چکیده 

فیلم‌های ظریفی از پلی وینیل کلراید(PVC)/ کربن نانو تیوب‌های چند جداره( MWCNT) و نانو کامپوزیت‌های پی وی سی/ گرافن(GN) با ترکیب چند نانوذره متفاوت آماده شدند. ریخته گری فیلمی با حلال تتراهیدروفوران(THF) انجام گردید. نانوکامپوزیت‌های آماده شده ی PVC/MWCNT و PVC/GN ، بوسیله ی میکروسکوپ الکترونیکی روبشی (پویشی)، طیف بینی رامان، پراش(شکست) پرتو ایکس، آنالیز توزین حرارتی(TGA)، گرماسنجی روبشی تفاضلی، تجزیه ی مکانیکی دینامیکی و طیف بینی بازتابندگی پخش شده، تعیین خواص شدند. فقط، فیلم‌های نانوکامپوزیت PVC/GN، برای تجزیه ی مکانیکی دقیق، بخاطر پراکندگی ضعیف MWCNT ها در PVC بیشتر مورد بررسی قرار گرفتند. فیلم‌های نانوکامپوزیت PVC/GN از لحاظ حرارتی-مکانیکی پایدارتر از فیلم‌های PVC  بودند. نانوکمپوزیت‌ها، بعلت پراکندگی بهتر و پایداری بالاترشان ، عاملی بالقوه برای جایگزینی PVC و PVC/MWCNT می‌باشند.       

1- مقدمه

پیشرفت‌ها در سنتز مواد نانو، پژوهش‌هایی را بسمت استفاده ی احتمالی آنها در ساخت نانوکامپوزیت‌ها ترغیب کرده است. نانو کامپوزیت‌ها بعلت خصوصیات مکانیکی مواد میزبان، که به آسانی می‌توانند بوسیله ی ترکیب با مواد مناسبی در مقیاس نانو بهبود داده شوند، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند.  بعبارتی دیگر برای ساخت یک نانو کامپوزیت جهت کاربرد‌های خاص، انتخاب پرکننده نانوی مناسب و مواد میزبان هر دو ضروری هستند. 
گرافن یک لایه تک از اتم‌های کربن sp2 هیبریدی در دو اندازه میباشد که بعلت ویژگی‌های حرارتی، مکانیکی و الکتریکی برجسته نانو تیوب‌های کربن (CNTs)، توجه خاصی را در سال‌های اخیر به خود جلب کرده است.  از طرف دیگر، ویژگی‌های خاص بسیاری نظیر وزن کم نسبت به ابعاد زیاد و رسانایی بالای حرارتی و الکتریکی را دارا می‌باشند. بعلت خواص قابل توجه GN و CNT ها کاربردهایی در زمینه های مختلف همچون تجهیزات نانوالکترونیک، فتوولتائیک، الکترود‌های شفاف، سنسور، ابر خازن‌ها و کامپوزیت‌های رسانا  بخوبی در صنایع خودروسازی، هوافضا و دانش هوانوردی پیدا کرده اند. 
پلی وینیل کلراید بدلیل قیمت مناسب، پایداری شیمیایی، سازگاری با محیط و قابل استریل(سترون) بودن یکی از پراستفاده ترین پلیمرها می‌باشد. ولی محدودیت دمایی بکارگیری PVC، کاربرد آن را در محصولاتی که به حرارت بالا نیاز دارند محدود کرده است. نانوکامپوزیت‌های پلیمری نسبت به کامپوزیت‌های معمول تهیه شده با پرکننده های مرسوم (مثل الیاف شیشه یا کربن) افزایش خواص قابل توجهی را حتی در مقادیر بسیار بسیار پایین نشان می‌دهند. sajini et al گزارش کرد که نانو کامپوزیت‌های PVC دارای GN، رسانایی انعطاف پذیر، مقاومت مکانیکی و پایداری حرارتی بالایی دارند.  CNT ها  همچنین بعنوان یک پرکننده جهت بهبود رسانایی گرمایی و الکتریکی PVC، استفاده می‌شوند. پرکننده ها مانند خاک رس، الیاف‌های چوبی و کربنات کلسیم برای اصلاح عملکرد مکانیکی و حرارتی PVC نیز استفاده می‌شوند. 
نانوکامپوزیت‌های با پایه GN ، ممکن است بدلیل تفاوت‌هایی در پراکندگی و رفتار تجمع در ماتریس PVC،  ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی متفاوتی نسبت به نانو کامپوزیت‌های با پایه MWCNT داشته باشند. از بین بهترین مؤلفان گزارش‌های کمی از برهم کنش MWCNT ها یا GN با ماتریس PVC که در پراکندگی و رفتار تجمع شان در PVC تأثیر خواهد گذاشت وجود دارد. بنابراین جهت فراهم کردن شرایط تفاوت شیمیایی-فیزیکی کامپوزیت‌های MWCNT یا GN با PVC تا پراکندگی همگن تر این نانو مواد ، تحقیقات بیشتری لازم است.  این مقاله آماده سازی نانوکامپوزیت‌های PVC/MWCNT و PVC/GN از محلول THF با استفاده از روش ترکیب را گزارش میدهد. مورفولوژی سطح، خواص حرارتی و مکانیکی  از نظر تجمع مورد بررسی قرار گرفت. 

