توصيفگر ها :
نانوالياف , پلي اكريلونيتريل , نانوذرات , زيركونيوم اكسايد , رفتار رئولوژيكي , خصوصيات مكانيكي
چكيده فارسي :
استفاده از نانوالياف به¬دليل قابليت¬هاي گسترده آن در حوزه¬هاي مختلف مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در همين رابطه مي¬توان از نانوذرات معدني به¬دليل برخي ويژگي¬ها مانند افزايش نسبت سطح به حجم و خصوصيات مكانيكي مطلوب، به منظور بهبود خواص مكانيكي نانوالياف شامل مدول الاستيك و استحكام كششي بهره برد. براي اين كار مي¬بايست نانوالياف را از طريق الكتروريسي محلول پليمري حاوي نانوذرات كه در آن پراكنده شده¬ است توليد كرد. در اين پژوهش جهت تقويت خواص مكانيكي نانوالياف پلي¬اكريلونيتريل از نانوذرات معدني زيركونيوم¬اكسايد استفاده شده است. به همين منظور از مقادير 1%، 2%، 4%، 6%، 8%، 12% و 16% وزني نانوذره در محلول پليمري با غلظت 14% وزني پلي¬اكريلونيتريل استفاده شده است. جهت تعيين مورفولوژي نانوالياف، تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي مورد بررسي قرار گرفت. بر اين اساس مشاهده شده است كه به¬دليل افزايش گرانروي محلول پليمري در اثر افزايش غلظت نانوذره، قطر نانوالياف ابتدا از 304 به 658 نانومتر افزايش و سپس باتوجه به تجمع نانوذرات تا 496 نانومتركاهش پيدا كرده است. سپس جهت تعيين خواص رئولوژيكي محلول پليمري از دستگاه رئومتر طيف¬سنجي مكانيكي استفاده شده است. بررسي ها نشان مي¬دهد كه باتوجه به كاهش گرانروي با افزايش فركانس زاويه¬اي، رفتار محلول¬هاي پليمري در اين پژوهش از نوع سودوپلاستيك است كه از مدل رئولوژيكي پاورلا تبعيت مي-كند. جهت بررسي خواص مكانيكي نانوالياف نيز از آزمون استحكام كششي استفاده شده است كه مطابق با نتايج آن، با افزودن نانوذرات زيركونيوم¬اكسايد تا ميزان 4% وزني، مدول الاستيك از 3/48 به 1/71 مگاپاسكال افزايش يافته است و در درصدهاي بالاتر اين روند عمدتا به¬علت تجمع نانوذرات و تمركز تنش در اين نواحي به¬صورت كاهشي است. افزايش 4% نانوذره به محلول پليمري پلي¬اكريلونيتريل منجر به افزايش 2/47% مدول الاستيك نسبت به نمونه خالص شده است. همچنين با استفاده از آزمون طيف¬سنجي فروسرخ تبديل فوريه، مشاهده شده است كه برهمكنشي ميان نانوذرات و پليمر پلي¬اكريلونيتريل اتفاق نيفتاده است. نتايج آزمون پراش پرتو ايكس نيز نشان از عدم تغيير ساختار بلوري نانوالياف در اثر حضور نانوذرات دارد. در اين پژوهش باتوجه به خواص گرمايي نانوذرات زيركونيوم¬اكسايد، از آزمون¬هاي وزن-سنجي گرمايي و گرماسنج تفاضلي پويشي استفاده شده است. بر اين اساس حضور نانوذرات در نمونه بهينه، با افزايش 11% پايداري گرمايي باعث بهبود نسبي در خواص گرمايي نسبت به نمونه خالص شده است.
چكيده انگليسي :
The use of nanofibers has attracted the attention of researchers due to its extensive capabilities in various fields. In this regard, inorganic nanoparticles can be used to improve the mechanical properties of nanofibers, including elastic modulus and tensile strength, due to some characteristics such as increased surface area to volume ratio and desirable mechanical properties. In order to acheive, nanofibers must be produced by electrospinning a polymer solution containing nanoparticles. In this research, Zirconium Oxide (ZrO_2) inorganic nanoparticles were used to enhance the mechanical properties of Polyacrylonitrile (PAN) nanofibers. For this purpose, 1%, 2%, 4%, 6%, 8%, 12%, and 16% wt/wt nanoparticles were used in PAN polymer solution with concentration 14% wt/wt. To determine the morphology of nanofibers, scanning electron microscope images were examined. Accordingly, it has been observed that due to the increase in the viscosity of the polymer solution due to the increase in the nanoparticle concentration, the diameter of the nanofibers first increased from 304 to 658 nm and then decreased to 496 nm due to the aggregation of the nanoparticles. Then, a rheometeric mechanical spectrometer (RMS) was used to determine the rheological properties of the polymer solution. Studies show that, considering the decrease in viscosity with increasing angular frequency, the behavior of polymer solutions in this study is of the pseudoplastic type, which follows the Power Law rheological model. To investigate the mechanical properties of nanofibers, tensile strength tests were used. According to the results, adding zirconium oxide nanoparticles up to 4% wt/wt, the elastic modulus increased from 48.3 to 71.1 MPa, and at higher percentages, this trend decreased due to the aggregation of nanoparticles and stress concentration in these areas. Adding 4% nanoparticles to the PAN polymer solution resulted in a 47.2% increase in elastic modulus compared to the pure sample. Also, using fourier transform infrared (FTIR), it was observed that no interaction between nanoparticles and PAN polymer occurred. The results of the X-ray diffraction (XRD) test also indicate that the crystalline structure of the nanofibers does not change due to the presence of nanoparticles. In this research, considering the thermal properties of zirconium oxide nanoparticles, thermal gravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) tests were used. Accordingly, the presence of nanoparticles in the optimized sample has caused a relative improvement in thermal properties compared to the pure sample, with a 11% increase in thermal stability.
