سفارش تبلیغ
صبا ویژن
 
وب سایت جامع دانش قابل استفاده برای دانشجویان و مهندسین و مدیران
درباره وبلاگ


http://www.telegram.me/sajjadshafiee_ir . . . رشته مهندسی پلیمر نسبت به رشته‌های مهندسی دیگر تقریبا جوان است و شکوفایی آن از زمان جنگ جهانی دوم آغاز شده است. اما به دلیل کاربرد روزافزون پلیمر در صنایع مختلف، این رشته به سرعت رشد کرده و امروزه جزو یکی از رشته‌های مهم کشورهای صنعتی پیشرفته می‌باشد. هدف رشته مهندسی صنایع پلیمر تولید کلیه محصولات پلیمری از قبیل لاستیک، پلاستیک، الاستومر، چسب‌ها، رزین و سایر مواد مورد نیاز صنعت است. برای مثال طراحی و تولید تایر ماشین در صنایع لاستیک، لوله‌های پلی‌اتیلن در صنایع پلاستیک و انواع فایبرگلاسها در کامپوزیت به یاری متخصصان مهندسی صنایع پلیمر انجام می‌گیرد یا حتی در این رشته شکل‌دهی رزین‌ها نیز مطرح است که برای مثال می‌توان به ساخت ملامین اشاره کرد.حتی کیسه‌های پلاستیکی و روکش ظروف نچسب ( تفلون ) از مواد پلیمری می‌باشند. در واقع در رشته مهندسی صنایع پلیمر هر آنچه که به این مواد بر می‌گردد، مورد مطالعه و بررسی قرار می‌گیرد. البته پلیمرها فقط کاربرد صنعتی ندارند بلکه کاربرد پزشکی نیز دارند. مثلا اگر کشکک زانوی یک نفر آسیب ببیند و ترمیم آن امکان‌پذیر نباشد، شبیه به همان کشکک زانو را با مواد پلیمری درست می‌کنند و بر روی زانو قرار می‌دهند و یا دندان مصنوعی و لنزهای چشمی همه از مواد پلیمری ساخته می‌شوند که به این مواد پلیمری «پلیمرهای زیستی» می‌گویند. فرصت‌های شغلی: در صنعت پوشاک پلیمرها در تولید پاپوش‌ها، تن‌پوشها و کف‌پوشها بسیار موثر هستند. در صنایع حمل و نقل زمینی (خودروسازی، قطار و ... )، هوایی ( هواپیما و بالگرد) و دریایی (کشتی‌ها و ...) پلیمرها حضوری چشمگیر دارند، و بالاخره در صنایع نظامی، پزشکی، کشاورزی و بسته‌بندی کاربرد مواد پلیمری بسیار گسترده است.بدر صنعت پوشاک نیز پلیمرها در تولید پاپوش‌ها، تن‌پوشها و کف‌پوشها بسیار موثر هستند. در صنایع حمل و نقل زمینی (خودروسازی، قطار و ... )، هوایی ( هواپیما و بالگرد) و دریایی (کشتی‌ها و ...) پلیمرها حضوری چشمگیر دارند، و بالاخره در صنایع نظامی، پزشکی، کشاورزی و بسته‌بندی کاربرد مواد پلیمری بسیار گسترده است. باتوجه به کاربرد وسیع پلیمرها در صنایع، فارغ‌التحصیلان این رشته توانایی‌های کافی در زمینه‌های ایجاد و برنامه‌ریزی واحدهای تولیدی تبدیل پلیمر خام به مواد مصرفی و اشتغا
آرشیو وبلاگ
صفحات وبلاگ
نویسندگان
پنج شنبه 98 دی 12 :: 10:20 صبح ::  نویسنده : مهندس سجاد شفیعی

تفاوت بین لاستیک طبیعی و لاستیک مصنوعی



 

مترجم: حمید وثیق زاده
منبع:راسخون




 

اهمیت صنعت لاستیک از وقتی که به وجود آمد و نقشی که آن در رشد تمدن داشت خیلی زیاد است. دو نوع لاستیک وجود دارد؛ یکی طبیعی و دیگری مصنوعی. تولید لاستیک مصنوعی راحت‌تر از لاستیک طبیعی است و لاستیک مصنوعی گستره‌ی کاربردی بیشتری دارد. این مقاله یک مقایسه بین لاستیک طبیعی و لاستیک مصنوعی برای شما انجام داده است.
تفاوت بین لاستیک طبیعی و لاستیک مصنوعی

آیا می‌دانید؟

در سال 1839 یک مخترع آمریکایی به نام چارلز گودیر، یک روشی را برای بهبود خواص لاستیک طبیعی ابداع کرد و آن را محکم‌تر و قابل استفاده‌تر کرد. او این فرآیند را ولکانیدن یا جوش اکسیژن لاستیک و فلزات نامید. این فرآیند در صنعت لاستیک انقلابی ایجاد کرد.
لاستیک طبیعی یک الاستومر (پلیمر هیدروکربنی کشسان) است که از لاستیک خام درست شده است که یک کلویید شیری است که از بیشتر گیاهان به دست می‌آید. الاستومر یک ماده‌ای است که می‌تواند تغییر شکل کشسان بیشتری را از مواد دیگر، تحت تنش تحمل کند و بدون هیچ گونه تغییر شکلی به اندازه‌ی قبلی خود برگردد. منبع تجاری لاستیک طبیعی یک گیاه برزیلی بومی به نام هویا برازیلینسیس که به خانواده‌ی فرفیون‌ها تعلق دارد. برخی گیاهان دیگر که می‌توان از آنها لاستیک طبیعی به دست آورد عبارتند از: گوتا – پرکا، شکل لاستیک، درخت لاستیک پانامایی، قاصدک معمولی و قاصدک روسی. لاستیک طبیعی تا قرن بیستم مصرف تجاری داشت. لاستیک طبیعی به خاطر کاربردهای خیلی زیادش جایگاه مهمی در بازار اشغال کرده است. برخی از کاربردهای آن شامل ساختن تایر برای استفاده در ماشین‌های مسابقه، کامیون‌ها، اتوبوس‌ها و هواپیماها است.
لاستیک‌های مصنوعی در گیاهان شیمیایی با پلیمریزاسیون مونومرها به پلیمرها به دست می‌آیند. آنها به طور مصنوعی تولید می‌شوند. برخی از مهم‌ترین لاستیک‌های مصنوعی عبارتند از: بوتادین، استرین – بوتادین، نئوپرین/ پلی کلروپرین، لاستیک‌های پلی سولفید، نیتریل، لاستیک بوتیل و سیلیکون. آنها کاربردهای متعدد و خواص شیمیایی و مکانیکی مختلفی دارند. لاستیک‌های مصنوعی زیادی در طول قرن بیستم گسترش یافته‌اند. برخی از آنها به خاطر خواص‌شان به جای لاستیک طبیعی استفاده می‌شوند. کاربردهای ویژه آنها شامل ترانسفورماتورهای برق، لباس‌های مرطوب، کناره‌های لپ تاپ، بست‌های ارتوپدی، عایق الکتریکی، تسمه فن خودرو، لاستیک خودرو، کف کفش، پاک کن مداد، بالن‌های تولد، چسب، دستکشهای محافظ، تسمه نقاله، اسباب بازی‌های انعطاف پذیر، لوله، تشک، طناب‌های لاستیکی، رنگ، شیلنگ، گسکت و کاشی‌های کف سطح است.

تفاوت بین لاستیک طبیعی و لاستیک مصنوعی :

تولید :

• لاستیک‌های مصنوعی با پلیمریزاسیون مواد پترو شیمیایی مختلف که به نام مونومر شناخته می‌شوند، به دست می‌آیند. برخی نمونه‌ها عبارتند از: لاستیک استرین بوتادین (SBR) که از هم - پلیمریزاسیون استرین و بوتادین به دست می‌آید، لاستیک بوتیل (IIR) که یک لاستیک مصنوعی است که از هم - پلیمریزاسیون ایزوبوتیلن با ایزوپرن به دست می‌آید، لاستیک نیتریل (NBR) که یک لاستیک مصنوعی مقاوم به نفت است که از هم - پلیمریزاسیون آرکیلونیتریل و بوتادین به دست می‌آید و نئوپرن که با پلیمریزاسیون کلروپرن تولید می‌شود.
• لاستیک طبیعی از لاستیک خام به دست می‌آید که بیشتر از شیره‌ی گیاه هویا برازیلینسیس کشیده می‌شود. یک بریدگی در پوست درخت ایجاد می‌شود و لاستیک خام در یک فنجان یا قابلمه جمع آوری می‌شود، سپس فیلتر شده، شسته می‌شود و می‌گذارند که با یک اسید واکنش دهد تا ذرات لاستیک منجمد شوند و جرم تشکیل دهند. سپس لاستیک در قالب‌هایی فشرده می‌شود و خشک می‌شود. پس از آن به مراحل بعدی تولید در صنعت می‌رود تا اصلاح شود.

خواص :

• لاستیک‌های مصنوعی بیشتر نسبت به نفت و روغن، مواد شیمیایی مشخص و اکسیژن مقاوم هستند، عمر و ویژگی‌های آب و هوایی بهتری دارند و انعطاف پذیری خوبی در یک گستره‌ی دمایی وسیع دارند.
• لاستیک‌های طبیعی مقاومت به سایش خوب، الاستیسیته بالا، انعطاف پذیری بالا و استحکام کششی خوبی دارند. آن عملکرد دینامیکی خوب و سطح میرایی پایینی دارد. اما با گذشت زمان پیر می‌شود و مقاومت شیمیایی، روغنی و اوزونی ضعیفی پیدا می‌کند. با افزایش دما مقاومتش پایین می‌آید.

