نانولوله‌هاي کربني و مولکول‌هاي لاستيک به صورت در هم پيچيده و بدون ايجاد پيوند انجام مي‌شود. با توجه به محدوده تغيير شکل گوسين (Gaussian) براي مولکول‌هاي لاستيک طبيعي اين برهم‌کنش‌ها به صورت پايدار و وابسته به تغيير شکل هستند. شکل (1) منحني تنش-کرنش براي لاستيک خالص و کامپوزيت و شکل درگيري نانولوله‌هاي کربني با زنجيره لاستيک را نشان مي‌دهد.
نسبت ابعاد بزرگ نانولوله‌هاي کربني ايجاد زنجيره‌هاي مولکولي بزرگي در کامپوزيت ايجاد مي‌كند. که باعث ايجاد درهم پيچيدگي و اتصالات عرضي فيزيکي در شبکه مولکولي کامپوزيت در مقايسه با لاستيک طبيعي مي‌شود. در نتيجه ولکانيزاسيون نمونه کامپوزيت که داراي اتصالات عرضي فيزيکي بيشتري نسبت به نمونه لاستيک طبيعي است به طور اختصار در شکل (1) نشان داده شده است. اگر چه هنوز هيچ مدرکي دال بر واکنش شيميايي بين نانولوله هاي كربني تك ديواره و شبکه لاستيک طبيعي وجود ندارد. خصوصيات فيزيکي و شيميايي اتصالات عرضي حلقه، نقش مهمي در شروع واکنش تخريب دارد و نمونه‌هاي كامپوزيت مدول بالاتري نسبت به لاستيك طبيعي دارند. وقتي که سرعت تخريب افزايش مي‌يابد، بعضي از اتصالات عرضي با قرار گرفتن زنجيره پليمري بر روي نانولوله‌هاي کربني از بين مي‌روند. شکل (1) ناحيهB اين موضوع را نشان مي‌دهد. شکل (2) ميزان نسبت کشيدگي براي نمونه‌هاي لاستيک طبيعي و کامپوزيت س در برابر غلظت‌هاي مختلف گوگرد را نشان مي‌دهد.
3-2. تحليل ولکانش از طريق طيف‌بيني رامان
پس از کشف نانولوله‌هاي کربني تک ديواره طيف‌بيني رامان براي توصيف حد واسط‌هاي پليمر/نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره استفاده شده است. سيگنال رامان در سيستم پليمر نسبت به فقط يک اثر نقطه‌اي در اطراف خود نانولوله‌ها يک اثر ميانگين ايجاد مي‌کند. وضعيت در نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره در مواجهه با فشار و کشيدگي، يک انتقال طيفي بزرگ را نشان مي‌دهد. در برخي از شبکه‌هاي پليمري، پيک *D مربوط به نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره ، يک انتقال رو به پايين تقريباً خطي را با کشش‌هاي تک‌محوري کشسان در هنگام تشکيل پليمر نشان مي‌دهد. پس از تشکيل محصول، هيچ تغييري در طيف رامان که نشان‌دهنده انتقال مؤثر فشار از شبکه به نانولوله است، مشاهده نمي‌شود. به هر حال نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره به عنوان حسگرهايي براي پي بردن به انتقالات پليمري به‌وسيله طيف‌بيني رامان، بر مبناي اين واقعيت که برخي از انتقالات پليمري به انواع ويژه اي از جنس در پليمر‌ها بستگي دارد، استفاده شده است. شکل (3) طيف‌هاي رامان مربوط به نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره و کامپوزيت بزرگنمايي شده مربوط به پيک را نشان مي‌دهد.
موقعيت پيک *D در نانو لوله هاي تك ديواره اندازه‌گيري شده و به عنوان تابعي از مقدار گوگرد اضافه شده به شبکه لاستيك طبيعي، در شکل (4) نشان داده شده است. با توجه به پراکندگي کمي در داده‌ها به‌ويژه در محدوده ميانگين ميزان گوگرد، اين پراکندگي ممکن است از منابع زير باشد:
1. تجانس نداشتن شبکه کشسان طبيعي؛
2. ناخالصي در ترکيب شبکه لاستيک که مي‌تواند اساساً مربوط به عوامل شتاب‌دهنده مثل اکسيد روي، اسيد استئاريک وباقي‌مانده در سيستم باشد؛
3. نبود تجانس بين نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره مثل تفاوت ضخامتSWNT، و فرم دسته‌ها.
شکل(4a) تفاوت عدد موج پيک *D مربوط به نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره در شبکه لاستيک طبيعي در برابر مقدار گوگرد اضافه شده در طول واکنش ولکانيزاسيون را نشان مي‌دهد. بنا براين نانولوله‌هاي حسگر رامان قادرند که تغييرات مربوط به اتصالات عرضي را در جريان فرايند ولکانش در لاستيک طبيعي به دست آورند.
4. نتيجه‌گيري
نتايج آزمايش‌هاي مکانيکي براي کامپوزيت براي لاستيک خالص روند يکساني را نشان مي‌دهد. در اين آزمايش افزايش 25/0 درصد وزني نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره باعث افزايش مدول کشساني کامپوزيت به ميزان 20 درصد در شرايط ولکانيزاسيون يکسان و بدون از دست دادن خاصيت الاستيک نسبت به لاستيک طبيعي خالص خواهد شد. اگر چه استحکام و کشيدگي تغييري نمي‌يابد؛ رابطه بين جابه‌جايي عدد موج *D درنانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره و ميزان گوگرد اضافه شده به وسيله طيف‌بيني رامان براي کامپوزيت به دست آمده است. افزايش درجه ولکانش به وسيله افزايش مقدار گوگرد، باعث جابه‌جايي پيک *D مربوط به نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره خواهد شد.
مشاهدات نشان مي‌دهد که حسگر‌هاي نانولوله به تراکم اتصالات عرضي لاستيک طبيعي حساس هستند و مي‌توانند در ارزيابي فرايند ولکانش لاستيک استفاده شوند. از اين روش مي‌توان با استفاده از طيف‌بيني رامان براي تعيين ميزان تشکيل اتصالات عرضي در مواد کشسان ديگر نيز استفاده کرد. برهم‌کنش‌هاي قوي‌ترين نانولوله‌ها و لاستيک طبيعي ، اثر مهمي بر کشش‌هاي بزرگ‌تر مي‌گذارد. زماني که پيکربندي زنجيري غير گوسيان وجود داشته باشد، کار‌هاي تکميلي با نانولوله‌هاي اصلاح سطحي شده، براي مقايسه با نتايج نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره معمولي به‌منظور تعيين کميت تأثير افت نانولوله‌ها و عوامل محدود کننده در افت نانولوله‌ها، مورد نياز است.