2-4-2-1 مواد دیامغناطیس……………………………………. 20
2-4-2-2 مواد پارامغناطیس……………………………………. 21
2-4-2-3 مواد فرومغناطیس……………………………………. 21
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس……………………………………. 22
2-4-2-5 مواد فریمغناطیس……………………………………. 23
2-4-5 حلقه پسماند………………………………….. 24
2-5 فریت…………………………………… 27
2-6 خلاصه…………………………………. 27
فصل سوم – ساخت آئروژل و کاربردهای آن
مقدمه…………………………………. 29
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژل……………………………..29
3-2 شکل گیری ژل خیس……………………………………. 32
3-3 خشک کردن آلکوژل………………………………….. 33
3-3-1 فرآیند های خشک کردن در شرایط محیط………………………. 34
3-3-2 خشککردن انجمادی………………………………….. 35
3-3-3 خشک کردن فوق بحرانی………………………………….. 35
3-3-4 مقایسه روش ها………………………………… 38
3-4 مروری بر کارهای انجام شده…………………………………. 39
3-5 برخی از کاربردهای آئروژل…………………………………43
3-5-1 آئروژل ها به عنوان کامپوزیت…………………………………… 43
3-5-2 آئروژل ها به عنوان جاذب…………………………………… 44
3-5-3 آئروژل ها به عنوان حسگر…………………………………. 44
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایین……………….. 45
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزور…………………………………. 45
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازی………………………………….. 45
3-5-7 آئروژل ها به عنوان قالب…………………………………… 46
3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرما …………………………………46
3-5-9 آئروژل ها در کاربرد فضایی………………………………….. 47
3-6 خلاصه…………………………………. 47
فصل چهارم – سنتز و بررسی ویژگی های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
مقدمه…………………………………. 49
4-1 مواد مورد استفاده در پژوهش……………………………………. 50
4-2 روش تجربی و جزئیات…………………………………… 51
4-3 تجزیه و تحلیل………………………………….. 54
4-3-1 بررسی مورفولوژی سطح………………………………….. 54
4-3-2 مطالعه نانو ساختاری نانوکامپوزیت2/ SiO4O2CoFe به کمک روش XRD……………….
4-3-3 بررسی خواص شیمیایی نانوکامپوزیت2/ SiO4O2CoFe به کمک روش FT-IR…………..
4-3-5 تصویربرداری TEM…………………………………….
4-3-6 بررسی آنالیز BET…………………………………..
4-3-7 بررسی رفتار مغناطیسی با دستگاه VSM…………………………………….
4-4 خلاصه…………………………………. 77
نتیجه گیری………………………………….. 78
پیشنهادات……………………………………. 81
مراجع…………………………………. 82
چکیده:
آئروژل ها مواد متخلخلی هستند که حفره های نانو متری آن ها در مقیاس مزو یا میکرو می باشد. چگالی پایین، تخلخل و سطح در معرض داخلی بالا از دیگر ویژگی های این مواد می باشد.
در این پژوهش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ نانوذرات فریت کبالت به روش سل-ژل آمادهسازی و تحت فرایند فوق بحرانی خشک شد. بدین منظور نیترات آهن( ) 9 آبه و نیترات کبالت( ) 6 آبه در حلال هایی چون متانول و آب دیونیزه حل شده و به پیشماده سیلیکا اضافه و قرار دادن این محلول بر روی همزن مغناطیسی به شکل گیری سل یکنواختی منجر شد. پس از گذشت زمان معین و انجام عمل هیدرولیز، ژل بدست آمده در دستگاه خشک کن فوق بحرانی قرار دادهشد و در نهایت گاز جایگزین مایع موجود در نمونهها گردید و آئروژل نهایی حاصل شد.
به منظور بررسی نمونههای تولید شده از نقطه نظر ساختاری، مورفولوژی و خواص مغناطیسی به تحلیل داده های حاصل از آنالیزهای SEM، TEM، XRD ،FT-IR ،BET و VSM پرداخته شد. همانگونه که انتظار می رفت این نانو کامپوزیت ضمن حفظ ویژگیهای سیلیکا- آئروژل از جمله تخلخل بالا و چگالی پایین رفتار فرومغناطیس نانوذرات را نیز داشت.