خواص پیری، انعطاف پذیری دما پایین و مقاومت به سایش :

• استرین بوتادین یکی از لاستیک‌های مصنوعی ارزان و با کاربرد عمومی است که استحکام فیزیکی ، انعطاف پذیری و خواص دما پایین کمتری دارد. اما خواص پیر شدن و مقاومت به سایش آن بهتر از لاستیک‌های طبیعی دیگر است. برخلاف لاستیک طبیعی این ماده با گذشت زمان به جای نرم شدن سخت می‌شود.
• لاستیک‌های طبیعی استحکام فیزیکی، انعطاف پذیری و خواص دما پایین خوبی دارند اما مقاومت به سایش و خواص پیر شدن پایینی نسبت به استرین بوتادین دارند. خواص دما پایین آن در مقایسه با نیتریل پایین‌تر است.

مقاومت به نفت و روغن و انعطاف پذیری :

• نیتریل مقاومت به نفت و روغن، انعطاف پذیری دما پایین، مقاومت به سایش و انعطاف پذیری بهتری نسبت به لاستیک طبیعی دارد. آن هم چنین نفوذ پذیری گاز پایین‌تری دارد.
• لاستیک طبیعی مقاومت به نفت و روغن و انعطاف پذیری پایین‌تری نسبت به نیتریل دارد. اما استحکام فیزیکی بهتری دارد.

مقاومت اوزونی، شیمیایی و الکتریکی :

• اتیلن پروپیلن دین مونومر (EPDM)، نئوپرین/پلی کلروپرین و برخی لاستیک‌های مصنوعی دیگر مقاومت گرمایی، مقاومت به نفت و روغن، اوزون و مقاومت آب و هوایی و مقاومت شارش قطبی عالی دارند و هم چنین پیر شدن و مقاومت شیمیایی بهتری دارند. علاوه بر این خواص فیزیکی و مقاومت دما پایین آنها نیز خوب است. آن هم چنین قابلیت اشتعال و نفوذ پذیری گاز پایینی دارد. EPDM می‌تواند به ترکیبات دیگر بپیوندد تا مقاومت الکتریکی عالی کسب کند.
• لاستیک طبیعی مقاومت به اوزون، شارش قطبی و شیمیایی پایینی دارد. توسط روغن‌های هیدور کربنی متورم و ضعیف می‌شود و به هنگام پیر شدن توسط اکسیژن و اوزون ضعیف می‌شود.

خواص الکتریکی :

• لاستیک‌های اوزونی خواص الکتریکی عالی و مقاومت زیادی نسبت به آب و هوا و حمله‌ی اوزون دارند. خواص فیزیکی آنها در دماهای بالا حفظ می‌شود. آنها از لاستیک‌های دیگر گران قیمت‌تر هستند.
• لاستیک‌های طبیعی خواص الکتریکی ضعیفی دارند و مقاومت پایینی نسبت به آب و هوا و حمله‌ی اوزون دارند. آنها خواص فیزیکی بهتری دارند.
لاستیک طبیعی به خاطر کاربردهایش جایگاه مهمی در بازار دارد. اما لاستیک مصنوعی در خیلی از موارد به جای لاستیک طبیعی استفاده می‌شود به ویژه زمانی که خواصی از موادی را که لازم است بهبود می‌بخشد.



موضوع مطلب :
پنج شنبه 98 دی 12 :: 10:20 صبح ::  نویسنده : مهندس سجاد شفیعی

اندازه گیری رنگ برای صنعت پوشش



 

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
 
رنگ مهمترین ویژگی مربوط به پوشش ها می باشد. رنگ همچنین یک پارامتر مهم در شناسایی بصری محسوب می شود. بررسی مناسب شرایط مورد نیاز برای کنترل نور، برای قضاوت درست در مورد رنگ یک ماده، ضروری است. ارزیابی بصری همواره نیازمند وجود یک استاندارد فیزیکی برای مقایسه می باشد زیرا حافظه ی رنگ مغز انسانی، بدون وجود یک مرجع، ضعیف است. البته برای مقایسه ی دو نمونه، می توان از مرجع استفاده نکرد. حتی وقتی شرایط نگاه کردن مناسب باشد، اغلب این مشکل است که جهت و شدت تفاوت رنگ را بین دو نمونه تشخیص دهیم. این فرایند نیازمند متخصص رنگ با تجربه می باشد.
یک روش با دقت بالا برای ارزیابی تفاوت رنگ، استفاده از ابزارهای اندازه گیری رنگ می باشد. دو نوع از این ابزارها که می تواند برای این منظور، استفاده شود، عبارتند از رنگ مترها (colorimeters) و اسپکتروفوتومتر ها. یک رنگ متر در واقع از فیلترهای نوری برای تقویت پاسخ رنگ در چشم، استفاده می کند و یک اسپکتروفوتومتر نیز در واقع طیف نور مرئی را بازه هایی می شکند که به صورت ریاضی پاسخ رنگ در چشم را تشدید می کند. مزیت استفاده از اسپکتروفوتومتر در تعیین تفاوت رنگی، دقت بالا، پایداری و ثبات و قابلیت تشدید با استفاده از منابع نوری مختلف می باشد. هزینه های اسپکتروفوتومتر و پیچیدگی مربوط به کار آن، به طور قابل توجهی با استفاده از ابزارهای جدید، کاهش یافته است.
سه تکنولوژی مختلف وجود دارد که در اسپکتروفوتومترهای جدید صنعتی، مورد استفاده قرار میگیرند. این سه تکنولوژی، عبارتند از فیلترهای تداخلی، استفاده از توری ها و استفاده از دیودها می باشد. فیلترهای تداخلی، در واقع فیلترهای با طول موج معین هستند که معمولاً بر اساس نوع رزولیشن مورد نیاز، از 16 یا 32 فیلتر تشکیل شده اند. توری ها نیز ابزارهای هستند که به همراه آرایه های دیودی، استفاده می شوند و موجب افزایش رزولیشن می شوند. ابزارهای با کارایی بالا نیز معمولاً دارای توری هایی هستند که موجب بهبود کارایی می شوند اما این ابزارها، معمولاً گران و پیچیده هستند و کالیبراسیون آنها سخت است. یک تکنولوژی جدید از اسپکتروفوتومترها، بر اساس LED های با رنگ های مختلف می باشد. یک تا نه LED رنگی در واقع کل طیف نور مرئی را پوشش می دهند. مزیت این بخش ها، این است که اندازه و هزینه های ساخت کمتری دارند. محدودیت این وسایل، این است که آنها، دقت و پایداری پایین می باشد. البته این تکنولوژی، با استفاده از LED های جدیدتر، بهبود قابل توجهی پیدا کرده است.
چندین هندسه ی اندازه گیری مختلف، وجود دارد. یکی کروی و دیگری چند زاویه ای. یک ابزار کروی نشاندهنده ی یک نمونه از تمام جهات می باشد. در واقع در این حالت، دید نمونه به صورت عمودی است. در حالت چند زاویه ای، زاویه ی چندگانه و دید به صورت زاویه ی ثابت می باشد. این همچنین ممکن است که زاویه ی ثابت به همراه دید در زوایای چندگانه، داشته باشیم.
استفاده از هندسه ی مناسب، برای فرمولاسیون رنگ و بررسی و جستجو بر روی رنگ، مهم می باشد. فرمولاسیون رنگ با هندسه ی کروی موجب حذف نیاز به شناسایی درخشش می شود و بدین صورت، درخشش به صورت ریاضی حذف می شود. در این حالت، درخشش به فرمولاسیون رنگ وابسته نمی باشد. بررسی بر روی رنگ معمولاً نیازمند ابزارهایی است که با روش های بصری، تطابق دارند. یک ابزار کروی با ورودی خاص، می تواند موجب حذف درخشش شود و بدین صورت، ارتباط بصری خوبی ایجاد می شود. ارزیابی می تواند اطلاعات گمراه کننده ای به ما بدهد. این مسئله زمانی مهم می باشد که بخواهیم یک پوشش را بر روی بخش هایی قالب گیری شده ی پلاستیکی، تطبیق دهیم.
پیگمنت های خاص مانند پیگمنت های فلزی، مرواریدی و مواد تداخلی، برای بررسی رنگ در زوایای مختلف، نیازمند زاویه های چندگانه ی نمایش و دید می باشند. ابزارهای چند زاویه ای و یا اسپکتروفوتومترهای خاص، برای اندازه گیری زوایای جدایش 3 تا 5 درجه، موجود می باشند. یک زاویه ی مینیمم سه درجه ای، معمولاً برای شناسایی رنگ های خاص بیان شده، مناسب می باشد.
ملاحظات مربوط به نوع نمونه ی مورد اندازه گیری شده، باید نوع اسپکتروفوتومتر مورد استفاده را تعیین کند. اگر نمونه ها، بسیار بزرگ باشند و نتوان در داخل ابزار قرار داده شوند، این نیاز وجود دارد که ابزار قابلیت انتقال داشته باشند. ابزارهای قابل حمل با کارایی بالایی در ابعاد مختلف وجود دارند، اما ارتباط داده های مربوط به این ابزارها، با ابزارهای آزمایشگاهی، باید در نظر گرفته شود. اگر نمونه ها، غیر یکنواخت باشند، وسیله باید تا حد ممکن بزرگ باشد. بسیاری از ابزارها، دارای ورودی قابل تنظیم می باشند که بوسیله ی تغییر در ابعاد آن، می توان نمونه را به خوبی، مورد آنالیز قرار داد.
تلورانس مورد نیاز برای اندازه گیری رنگ، یکی از مهم ترین ملاحظاتی است که در زمان انتخاب ابزار اندازه گیری رنگ، باید بدان توجه کرد. اگر مقایسه همواره یک استاندارد فیزیکی باشد و فرمولاسیون مشابه باشد، یک رنگ متر، می تواند کافی باشد. وقتی دقت بالا برای تولید پوشش ها در محل های مختلف جهان، مورد نیاز باشد، تنها ابزارهای بسیار دقیق قابلیت ایجاد رنگ های یکسان را دارا می باشند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Coating technology handbook/ Arthur A. Tracton
 