2- تجربی
1-2 مواد
PVC( با میانگین وزن مولوکولی معادل 1020) از Yakuri pure chemicals , japan و GN (با ضخامت حدود 8 نانومتر و طول متوسط 500 نانومتر) از Iljin Nano Tech, Seoul, Korea وMWCNT ها( با قطر 20-10 نانو مترو طول متوسط 20 میکرومتر با خلوص 95%) از Hanwha Nanotech, Korea خریداری شد. THF هم از شرکت Duskan pure chemicals‌تهیه شد.   

2-2 آماده سازی نانوکامپوزیت‌های PVC/MWCNT و PVC/GN
نانوکامپوزیت‌های PVC/MWCNT و PVC/GN بوسیله ترکیب MWCNT یا GN در یک ماترس PVC با استفاده از THF بعنوان یک حلال، آماده شدند. در ابتدا طی یک فرایند ویژه، PVC با هم زدن مداوم بمدت 24 ساعت برای انحلال کامل، در 50 میلیلیتر THF حل شد.MWCNT ها یا GN بطور جداگانه با محلول بالا در حمام آلتراسونیک با هم زدن مداوم برای ایجاد یک ترکیب با پراکندگی مناسب نانو موادها در محلول THF پی وی سی، مخلوط شدند. سپس فیلم های نانوکامپوزیت PVC/MWCNT و PVC/GN بر روی صفحه های شیشیه ای با تکنیک ریخته گری در حلال آماده شدند. پس از آن فیلم ها بعد از تبخیر شدن حلال در دمای محیط از صفحه ی شیشه ای کنده می‌شوند. فیلم‌های اماده شده مطابق آنچه در جدول S1 لیست شده تحت عنوان PVC، PVC/MWCNT-1% و PVC/GN-1% و PVC/GN-2% و PVC/GN-3% برچسب می‌خورند. 

3-2 بررسی خصوصیات 
تجزیه ی ساختاری نمونه ها بوسیله ی پراش(شکست) پرتو ایکس( XRD, PAN analytical, X pert PRO-MPD) در محدوده ی 10-90° 2Ѳ با استفاده از اشعه ی  Cu Kα ( λ=0.15405 nm) انجام شد. طیف بینی رامان‌( In Via Reflex UV Raman microscope, Renishaw.UK)  جهت بررسی نوع برهمکنش بین PVC و GN و بین PVC و MWCNT در فیلم‌های نانو کاپوزیت اجرا شد. مورفولوژی سطح بوسیله میکروسکوپ الکترونیکی روبشی (پویشی) مورد آزمایش قرار گرفت. (SEM, Hitachi-4200). خواص نوری بوسیله ی طیف نورسنجی مرئی- فرابنفش ، مشخص شد. آنالیز توزین حرارتی (TGA, SDT Q600. USA) در 25-500 °C با سرعت 10°Cmin-1  در اتمسفر نیتروژن اجرا شد. تجزیه ی مکانیکی بوسیله ی DMA Q800‌ انجام شد. 

