No category

منابع پایان نامه ارشد با موضوع مواد معدنی، مورفولوژی، دینامیکی

دانلود پایان نامه

مقابل آنیلینگ۲۱ به دست می‌آورند که این امر مشابه حالتی است که با افزودن کوپلیمرها به آمیزه به دست می‌آید. در میان مکانیزم‌های مختلف سازگارسازی توسط نانوذرات، موردی که به طور قطع می‌توان اشاره کرد، تجمع دائمی و یا موقت نانوذرات در سطح مشترک آمیزه است، که در آن یک مانع جامد تشکیل می‌شود که از انعقاد ذرات جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، غلظت ذرات جامد در فصل مشترک کشش بین سطحی ظاهری را کاهش می‌دهد. البته اگر ذرات فقط در ماتریس و یا فقط در جزء پراکنده شونده توزیع شوند بهبود کمتری در مورفولوژی مشاهده می‌شود [۲۸].
همانطور که گفته شد از آنجایی که با هدف بهبود مورفولوژی آمیزه مورد نظر، نانورس به سیستم اضافه شده است، مطالعه ویزگی‎ها و ساختار نانوکامپوزیتهای حاوی رس و شناخت ساختار طبیعی سیلیکات لایه‎ای رس نیز ضروری به نظر می‎رسد. در ادامه مختصری از این مباحث می‎آید.
۲-۶ نانوکامپوزیت‎های پلیمر-خاک رس
۲-۶-۱ نانو ذرات لایه‌ای۲۲
نانو ذره‌های لایه‌ای با توجه به ساختار کریستالی و همچنین مقدار و محل بارهای موجود (بار مثبت و یا بار منفی) طبقه‌بندی می‌شوند. جداول۲-۵ و ۲-۶ طبقه بندی آنها و نیز معمول ترین این ذرات را نشان می دهند[۳۹].
جدول ۲-۵. طبقه بندی نانو ذره‌های لایه‌ای[۲۹]
Examples
Inorganic
MoS2, V2O5, MoSe2, Wse2, SnS2, ZrSe2, PbI2, BN, BiI3
Layered compounds
Magadditte, Bentonite, Kaolinite, Montmoriilonite, Clay saponite, Sepiolite, Vermiculite, Talc (OH), Hectorite, Fluoromica, Illite, Chlorite
Layered silicates
جدول ۲-۶. معمول ترین نانو ذره‌های لایه‌ای[۲۹]
Montmorillonite, Bentonite, Nontronite, Beidellite, Hectorite, Sauconite Saponite, Sobockite
Smectite clays
Mica, Magadite, Kenyaite, Ledikite
Others clays
MgO(SiO2)a (Al2O3)x ( H2O)y
Synthetic clays
FeCl3, FeOCl
Chlorides
TiS2, (PbS)1/18 (TiS2)2
Chalcogenides
Cr3O8, V6O13, H2Si2O5
Oxides
رس۲۳ بدون شک قدیمی ترین ماد? سرامیکی است. رس را به عنوان خاکی تعریف می‌کنند که وقتی با آب مخلوط می‌شود یک جرم چسبنده و منسجم را تشکیل می دهد. این جرم به راحتی شکل می‌پذیرد و وقتی که خشک شود، سخت و شکننده می‌شود و شکل خود را حفظ می‌کند. از طرفی اگر تا حد قرمزی۲۴حرارت ببیند، سخت‌تر می‌شود و نسبت به آب حساسیت خود را از دست می‌دهد. بنابراین چنین ماده‌ای برای ساخت قطعات در شکل‌های گوناگون مورد استفاده قرار می گیرد. [۳۰]
رس فرم‎های گوناگونی به خود می‌گیرد ولی معمولا در صخره‌هایی یافت می‌شود که با توجه به فشار وارده بر آن‌ها، بسیار سخت و فشرده می‌شوند و دیگر خاصیت پلاستیک ندارند و نسبت به آب نفوذ ناپذیرند، ولی با اصلاح مناسب می‌توان به آن‌ها خاصیت پلاستیک داد.
۲-۶-۲ انواع مواد معدنی رس
مواد معدنی رس به دو دست? عمده تقسیم می‌شوند، که عبارتند از: کائولینیت‌ها۲۵ و مونتموریلونیت‌ها۲۶.
الف) گروه کائولینیت
گروه کائولینیت شامل کِلی‌های نَکریت۲۷، دیکیت۲۸‎، کائولینیت۲۹ و هالویزیت۳۰ می‌باشد. ساختار آن‌ها از صفحات سیلیکایی متصل شده به صفحات اصلاح شد? گیبسیت۳۱ یا همان هیدروکسید آلومینیم (Al(OH)3)، تشکیل شده است. سیلیکا (SiO2) ترکیب سیلیسیم با اکسیژن است که در آن باند Si-O به اندازه کافی دارای مشخص?‌یونی می‌باشد، که می‌توان برای آن مفاهیم شبک? کریستالی را در نظر گرفت. بنابراین SiO2 را می توان ترکیبی از یون‌های Si4+ و O2- در نظر گرفت که آرایه‌ای منسجم از کره‌هایی با شعاع ثابت تشکیل می‌دهند. . عدد کوردیناسیون۳۲ این ساختار برابر ۴ می‌باشد. که هر یون Si4+ با چهار یون O2- احاطه شده است، که منجر به تشکیل ساختار تتراهدرون۳۳ می‌شود. فرمول واحد گروه کائولین Al2Si2O5(OH)4 می‌باشد[۳۱]. در شکل۲-۶ ساختار کریستالی کائولینیت‎ها آورده شده است.