موضوع مطلب :
پنج شنبه 98 دی 12 :: 10:17 صبح ::  نویسنده : مهندس سجاد شفیعی

رسانایی الکتریکی در آمیزه های پلیمری

 

نویسنده: لوری راپرچت
مترجم: حبیب الله علیخانی
 

مقدمه

در سال 1977، تولید اولین پلیمر آلی رسانای الکتریکی که در واقع پلی استیلن دوپ شده بود، گزارش شد. این پلیمرها در واقع طبقه بندی مختلفی از مواد هستند که در واقع از پلیمرهای رسانا تولید شده اند. این مواد، در واقع یک مخلوط فیزیکی از یک پلیمر غیر رسانا به همراه مواد رسانایی از جمله پودر فلزات و کربن می باشد.برای پلیمرهای حالت پایه تخریب پذیر، تغییراتی در مقادیر دوپ شوندگی اندک در بدنه ی اصلی پلیمر ایجاد می شود که در واقع در حالت محلول باردار و یا حالت پلارون مربوط به پلیمرهای تخریب پذیر، ایجاد می شود.در ابتدا، این پلیمرهای رسانای ذاتی، در برابر محیط تولید و هوا، پایدار نبودند. به هر حال، نسل های بعدی این پلیمرها، به صورت پودر، فیلم و الیاف تولید شدند و علاوه بر پایداری در برابر حلال ها، در برابر هوا نیز پایدار هستند. برخی از اشکال این پلیمرهای رسانای ذاتی، می توانند با پلیمرهای سنتی مخلوط شوند و موجب تولید آمیزه های رسانای الکتریکی شود. رسانایی الکتریکی سیستم های پلیمری رسانا امروزه در گستره ی رسانایی عایق ها تا مواد نیمه رسانا می باشد. کاربرد این پلیمرها مخصوصاً پلی آنیلین بعد از تولید آنها آغاز شد. این آمیزه ها، شامل مخلوط ها و پوشش هایی است که در تولید عایق های الکترواستاتیک الکترومغناطیسی، جاذب های تابش الکترومغناطیسی برای اتصال دهی پلاستیک ها، لایه های رسانا برای وسایل پلیمری تابش دهنده ی نور و پوشش های ضد خوردگی برای آهن و فولاد، استفاده می شوند.
ویژگی متداول الکترونیکی مربوط به پلیمرهای رسانای پیشین، در واقع ویژگی سیستم اختلاط rt می باشد که با همپوشانی اربیتال های pz کربن و تغییر طول پیوند کربن- کربن انجام می شود. شکل 1 نشاندهنده ی واحدهای تکرار شونده ی اشکال پیشین از چندین خانواده از پلیمرهای رسانا و نیمه رسانا (یعنی ترانس- پلی استیلن، پایه ی لئوکومرالدین (LEB)، پایه ی امرالدین (EB) و پایه ی پرنی گرانیلین (PNB)) می باشد که موجب تشکیل مواد از جمله پلی آنیلین (PAN) پلی پیرول (PPy)، پلی تیوفن (PT)، پلی (پی- فنیلن) (PPP) و پلی (پی فنیلن وینیل) (PPV) می باشد.
رسانایی الکتریکی در آمیزه های پلیمری
هر یک از این پلیمرها، آن دسته از پلیمرهایی هستند که عایق هستند و گاف انرژی آنها بین حالت پر و خالی می باشد. برای t-(CH)_x، گاف انرژی از الگوی پیوند منفرد و دوگانه ی دوپ نشده، ایجاد می شود. در این حالت، مشارکت اضافی به دلیل دافعه ی کولمبی الکترون- الکترون، ایجاد می شود. تغییر داخلی در پیوندهای کوتاه و بلند، منجر به ایجاد حالت پایه ی معادل می شود. حالت اکسیداسیون پین گرانولین PAN همچنین دارای دو حالت پایه ی تخریبی دوگانه دارد. پلیمرهای نشان داده شده در شکل 1 تخریب پذیر نیستند و در حقیقت تغییر داخلی منفرد و دوگانه منجر به ایجاد ساختارهای الکترونی مختلفی می شود.

افزایش رسانایی با استفاده از عوامل دوپ شونده

رسانایی مربوط به پلیمرهای الکترونیکی پیشین، بواسطه ی دوپ کردن این مواد، بهبود می یابد. هر دو نوع از عوامل دوپ شونده ی نوع n و نوع P می توانند در این کار استفاده شوند. دوپ شوندگی به طور نمونه وار با استفاده از تبخیر و یا محلول های دوپ شونده، انجام می شود. زنجیره ی اصلی پلیمری و یون های دوپ کننده موجب تشکیل ساختارهای سه بعدی جدید و مختلفی می شوند.
برای پلیمرهای حالت پایه تخریب پذیر، تغییراتی در مقادیر دوپ شوندگی اندک در بدنه ی اصلی پلیمر ایجاد می شود که در واقع در حالت محلول باردار و یا حالت پلارون مربوط به پلیمرهای تخریب پذیر، ایجاد می شود. این مسئله مشابه پلارون های باردار و یا بی پلارون ها در سیستم های غیر زیست تخریب پذیر، می باشد. برای پلیمرهای غیر تخریب پذیر، دوپ شدن مقادیر قابل توجه از دوپ شونده، منجر به پلارون هایی می شود که موجب تشکیل شبکه پلارونی و یا باند انرژی با پرشدگی جزئی می شود. برخی از مدل ها پیشنهاد می دهد که تعادلی میان پلارون ها و بی پلارون ها، وجود دارد. در مقادیر دوپ شونده ی بالا از t-(CH)_x، این پیشنهاد شده است که سطوح انرژی محلول سالیتون ضرورتاً با نوار والانس پر شده و نوار رسانش خالی، همپوشانی می کند. این مسئله منجر به تولید پلیمرهای رسانا می شود.
برای شکل پایه ی پلی آنیلین امرالدین (EB)، رسانایی با میزان دوپ شونده ی یون هیدروژن، تغییر می کند. در مورد فرایند پروتون زایی، هیچ اضافه و یا حذف الکترون ها و تشکیل حالت رسانایی، وجود ندارد. شکل 2 نشاندهنده ی شماتیکی از حالت های تعادلی دوپ شدن p مربوط به لئوکوامرالدین و دوپ شدن اسید پروتونیک EB و تشکیل نمک امرلادین رسانا می باشد. هر دو اسید آلی مانند HCSA و اسید غیر آلی مانند HCl، مؤثر است و اسیدهای سولفونیک آلی منجر به حلالیت در انواع مختلفی از محلول های آلی مانند کلروفروم و ام کرازول می شود. اسید پروتونیک ممکن است همچنین به صورت کوالانسی به زنجیره ی اصلی پلی آنیلین پیوند دهد (همانگونه که در مورد پلی آنیلین محلول در آب، مشاهده می شود) (شکل 3a و 3b). رفتار الکترونی مشابه در مورد PAN دوپ شده با اسید پروتونیک، مشاهده شده است (مشابه سایر سیستم های حالت پایه ی غیر تخریب پذیر). در حقیقت این پلارون ها هستند که در سطوح دوپ شوندگی پایین، مهم می باشند و برای حالت رسانای بالا، یک شبکه ی پلارونی تشکیل می شود. جفت های پلارونی یا بی پلارون ها، در نواحی با نظم کمتر از پلیمرهای دوپ شونده، ایجاد می شود.
رسانایی الکتریکی در آمیزه های پلیمری
CH دوپ شده با ید نیز دارای cr برابر با 100 S/cm می باشد. در نتیجه، CH بوسیله ی روش های دیگری تولید می شود که منجر به غلظت های مواد دوپ شونده ی بالاتری می شود که این مقدار با مقادیر مربوط به مس، قابل مقایسه می باشد. پیشرفت های اخیر در زمینه ی فرآوری سایر سیستم های پلیمری، منجر به بهبود occ و ایجاد occ هایی در گستره ی lo3 تا lo4 S/cm شده است. مقدار مطلق مربوط به بالاترین رسانایی که حاصل شده است، هنوز جای بحث دارد. بسیاری از نشانه های مربوط به طبیعت فلزی ذاتی امروزه ظاهر شده اند که این موارد شامل ثوابت دی الکتریک منفی و وابستگی خطی توان ترموالکتریکی به دما می باشد. به هر حال، رسانایی هر پلیمر جدیدی که تصور می شود با فلزات متداول قابل مقایسه است، با کاهش دما، کاهش می یابد اگر چه برخی از نمونه های با رسانایی بالا نیز حتی در دماهای بسیار پایین، رسانا باقی می مانند.
رسانایی الکتریکی در آمیزه های پلیمری
از آنجایی که تنوع قابل توجهی در زمینه ی خواص مربوط به مواد سنتز شده بوسیله ی یک روش شیمیایی مشابه وجود دارد، مطالعه های انجام شده بر روی انتقال ساختاری مربوطه، خواص معناطیسی و نوری مربوط به یک ماده، مهم وضروری است. رسانایی یک پلیمر مثلا پلی آنیلین دوپ شده با HCSA می تواند بسته به میزان و وابستگی دمایی رسانایی به عنوان نتیجه ای از تولید در حلال های مختلف، تغییر کند. اثر حلال و تبخیر حلال بر روی نظم ساختاری و رسانایی الکتریکی منتج شده در پلیمرهای رسانای ذاتی، مخصوصاً پلی آنیلین را دوپ شوندگی ثانویه می گویند.