 
3- بحث و نتیجه گیری 
1-3 آماده سازی فیلم‌های PVC، PVC/MWCNT و PVC/GN:
نانو کامپوزیت‌های PVC/MWCNT و PVC/GN با استفاده از روش ترکیب آماده شدند. فیلم‌های PVC/MWCNT بعلت تراکم MWCNT ها در نواحی مختلف آنها، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده صیقلی نبودند. در حالیکه، فیلم‌های PVC/GN توزیع خوب و پراکندگی یکنواختی از گرافن در ماتریس PVC‌ نشان می‌دهد. تفاوت اصلی بین CNT‌و GN در شکل ظاهری آنها می‌باشد.CNT ها دایره ای شکل در حالیکه GN‌ها ورق مانند هستند که این خود عاملی برای بر همکنش های متفاوت در حلال است. مانع اصلی استفاده وسیع از CNT ها بعلت نم پذیری ضعیف و گرایش آنها به شکل طنابی شدن در حلال ها می‌باشد. CNT ها بعلت نیروهای بالای واندر والسی، بشکل طناب یا بسته با قطر 10-25 nm و طولی به اندازه ی میکرومتر‌ها یافت شدند. 

طناب‌های CNT، در حالت جامد و با ساختاری متراکم و پیچیده در هم تنیده می‌شوند که آنها را در برابر رطوبت مقاوم می‌کند. انتظار می‌رود در زمان بررسی خصوصیات مکانیکی سطوح مختلف چنین فیلم‌هایی، بدلیل تراکم MWCNT ها در نواحی مختلف آنها، بشکل‌های متفاوتی واکنش نشان دهند. بعلت پراکندگی ضعیف PVC  در MWCNT ها تنها فیلم‌های ناکامپوزیت PVC و PVC/GN  بوسیله ی تجزیه ی مقاومت مکانیکی آزمایش شد.

 2-3 رفتار تجمعی و پراکندگی MWCNT درون فیلم PVC/MWCNT

نانو کامپوزیت‌های PVC/MWCNT با ترکیب MWCNTها در یک محلول PVC ( ساخته شده از تتراهیدروفوران) و فیلم‌های ظریف نانوکامپوزیت‌های PVC/MWCNT بوسیله تکنیک ریخته گری محلول آماده شدند. فیلم‌های PVC/MWCNT احتمالا‍‍ً بدلیل تراکم MWCNT ها در نواحی مختلف فیلم صیقلی نبودند.(شکل 2) در حالیکه فیلم‌های نانوکامپوزیت PVC/GN یک مورفولوژی سطح صیقلی ای را به نمایش گذاشته اند. 