شکل۲-۶ . ساختار کریستالی گروه کائولینیت[۴۲]
کریستال کائولینیت فقط از یک لای? ترکیبی تشکیل نشده است،‌بلکه تجمع تعداد زیادی از این لایه‌ها است که توسط پیوند هیدروژنی بین گروه OH لای? گیبسیت و اتم‌های اکسیژن لایه‌های سیلیکاتی همسایه، کنار یکدیگر نگه داشته شده‌اند.
ب) گروه مونتموریلونیت(اسمکتیت)
اگر دو لای? سیلیکا (در طرفین) به یک لای? گیبسیت یا بروکیت۳۴ – هیدروکسید منیزیم- متصل شوند، به ترتیب منجر به تشکیل ساختارهای پیروفیلیت۳۵، Al2Si4O10(OH)2 و تالک۳۶، Mg3Si4O10(OH)2، می‌شوند. در شکل۲-۷ساختار کریستالی مونتموریلونیت آورده شده است.

شکل۲-۷ . ساختار کریستالی مونتموریلونیت[۳۲-۳۳]
در مونتموریلونیت‌ها،‌لایه‌های رس به دلیل عدم حضور گروه هیدروکسیل بیرونی، فقط به کمک نیروهای ضعیف واندروالس۳۷ کنار هم قرار می گیرند. چنین پیوندی به راحتی شکسته می‌شود، و وقتی ذرات رس بین انگشتان دست لمس می‌شوند به صورت صابونی حس می‌شوند. بنابراین بین لایه‌های سیلیکاتی فاصله‌ای وجود دارد که آن را بین لایه۳۸ یا گالری ۳۹ می‌نامند.طبق دیدگاه هندریکس۴۰ و راس۴۱، اتم‌های Al در پیروفیلیت تا بخشی توسط اتم‌های Mg یا Fe و یا Li جایگزین می‌شوند. در مورد تالک نیز ممکن است برخی اتم‌های Mg با Al یا Fe جابه‌جا شوند. از آن‌جایی که جایگزینی آلومینیوم سه بار مثبت (trivalent) با منیزیم دو بار مثبت (divalent)،‌که به صورت اتم با اتم می‌باشد (isomorphic substitution)، منجر به بار کلی منفی در ساختار می‌شود؛ خنثی سازی الکتریکی باید توسط دیگر کاتیون های خارجی در شبکه ایجاد شود، که این کاتیون‌ها قابل تبادل می‌باشند.[۳۴]
بیشترین کاتیونی که بین لایه‌های رس قرار می‌گیرد،کاتیون‌های قلیایی و یا قلیایی خاکی مثل‌سدیم است و به دلیل پیوند نسبتاً ضعیف،‌وقتی در تماس با آب قرار می‌گیرند، می‌توانند به سمت بیرون نفوذ کنند. مولکول‌های آب نیز بین لایه‌های سیلیکاتی قرار می‌گیرند که این امر توسط سطح باردار و یا آب هیدراته کننده کاتیون‌ها‎، صورت می‌پذیرد.[۳۵]