بیشتر بخوانید: تاریخچه ی توسعه ی مواد پلیمری (1)

 

مدل های مربوط به رسانایی الکتریکی

بیشتر کارهای انجام شده بر روی طبیعت حامل های باردار در حالت های فلزی با میزان دوپ شوندگی بالا می باشد. آنها ممکن است به صورت فضاییی بوسیله ی بی نظمی های ساختاری متمرکز شده باشند و بنابراین، آنها نمی توانند در انتقال مشارکت کنند، مگر آنکه دوپ شوندگی ثانویه رخ دهد. شکل 4 بیان شماتیکی از بی نظمی های غیر هموژن به همراه زنجیره های پلیمری منفرد می باشد که در داخل نواحی منظم و بی نظم، قرار دارند. درصد کریستالینیتی برای پلی پیرول ها و پلی آنیلین ها ممکن است به ترتیب از صفر تا 50 یا 60 % تغییر کند. این میزان برای پلی استیلن ها می تواند تا 80 % نیز برسد. زنجیره ها در نواحی بی نظم ممکن است کشیده و یا به هم پیچیده باشند. البته این زنجیره ها می توانند حالت بینابین نیز داشته باشند.
رسانایی الکتریکی در آمیزه های پلیمری
ناخالصی ها و عیوب شبکه ای در سیستم های بی نظم موجب تفرق این موج های الکترونی به سمت خارج می شود. این مسئله در واقع تمرکز اندرسون (Anderson localization) نامیده می شود. شاخه دار شدن نیز که در حقیقت شامل دانسیته ی محدود از حالت (N(Er)) می باشد، در سطح فرمی Er میان لبه ها، ایجاد می شود. این مسئله وقتی رخ می دهد که سطح فرمی یا خطوط پتانسیل شیمیایی در نواحی متمرکز، صفر باشند (حتی برای سیستمی با دانسیته ی حالات محدود). مدل VRH نیز برای سیستم هایی قابل استفاده می باشد که بی نظمی های بیشتری دارد به نحوی که انرژی بی نظمی بزرگتر از عرض باند می باشد. برای مدل VRH یا مدل Mott، CT=o.exp?[-(To/T)l"(d+1)]است. که در اینجا، d نشاندهنده ی بعد @ است و برای سیستم های سه بعدی، این مقدار برابر است با T_0=clK_B (E_f ) L^3 (c در اینجا، ثابت تناسب است، K_B ثابت بولتزمن و L طول متمرکز شوندگی است). اگر سطح فرمی در میزانی از انرژی باشد که حالات الکترونی پر شوند، سپس مقدار σ در صفر کلوین، مورد انتظار می باشد. این مدل فرض می کند که بی نظمی اولیه، هموژن بودنی است که در داخل نمونه ای سه بعدی و ایزوتروپ، مشاهده می شود.
برای محل های یک بعدی موجود در زنجیره های فلزی یک حامل بار، بی نظمی های ضعیفی وجود دارد که علت آن سطح مشترک کوانتمی به دلیل تفرق استاتیک الکترون ها به سمت عقب، می باشد. این مسئله با بی نظمی های مورد نیاز برای تمرکز درسیستم های سه بعدی، متفاوت است. این فرض می شود که اثرات محلی شدن در پلیمرهای رسانای بی نظم و غیر هموژن، از تمرکز یک بعدی در نواحی بی نظم، ایجاد شده است. مدل بی نظمی غیر هموژن بیان کننده ی این است که پلیمرهای دوپ شده، به دلیل نواحی بی نظم جزیره ای شکل، در میان زنجیره های پیوند ایجاد می کنند و موجب تبادل در نواحی بی نظم می شوند (شکل 4). در این مدل، الکترون های رسانش به صورت سه بعدی در نواحی منظم متمرکز می شوند. برای انتقال میان نواحی منظم، الکترون های رسانش باید از میان زنجیره های ایزوله ی موجود در نواحی بی نظم، نفوذ کنند. طول این نواحی متمرکز، به جزئیات مربوط به بی نظمی ساختاری مرتبط می باشد. بزرگ شدگی هایی که بوسیله ی فوتون القا می شوند، با افزایش دما، موجب افزایش رسانش می شوند. نظم کریستالی سه بعدی منجر به تسهیل عدم تمرکز می شوند. اگر طول تمرکز برای برخی از الکترون های رسانش به فاصله ی میان دو ناحیه ی منظم برسد، رسانش بهبود می یابد.
برای فلزات معمولی، بسیاری از خواص انتقال الکترونی، می تواند بوسیله ی مدل Drude و در نظر گرفتن زمان پراکندگی منفرد (τ)، توصیف شوند. این مدل توضیح می دهد که میزان و فرکانس رسانایی مستقل فلزات از فرکانس های dc به میکرو ویو، و یک بخش حقیقی از ثابت دی الکتریکی (a) که در واقع در زیر فرکانس پلاسمای غربال شده، منفی است، در حقیقت نشاندهنده ی این است که دانسیته ی حامل ها، جرم مؤثر می باشد. در حد فرکانس Drude، پاسخ Drude می تواند به صورت ar=-$,T و Ei=W’,T/y بیان شود. در اینجا، Ei بخش موهومی ثابت دی الکتریک می باشد.

رسانایی الکتریکی مربوط به پلیمرهای رسانا

میزان o(T) مربوط به CH دوپ شده با ید، و PPy دوپ شده با PF6 در گستره ی mk به صورت امتحانی تغییر می کند. بالاترین میزان از o& در دمای اتاق که در یکی از مطالعه ها گزارش شده است، بین منفی 5 تا مثبت 10 S/cm برای CH دوپ شده با I3 و –Io3 برای PPy رسانا می باشد. برای هر دوی این مواد، O با کاهش دما، کاهش می یابد. برخی از فرایند های آماده سازی PAN-CSA رفتار مشابهی نشان می دهند. نمونه های با رسانایی کمتر که از CH دوپ شده، پلی آنیلین دوپ شده و پلی پیرول دوپ شده تولید شده اند، در دماهای پایین، نارسانا می شوند.

کاربردها

پلیمرهای رسانای ذاتی مواد مطمئنی برای استفاده در تولید محافظ های تابش الکترومغناطیسی و کاهش و یا حذف این پرتوها، می باشند. همچنین سبکی مناسب این مواد در مقایسه با فلزات، انعطاف پذیری و عدم خورده شدن، از جمله سایر ویژگی های این مواد به شمار می آید. قابلیت جذب این مواد که در حقیقت در گستره ی کاربردهای تجاری (منفی 40 dB) و نظامی (منفی 80 تا منفی 100 dB) می باشد.
پلیمرهای رسانای ذاتی مخصوصاً پلی آنیلین می تواند در جوشگاری مواد ترموست و ترموپلاستیک، استفاده شوند. فیلم های رسانای پلیمری و آمیزه های تولیدی از پلیمرهای رسانا می توانند در محل اتصال دو قطعه قرار داده شوند. برخورد تابش فرکانس میکروویو موجب می شود تا این مواد ذوب شده و موجب جوش خوردگی اتصال شود. اتصال های منتج شده مانند مواد قالب گیری شده از حالت مذاب، سخت می باشند.
خوردگی فولاد نیز یکی از مسائل مهم می باشد. پلی آنیلین دارای قابلیت محافظت این ماده در برابر خوردگی می باشد. مکانیزم مربوط به محافظت خوردگی بوسیله ی این ماده، حالت محافظت آنودی است. یعنی لایه ی پلی وینیلن به فلز الکترون می دهد. ولتاژ های قابل توجهی نیز در اتصال پلیمر- فلز ایجاد می شود.

خلاصه

پلیمرهایی که به صورت ذاتی رسانا هستند، یک گروه قابل توجه از مواد با قابلیت فرآوری آسان هستند که در آنها موادی دوپ می شود. این مواد می توانند نارسانا، رسانا و نیمه رسانا باشند. این گروه از پلیمرها، ضرورتاً در بسیاری از تکنولوژی ها، استفاده می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Conductive polymers and plastics in industrial applications / Larry Rupprecht
 



موضوع مطلب :

روش سل- ژل در تولید نانو پودر YSZ

 