مانع اصلی استفاده از MWCNT ها با PVC بدلیل نم پذیری ضعیف و گرایششان به متراکم‌شدن در حلال‌ها می‌باشد. رفتار تراکمی مشابهی برای فیلم‌هایCNT@Pani  گزارش شده است. MWCNT ها بعلت شکل بسته ها یا طناب های در هم تنیده شده در حالت جامد، بشدت در برابر رطوبت مقاوم هستند که این عامل منجر به ساختار‌های پیچیده و تراکم بالایی در اثر نیرو‌های واندوالسی می‌شود. رفتار تراکمی MWCNT‌ها میتواند با تئوری هسته ای جامد در مایع توصیف شود. خواص فیزیکی و مکانیکی PVC با تراکم MWCNT ها در نواحی مختلف ماتریس PVC‌،  تحت تأثیر قرار گرفتند. تراک فیزیکی به بر همکنش MWCNT-MWCNT و PVC-MWCNT بستگی دارد.  دو نوع از نیروهای تعاملی مثل چسبندگی(بین PVC و MWCNT ) و پیوستگی (بین MWCNT  و MWCNT) روی پاسخ هسته ای بین PVC و MWCNT تاثیر می گذارند. این نیروها منجر به نمناکی ضعیف MWCNT ها توسط ماتریس PVC  می شوند. MWCNT های روی سطح، انرژی سطحی بیشتری نسبت به آن هایی که در حجم اند، دارند. که دلیل آن نیروی های متفاوت مولکول های سطح آزمایشی در مقایسه با مولکول های در حجم می باشد. تراکم ذرات MWCNT ممکن است به علت ناپایداری ذرات نانو با یک سطح بالای انرژی آزاد امکان پذیر نباشد. موقعیت واضح تراکم MWCNT ها فاز مرز است، که دارای انرژی سطحی و آزاد  پایینی می باشد و باعث ارتقای فرآیند هسته ای می شود. سرعت هسته ای که دلیلی برای تراکم MWCNT ها به ماتریس PVC می باشد، می تواند به صورت ریاضی با استفاده از معادله زیر توصیف شود. J  سرعت هسته ای متناسب با احتمال تشکیل هسته جامد با انرژی اضافی،GΔ، به وسیله معادله زیر محاسبه می شود.
 (1)    J=J0 exp(-ΔG/kT)
که  k ثابت بولتزمن،J0 ضریب پیش نمایی می باشد که بستگی به چگالی موقعیت هسته ای موجود دارد. در تئوری هسته ای ناهمگون کلاسیک، سد انرژی(GΔ) به وسیله معادله زیر محاسبه می شود.
  2))                    G=16Ѳᴨɣ3 f (Ѳ)/3ΔG2Δ               
معادله ی 1 به سرعت هسته ای(هسته زایی) و سطح انرژی هسته ی جامد و معادله ی 2 مربوط به سد انرژی و انرژی سطح مولکولی مربوط می شود. 
هسته زایی زمانیکه این سد انرژی یا آستانه بدست می آید، آغاز می شود. در آستانه ی پائین تر، هسته زایی و تراکم آسانتر خواهد بود. بنابراین می‌توان توضیح داد که راه ممکن برای کاهش آلگومره های MWCNT ها، با افزایش سطح منطقه ی این مولکول‌ها می‌باشد. همانطور که سطح منطقه افزایش پیدا می‌کند، مانع یا آستانه، مادامیکه هسته زایی را منع می‌کند و تراکم متوقف می‌شود،  افزایش پیدا می‌کند. 

3-3 پراش پرتو ایکس(XRD): 
شکل 3 الگوی  XRD فیلم های نانو کامپوزیت PVC و PVC/MWCNT و PVC/GN را نشان می دهد. در مورد PVC یک پیک پهنی در 13° 2Ѳ مشاهده شد که بطور واضحی بلوری شدن ضعیفش را نشان می دهد. پیک ها در 16.5° و 24.5° 2Ѳ نیز مشاهده شد. الگوی XRD  فیلم PVC/MWCNT شبیه فیلم PVC بود که ممکن است یکی از دلایل آن حضور خیلی کم یا نبود MWCNT ها در منطقه خاصی از مشاهدات باشد.همچنین مطالعات متعددی از پیک های از دست رفته در الگوهای ,XRD MWCNT ها در سنتزشان گزارش شده و توضیحاتی را فراهم کرده اند. در مورد فیلم PVC/GN افزایش در شدت پیک 16.5° 2Ѳ حاکی از افزایش مناطق کریستالی در PVC می باشد. پیک تیز در 26.73° شبیه پیک معمولی XRD گرافیت می باشد ((26.68° 2Ѳ  که حاکی از حضور  GN در نانو کامپوزیتهای PVC/GN می باشد.
 این پیک به d-spacing بین لایه های تک گرافنی مربوط می شود.این نتایج پیشنهاد می کند که GN نظم بیشتری در فیلم القا می کند و بلوری شدن فیلم  را به علت پراکندگی همگن GN نسبت به MWCNT ها در فیلمPVC  افزایش می دهد.
 

