S Starch
SEM Scanning Electron Microscopy
TGA Termal Gravimetric Analysis
TEM Transmission Electron Microscope
rpm revolution per minute
nm nanometer
Mpa Mega pascal
WAC Water Absorption Capability
ک
فصل اول:
مقدمه
۱-۱-فن­آوری نانو چیست؟
فن­آوری نانو واژه­ای است کلی که به تمام فن­آوری­های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می­ شود. معمولاٌ منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود یک تا ۱۰۰ نانومتر می­باشد. (۱ نانومتر یک میلیاردم متر است) [۱]. اولین جرقه فن­آوری نانو در سال ۱۹۵۹ زده شد. در این سال ریچارد فاینمن^[۱] طی یک سخنرانی با عنوان (فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد) ایده فن­آوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده­ای نزدیک می­توانیم مولکول­ها و اتم­ها را به صورت مستقیم دست­کاری کنیم [۲].
نانو­مواد در سال­های اخیر به علت کارایی بالایی که در حوزه ­های وسیعی از زمینه ­های مختلف دانش مانند الکترونیک، کاتالیست، سرامیک، ذخیره داده ­های مغناطیسی و…. دارند، گسترش قابل توجهی یافته­اند. در حقیقت برای تحقق نیاز­های فن­آورانه در زمینه ­های یاد شده با بهره گرفتن از نانو­مواد، اندازه مواد در ابعاد طول، عرض و یا ارتفاع تا مقیاس نانومتری کاهش می­یابد. با کاهش اندازه مواد تا ابعاد نانومتری، خواص مکانیکی و فیزیکی مواد بهبود قابل توجهی پیدا می­ کند، به طور مثال استحکام مکانیکی و به ویژه مقاومت الکتریکی و حرارتی افزایش می­یابد [۳].

نانومواد را می­توان در یک طبقه ­بندی کلی، به دو دسته نانو­بلور­ها و نانوذرات تقسیم کرد:
۱-نانوبلور­ها: عبارتند از مواد چند بلوری با اندازه دانه­ های کمتر از nm100.
۲-نانوذرات: عبارتند از ذرات بسیار کوچک با ابعاد ریز (کمتر از nm100) که به عنوان بلوک­های ساختمانی نانومواد بلوری در نظر گرفته می­شوند.
روش­های جدید تولید نانوذرات عمدتاٌ فرایند­هایی بر پایه حالت بخار، مایع و جامد می­باشند:
روش­های بر پایه بخار:PVD ،CVD ، روش­های پاششی و….
روش­های بر پایه مایع: روش سل-ژل، روش­های شیمیایی تر و….
روش­های بر پایه جامد: آلیاژ­سازی مکانیکی و…. [۴]
هدف نانوتکنولوژی بهره ­برداری از خواص نانوساختار­ها با کنترل ساختار­ها در سطوح اتمی و مولکولی است. نانوساختار­ها طبق تعریف به مواد و ساختار­هایی گفته می­ شود که در یکی از رده­بندی­های زیر قرار گیرند [۵]:
نانوساختار­های صفر بعدی: ساختار­هایی که هر سه بعد آن­ها کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. مانند نانوذرات، نانوپودر­ها، نانوخوشه­ها^[۲].
نانوساختار­های یک بعدی: به مواد و ساختار­هایی اطلاق می­ شود که دو بعد از سه بعد آن­ها کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. مانند نانوسیم­ها^[۳] و نانولوله­ها.
نانوساختار­های دو بعدی: به مواد و ساختار­هایی می­گویند که دارای یک بعد کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. مانند لایه­ های نازک و کلی­ها^[۴].
نانوساختار­های سه بعدی: ساختار­هایی هستند که دارای حفرات نانوساختار هستند مانند زئولیت­ها^[۵] [۶].
۱-۲-مقدمه­ای بر پلیمرها
شاید برخی تصور کنند که ترکیبات پلیمری از جمله دستاوردها و ابداعات دنیای مدرن هستند در صورتی که مدت زمان استفاده از پلیمرهای طبیعی به هزاران سال می­رسد.
چوب، پنبه، پشم، چرم و ابریشم از جمله این پلیمرهای طبیعی هستند. زمان ابداع و توسعه پلیمرهای مصنوعی به قرن اخیر و به خصوص به بعد از جنگ جهانی دوم برمی­گردد، که در بیشتر حالت­ها، این مواد مصنوعی از نظر ساخت ساده­تر و ارزان­تر نسبت به پلیمرهای طبیعی مرسوم تهیه می­شوند. به طور کلی، پلیمرها دارای رشته­ های مولکولی بسیار طویلی هستند که این رشته­ها از تکرار واحدهای کوچک درست شده ­اند. به هر یک از واحدهای تکراری مونومر می­گویند [۷].
پلیمرها از نظر خواص فیزیکی به سه دسته تقسیم می­شوند: الاستومرها، الیاف و پلاستیک­ها، که خود پلاستیک­ها با توجه به خواص گرمایی خود به دو گروه ترموپلاستیک­ها و ترموست­ها تقسیم ­بندی می­شوند [۸]. ترموپلاست به آن دسته از پلیمرها اطلاق می­ شود که قابلیت فرایند­پذیری در اثر گرما را داشته باشند، به طوری که قابلیت سیکل­های متعدد گرم وسرد شدن را دارند. از جمله این پلیمرها می­توان به پلی وینیل کلرید، پلی استیلن، پلی استایرن اشاره کرد [۹].