نویسنده: حبیب الله علیخانی
همانطور که پیشتر گفته شد، روش سل- ژل اغلب به عنوان یک روش ساخت پودرهای سرامیکی به کار می رود، زیرا مزایای بسیاری را در مقایسه با روشهای سنتی تولید پودر دارد. سطح ویژه بالای ژلهای خشک شده واکنشپذیری بالایی را سبب میشود و باعث کاهش دمای سینترینگ به درجه حرارتهای پایین ترمی گردد. در این راستا محققان، تحقیقات متعددی را در زمینه تولید نانوپودر زیرکونیای پایدار شده با ایتریا به روش سل- ژل انجام داده و اثر پارامترهای مختلف را روی شرایط تولید پودر مورد مطالعه قرار داده اند.
در پژوهشی که توسط کیو و لی انجام شده است، از زیرکونیم اکسی کلرید و نیترات ایتریم در مخلوطی از آب و اتانول به عنوان مواد اولیه استفاده شده است. محلول به دست آمده در دمای معین نگه داشته شده تا رسوبات سل سفید رنگ به دست آیند. سپس آمونیوم هیدروکسید به سل اضافه میشود تا pH به حدود 9 برسد. در حین رسوبدهی ژل دائماً فیلتر شده و با آب دیونیزه شستشو داده می شود تا اطمینان حاصل شود که هیچ یون کلر در محیط وجود ندارد. در نهایت پودرها خشک شده و در دماهای مختلف کلسینه شده اند. با استفاده از این روش پودرهایی حاصل می شوند که در محدوده ابعادی 25 تا 30 نانومتر قرار دارند.
در پژوهشی دیگر یک روش نسبتاً آسان با قابلیت کاربرد صنعتی توسط ویازی و همکارانش معرفی شده است. این روش شیمیایی ساده بر پایه آب کافت و واکنشهای پلیمریزاسیون غیر آلی آلکوکسیدهای فلزی بنا شده است. در این واکنشها که از آلکوکسیدهای چهار ظرفیتی غیر سیلیکاتی مانند زیرکونیم استفاده می شود، به بازدارنده ها و عوامل کمپلکس کننده با نام کلی اصلاح کننده ها، نیاز است تا سرعت رسوب را کاهش دهند و از رسوب هیدروکسیدهای فلزی مانند هیدروکسید زیرکونیم جلوگیری کنند. این آلکوکسیدها نسبت به رطوبت بسیار حساس هستند و به سرعت هیدراته شده و رسوب میکنند، در نتیجه آنها را باید به دقت و در اتمسفر خشک حمل و نگهداری کرد.
اصلاح کننده های واکنش را می توان از اسیدهای آلی مانند بتا دی کتونها، کربوکسیلیک اسید، و یا لیگاندهای پیچیده انتخاب نمود. این اسیدها از رسوب ناخواسته سایر ترکیبات جلوگیری می کنند. نوع و نسبت اصلاح کننده ها به زیرکونیم عامل بسیار مهمی است که سرعت واکنش و همگنی واکنش در سل را شدیداً تحت تاثیر قرار میدهد. عوامل دیگری نیز در انجام واکنشها موثرند مانند نسبت آب به زیرکونیم و نسبت حلال به زیرکونیم. تقارن کریستالوگرافی و مورفولوژی پودرهای اکسیدی تولید شده کاملاً به این متغیرهای شیمیایی فرایند بستگی دارد.
ماده تشکیل دهنده آلکوکسید زیرکونیم در این پژوهش، پروپوکسید زیرکونیم چهار ظرفیتی محلول در پروپانول است. در اینجا حلال همان پروپانول می باشد. ماده تامین کننده ایتریم نیز نیترات ایتریم سه ظرفیتی دارای شش مولکول آب می باشد که در پروپانول حل شده و غلظت محلول 0.5 مول بر لیتر است. باید به واکنش شدید پروپوکسید زیرکونیم با آب توجه کرد و نمی توان آبی که مینرالهای آن جدا نشده است را مستقیماً به آن اضافه نمود. مخلوطی از آب در پروپانول به عنوان حلال تهیه میشود تا از تمرکز موضعی آب با پروپوکسید زیرکونیم جلوگیری شود زیرا این مساله منجر به ناهمگن شدن ژل خواهد شد. برای جلوگیری از مشکل آب کافت شدن سریع آلکوکسید با آب که معمولاً در هوا اتفاق می افتد، تمامی فرایندها باید تحت اتمسفر خنثی و گاز آرگون انجام شوند. بعد از تهیه ژل در دمای 50 درجه ی سانتیگراد، همه نمونه ها در دمای 80 درجه ی سانتیگراد، به مدت حداقل 24 ساعت خشک می شوند تا اینکه ایروژل تشکیل شود. سپس پودر حاصل به مدت 2 ساعت در دمای 950 درجه ی سانتیگراد، کلسینه می شود. آزمایشهای TEM نشان می دهند که پودر YSZ به دست آمده با این روش دارای ابعادی در حدود 30 تا 40 نانومتر است.
در تحقیق دیگری که توسط وانگ و همکارانش انجام گرفته است نیز نانوپودر زیرکونیا با استفاده از روش سل- ژل تولید شده است. در این روش بوتوکسید زیرکونیم در میزان معینی از الکل تحت شرایط هم زدن یکنواخت حل می شود. به این محلول همگن کاتالیست آب کافتی، آمونیوم هیدروکسید اضافه می شود تا pH معادل 10 شود. سپس 2 میلی لیتر آب اضافه می شود و محلول جدید به طور مداوم هم زده میشود تا ژل تشکیل گردد. ژل در دمای اتاق و در خلاء به مدت زمان 24 ساعت خشک شده و سپس به مدت 4 ساعت در هوا و در دماهای 400، 600 و 800 کلسینه می شود.
در سال 2001 میلادی، لبرتی- رابرت و همکارانش با استفاده از کلرید زیرکونیم و ایتریم نیترات به عنوان پیش ماده، پودر نانوکریستال YSZ برای کاربردهایی نظیر الکترولیت سلول های سوختی و سنسورهای اکسیژنی که در آن ها هدایت یونی اکسیژنی زیرکونیا مهم است، تولید کردند. در پژوهش مذکور ابتدا کلرید زیرکونیم و ایتریم نیترات 6 آبه در آب و در دمای 25 درجه ی سانتیگراد، حل شدند و سپس اسید سیتریک به آن اضافه شد. با افزودن اتیلن گلیکول، پلیمری شدن سیترات مخلوط شده، از طریق واکنش پلیمری شدن استرها انجام شد. با نگه داری بشر بر روی صفحه داغ با دمای 80 درجه ی سانتیگراد، تحت هم زدن مداوم، محلول ویسکوزتر شده و در نهایت یک ژل شفاف بدون هیچ گونه جدایش فازی قابل مشاهده به دست آمد. ژل به دست آمده در 180 درجه ی سانتیگراد به مدت 24 ساعت خشک گردید و در 400 درجه ی سانتیگراد، به مدت 2 ساعت کلسینه شد. عملیات تف جوشی نهایی در 600 تا 1000 درجه ی سانتیگراد و به مدت 6 ساعت انجام شد. این پژوهشگران از مقایسه اندازه ذرات محاسبه شده از آزمون های XRD و BET نتیجه گرفتند که ذرات آگلومره هستند. کاهش مساحت سطح مخصوص با افزایش دمای کلسینه کردن، نشان داد که تمایل به تشکیل ساختاری متراکم در آگلومره ها وجود دارد. بررسی های میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز وجود آگلومره ها را تایید کرد.
در سال 2002 میلادی، رابرت و همکارانش نانو پودر 8YSZ را تولید و تاثیر افزودنی های شیمیایی روی مورفولوژی نانو پودرها را بررسی نمودند. در همان سال یاون ژانگ و همکارانش، با استفاده از سه روش پچینی اقدام به تولید نانو پودرهای زیرکونیای حاوی اسکاندیم شدند. در روش اول از پلی وینیل الکل، در روش دوم از پلی اتیلن گلیکول و اسید فورمیک و بالاخره در روش سوم از اتیلن گلیکول و اسید سیتریک تک آبه، به عنوان پیش ماده استفاده کردند. همچنین آنها در هر سه روش خود از یک نوع نمک زیرکونیم و ایتریم استفاده نمودند. آنها در بررسی خود به این نتیجه رسیدند که ژل تولید شده از روش سوم بهترین یکنواختی ترکیب شیمیایی را از خود نشان می دهد.
در سال 2010 میلادی توسط گرزبیلوکا و همکارانش با استفاده از دو نوع روش پچینی نانو پودرهای YSZ را تولید نمودند. در روش اول یا روش (IPC) از زیرکونیم اکسی کلراید اکتا هیدرات، ایتریم نیترات هگزاهیدرات، اتیلنگلیکول و اسیدسیتریک به عنوان پیش ماده استفاده نمودند و در روش دوم یا روش (PEG/AF) از زیرکونیماکسیکلرید اکتاهیدرات، ایتریم نیترات هگزاهیدرات، اسید فورمیک و پلی اتیلن گلیکول به عنوان پیش ماده استفاده کردند.
بررسی اثر پارامترهای موثر درتولید پودر به روش سل- ژل
خواص محصول نهایی تهیه شده از روش سل- ژل وابسته به پارامترهای بسیاری می باشد. محققان اثر برخی ازاین پارامترها را بر روی ویژگی های نانوپودر تولید شده مورد بررسی قرار داده اند. در ادامه تاثیر استفاده از کاتالیست آبکافت، اثر دما و زمان گرم کردن بر واکنش، اثر افزودن توزیع کننده و اثر دما و زمان کلسیناسیون مورد مطالعه قرار گرفته است.