این نوع از رس با یک بار منفی سطحی شناسایی می‌شود،‌که این بار تحت عنوان ظرفیت تبادل کاتیونی۴۲ معرفی می‌شود، و با واحد meq/100gr مطرح می‌شود. به منظور‌آلی دوست۴۳ کردن این سیلیکات‌های آب دوست، می‌توان کاتیون‌های بین لایه‌ای را با سورفکتنت‌های۴۴ کاتیونی مثل آلکیل آمونیوم یا آلکیل فسفونیوم،‌که در حالت کلی آن‌ها را اُنیوم۴۵ می‌نامند، متبادل کرد. در جدول ۲-۷ می‌توان فرمول تجربی برخی از گونه‌های مونتموریلونیت (اسمکتیت) را مشاهده کرد
جدول ۲-۷ فرمول تجربی برخی کونه‎های مونتموریلونیت[۳۵]
نام ماد? معدنی
فرمول تجربی
مونتموریلونیت (montmorillonite)
Al1/67Mg0/33Si4O10(OH)2
نونترونیت (nontronite)
Fe2Al0/33Si3/67O10(OH)2
بیدلیت (beidellite)
Al2Si3/67Al0/33O10(OH)2
هِکتوریت (hectorite)
Li0/33Mg2/67Si4O10(OH)2
سَپونیت (saponite)
Mg3Si3/67Al0/33O10(OH)2
در این بین مونتموریلونیت، هکتوریت و سپونیت بیشترین استفاده را در میان سیلیکات‌های لایه ای دارند. قابل ذکر است که به دلیل اشتباهات ایجاد شده در استفاده از کلم? مونتموریلونیت،‌هم به عنوان یک رس خاص و هم به عنوان سرگروه،‌امروزه به جای اسم گروه از عنوان اسمکتیت (smectite) استفاده می‌شود [۳۵].این دسته به سیلیکاتهای لایه‎ای ۲:۱ نیز شناخته می‎شوند. شکل ۲-۸ ساختار سیلیکات لایه‎ای ۲:۱ را نشان می‎دهد.

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه دربارهتکنولوژی، استفاده ابزاری، حالت طبیعی، کسب و کار

شکل۲-۸. ساختار سیلیکات لایه‎ای ۲:۱((a تصویر TEM سیلیکات لایه‎ای ۲:۱(b)
بطور خلاصه درنانو رس‎ها ۲ خصوصیت مهم وجود دارد که باعث موفقیت آنها در عرصه صنعت‎های مختلف شده است:
۱. خالص بودن آن که خصوصیات مکانیکی پلیمر را افزایش می‎دهند؛
۲. ظرفیت تبادلی کاتیونی رس که مخلوط شدن با پلیمر را مناسب می‎کند( شکل ۲-۹).
هر دو این ویژگی‎ها باعث استحکام در پلیمرها می‎شود و بطور همزمان مقاومت بالا و شکل پذیری از خود نشان می‎دهند، در واقع خواصی که با هم در یک جا جمع نمی شوند ولی در رسها(نانورسها) وجود دارد[۳۶] .

