نانو ماده آلی/ معدنی با پایه POSS ضد آب و ضد روغن جدید: تهیه, تعیین خصوصیات و كاربرد در پارچه‌های پنبه‌ای

نانو ماده آلی/ معدنی با پایه POSS ضد آب و ضد روغن جدید: تهیه, تعیین خصوصیات و كاربرد در پارچه‌های پنبه‌ای – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

نانو ماده آلی/ معدنی با پایه POSS ضد آب و ضد روغن جدید: تهیه، تعیین خصوصیات و كاربرد در پارچه‌های پنبه‌ای

 پلیمر

کالج شیمی، مهندسی شیمی و بیوتکنولوژی، دانشگاه دونگوا، چین

لابراتوار شیمی ارگانوفلورین، انستیتو شانگهای شیمی آلی، آکادمی علوم چین

الزویر

2010

چكیده

مجموعه‌ای ترپلیمرهای تركیبی با پایه سیلس كیوكسان الیگومری چند وجهی (POSS) P(POSS-MMA-(HFPO)3MA) سنتز شده‌اند و خصوصیات آنها بوسیله NMR, FT-IR, GPC, DSC  و TG تعیین گردیدند. خواص گرمایی این ترپلیمرها با ورود قفس POSS اصلاح شدند. پارچه‌های پنبه‌ای پوشیده شده با این ترپلیمرها، آبگریزی و روغن گریزی عالی از خود نشان می‌دهند. پارچه‌های پنبه‌ای پوشیده شده با این ترپلیمرها، آبگریزی و روغن گریزی عالی از خود نشان می‌دهند. هنگامی كه محتوای POSS در این ترپلیمرها از 4/6 درصد وزنی تا 4/13 درصد وزنی افزایش می‌یابد، زاویه تماس آب و روغن سالاد به ترتیب از تقریبا 140 درجه به 152 درجه و از تقریبا 127 درجه به 144 درجه می‌رسد. پارچه‌های پنبه‌ای پوشیده شده با ترپلیمر دارای پایه POSS ، در مقایسه با پارچه‌های پنبه‌ای پوشیده شده با كوپلیمر P(MMA-(HFPO)3MA) روغن گریزی بهتری از خود نشان می‌دهند و با افزایش محتوای POSS،‌ این تمایل ابتدا افزایش و سپس كاهش می‌یابد. زاویه تماس –n هگزادكان (كشش سطحی: mN/m 4/27، 20 درجه سانتیگراد) در پارچه‌های پنبه‌ای پوشیده شده با ترپلیمر محتوی 5/9 درصد وزنی POSS به تقریبا 117 درجه می‌رسد.

واژگان كلیدی: ابر آبگریزی روغن گریز، نانو ماده

1- مقدمه

سطح آبگریز و روغن گریز بخاطر كاربردهایشان در حوزه‌های مختلف نظیر رنگ خود تمیز شونده، لباسهای ورزشی و بیرونی، لایه‌های زیست دارویی، حسگرهای تكمیلی، كانالهای میكروفلوییدی علاقه روز افزونی را به خود جلب كرده‌اند[4-1]. چنین سطوحی معمولا بوسیله تركیب ساختار هندسی سطح و تركیبات شیمیایی دارای انرژی سطح پایین حاصل می‌شوند[5]. تشخیص آبگریزی به علت كشش سطحی بالای آب (mN/m 27 ~) دشوار نیست. سطوح آبگریز یا حتی ابر آبگریز كه بوسیله تركیب زبری سطح و كاهش انرژی آزاد سطح حاصل می‌شوند در سالیان اخیر به گستردگی گزارش شده‌اند[10-6].

برای رسیدن به روغن گریزی، انرژی آزاد سطح سوبسترا باید كمتر از mN/m20 باشد زیرا كشش سطحی نوعی برای روغنها mN/m 30-20 می‌باشد. برای تامین شرایط روغن گریزی، چندین گروه از مواد پوشش دهنده تولید شده‌اند مانند پلیمرهای آكریلیك فلوئوردار شده، پلیمرهای فلوئوروسیلیكون، پلی اورتان فلوئوردار شده و غیره[14-11]. از میان آنها، پرفلوئوروآلكان دراز زنجیر به گستردگی در  تهیه پلیمرهای دارای انرژی آزاد سطح پایین بكار برده می‌شود تا هم آبگریزی و هم روغن گریزی حاصل می‌شود[10 و 17-15].