اثرکاتالیست آبکافت

در پژوهشی که توسط بوخیمی و همکارانش انجام شده است، به منظور بررسی اثر کاتالیست آب کافت از چهار نوع کاتالیست آبکافت که عبارتند از: CH_3 COOH، HCl، H_2 SO_4، NH_4 OH استفاده شده است. در شکل 1 نمودار TG نمونه های تهیه شده با استفاده از این کاتالیستهای آب کافت نشان داده شده اند. همانطور که در شکل دیده میشود تمام نمونه ها در هنگام گرم کردن تا دمای 300 درجه ی سانتیگراد، کاهش وزن داشته اند. این کاهش وزن مربوط به تبخیر ترکیبات فرار باقی مانده از هنگام تهیه و آماده سازی نمونه می باشد. بالاتر از این دما کاهش وزن نمونه بستگی به کاتالیست آبکافت انتخاب شده خواهد داشت.
روش سل- ژل در تولید نانو پودر YSZ
این نمونه ها نشان می دهد که ساختار کریستالی همه آنها در دمای پایین تر از 300 درجه ی سانتیگراد، آمورف است. نمونه هایی که با استفاده از کاتالیستهای آب کافت CH_3 COOH، HCl، H_2 SO_4، NH_4 OH ساخته شده اند، با آنیل شدن در هوا در دمای 400 درجه ی سانتیگراد، کریستاله می شوند. این نمونه در حین آنیل کردن تا این دما بین 30 تا 34 % از وزن اولیه خود را از دست می دهند. نتایج تست DTA این نمونه ها نشان میدهد که بلوری شدن برای این نمونه ها در دمای بین 300 تا 350 درجه ی سانتیگراد، اتفاق می افتد. البته دمای بلوری شدن دقیق بستگی به نوع کاتالیست آب کافت استفاده شده دارد.
وقتی از سولفوریک اسید به عنوان کاتالیست آب کافت استفاده میشود، نمونه ها در دمایی بالاتر از 400 درجه ی سانتیگراد بلوری می شوند. در این مورد نمونه ای که تا دمای 400 درجه آنیل شده است، تنها 26 درصد وزن اولیه خود را از دست داده است و آنیل کردن در دماهای بالاتر از 600 درجه، موجب کاهش وزن بیشتر می شود که این میزان در 800 درجه ی سانتیگراد، به 37 % می رسد. این کاهش وزن مشابه کل کاهش وزنی است که در مورد نمونه های تهیه شده با دیگر کاتالیستهای آب کافت مشاهده شده بود. این مساله به این معناست که واکنش یون های SO_x با فاز آمورف، ساختار آمورف را پایدار میکند و بلوری شدن آن را به دماهای بالاتر انتقال می دهد که توسط نتایج آنالیز DTA نیز به اثبات رسیده است.
همچنین در تحقیق مشابه انجام شده توسط وانگ و همکارانش نشان داده شده است که برای نمونه های زیرکونیایی تهیه شده از روش سل- ژل که از اسید سولفوریک به عنوان کاتالیست آب کافتی استفاده کرده اند، بیشترین سرعت تجزیه هیدروکسید زیرکونیم در دمای 650 درجه ی سانتیگراد در نمودارهای TG مشاهده می شود و این مسئله به این معناست که بلوری شدن زیرکونیا در عامل اسیدی در درجه حرارتهای بالاتری اتفاق میافتد و حدوداً 200 درجه ی سانتیگراد بالاتر از نمونه های بهدست آمده از روش سل- ژل در عامل بازی است. این امر به این علت است که انتقال از هیدروکسید زیرکونیم به زیرکونیا، شامل مراحل ممکن مختلفی است، از دست دادن آب با پیوندهای ضعیف و تشکیل گروه های هیدروکسیلی نهایی، آبزدائی پلهای هیدروکسیلی برای تشکیل هسته اکسیدی و رشد هسته تا درآمدن به صورت یک کریستال قابل رویت. وقتی از اسید سولفوریک به عنوان کاتالیست آب کافتی استفاده میشود، یون SO_4^(2-) موجود در اطراف Zr-O جانشین یون های هیدروکسید می گردند. به خاطر پایداری حرارتی بیشترسولفات، پیوندهای سولفات با زیرکونیم بسیار قوی تر از پلهای هیدروکسیلی بین دو اتم زیرکونیا است. از بین بردن یونهای SO_4^(2-) نیازمند دماهای بالاتر میباشد. به عنوان مثال دمای 600 درجه ی سانتیگراد، که در نتیجه تشکیل باندهای اکسیدی را به تاخیر انداخته و موجب پایداری فازهای دما پایین می گردد.

اثر زمان کلسیناسیون

تعداد بسیار معدودی از پژوهشگران اثر زمان کلسیناسیون را بر خواص نهایی پودر مورد بررسی قرار داده اند. یکی از کارهایی که در این زمینه انجام شده، پژوهش لی و همکارانش می باشد که اثر زمان کلسیناسیون را بر روی اندازه کریستالیتهای به دست آمده را مطالعه کرده اند. نمودار مربوط به وابستگی اندازه ذرات به زمان در شکل 2 دیده می شود.
روش سل- ژل در تولید نانو پودر YSZ
با توجه به نمودار می توان دریافت که انتخاب زمان مناسب برای کلسیناسیون، بستگی مستقیم به دمای انتخاب شده دارد. با افزایش دمای کلسیناسیون، به منظور ممانعت از رشد کریستالیت ها باید زمان مناسب با آن دما انتخاب گردد. همانطور که در نمودار مشاهده می شود، در دمای 773 کلوین تا زمان 90 دقیقه، افزایش قابل توجهی در اندازه کریستالیت مشاهده نمی شود اما با افزایش بیشتر زمان، 11.8 % افزایش در اندازه کریستالیتها وجود خواهد داشت. این روند در مورد دماهای 873 و 973 کلوین متفاوت است و در این دماها، افزایش زمان حتی از 10 دقیقه تا 30 دقیقه سبب رشد کریستالیتها میشود که این امر نشانگر آن است که با افزایش دما روند رشد کریستالیتها سریعتر میشود و در زمانهای کوتاه تری اتفاق می افتد.

اثر دمای کلسیناسیون

پژوهشگران متعددی اثر دمای کلسیناسیون را بر روی ویژگی های نانوپودرهای نهایی تولید شده توسط روش سل- ژل مورد مطالعه قرار داده اند. به طور کلی در اکثر موارد دمای کلسیناسیون بهینه از تفسیر نتایج آنالیز DTA، حاصل میگردد به این ترتیب که با در نظر گرفتن پیک اگزوترم مربوط به کریستالیزاسیون، دمای دقیق تبلور پودرها مشخص میگردد.
در پژوهشی که توسط کیو و لی انجام شده است آنالیز FT-IR بر روی نمونه های پودر ژل تهیه شده از روش سل- ژل که در دماهای مختلف کلسینه شدهاند، انجام گرفته است که نتایج آن در شکل 3 مشاهده می گردد. همچنین نتایج آنالیز XRD انجام شده بر روی این پودرها، در شکل 4 مشاهده می گردد.
روش سل- ژل در تولید نانو پودر YSZ
روش سل- ژل در تولید نانو پودر YSZ
همانطور که از نتایج تست FT-IR بر می آید، پودرهای کلسینه نشده دارای پیوندهای O-H، N-O و کلا پیوندهای گروه های آلی هستند و یونهای آزاد نیترو، نیترات و هیدروکسی در پودرها موجودند. با افزایش دمای کلسیناسیون این ارتعاشات پیوندی به تدریج ناپدید می شوند و وقتی که دمای کلسیناسیون به 973 کلوین می رسند، غیر قابل تشخیص میگردند.
نتایج آنالیز XRD، نشان می دهند که نمونههایی که به مدت 2 ساعت در دمای 473 کلوین کلسینه شده اند، همچنان آمورف می باشند. وقتی دمای کلسیناسیون به 673 کلوین می رسد، پیک های موجود دال بر کریستاله شدن زیرکونیا در فاز مکعبی میباشند اما پیکهای پهن، نشان دهنده کریستالیزاسیون ضعیف و ذرات بسیار ریز YSZ هستند. وقتی دمای کلسیناسیون از 673 به 1273 کلوین می رسد، پیکها بسیار تیزتر و قویتر می شوند که نشان دهنده بهبود تبلور YSZ با افزایش دمای کلسیناسیون است.
اما دبونی و همکارانش اثر افزایش دمای کلسیناسیون را بر اندازه کریستالیتها بررسی کردهاند. در شکل 5 نمودار اندازه کریستالیتها بر حسب دمای کلسیناسیون دیده می شود. همانطور که از نمودار پیداست، با افزایش دمای کلسیناسیون اندازه کریستالیتها افزایش می یابد که در حقیقت نمایانگر رشد ذرات می باشد. انرژی اکتیواسیون بسیار پایین برای رشد کریستالهای YSZ یک ویژگی اصلی نانوکریستال های سرامیکی است. در حین کلسیناسیون، معمولترین نوع رشد، اگریگاسیون و تشکیل باندهای حالت جامدی است که بین نانوذرات تشکیل می شود.
روش سل- ژل در تولید نانو پودر YSZ



موضوع مطلب :
پنج شنبه 98 دی 12 :: 10:16 صبح ::  نویسنده : مهندس سجاد شفیعی

روشهای تولید نانو ذرات YSZ

 

نویسنده: حبیب الله علیخانی
خواص قطعات سرامیکی به عواملی چون اندازه، شکل ذرات، خلوص و یکنواختی پودر مصرفی به طور مستقیم بستگی دارد و به واکنشهای حین پخت که خود متاثر از نوع و چگونگی مواد اولیه است نیز مربوط میشود. اندازه ذرات، شکل ذرات، میزان خلوص آنها همراه با ثبات ترکیب و استوکیومتری عناصر از جمله عواملی میباشند که کنترل دقیق آنها میتواند ما را به ظهور خواص ویژه سرامیکها رهنمون سازد. برای دستیابی به سرامیک هایی با دانسیته تئوری، پودر ریز دانه با توزیع اندازه پهن و شکل تقریباً کروی و غیر آگلومره مطلوب است.
با پیشرفت تکنولوژی، نیاز به مواد اولیه خالص با ویژگیهای دقیق و مشخص که به راحتی قابل کنترل باشد احساس شد، به همین دلیل راههایی جهت دستیابی به این خواص آغاز گردید که مهمترین آنها روشهای شیمیایی تهیه پودر است. هر قدر اختلاط عامل پایدار کننده با زیرکونیا بیشتر باشد، مسیر و زمان کوتاهتری را برای حضور در سرتاسر شبکه زیرکونیا طی خواهد کرد و لذا احتیاج به حرارت پایینتر و همچنین مقدار پایدار کننده کمتری میباشد که به وسیله روشهای شیمیایی قابل انجام است. با توجه به این دو موضوع دیده میشود که در واقع با استفاده از روشهای شیمیایی میتوان میزان اختلاط و توزیع عوامل پایدار کننده را به حداکثر ممکن رساند و ضمناً پودری با خواص مناسب به دست میآید که در نتیجه دو هدف تولید پودر زیرکونیا و پایدار نمودن آن به طور همزمان حاصل شده است.
از این مواد اولیه در ساخت و تولید محصولات جدید به خصوص سرامیکهای مهندسی و سرامیکهای نوین به منظور بهره وری از خواص ویژه سرامیکها استفاده شده است. مهمترین عاملی که متخصصین را به بهره برداری از اینگونه خواص رهنمون ساخت، کنترل مواد اولیه بوده است. سابقاً برای افزایش هدایت الکتریکی زیرکونیا و نیز پایدارسازی آن، از روش های فرآوری خشک استفاده می شد. این روش شامل مخلوط کردن پودر زیرکونیا یا اکسی کلرید زیرکونیم با یک عامل پایدار کننده و گرم کردن مخلوط برای ساعتهای طولانی بود تا محلولهای جامد اکسیدی غیر استوکیومتری به دست آید. فرایند فرآوری خشک نیاز به دماهای بسیار بالا برای فرآوری مواد در کاربردهای مورد نظر دارد. دماهایی که در تحقیقات مختلف برای این روش ذکر شده است 1350 درجه ی سانتیگراد و بالاتر است. بعد از بهدست آوردن فاز مکعبی، پودرها حتی در دماهای بالاتر تفجوشی می شوند تا هدایت الکتریکی آنها افزایش یابد. زیرکونیا و زیرکونیای پایدار شده با ساختار مکعبی و تتراگونال در دماهای بسیار پایینتر هم با گرم کردن ذرات ریز به دست آمده از محلولهای آبی قابل دستیابی هستند.
پودرهای زیرکونیای دوپ شده یکنواخت و بسیار ریز، به دلیل تهیه سرامیک هایی برای طرحهای الکترونیکی دارای اهمیت فراوانی است. این پودرها نه تنها امکان و توانایی تهیه سرامیک های متراکم را در دماهای پایین فراهم میکنند بلکه خواص ترمومکانیکی بهتری نیز دارند؛ چرا که در نهایت اندازه دانه کوچکی دارند. روشهای زیادی برای تهیه شیمیایی پودرها در دسترس می باشد. به کارگیری روشهای شیمی تر برای تهیه پودرهای سرامیکی مخصوصاً در جهت دستیابی به درجه بالایی از همگنی و قابلیت پخت بهتر می باشد.