اما پلیمرهای ترموست قابلیت فرایند­پذیری با ذوب شدن یا حل شدن ندارند به این جهت که قبل از نرم شدن و فرایند­پذیری، پلیمر دچار تجزیه می­گردد. مواد ترموپلاست در دمای بالاتر از دمای ذوب یا دمای انتقال شیشه ­ای و کمتر از دمای تخریب حرارتی می­توانند تغییر شکل غیرکشسان نامحدودی را داشته باشند، در این دما پلیمر زنجیرهای منفرد طولانی دارد که به یکدیگر اتصالات عرضی ندارند. از طرف دیگر مواد ترموست وقتی در مقابل گرما قرار می­گیرند تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیری را انجام می­ دهند [۱۰].
در یک دسته­بندی دیگر از نظر ساختاری، پلیمرها به دو دسته کلی هموپلیمر و کوپلیمر تقسیم ­بندی می­شوند. اگر تنها یک نوع واحد تکرار شونده (مونومر) در تشکیل زنجیر پلیمری شرکت داشته باشند به آن ترکیب هموپلیمر گفته می­ شود. اما اگر مونومر دیگری نیز در تشکیل زنجیر پلیمری نقش داشته باشد به ترکیب حاصل کوپلیمر می­گویند [۱۱].
۳
در یک تقسیم ­بندی متفاوت، پلیمرها از نظر ساختار به چهار دسته اصلی تقسیم می­شوند:
۱- پلیمرهای خطی: که در آن زنجیر های طویل و انعطاف­پذیر با نیروهای واندروالس یا توسط پیوندهای هیدروژنی در کنار یکدیگر قرار گرفته­اند.
۲- پلیمرهای شاخه­ای: در این ساختار زنجیرهای پلیمری دارای ساختار شاخه­ای هستند که در آن مقدار به هم فشردگی و دانسیته زنجیرها نسبت به پلیمر خطی بسیار کمتر است.
۳- پلیمرهای با اتصالات عرضی: در این ساختار زنجیرهای پلیمری توسط پیوندهای عرضی به یکدیگر متصل شده ­اند، این پیوندهای عرضی هم می­توانند در طی زمان سنتز ایجاد شوند وهم می­توانند در طی یک فرایند مجزا در پلیمر به وجود آیند. مانند اضافه کردن ناخالصی­هایی که باعث متصل شدن زنجیرها می­شوند، از جمله معروف­ترین این ناخالصی­ها می­توان به ترکیبات دو­عاملی، دی اسیدها، دی آمین­ها، آمینو اسیدها و انیدرید­ها اشاره کرد.
۴- پلیمرهای شبکه­ ای: زمانی که از مونومرهای سه عاملی برای سنتز استفاده شود نتیجه پلیمریزاسیون ساختار شبکه­ ای و سه بعدی خواهد بود. این پلیمرها دارای خواص ترموست هستند.
از نظر میزان استحکام این پلیمرها با یکدیگر کاملاً متفاوت هستند. از آنجا که در پلیمرهای خطی، زنجیرهای پلیمری تنها با نیروهای ضعیف واندروالسی در کنار یکدیگر قرار گرفته­اند کمترین استحکام را از خود نشان می­ دهند. پلیمرهای عرضی به خاطر نیروهای کووالانسی عرضی استحکام بالاتری را از خود نشان می­ دهند. پلیمرهای شبکه­ ای به دلیل اتصالات و پیوندهای کووالانسی گوناگون بالاترین میزان استحکام را نسبت به سه گروه دیگر دارد [۱۲].
۴
۱-۳-روش­های سنتز نانوذرات
در طول ۱۰ سال گذشته، سنتز ومطالعه­ی نانوذرات بخش مهمی از تحقیقات را در زمینه ­های مختلف علمی به خود اختصاص داده است. یکی ازمهم­ترین خواص نانوذرات، نسبت سطح به حجم بسیار بالای آن­هاست، یعنی اتم­های موجود در سطح، کسر بالایی از اتم­های تشکیل­دهنده یک ذره را تشکیل می­ دهند، لذا این نسبت به همراه اندازه وشکل تقریباٌ یکنواخت، باعث خواص کاملاٌ متفاوت نانوذرات در مقایسه با ذرات درشت­تر و مواد بالک شده است. اندازه، ساختار و خواص نانوذرات به صورت اساسی وابسته به روش ساخت آنها می­باشد. روش سنتز مناسب و ایده­آل روشی است که دارای خصوصیات زیر باشد:
قابلیت تکثیر و تولید دوباره را داشته باشد.
نانوذراتی با ابعاد ریز و اندازه­ های یکسان تولید کند.
امکان کنترل شکل ذرات وجود داشته باشد.
آسان و ارزان باشد [۱۳].
کل فرآیندهای سنتز نانوذرات به صورت گسترده به دو دسته­ی روش­های شیمیایی و فیزیکی تبدیل می­شوند.
۱-۳-۱-روش­های شیمیایی
۱-۳-۱-۱-ته نشینی و رسوب دهی شیمیایی