اخیرا بعضی از مواد پلیمری تركیب شده با سیلین كیوكسان (POSS) گزارش شده‌اند كه نسبت به همتایان اولیه خود دمای كاربرد بالاتر، خاصیت مكانیكی اصلاح شده و افزایش تاخیر در اشتعال بالاتری را نشان می‌دهند[20-18]. انواع پلیمرهای محتوی POSS كه شامل اپوكسی[21]، پلی اورتان[22]، پلی(متیل متاكریلات)[23-24]، پلی سیلوكسان[25]، پلی‌اتیلن/ پلی‌اتیلن اكسید[26-27]، پلی‌پروپلین/ پلی‌پروپلین اكسید[28 و 29]، پلی استایران[30-31]، پلی نوربورنن[32] و كوپلیمرهای پرفلوئوروسیكلوبوتیل آریل اتر[33] می‌باشند، از طریق تركیب كردن یا پلیمریزاسیون تهیه شده‌اند.

گروههای فلوئورو آكلیل دراز زنجیر محتوی POSS فلوئوردار شده تركیب شده با پلی‌متیل متاكریلات (PMMA) یا پلی‌اتیل متاكریلات (PEMA) برای ایجاد سطح آبگریز و روغن گریز بكار برده شده‌اند[10-34]. آبگریزی رزین اپوكسی محتوی پلی (3-كاپرولاكتون) با كلاهك هپتا (3 و 3 و 3-تری‌فلوئوروپروپیل) POSS نیز بوسیله افزودن POSS فلوئوردار شده تا حد قابل توجهی افزایش یافت[35]. این نكته نشان داده شده كه گروههای فلوئوروآلكیل دراز زنجیر محتوی POSS، آبگریزی و روغن گریزی مواد محتوی آنها را تا حد قابل توجهی افزایش می‌دهند.

با این وجود، جای تردید است كه چند سازه‌های فلوئوروآلكیل دراز زنجیر محتوی الكلهای تلومر فلوئوردار شده هستند یا به این الكلها تجزیه می‌شوند و سپس به پرفلوئورو كربوكسیلاتهای محتوی پرفلوئورواوكتانوآت (PFOA) كه عموما در حیات وحش، انسانها و محیط زیست شناسایی می‌شوند، تبدیل می‌گردند. تحقیقات بیان می‌كنند  كه PFOAها، پرفلوئورواوكتیل سولفات (PFOS) و مواد دیگر محتوی زنجیر پرفلوئوروآلكیل (CnF2N+1, n ≥ 8) در حیات وحش و بدن انسانها انباشته شده و منجر به خطرات بالقوه‌ای برای سلامتی انسان‌ها گردیده و باعث نگرانیهای زیست محیطی می‌شوند[36-37]. از سال 2000 موسسه حفاظت از محیط زیست (EPA) ایالات متحده آمریكا، فعالیتهای مختلفی را برای كمك به حداقل سازی خطرات بالقوه مواد شیمیایی پرفلوئوردار شده دراز زنجیر (PFCها) برای سلامتی انسانها و محیط زیست در نظر گرفته است. بنابراین، اتحادیه اروپا استفاده از PFOS را محدود كرده است و خطرات مجاورت با PFOA را ارزیابی می‌كند.

خوشبختانه، این نكته اثبات شده كه هیدروفلوئورو پلی‌اتر اصلا ایجاد سوزش و حساسیت پوستی نمی‌كند، در آزمایشگاه یا در محیط طبیعی،  هیچ فعالیت ژنوتوكسیك (سیمت ارثی) قابل تشخیصی ندارد و هیچ حساسیت قلبی ایجاد نمی‌كند[38]. به نظر می‌رسد كه فلوئورو پلی‌اتر جایگزین برجسته‌ای برای پر فلوئوروآلكان دراز زنجیر  باشد كه علت آن خواص فیزیكی و شیمیایی آن نظیر مقاومت شیمیایی بالا، توانایی روان سازی (چرب كنندگی) بالا، انرژی سطحی پایین و سمیت كم آن می‌باشد[38-39]. مخلوطهای پلیمری، تركیبهای فلوئوردار شده  یا كوپلیمرهای مبتنی بر حضور زنجیرهای فلوئورو پلی‌اتر به صورت آبگریز و روغن گریز بكار برده می‌شوند[1- 14- 43-  40]. مجموعه كوپلیمرهای محتوی بخشهای فلوئورو پلی‌اتر و متیل متاكریلات (MMA) تهیه شده‌اند و این نكته نشان داده شده كه سطوح انرژی پایینی دارند. در سطوح پوشیده شده با كوپلیمر محتوی 50% (مولی) فلوئورو پلی‌اتر، زاویه تماس آب (كشش سطحی: mN/m 8/72، 20 درجه سانتیگراد و –n هگزادكان (كشش سطحی: mN/m4/27، 20 درجه سانتیگراد) به ترتیب 112درجه و 72 درجه مشاهده شده‌اند[39]. به هر حال،‌ در مورد سنتز POSS اصلاح شده (فعال شده) با فلوئورو پلی‌اتر یا كاربرد كوپلیمرهای محتوی فلوئورو پلی‌اتر و POSS  جهت ساخت سطوح آبگریز و روغن گریز،‌ تحقیقات كمی انجام شده است.

