توصيفگر ها :
ذرات ژانوس , جدايي فازي , ذرات هسته پوسته , تبخير حلال از امولسيون , خودآرايي
چكيده فارسي :
ذرات ژانوس به عنوان ذرات كلوئيدي غير هموژن تشكيل شده از دو جزء با آبدوستي متفاوت، به دليل نشان دادن فعاليت بين سطحي بالا در سالهاي اخير توجه زيادي را به خود جلب كرده¬اند. اين پژوهش به بررسي نقش حلال (تولوئن، دي¬كلرومتان و مخلوط هر دو) و جرم ملكولي پلي¬استايرن و پلي(لاكتيك اسيد) بر ريزساختار ذرات ژانوس حاصل از جدايي آلياژ مي‌پردازد. روش تبخير حلال از امولسيون به علت انعطاف پذيري و همچنين قابليت توليد ذرات در مقياس بالا، روشي مناسب براي توليد ذرات پليمري¬است. با اين وجود تمايل به تشكيل ريزساختار هسته-پوسته به جاي ژانوس به ويژه با افزايش اختلاف آبدوستي پليمرها همواره يكي از مشكلات پيش روي اين روش بوده¬است. از مدلسازي¬هاي تئوري و داده محور براي پيش بيني ريزساختار و همچنين كمك به درك اثر جدايي فازي بر ريزساختار استفاده شد. مدلهاي داده محور با دقت بيش از 90% موفق به پيش¬بيني ريزساختار شدند. به منظور كنترل جدايي فازي در زوج پليمر پلي‌استايرن و پلي(لاكتيك اسيد) با تمايز آبدوستي بالا، با تغيير شاخصهاي نوع حلال و جرم ملكولي پليمرها كه تاثير قابل ملاحظه¬اي بر سينتيك و ترموديناميك جدايي فازي درون قطرات امولسيون دارند، تلاش شد تا بتوانيم ريزساختار ذرات را در جهت دستيابي هر چه بيشتر به آرايش ژانوس كنترل نماييم. نتايج نشان داد كه استفاده از حلال تولوئن منجر به تشكيل ذرات با ريزساختار ژانوس مي‌شود در حاليكه در حضور حلال دي‌كلرومتان ذرات تمايل بيشتري به تشكيل ساختار هسته-پوسته نشان مي¬دهند. همچنين، با افزايش درصد پلي (لاكتيك اسيد) در سامانه حاوي تولوئن و افزايش درصد پلي¬استايرن در سامانه حاوي دي‌كلرومتان، گروه جديدي از ذرات درشت¬تر با ريزساختاري متفاوت شكل گرفتند. علاوه بر اين، با استفاده از تركيب هر دو حلال و افزايش نسبت دي‌كلرومتان به تولوئن، ريخت‌شناسي از نوع ژانوس به سمت هسته-پوسته تغيير پيدا كرد. همچنين ارتباط محكمي بين ويژگيهاي فيزيكي حلال و تشكيل ريخت‌شناسي¬هاي سينتيكي و ديناميكي مشاهده شد. بررسي تاثير جرم ملكولي بر ريزساختار ژانوس نيز نشان داد كه به طور كلي با كاهش جرم ملكولي يك يا هر دو پليمر، به علت كاهش تنش بين سطحي دو پليمر تمايل پلي(لاكتيك اسيد) به پوشاندن پلي¬استايرن افزايش مي¬يابد كه منجر به كاهش تعادل ژانوس(نسبت حضور فازها در سطح ذرات) از 2/0 به 1/0 و همچنين تغيير ريزساختاربخشي از ذرات به سمت ذرات وصله اي و هسته-پوسته مي¬شود. استفاده از حلال¬ها و جرم ملكول¬هاي مختلف موجب توليد ذرات با قطر ميانگين از 1 تا 26 ميكرون شد. علاوه بر اين، خودآرايي ذرات ژانوس و هسته-پوسته نيز مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج نشان داد ذرات ژانوس داراي تعادل ژانوس نزديك به يك، ساختار آرايش يافته¬ي دوبعدي به شكل يك تك لايه¬ي پيوسته ايجاد مي‌كنند در حاليكه ساير ذرات به صورت تجمعات نامنظم خوشه¬اي ديده مي‌شوند. به‌طور كلي، نتايج اين پايان‌نامه راهكاري موثر را جهت توليد ذرات ژانوس با تمايز شيميايي بالا، به سيله¬ي كنترل ريزساختار و خودآرايي ذرات پليمري از طريق انتخاب استراتژيك حلال و جرم ملكولي پليمرها، ارائه مي‌دهد.
چكيده انگليسي :
This thesis comprehensively investigates the effective factors on the microstructure of Janus particles produced by solvent evaporation-induced phase separation of emulsion droplets. The solvent evaporation from emulsion method is suitable for the production of polymeric particles due to its ease of operation, flexibility, and scalability. However, the tendency toward forming core-shell rather than Janus morphology, especially with increasing polymer hydrophobicity difference, has always been one of the challenges of this method. In this study, various machine learning algorithms including standard and ensemble classification models were first utilized to predict particle morphology based on the polymers' and solvent's physical properties. The ensemble algorithms, by combining different algorithms, could predict the morphology with 90% accuracy. Explainable AI analysis also showed that solvent solubility parameter and differences in solubility and cohesive energy parameters of polymers have the most impact on determining morphology. Accordingly, polystyrene and poly(lactic acid) polymer pair with high hydrophobicity difference was selected, and then the effects of solvent type and polymer molecular weight, which significantly influence phase separation kinetics and thermodynamics inside emulsion droplets, were investigated to control the particle microstructure toward Janus configuration. The results showed that using toluene leads to Janus particles while in dichloromethane the particles tend more toward core-shell structure. Also, by increasing poly(lactic acid) percentage in toluene system and polystyrene percentage in dichloromethane system, a new group of larger particles with different microstructure formed. Moreover, using a combination of both solvents and increasing dichloromethane/toluene ratio, the morphology changed from Janus toward core-shell. A strong correlation between solvent physical properties and formation of kinetic and dynamic morphologies was observed. Investigating the effect of molecular weight on Janus microstructure also showed that generally reducing one or both polymers' molecular weight, due to decreased interfacial tension between polymers, increases poly(lactic acid) tendency to cover polystyrene, leading to reduction of Janus balance from 0.5 to 0.1 and change in some particles’ microstructure toward patchy and core-shell. Using different solvents and molecular weights resulted in particles with average diameter of 1 to 26 microns. Furthermore, the self-assembly of Janus and core-shell particles was studied. Results showed Janus particles with Janus balance close to one form a continuous two-dimensional monolayer structure while other particles were seen as irregular clustered aggregates. Overall, the results of this thesis present an effective strategy for producing Janus particles with high chemical contrast by controlling polymeric particle microstructure and self-assembly through strategic selection of solvent and polymer molecular weight.