روش رسوب دهی

همانطور که پیشتر گفته شد، عموماً پودرهایی که با روشهای شیمیایی تر فرآوری میشوند، همگنی بیشتری دارند و توزیع نقایص مانند جایهای خالی اکسیژن در آنها همگنتر خواهد بود که این امر خواص الکتریکی آنها را تحت تاثیر قرار خواهد داد. بررسیهای انجام شده نشان می دهند که روش تولید پودر بر روی خواص الکتریکی YSZ شدیداً تاثیر گذار است. روش رسوبدهی به دلیل قابلیت اعمال کنترل در مقیاس بالا یکی از روشهای موثر برای تولید پودر شناخته شده است که نه تنها انرژی اکتیواسیون لازم برای انجام فرایند را کاهش می دهد، بلکه ماده ای با خواص بهبود یافته نیز فراهم می کند. در این روش رسوب گذاری عمدتاً توسط هیدروکسید آمونیم یا اوره انجام می شود.
در پژوهشی که توسط برون و همکارانش انجام گرفته، رسوبدهی پودرهای YSZ از محلول های آبی مورد بررسی قرار گرفته است. در این روش YSZ از محلول آبی نیترات ایتریم 4 آبه و نیترات زیرکنیل توسط هیدروکسید آمونیم رسوب داده میشود. سپس رسوبها در هوا خشک شده و کلسینه می گردند.
در پژوهش دیگری که توسط ژین و همکارانش انجام گرفته، از روش رسوبدهی همگن برای تولید YSZ استفاده شده است. در این روش مواد اولیه شامل ایتریا و زیرکونیل کلراید 8 آبه می باشد. ایتریا در مقادیر معین در اسید نیتریک حل شده و سپس زیرکونیل کلراید 8 آبه نیز در آب دیونیزه حل شده و با محلول نیترات ایتریم مخلوط می گردد. سپس اوره به این مخلوط اضافه شده و رقیق می گردد تا غلظت زیرکونیا در آن به 0.05 مول بر لیتر برسد. محلول حاصل در یک اتوکلاو در دمای 85 درجه ی سانتیگراد و به مدت یک ساعت گرم میگردد تا رسوب هیدروژل تشکیل شود. این رسوب توسط سانتریفوژ جمعآوری شده و سپس به دفعات با آب دیونیزه شستشو داده می شود و پس از خشک کردن در دمای 500 درجه ی سانتیگراد، کلسینه می گردد.
متوسط اندازه کریستالیتهای بهدست آمده با این روش توسط فرمول شرر، 7 نانومتر گزارش شده است. همچنین طیف های رامان گرفته شده نشان می دهند که نمونه ها عمدتاً شامل فاز مکعبی هستند. همچنین نتایج آنالیز TEM نشان داده اند که آگلومراسیون در این پودرها بسیار ضعیف می باشد. نانو پودرهای همگن با آگلومراسیون کم به دست آمده از این روش، قابلیت کاربرد برای ساخت ابزار سرامیکی پیشرفته را دارند.

روش رسوب دهی دو امولسیونی

در میان روشهای گوناگون تولید پودر، رسوب دهی ذرات از محلول به دلیل سهولت، ارزانی و قابل کنترل بودن، روشی خوب و قابل قبول می باشد. مشکل اغلب روشهای رسوب دهی متعارف این است که ذراتی با شکل هندسی نامنظم و توزیع اندازه ذرات وسیع حاصل میشود که این مشکلات را می توان با استفاده از تکنیک رسوب دهی دو امولسیونی برطرف کرد. اولین قدم در روش رسوب دهی امولسیونی، یافتن فرمولی مناسب برای پایداری امولسیون است که شامل فعال کننده سطحی و یا مخلوطی از فعال کنندههای سطحی در کنار آب و روغن می باشد. اگر اندازه قطرات امولسیون مورد توجه قرار گیرد، دو نوع مختلف به نام های ماکرو امولسیون و میکروامولسیون را می توان نام برد. در میکرو امولسیون ذرات باید از ابعاد بسیار کوچکتری نسبت به ماکروامولسیون برخوردار باشند. معمولاً میکرو امولسیونها شفاف هستند زیرا اندازه قطرات در آنها بین چند نانومتر تا 100 نانومتر است اما ماکروامولسیونها حالتی شیری شکل دارند زیرا اندازه قطرات در آنها در حد میکرومتر می باشد. اخیراً تحقیقاتی انجام گرفته است که بر طبق آنها میتوان برای تهیه پودرهای سرامیکی نظیر آلومینا، زیرکونیا و ایتریا را از روش رسوب دهی امولسیونی استفاده کرد. ایده پایه در تکنیک رسوبدهی دو امولسیونی در شکل 1 نشان داده شده است.
در این روش دو محلول امولسیون در دو ظرف جداگانه آماده می شوند. یک ظرف حاوی روغن به علاوه فعال کننده های سطحی می باشد که درون آن محلول ذرات اکسید فلزی آبدار وجود دارد و در ظرف دیگر محلول آمونیاک آبی موجود است. بعد از آماده سازی، این دو محلول با تلاطم و سرعت زیاد با یکدیگر مخلوط میشوند. سرعت تعویض و تغییر ذرات داخلی در حل شدن در یکدیگر بسیار پایین است به عنوان مثال تماس بین ذرات فلزی محلول و آمونیاک نیازمند نفوذ آمونیاک از میان فاز روغن می باشد که در مسیر نشان داده شده در شکل 1 نمایان است. از طرف دیگر تعویض ذرات می تواند به علت به هم پیوستن ذرات از دو نوع مختلف باشد. در حقیقت چند مرحله را میتوان در انجام این واکنشهای زنجیرهای نام برد: نفوذ و جابجایی قطرات برای رسیدن به یکدیگر، باز شدن لایه های فعال کننده های سطحی و تماس آنها، نفوذ مولکولهای قابل حل درون اگریگیتهای دیمری که به صورت لحظه ای تشکیل می شوند، واکنش بین مولکولهای حل شونده، جوانه زنی و رشد ذرات اولیه به وجود آمده و جدایش ذرات به منظور تشکیل ذرات ریزتر.
مزیت تکنیک رسوب دهی دو امولسیونی، دستیابی به غلظتهای یکنواخت آمونیا درون فاز روغن است. در این روش اندازه، توزیع اندازه و شکل محصولات تولیدی نسبت به روشهای متعارف رسوب دهی قابل کنترل تر می باشد. در ادامه روشهای متعددی که توسط آنها با استفاده از این تکنیک ترکیبات حاوی زیرکونیم تولید شده اند مورد بررسی قرار می گیرند.
روش اول عبارت است از دمیدن گاز آمونیاک در محلول امولسیونی که حاوی ذرات آبی Zr می باشد. پس از این مرحله رسوبهای ژل مانندی تشکیل شده و سپس زیرکونیا آگلومره شده حاصل می گردد که ابعاد ذرات آن پس از کلسیناسیون در حد زیر میکرون میباشد. کانای و همکارانش در سال 1987 پودر اکسیدی زیرکونیم ایتریم با اندازه متوسط 100 تا 200 نانومتر را تحت شرایط بهینه و با این روش، تولید کردند.
در روش دیگری که در سال 1997 توسط باون انجام گرفته است، دو محلول مورد استفاده در میکرو امولسیون عبارتند از زیرکو نیترات و محلول آمونیا. این دو محلول آماده سازی شده و مخلوط میشوند تا ذرات اولیه به دست آیند. سپس این ذرات به منظور دستیابی به زیرکونیا تتراگونال کلسینه می گردند. ذرات به دست آمده کروی، غیر آگلومره و اندازه آنها در محدوده 5 تا 10 نانومتر می باشد. باید خاطر نشان کرد که میزان فعال کننده سطحی که در این روش به کار گرفته می شود بسیار بالا بوده و به میزان 35 درصد وزنی کل محلول امولسیون می باشد.
همانطور که گفته شد هدف از تکنیک رسوب دهی دو امولسیونی، کنترل اندازه ذره میباشد. فاکتورهای مهمی در بهینه کردن شرایط تولید پودر با استفاده از این روش نقش دارند که به طور خلاصه به برخی از آنها اشاره می شود. از فاکتورهای بسیار مهم پایداری امولسیون می باشد که در این رابطه تاثیرات نوع فعال کننده سطحی، غلظت یون زیرکونیم 4 بار مثبت و نسبت آب/روغن توسط محققان مختلف بررسی شده و چنین نتیجه شده است که غلظت پایین این یون و همچنین نسبت کمتر آب/روغن شرایط مناسب تری را برای پایداری ماکروامولسیون فراهم می نماید. همچنین ماکروامولسیونهای پایداری با استفاده از سه فعال کننده آنیونی مختلف که عبارتند از Arlace 183، Span80 و Span40، مناسب ترین ماده تشخیص داده شده است. افزودن این فعالکنندههای سطحی به فرمولاسیون، کشش سطحی قطرات را کاهش می دهد.
از پارامترهای مهم دیگر می توان به نوع فاز روغنی و غلظت محلول آبی اشاره کرد که بر روی خواص امولسیون موثر بوده و متعاقب آن خواص ذره تولید شده را نیز تحت تاثیر قرار میدهد. اندازه قطرات در فاز آبی نیز از پارامترهای بسیار مهمی است که بر روی اندازه نهایی پودر تولید شده موثر است. در تحقیق انجام شده توسط تای و همکارانش تاثیر غلظت محلول آبی روی اندازه قطرات آبی در سیستم ماکروامولسیون بررسی شده است. طبق نتایج بهدست آمده از این پژوهش نمودار توزیع اندازه قطرات فاز آبی هنگامی که غلظت کاهش می یابد، به سمت ابعاد کوچکتر می رود.
شدت و زمان هم زدن نیز از دیگر پارامترهای موثر در تولید پودر به روش رسوب دهی امولسیونی می باشند. در تحقیقات نشان داده شده که افزایش شدت همزدن منجر به افزایش اندازه دانه ها می شود و نیز نشان داده شده که تاثیر همزدن به مراتب کمتر از تاثیرات غلظت می باشد.
روشهای تولید نانو ذرات YSZ