در این مقاله، گروه جدیدی از پلیمرهای فلوئوردار شده سازگار با محیط زیست كه محتوی گروههای فلوئورو پلی‌اتر و POSS می‌باشند از طریق پلیمریزاسیون افزایش رادیكالی متداول تهیه شده‌اند.  تركیب، خواص گرمایی پلیمرها و مورفولوژی (ریخت شناسی)،  قابلیت تر شدگی پارچه‌های پنبه‌ای پوشیده شده با پلیمر تعیین شده‌اند. مكانیسم ممكن و اثر محتوی POSS بر آبگریزی و روغن گریزی پارچه‌های پنبه‌ای پوشیده شده نیز مورد بحث قرار گرفته است.

2- بخش تجربی

2-1 مواد

متیل متاکریلات (98%) از شرکت واکنشگر، شیمیایی سینوفارم با مسئولیت محدود (شانگهای، چین) خریداری شد و قبل از استفاده از کلسیم هیدرید تحت خلأ تقطیر شد. 2 و 2′ – آزو بی سیسوبوتیرونیتریل (AIBN) نیز از شرکت واکنشگرهای شیمیایی سینوفارم با مسئولیت محدود خریداری شد و از متانول تبلور مجدد شد. سیلس کیوکسان اولیگومری اوکتاوینیل پلی هدرال (چند وجهی) (OV-POSS) (99%) از شرکت مواد شیمیایی شنیانگ میکسی فاین با مسئولیت محدود (شنیانگ، چین) خریداری شد. پروفلوئوروپلی اتر، 2، 3، 3و 3- تترافلوئورو- 2- (1، 1، 2، 3، 3 و3- هگزافلوئورو-2 (پرفلوئوروپروپوکسی) پروپوکسی) پروپانویل فلوئورید (THPF) از موسسه شیمی آلی شانگهای، آکادمی چینی علوم به دست آمد. ساختار مولکولی THPF می تواند به وسیله فرمول زیر نشان داده شود:  لیتیم آلومینیوم هیدرید از شرکت تجاری سیگما- آلدریچ شانگهای با مسئولیت محدود (شانگهای، چین) خریداری شد. تترا هیدروفوران (THF) بلافاصله قبل از استفاده از سدیم/ بنزوفنون تقطیر شد. لیتیم آلومینیوم هیدرید، OV-POSS و سایر مواد شیمیایی به همان صورت دریافت شد و بدون
خالص سازی بیشتر مورد استفاده قرار گرفتند.

2-2 خصوصیات و اندازه گیری ها

طیفهای NMR در دمای محیط و بر روی دستگاه AV400 Bruker که برای هسته های ¹H، ¹⁹H و ²⁹Si مربوط به ترتیب در فرکانس های 1/400، 5/376 و 5/79 عمل می کند، ثبت گردید. تترامتیل سیلان (TMS) به عنوان مرجع شیفت (جابجایی) شیمیایی داخلی برای HNMR به کار برده شد، جابجایی به میدان های پایین به صورت مثبت نشان داده می شود. طیفهای FT-IR بر روی یک اسپکترومتر FT-IR (Avatar 380) با استفاده از کریستال KBr در ناحیه فرو سرخ cm^-1 100-4000  ثبت شد.

2-3 سنتز مونومر

2، 3، 3 و 3- تترافلوئورو-2- (1، 2، 3، 3 و 3- هگزارفلوئورو -2- (پرفلوئورو- پروپوکسی) پروپوکسی) پروپیل متاکریلات  [(HFPO)₃MA] بر اساس مرجع [44] به صورت نشان داده شده در طرح 1 سنتز گردید.

