دانشگاه کاشان

 

دانشکده شیمی

 

گروه شیمی فیزیک

 

 

 

پایان نامه

 

جهت ا­خذ درجه کارشناسی ارشد

 

در رشته شیمی گرایش شیمی فیزیک

 

 

 

عنوان

 

تهیه و تعیین مشخصات نانوکامپوزیت­های زیست تجزیه پذیر

 

نشاسته- پلی وینیل الکل- کادمیم (II) سولفید

 

 

 

استاد راهنما:

 

پروفسور محسن محسن­­نیا

 

 

 

 

 

شهریور ماه 1391

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

ﭼﻜﻴده

در سال­های اخیر، تحقیقات بر روی نانوکامپوزیت­های پلیمری توجه زیادی را به خود جلب کرده است و این به دلیل خواص مکانیکی، حرارتی، نوری و شیمی فیزیکی بهبود یافته این پلیمرها نسبت به پلیمر خالص و کامپوزیت­های معمولی است. در دهه­های گذشته توجه محققان بر روی نانوکامپوزیت­های پلیمری – خاک رس متمرکز بوده است در حالی که در چند سال اخیر توجه به سمت انواع دیگر نانوذرات معدنی به منظور بهبود خواص جلب شده است.

پلی وینیل الکل (PVA)، یکی از پلیمرهای سنتزی سازگار با طبیعت و محلول در آب است که دارای خواص بسیار عالی می­باشد. این پلیمر به عنوان یک محصول تجاری و صنعتی ارزشمند، از نظر حلالیت و زیست تخریب پذیر بودن آسیب کمی به محیط زیست می­رساند و به همین دلیل مورد توجه محققین و صنعت­گران قرار گرفته است. با وجود این، خواص پلی وینیل الکل می­تواند توسط پخش نانوذرات معدنی گوناگون در ماتریس پلیمری بهبود یابد.

در این پژوهش، نانوذرات CdS به روش هم­رسوبی ساخته شده است. نانوکامپوزیت Starch/PVA/CdS نیز با اضافه کردن نانوذرات سنتزی به پلیمر توسط روش فرآوری محلول تهیه شده است. در راستای این پژوهش ساختار نانوذرات و نانوکامپوزیت­های تهیه شده توسط الگوی پراش اشعه ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و طیف سنجی انرژی پراش اشعه ایکس (EDX) مورد بررسی قرار گرفته شد. هم­چنین در این پژوهش خواص مکانیکی، حرارتی، نوری، جذب آب و تخریب آنزیمی نمونه­ها مورد بررسی قرار گرفت و سپس نتایج حاصل در مورد بعضی از نمونه­ها با یکدیگر مقایسه شد.

کلمات کلیدی: پلی وینیل الکل، نشاسته، نانوکامپوزیت، نانوذرات، فرآوری محلول، خواص نانوکامپوزیت، زیست تجزیه­پذیر

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                              صفحه

فصل اول: مقدمه

1-1- فن­آوری نانو چیست……………………………………………………………………………………………………………………………..1

1-2- مقدمه­ای بر پلیمرها……………………………………………………………………………………………………………………………..2

1-3-روش­های سنتز نانوذرات……………………………………………………………………………………………………………………… 5

1-3-1-روش­های شیمیایی……………………………………………………………………………………………………………………. 5

1-3-1-1-ته نشینی و رسوب دهی شیمیایی………………………………………………………………………………….. 5

1-3-1-2-سل-ژل…………………………………………………………………………………………………………………………….. 5

1-3-1-3-پیش ماده­ی پلیمری………………………………………………………………………………………………………… 6

1-3-1-4-میکروامولسیون…………………………………………………………………………………………………………………. 6

1-3-1-5-هیدروترمال………………………………………………………………………………………………………………………. 6

1-3-1-6-سنتز به کمک احتراق………………………………………………………………………………………………………. 7

1–3-2-روش­های فیزیکی– شیمیایی……………………………………………………………………………………………………… 7

1-3-2-1-تجزیه حرارتی افشانه­ای…………………………………………………………………………………………………….. 7

1-3-2-2-تغلیظ گاز…………………………………………………………………………………………………………………………… 7

1-3-2-3-سایش مکانیکی………………………………………………………………………………………………………………….. 7

1-3-2-4-روش اولتراسونیک……………………………………………………………………………………………………………… 8

1-3-2-5-سیالات فوق بحرانی…………………………………………………………………………………………………………… 8

 

آ

 

1-4-کامپوزیت­ها………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 8

1-4-1-انواع کامپوزیت­ها………………………………………………………………………………………………………………………… 9

1-4-1-1-کامپوزیت­های لیفی………………………………………………………………………………………………………….. 9

1-4-1-2-کامپوزیت­های پودری……………………………………………………………………………………………………….. 9

1-5-تاریخچه فن­آوری نانوکامپوزیت…………………………………………………………………………………………………………. 10

1-6-نانوکامپوزیت­ها……………………………………………………………………………………………………………………………………. 11

1-7-انواع نانوکامپوزیت………………………………………………………………………………………………………………………………. 12

1-7-1-نانوکامپوزیت­ها بر اساس اجزای تشکیل­دهنده………………………………………………………………………… 12

1-7-2-نانوکامپوزیت­ها بر اساس ابعاد ذرات پراکنده…………………………………………………………………………… 12

1-7-3-نانوکامپوزیت­ها بر اساس ماده زمینه……………………………………………………………………………………….. 13

1-7-3-1-نانوکامپوزیت­های زمینه پلیمری……………………………………………………………………………………… 13

1-7-3-2-نانوکامپوزیت­های زمینه سرامیکی…………………………………………………………………………………… 13

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 میكروبی……………………………………………………………………………………………………….. 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

یک مطلب دیگر :

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

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

 

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

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

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