4-3 طیف بینی رامان (Raman Spectra)
طیف بینی رامان ابزار مناسبی برای مشخص کردن اثرات برهم کنشها، بر روی ساختار مولکولی یک جزء در یک نانو کامپوزیت می باشد. طیف بینی رامان نانو کامپوزیت های MWCNT، GN،PVC/MWCNT- 1%  وPVC/GN-1% مشخصات دو باند D  و G (شکل) ,(b) 4(a ) را نشان داد. باند D با ساختار گرافیکی بی نظم و باند G با شدت ساختاری اتم کربن SP2 در یک شبکه هگزانول دو بعدی در ارتیاط است. تفاوت در سرعت شدت باند(ID /IG) MWCNT بکر،GN و نانو کامپوزیتها، شاخص خوبی از درجه نسبی نقایص در MWCNT  و GN  می باشد. چنانچه هر دو باند شدت یکسانی داشته باشند به عنوان مثال1  ≈ID /IG  نشان دهنده سطح بالای از نقایص ساختاری است. سرعت شدت بین باند D  و G  (ID /IG) برای MWCNT  بکر و PVC/MWCNT- 1% محاسبه شد که به ترتیب 1.31  و 1.34  بود. در مورد GN  و PVC/GN-1% سرعت شدت به ترتیب 0.29  و 0.33  بود. افزایش در نسبت ID /IGاز PVC/MWCNT-1% در مقایسه با MWCNT هاخیلی ناچیز بود. همچنین افزایش در نسبت ID /IG PVC/GN-1% در مقایسه با GN نیز بسیار نامحسوس بود که نشان می دهد هیچ نقصی در شبکه  GN ایجاد نشده است.

Fig. 4. Raman spectra of (a) MWCNT, PVC/MWCNT-1% and (b) GN, PVC/ GN-1%.

3- میکروسکوپ الکترونی روبشی(پویشی): 
شکل 5 (a) و (b) عکس‌های SEM از PVC/MWCNT و شکل 5، (c) و (d) عکس‌های SEM از فیلم‌های PVC/GN را نشان می‌دهد. در فیلم نانوکامپوزیت‌های PVC/GN مورفولوژی همواری مشاهده شد که حاکی از تأثیر روش آماده سازی می‌باشد. SEM فیلم نانوکامپوزیت PVC/GN نشان داد که GN، بشکل نامنظمی در ماتریس PVC و سطح فیلم توزیع شده است. از سوی دیگر، تراکم MWCNT ها در برخی نواحی فیلم نانو کامپوزیت PVC/MWCNT مشاهده شد که نشان داد این تکنیک برای آماده‌سازی فیلم‌های نانوکامپوزیت  MWCNT‌مناسب نمی‌باشد . این مورد ممکن است بدلیل ترشوندگی ضعیف MWCNT‌ها در حلال‌ها باشد که عامل آن سطح بالای انرژی آزاد و  وجود نیرو‌های درونی واندروالسی ناشی از بسته‌بندی نانوتویوپ‌ها می‌باشد. همچنین مشاهده شد که بعضی از مناطق فیلم نانو کامپوزیت PVC/MWCNT فاقد  MWCNT می باشد. (شکل 4،a و b.)در نتیجه روش ترکیب برای سنتز کردن فیلم نانو کامپوزیت PVC/MWCNT مناسب نمی باشد.  
 

Fig. 5.SEMimagesof(a)PVC/MWCNT-1%(1.5 μm), (b)PVC/MWCNT-1%(1 μm)    (c)PVC/GN-1%(1.5 μm), and(d)PVC/GN-1%(1 μm). M. Hasan, M. Lee / Progress in Natural Science: Materials International 24 (2014) 579–587582