فصل اول: مفاهیم اولیه
مقدمه:
از اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده ی عده ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می کند. این فناوری نوین که در رشته هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته ها می باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک های مختلف به بازآرایی اتم ها و مولکول ها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه ای به مطالعه ی نانوساختارها با ابعاد كم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه ای فیزیک بلكه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی كه ابعاد یک ماده از اندازه های بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازه هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر كاهش می یابد، اثرات کوانتومی را می توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله ی این خواص می باشند [1].
1-1- شاخه های فناوری نانو
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر بیان نماییم، می توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می باشد. عنصر پایه ی بعدی نانولوله ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می دهند و شامل نانولوله های کربنی، نیترید بور و نانولوله های آلی می باشند [4].
2-1- روش های ساخت نانوساختارها
تولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری های امروزی است. دستورالعمل های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق[1] وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوب گیری و روش های افزایش مقیاس این فرآیندها درمقیاس تجاریمحدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست . مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله ی هسته زایی اولیه و مرحله ی هسته زایی[2] و رشد خود به خودی[3]. در ادامه به طور خلاصه روش های مختلف تولید نانوذرات را بیان می کنیم. به طور کلی روش های تولید نانوذرات عبارتند از:
– چگالش بخار
– سنتز شیمیایی
– فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
– استفاده از شاره ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
– استفاده از امواج ماكروویو و امواج مافوق صوت
– استفاده از باكتری هایی كه میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقره ای تولید كنند
پس از تولید نانوذرات می توان با توجه به نوع كاربرد آن ها از روش های رایج زمینه ای مثل روكشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده كرد [7].
3-1- کاربردهای نانوساختارها
یکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن ها را افزایش داده و یا وزن آن ها را کم می کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن ها را بالا برده و واکنش آن ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آن ها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده ها، رنگ ها، لایه های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه ها، عینک ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی ها و در حفاظ های الکترومغناطیسی شیشه های اتومبیل و پنجره استفاده می شود. پوشش های ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلول های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می رسد یکی از ویژگی هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب هایی از نانوذرات تولید شده اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده اند. روش های تولید نانولوله ها نیز متفاوت می باشد، همانند تولید آن ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله ها در قالب که توسط مارتین[1] مطرح شد. نانولایه ها در پوشش های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفته اند. هاروتا[2] و تامسون[3] اثبات کردند که نانوذرات فعالیتکاتالیستیوسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می کنند [7].
4-1- مواد نانومتخلخل
مواد نانو متخلخل دارای حفره هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن ها را فضای خالی تشکیل می دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی[1] زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی های مهم آن ها می باشد. با توجه به ویژگی های ساختاری، این به عنوان تبادل گر یونی[2]، جدا کننده[3]، کاتالیزور، حس گر، غشا[4] و مواد عایق استفاده می شود.
نسبت حجمی فضای خالی ماده ی متخلخل به حجم كل ماده تخلخل[5] نامیده میشود. به موادی كه تخلخل آن ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل[6] می گویند. حفره ای كه متصل به سطح آزاد ماده است حفره ی باز[7] نام دارد كه برای صاف كردن غشا، جداسازی[8] و كاربردهای شیمیایی مثل كاتالیزور و كروماتوگرافی[9] (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن ها) مناسب است. به حفره ای كه دور از سطح آزاد ماده است حفره ی بسته[10] می گویند كه وجود آن ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و كاهش وزن ماده شده و در كاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره ها دارای اشكال گوناگونی همچون كروی، استوانهای، شیاری، قیفی شكل و یا آرایش شش گوش[11] هستند. همچنین تخلخل ها می توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک[12] صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
– میكرومتخلخل[13]: دارای حفرههایی با قطر كمتر از 2 نانومتر.
– مزومتخلخل[14]: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
– ماكرومتخلخل:[15] دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
بر اساس شکل و موقعیت حفره ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره ها به چهار دسته تقسیم می شود: حفره های راه به راه[1]، حفره های کور[2]، حفره های بسته[3] و حفره های متصل به هم[4] که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره ها را نشان داده شده است.
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل[1] را برای موادی كه دارای حفرههایی با قطر كمتر از 100 نانومتر هستند به كار می برند كه ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در كاربردهای شیمیایی است.
[1] Nanoporous
4 Closed pores
5 Inter-Connected pores
[1] Permeability
[2] Ion Exchanger
[3] Separator
[4] Membrane
[5] Porosity
[6] Porous
[7] Open Pore
[8] Filteration
[9] Chromatography
[10] Closed Pore
[چهارشنبه 1399-10-17] [ 05:36:00 ق.ظ ]
|