2-4 پلیمریزاسیون پلیمرهای P(POSS-MMA-(HFPO)3MA)

در یک روش پلیمریزاسیون نوعی، در یک فلاسک سه دهانه مجهز به متراکم کننده و دهانه ورودی N₂، MMA, (5mL) THF (g3/0، mmol3)، و Ov- POSS به مقدار مناسب افزوده شده و سپس 1/0 وزنی AIBN نسبت به مونومرها اضافه شد. محلول به مدت 30 دقیقه به هم زده شد و با N₂ گاز زدایی شد و سپس به مدت 4 ساعت در دمای 60 درجه سانتی گراد نگهداشته شد. (HFPO)₃MA (g8/0، mmol5/1) و 1/0 وزنی AIBN افزوده شد. به محلول اجازه داده شد به مدت 20 ساعت در دمای 60 درجه سانتی گراد به هم زده شود و سپس تحت به هم زدن شدید، قطره قطره تا 10 برابر مقدار اضافی کلروفرم / متانول (V/V=1/30) افزوده شد. سپس، رسوب صاف شد و مجددا در کلروفرم حل شد و در مجددا در کلروفرم / متانول (V/V=1/30) رسوب داده شد.

2-5 فرآوری پارچه های پنبه ای با پلیمرها

پارچه های پنبه ای تکه تکه شده، شسته شده و تمیز شده (cm10 × cm3، حدود g3/0) در محلول پلیمرهای 0.01 g/mL (THF به عنوان حلال) به مدت 2 ساعت خیسانده شد. پارچه های پنبه ای به مدت 30 دقیقه در دمای 80 درجه سانتی گراد خشک شدند و سپس به مدت 3 دقیقه در دمای 160 درجه سانتی گراد فرآوری شدند.

3- نتایج و بحث

3-1 خالص سازی و تعیین خصوصیات ترپلیمرها

ترپلیمرهایP(POSS-MMA-(HFPO)₃MA)  با مقادیر مختلف POSS به صورت رادیکالی پلیمریزه شدند (طرح 2).

در طیف Si NMR مربوط بهP(POSS-MMA-(HFPO)₃MA)  (P4) (شکل 1)، پیکهای 3/79- و ppm 7/65- به ترتیب به اتمهای سیلیسیوم متصل شده به گروه های وینیل واکنش نداده و واکنش داده اختصاص دارند. حضور سیگنال در ppm 7/65 این نکته را تایید می کند که Ov-POSS در پلیمریزاسیون رسوب می کند. تعداد گروههای وینیل واکنش داده تمام ترپلیمرها در  محدوده 3/3 تا 5/3 بر اساس اطلاعات آنالیزهای عنصری Si و NMR ¹H محاسبه گردید. گروه های وینیل باقیمانده فرصتی برای ورود سایر گروه های عاملی به ترپلیمرها در کاربردهای دیگر فراهم می سازد.

3-2 آنالیز گرمایی

خواص گرمایی پلیمرهای سنتز شده به وسیله آنالیز ترموگراویمتری (گرما وزن سنجی) (TGA) و کالریمتری پویشی تفاضلی (DSC) بررسی شده است. خصوصیات پلیمرها در ارتباط با خواص گرمایی نیز در جدول 1 نشان داده شده است. دمای انتقال شیشه ای (Tg) با افزایش میزان POSS به طور خطی افزایش می یابد. T_g برای P(POSS-MMA-(HFPO)₃MA (P1)، 1/33 درجه سانتی گراد است و پس از پیوستن 4/13 درصد وزنی POSS برای
 P(POSS-MMA-(HFPO)₃MA (P4) به 4/78 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. علت اصلاح زیاد T_g احتمالا این است که بخش های POSS در ترپلیمرهایی که از حرکت زنجیرهای P(POSS-MMA-(HFPO)₃MA  در بستر پلیمر جلوگیری می کند، پخش می شود [45]. برای مقایسه پایداری های گرمایی، دمای فرایند (T_d) و دمای کاهش وزن 5% وزنی (T₅) از TGA بدست می آیند. هم T_d و هم T₅ با افزایش میزان POSS افزایش می یابند. علاوه براین، وزن زغال باقیمانده نیز با افزایش میزان POSS افزایش می یابد.