6-3 آنالیز توزین حرارتی(TGA)
پایداری حرارتی نانو کامپوزیت های پلیمر موضوع مهمی برای استفاده در کاربردهای عملی می باشد. شکل 6 (a)  نمودار TGA فیلم های نانو کامپوزیت PVC خالص، PVC/GN و PVC/MWCNT را نشان می دهد. همه نمونه ها از دمای محیط 25 درجه سانتیگراد تا 800 درجه سلسیوس در 10 C°/min در اتمسفر نیتروژن حرارت داده شدند. طبق تغییرات حرارتی حالت فیزیکی نانو کامپوزیتها دستخوش تغییرات گام به گام از حالت انتقال شیشه ای به الاستیک بالا و جریان ویسکوزیته می شوند. در دمای زیر100 درجه سلسیوس کاهش وزن نانو کامپوزیت ها به تبخیر مقادیر زیادی از حلال THF و ناخالصی های فرار جذب شده در GN و MWCNT ها نسبت داده می شود. PVC خالص و نانو کامپوزیت ها یک فرآیند تجزیه دو مرحله ای را دنبال می کند. در همه موارد دو کاهش وزن عمده مشاهده شد. اولین کاهش وزن در دامنه 250-360 C° برای PVC  خالص مطابق کاهش HCL مشاهده شد. از 360-420 C°  هیچ کاهش وزنی مشاهده نشد که حاکی از پایداری فیلم های نانو کامپوزیت در این دما می باشد. نانو کامپوزیت PVC/MWCNT در مقایسه با PVC خالص به دلیل بر همکنس سطحی خوبی بین MWCNT های تعبیه شده در داخل PVC، پایداری بالاتری را نشان داد. در مقابل PVC/GN  به علت عمل کردن تکه های نانو GN به عنوان یک پر کننده تقویتی ذرات، که CL را جذب می کند، پایدار پایین تری را نشان داد. از این رو پیوند C-CL در PVC در این دما ضعیف تر هستند. دلیل دوم کاهش وزن بین 420-500 C°  مشاهده شد که بسیار کوتاهتر از مرحله قبل بود. در این مرحله تخریب حرارتی ستون اصلی `پلی ان‌ اتفاق می افتد که منجر به شکل گیری ترکیبات آروماتیک فرار و یک مانده کربن پایدار می شود. مشتقات  TGA نانو کامپوزت ها و PVC (شکل 6  (b)) نشان داد که دما در حداکثر کاهش وزن برای PVC،PVC/MWCNT و PVC/GNb به ترتیب 275C° ، 280C° و 292C° بود. انرژی فعالسازی برای تخریب حرارتی نانو کامپوزیت و فیلم های خالص PVC در حین مرحله کاهش وزن اصلی با استفاده از روش انتگرال معروف که توسط Broido گزارش شد ارزیابی می گردد.
 

Yکسری از نمونه هایی است که هنوز تجزیه نشده اند.  W0  وW_∞ به ترتیب  وزن های ابتدایی و نهایی هستند و WT وزن در دمای خاص می باشد. نمودار    ln(ln⁡(1/y) )   در مقابل ) 1000/T(K1- (همانطور که در شکل 6 نشان داده شده) یک خط مستقیم را دنبال می کند که آن شیب همان انرژی فعالسازی فرآیند تخریب حرارتی می باشد. انرژی های فعالسازی پیش بینی شده برای PVC،PVC/GN-1% و PVC/MWCNT-1% به ترتیبKJ mol-1 31،40  و32  می باشد.    

Fig. 6. (a) TGA curves of PVC, PVC /GN-1% and PVC/MWCNT-1% nanocomposite films, (b) Plot of the relative weight loss vs. temperature for the PVC, PVC/ GN-1% and PVC/MWCNT-1% nanocomposite films and (c) plot of ln(ln(1/Y)) vs. 1000/T (K- 1) to estimate the activation energy for the thermal degradation of PVC, PVC/GN-1% and PVC/MWCNT-1% nanocomposite films.

7-3 خواص نوری
 فیلم های نانو کامپوزیت PVC،PVC/GN-1% و PVC/MWCNT-1% جذب قوی ای را در ناحیه UV (شکل 7) نشان دادند.PVC/MWCNT-1% در مقایسه با PVC افزایش جذب در حالیکه PVC/GN-1%  در مقایسه با PVC  کاهش جذب نشان داد.  جذب همه نانو کامپوزیت ها در ناحیه مرئی بالاتر بود. این مورد نشان میدهد که بیشتر فوتون‌ها میتوانند در واکنش‌های فوتوکاتالیستی استفاده شوند. طیف جذب نانوکامپوزیت‌های PVC به ترتیب دو و سه پیک جذبی نشان داد. چندین پیک خاص جذب PVC، در طیف تمام نانوکامپوزیت‌ها از دست رفته بودند که نشانگر غالب بودن جذب GN و MWCNT بر PVC می باشد.  تسلط مشابه طیف MWCNT بر TiO2 در مورد نانوکامپوزیت‌های TiO2/MWCNT گزارش شده است. 
برای تعیین فاصله ی پیوند فیلم‌های نانو کامپوزیت PVC، PVC/MWCNT-1% و PVC/GN-1% یک رابطه ی تقریبی بین انعکاس(R)(شکل 7(b)) ضریب جذب(α) و ضریب پراکندگی(s) بر اساس تئوری Kubelka-Munk با در نظر گرفتن هیچگونه انتقالی در داخل نانو مواد بخاطر فیلم‌های شکل گرفته شده در دامنه میکرون، اتخاذ شده است. 