شکل ۲-۹. واکنش تبادل یونی در سیلیکاتهای لایه ای[۳۰]
رس‎ها را می‎توان با تغییر یون ها، اشباع کردنشان با عناصر فلزی و اصلاح آنها با اسیدها به کاتالیزور مناسب تبدیل کرد.[۳۷] صفحات انفرادی رس که فقط ۱ نانومتر ضخامت دارند، دارای ساختار کریستالی کاملی هستند. در کل هر چه که عناصر تقویت کننده مورد استفاده در سیستم پلیمری کوچک‌تر باشند، سطح داخلی آن‌ها بیشتر خواهد بود و تمایل آن‌ها به انباشته شدن بیشتر خواهد بود تا این‌که به طور یکنواختی در ماتریس پراکنده شوند. در حقیقت سیلیکات‌های لایه‌ای با شکاف وان در والس۴۶ (گالری)که در بین آن‌هاست، تمایل دارند که از خود دسته‌هایی تشکیل دهند. ابعاد گالری توسط ساختار کریستالی سیلیکات تعیین می‌شود، برای مثال در سدیم مونتموریلونیت۴۷ بدون آب اندازه‌ی آن در حدود ۱ نانومتر است [۳۸]
اما همانطور که مشاهده شد، سیلیکاتهای لایه‎ای دارای ساختاری قطبی و باردار هستند که با اغلب سیستم‎های پلیمری سازگاری و برهم کنش مناسبی ندارند.پس برای ایجاد سازگاری بیشتر و آلی دوست کردن سطح لایه‎ها می‎توان از روش پلیمریزاسیون در جای۴۸ نانوکلی استفاده کرد . در این حالت مونومرها به درون لایه‎ها وارد می‎شوند و هنگام پلیمریزه شدن در صورت حضور عوامل مناسب ممکن است اتصالات شیمیایی نیز بین لایه‎ها و پلیمر ایجاد شوند. علت بروز این خواص در نانوکامپوزیت‎ها بر هم کنش بین سطحی بین ماتریس و لایه‎های سیلیکاتی است که میزان آن نسبت به کامپوزیتهای متداول به شدت بالاست. لایه‎های سیلیکات نسبت سطح جانبی۴۹ بسیار بالایی، در حدود ده تا صد نانومتر، دارند و در صورتی که به طور مناسب در ماتریس پراکنده شوند، درصد اندکی از آنها سطح بسیار بزرگی بین زنجیره‎های پلیمر و صفحات سیلیکاتی فراهم می‎آورد، که در صورت کاهش انرژی سطحی آنها، از نظر ترمودینامیکی بسیار پایدار است[۳۹]. در زیر به شرح روش اصلاح سیلیکات لایه‎ای رس می‎پردازیم .
۲-۶-۳ ترکیب رس با پلیمر
همان طور که می‎دانیم در بسیاری از خواص فیزیکی و مهندسی پلیمرهایی که در آنها از مقدار کمی پرکننده استفاده می‌شود‎، بهبود فوق‌العاده‌ای ایجاد می‌شود. این تکنولوژی که امروزه می‌تواند کاربرد تجاری نیز پیدا کند، توجه زیادی را طی سالهای اخیر به خود جلب کرده است. عمده پیشرفت‌هایی که در این زمینه بوقوع پیوسته، طی پانزده سال اخیر بوده و در این قسمت به برخی از این پیشرفتها و همچنین مزیتها، محدودیتها و نیز مسایل و مشکلات آن اشاره کوتاهی می‎شود[۴۰].
۲-۶-۴ برخی ویژگی‎های نانوکامپوزیت های خاک رس – پلیمر
یکی از دستاوردهای تحقیقات این است که مشخص شده که بسیاری از خواص مهندسی هنگامیکه از میزان کمی معمولاً چیزی کمتر از ۵% وزنی،

دیدگاهتان را بنویسید