3-3 مورفولوژی (ریخت شناسی) سطحی پارچه های پوشیده شده

برای بررسی مورفولوژی پلیمرها بر روی پارچه های پنبه ای و سوبستراهای شیشه ای از
 FE-SEM استفاده شد. ذرات Ov- POSS می توانند در محلول THF حل شوند و بر روی شیشه اسلاید رسوب کنند. شکل (A)6 تصاویر FE-SEM مربوط به Ov- POSS رسوب کرده بر روی شیشه اسلاید را نشان می دهد و این نکته را خاطر نشان می كند که اندازه توده  Ov- POSS، nm60-30 است (در مستطیل قرمز دیده می شود) و اندازه توده کریستال بزرگتر از nm1000 می باشد. سطوح پارچه های پوشیده شده با P1 (شکل (B) 6) به علت عدم حضور واحد POSS در P1 چنین نانو ذرات سفیدی ندارد. در مقابل، ذرات سفید کمتر از nm100 به طور منظم بر روی سطوح پارچه ای پنبه ای پوشیده شده با P3, P2 و P4 توزیع می شوند (شکل (E)– (C)6).

3-4 مشخصه مرطوب شدگی پارچه های پوشیده شده

آبگریزی سطوح پارچه پنبه ای پوشیده شده با اندازه گیری های زاویه تماس (CA) آب ارزیابی شد. علاوه براین، مهمترین پارامتر برای حرکت ریز قطره های آب بر روی یک سطح، مقدار پسماند CA، نیز اندازه گیری شد.

اطلاعات خلاصه شده در جدول 2 نشان می دهد که با افزایش میزان  POSS، CA آب افزایش می یابد در حالیکه پسماند CA کاهش می یابد. برای مایعات دارای کشش سطحی بالا، یعنی آب، مورفولوژی سطح جامد آبگریز فاکتور قطعی برای رسیدن به ابر آبگریزی می باشد. CA های آب برای PMMA (~122°)، P(MMA-POSS) (~142°)، P1 (~131°) تا P4 (~125°) در جدول 2 نشان می دهد که ابر آبگریزی پارچه های پنبه ای پوشیده شده با افزودن POSS اصلاح می شود. سطح پارچه های پنبه ای پوشیده شده با P4 زبرترین مورفولوژی را نشان می دهد (در شکل (E)6 دیده می شود) و برای آنکه ابر آبگریزی حاصل شود، CA آب بالاتر از 150 درجه و پسماند CA پایین تر از 5 درجه می باشد.

3-5 ترکیب شیمیایی سطح پارچه پوشیده شده با P3

ترکیب شیمیایی سطح آن به وسیله آنالیز XPS تجزیه و تحلیل شده است. همان گونه که در شکل (A)8 نشان داده شده، پیکهای Si 2s، Si 2p، C 1s، O 1s، F 1s و F 2s به ترتیب در حوالی 150، 100، 285، 535، 690 و eV30 شناسایی می شوند. طیف XPS کربن 1s با تفکیک بالا در شکل (B)8 نشان داده می شود و با هفت زیر پیک (پیک فرعی) که پهنای یکسانی دارند منطبق می باشد و با CF₃ – در eV6/293، -CF₂ در eV8/291، و CF– در eV 7/290،
 -C=O در eV4/288، C-O  در eV1/286، C-C در eV 8/284 و C-Si در eV1/284  متناظر می باشد [43، 50]. تعیین مقادیر XPS در غلظت اتمی با در نظر گرفتن مساحت اختصاصی پیک و فاکتورهای حساسیت اتمی مربوط به (ASF) انجام شده است. غلظت اتمی نسبی عنصر (Ci)I می تواند با استفاده از معادله زیر محاسبه شود:

4- نتیجه گیری

گروه جدیدی از پلیمر های آبگریز و روغن گریز محتوی بخش های POSS و  فلوئورو پلی اتر تهیه شده و خصوصیات آنها با موفقیت تعیین شده است. با افزایش میزان POSS در محدوده تحقیق ما، پایداری گرمایی و آبگریزی بهتر برای ترپلیمر حاصل شد. آبگریزی و روغن گریزی ترپلیمر می تواند با کنترل نسبت خوراک Ov-POSS اصلاح شود. پارچه های پنبه ای پوشیده شده با ترپلیمرها    می توانند ابر آبگریزی و ابر روغن گریزی ایجاد نمایند.

علاوه بر این، بخش POSS در ترپلیمر، سوختن پارچه های پنبه ای پوشیده شده در هوا را تا اندازه ای به وسیله تشکیل لایه زغال محافظ، کاهش می دهد (ملایم می کند). سرانجام، ترپلیمر می تواند از گروه های وینیل واکنش نداده در بخش های POSS ، دارای گروه های عاملی دیگری شود و بنابراین می تواند برای کاربردهای بالقوه مختلف توسعه داده شود.