در معادله 5، α و s هر دو توابعی ار انرژی تابش(hν) هستند. به عبارت دیگر(s) به مراتب از طول موج نسبت به α کمتر می باشد. و اینگونه فرض شده بود که درست در لبه شروع جذب ثابت شود. فاصله پیوند فیلم های نانو کامپوزیت PVC و PVC/MWCNT-1% و PVC/GN-1% از ضریب جذب(α) با استفاده از رابطه زیر تعیین شدند.

این معادله رابطه پیوند سهمی در لبه شروع جذب را بطوریکه hν انرژی فوتون است خلاصه می کند. A یک مواد ثابت است و x یک توان که به نوع انتقال بستگی دارد. برای یک انتقال مجاز مستقیم x=1/2، برای انتقال مجاز غیر مستقیم x=2 و برای انتقال ممنوعع مستقیمx=3/2 می باشد. فاصله پیوند از معادلهvs.hν 1/x (hνα) حدود ناحیه اساسی جذب تعیین شد.

شکل 7(C)محاسبه فاصله پیوند مستقیم برای فیلم های نانو کامپوزیت PVC و PVC/MWCNT-1%و PVC/GN-1% را نشان می دهد. فاصله پیوند مجاز مستقیم فیلم های نانو کامپوزیت PVC/MWCNT-1% پایین تر از PVC  بود(جدول S2). فاصله پیوند مستقیم PVC پیش بینی شد کهه V.Emad 4.14e باشد.همچنین Bushra و همکاران یک فاصله پیوند مشابه برای فیلم های ظریف PVC گزارش کردند.فاصله پیوند مستقیمم پایین تری از فیلم نانو کامپوزیت PVC/MWCNT-1% به بعضی از تغییرات در سایز حوزه ی آمورف PVC بعلت اختلاط MWCNT ها در ماتریس PVC نسبت دادند.

8-3 تجزیه مکانیکی

به علت پراکندگی ضعیف MWCNT ها در PVC،PVC/GN تنها برای ویژگی های مکانیکی مورد مطالعه قرار گرفت. تجزیه دینامیکی جهت ارزیابی بررسی پایداری حرارتی انجام شد. همانطور که در شکل 8a نشان داده شده است، بهبود قابل توجهی در انبارش مدول هاا  مشاهده شد.

Fig. 8. (a) Storage modulus, (b) Tan δ curves of the PVC/GN films when deformed at a constant amplitude of 0.1% at a frequency of 5 Hz at various temperatures,(c) graph showing the glass transition temperature (Tg) and the loss factor (Tan δ) at various weight fractions of GN in the PVC matrix (d), Young's modulus of the elastic region with different GN wt% in the PVC/GN nanocomposite films and (e) tensile strength and elongation (%) with different GN wt% in the PVC/GN nanocomposite films.
M. Hasan, M. Lee / Progress in Natural Science: Materials International 24 (2014) 579–587                                               585
 

در نواحی شیشه ای و لاستیکی مانند انبارش فیلم های کامپوزیت PVC/GN نسبت به فیلم PVC خالص بالاتر بود. انبارش مدول های فیلم PVC در دمای 30 درجه برابر 1.6 GPa بود. در حالیکه برای فیلم  PVC/GN با وزن مولکولی 2% برابر با  2.3 GPa بود وقتی که دما پایین است مواد در حالت شیشه ای می باشد. و با افزایش دما از یک حالت شیشه ای به حالت لاستیکی مانند تغییرپیدا می کند. شکل 8b یک طرح از ضریب اتلاف (Tan ϭ) به عنوان تابعی از دما را نشان می دهد.پیک ضریب اتلاف در برابر طرح دمایی به حداکثر اتلاف انرژی در حین تبدیل است. حالت شیشه ای به پلاستیکی بستگی دارد. پایداری حرارتی فیلم های نانو کامپوزیت PVC/GN بطور قابل ملاحظه ای افزایش یافته بود. همانطور که پیک های انتقال شیشه ای در منحنی Tan ϭ در شکل 8 قابل مشاهده است. حداکثر Tan ϭ به دلیل روان بودن زیاد در یک دمایی که انرژی کاهش می یابد اتفاق می افتد. که یک اندازه از Tg در ارتباط با ضریب آزاد سازی(-relaxation-α)مواد پلیمری هست. به علاوه پیک ها تا حد زیادی پهن شدند. پهن شدن این پیک ها همراه با افزایش در Tg نشانگر یک محدودیت در آزاد سازی مجزا از هم بود. این پیک ها به شدت توسط پرکننده ها تحت تاثیر قرار گرفتند بنابراین نانو کامپوزیت ها یک دمای انتقال شیشه ای و پایداری حرارتی بالاتری نسبته به فیلم های pvc خالص نشان دادند. شکل 8c مقدارهای Tg و ضریب اتلاف (Tan ϭ) درکسری از وزنهای مختلف GN در ماتریس PVC نشان می دهد.در ابتدا ضریب اتلاف افزایش پیدا کرد. و سپس بطور قابل ملاحظه ای با افزایش دادن حجم GN کاهش یافت. Tan ϭبه پویایی و حرکت بخش های زنجیره ای مولکولی در طول انتقال شیشه ای اشاره می کند. حرکات بخش زنجیره مولکولی تا حد زیادی محدود شدند و توسط حضور لایه های GN تحت تاثیر قرار گرفتند که منجر به پیک های tan ϭ کوچکتر در همه کامپوزیت های تست شده گردید. مقدرا Tg با افزایش دادن کسر وزنی GN در ماتریس PVC افزایش پیدا کرد و نشانگر یک اثر مقاومتی GN در کاهش تحرک بخش های زنجیره ای است. ترکیب GN  در ماتریس PVC به علت پراکندگی بهتر و چسبندگی سطحی قوی، ویژگیهای مکانیکی PVC تقویت کرد. مدول یانگ با افزایش در صد وزنی GN افزایش یافت ( شکل 8d). افزایش در مدول ممکن است به علت حرکتهای بخشی زنجیره پلیمر مولکول های GN در ماتریس PVC باشند.
با یک 3wt% GN بارگذاری شده ، یانگ مدول 5430 MPa بود. شکل 8، مقاومت کششی و در صد ازدیاد طول در نقطه شکست را نشان می دهد. درصد ازدیاد میانگین طول از 4.59  برای فیلم های PVC به 4.86  برای GN بارگذاری شده با در صدوزنی 2 افزایش پیدا کرد. به عبارت دیگر افزایش بیشتری  در GN بارگذاری شده باعث کاهش درصد کشیدگی در نقطه شکست شد که می تواند به برهمکنش بین GN و ماتریس PVC نسبت داده شود. در ابتدا استحکام کششی افزایش و سپس با افزایش حجم GN کاهش پیدا کرد. میانگین مقاومت کششی فیلم خالص PVC 130 MPa بود. مقاومت به تدریج به 136 MPa برای GN های بارگذاری شده با وزن مولکولی 2% افزایش پیدا کرد و برای GN های بارگذاری شده با درصدوزنی 3 به 132 MPa کاهش یافت.

نتیجه گیری
 فیلم های نانو کامپوزیت PVC،PVC/MWCNT و PVC/GN به شیوه ی ساده ای آماده شدند و با کمک دامنه ای از تکنیک های ابزاری تعین خواص شدند. تکنیک ترکیب به علت تراکم MWCNTها در نواحی مختلف فیلم برای آماده سازی فیلمPVC/MWCNT نامناسب شناخته شد.خواص مکانیکی PVC وPVC/GN مورد بررسی قرار گرفتند. فیلم های نانو کامپوزیت PVC/GN پایداری مکانیکی حرارتی نسبت به PVC نشان داد. بنابراین فیلم های نانو کامپوزیت PVC/GN ممکن است به علت مقاومت مکانیکی و پایداری حرارتی نسبت خوبشان کاربردهایی در ساخت و ساز و لوله گذاری داشته باشند.

* نویسندگان: مهناز امینی فر – بهاره رهبر (کارشناسان شرکت پلیمر گلپایگان)

برای مشاهده اخبار شرکت پلیمر گلپایگان اینجا را کلیک کنید.