روش هیدرو ترمال

روش هیدروترمال روشی برای تولید جامدات غیر آلی اکسیدی یا غیر اکسیدی است. در روش های تولید هیدروترمال، کنترل فاز و مورفولوژی محصول به وسیله به کار گرفتن واسطه واکنش مناسب و در نظر گرفتن خواص فیزیکی نظیر ویسکوزیته، نقطه جوش و قابلیت پولاریته شدن، آسان می باشد.
به علاوه وجود واسطه واکنش مایع می تواند از تشکیل آگریگیتهای سخت محصولات در حین تولید، ممانعت به عمل آورد. در این فرایند یک روش بسیار مورد قبول، استفاده از یک حلال الکلی به عنوان جایگزینی برای آب، به عنوان واسطه واکنش برای جلوگیری از آب کافت اولیه میباشد. آب بعداً به سیستم واکنش افزوده می شود تا آبکافت اجزاء فلزی را تسهیل نماید.
روش هیدروترمال به طور گسترده ای برای تولید ذرات بسیار ریز زیرکونیا به کار میرود. متغیرهای فرایند مانند pH، غلظت، دما و زمان، اثرات مهمی بر ساختار کریستالی زیرکونیا دارند. در پژوهشی که توسط ژیانگ دنگ و همکارانش انجام گرفته است سنتز زیرکونیا در الکل های خاص تحت شرایط هیدروترمال مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. در این روش از تتراکلرید زیرکونیم به عنوان ماده اولیه استفاده می گردد و پس از خشک شدن، الکل مورد نظر (متانول، اتانول، ایزو پروپانول) به آن افزوده میشود و سپس در اتوکلاو تحت حرارت تا 300 درجه ی سانتیگراد، قرار می گیرد. محلولهای حاصله از متانول سوسپانسیونهای پایدار از نانو ذرات می باشند که برای جدا کردن آنها از تبخیر استفاده می گردد.
زیرکونیای تولید شده تتراگونال بوده و اندازه متوسط دانه آن نانومتر گزارش شده است. این محققان به این نتیجه رسیده اند که افزودن آب ضروری نمی باشد زیرا حلالهای الکلی در حین فرایند طی فرایند اتری شدن، آب تولید می نمایند. محصولات تولید شده توسط این پژوهشگران، نانو کریستالیتهای بسیار ریز بودند که تنها در برخی موارد آگلومرههای بسیار ضعیف در آنها تشکیل شده بود و توزیع اندازه دانه نیز نسبتاً همگن بوده است.
در پژوهش دیگری که توسط گانگ ژو و همکارانش انجام گرفته است، برای تولید نانوپودرهای زیرکونیای پایدار شده با اسکاندیا (ScSZ) که هدایت یونی قابل توجهی را داراست، از روش هیدروترمال دو مرحلهای و رسوب گیری در حضور اوره استفاده شده است. در این روش از نیترات اسکاندیم و زیرکونیم، به عنوان مواد اولیه، استفاده شده است. این مواد اولیه در دمای 80 درجه ی سانتیگراد به مدت 24 تا 48 ساعت گرم شده و سپس در دمای 180 درجه ی سانتیگراد، به مدت 48 تا 72 ساعت دیگر گرم می گردند. پودرهای رسوب کرده فیلتر شده و با آب دیونیزه و اتانول شسته شده و در یک گرم کن خلاء در دمای 40 درجه ی سانتیگراد، خشک می شوند. در نهایت پودرهای حاصله در دمای 600 تا 1200 درجه ی سانتیگراد، به مدت یک ساعت در یک کوره مافلی تحت هوای ساکن کلسینه می گردند. در واقع در این روش اوره، کنترل کننده بازیسیته سیستم می باشد زیرا با افزایش بازیسیته، رسوب ژل زیرکونیا افزایش یافته و جوانه زنی فاز مونوکلینیک نیز افزایش می یابد و نیز استحاله آن به فاز مکعبی زیاد می گردد. مرحله دوم عملیات هیدروترمال به خاطر دادن دما و زمان کافی برای متبلور شدن نانو کریستالیتها به صورت مکعبی و جلوگیری از استحاله تشکیل مونوکلینیک است. اندازه ذره متوسط در این کار تحقیقاتی کوچکتر از 10 نانومتر و سطح ویژه آنها نیز 157 متر مربع بر گرم گزارش شده است.
پژوهش دیگری که توسط کانگودتیتی و همکارانش انجام شده است، مقدار معینی از تترا- نرمال پروپوکسید زیرکونیم به 100 میلی لیتر گلیکول اضافه شده و تحت گاز نیتروژن تا 300 درجه ی سانتیگراد، حرارت داده می شود و به مدت 2 ساعت در این دما نگهداری می گردد. پس از سرد شدن تا دمای اتاق، پودرها جمع آوری شده و با متانول شستشو داده میشوند و سپس در هوا خشک میگردند. کلسینه کردن پودرها نیز به مدت یک ساعت انجام می گیرد. نتایج به دست آمده حاکی از این است که پودرهای به دست آمده با استفاده از غلظت های مختلف ZNP همه سفید رنگ و تتراگونال بودهاند و اندازه ذرات با افزایش غلظت ZNP، از 3.4 نانومتر به 4.8 نانومتر افزایش یافته است. پس می توان چنین نتیجه گرفت که افزایش غلظت ماده تامین کننده زیرکونیم باعث ترغیب آگلومراسیون و درشت شدن ذرات می گردد.



موضوع مطلب :

چاپ، پلیمرها را تخت می‌کند و خواص الکتریکی و اپتیکی را بهبود می‌بخشد

محققان راهی پیدا کرده اند که از چاپ پلیمر برای کشش و تخت کردن مولکولهای پیچ خورده استفاده کنند تا برق را بهتر هدایت کنند. تیمی به رهبری مهندسین شیمی و مولکول زیستی از دانشگاه ایلینویز یافته های خود را در ژورنال پیشرفت های علم گزارش می دهند.
 
پلیمرهای در هم آمیخته شده توسط اجتماع مولکولهای غنی از الکترون در امتداد یک ستون فقرات از پیوندهای شیمیایی تک و دوتایی متناوب تشکیل می شوند. این پیوستگی به برق اجازه می دهد تا خیلی سریع از طریق پلیمر تردد کند و آن را برای استفاده در کاربردهای الکتریکی و نوری بسیار مطلوب می سازد. محققان گفتند این شیوه حمل بارها الکتریکی به حدی خوب کار می کند که پلیمرهای در هم آمیخته اکنون آماده رقابت با مواد سیلیکونی هستند.
 
لکن ، این پلیمرها هنگام پیوستن به هم تمایل به از شکل افتادن در مارپیچهای پیچ خورده دارند ، که این به شدت مانع حمل بار الکتریکی می شود.
 
یینگ دیائو ، استاد مهندسی شیمی و بیومولکولی ، که هدایت این مطالعه را بر عهده داشت ، گفت: "صاف بودن یا مسطح بودن یک پلیمر در هم آمیخته نقش زیادی در توانایی آن در انتقال برق دارد." "حتی پیچ و تاب کمی در ستون فقرات می تواند مانع توانایی الکترون ها برای عدم تمرکز و جریان شود."
 
دیائو گفت ، می توان پلیمرهای در هم آمیخته را با اعمال فشار بسیار زیاد یا دستکاری در ساختار مولکولی آنها صاف کرد ، اما هر دو روش بسیار پر زحمت هستند. "واقعاً هیچ راهی آسان برای انجام این کار وجود ندارد."
 
محقق فوق دکترا کیونگ سان پارک و دانشجوی فارغ التحصیل جاستین کووک هنگام هدایت آزمایش های چاپ و شبیه سازی های جریان در آزمایشگاه دیائو متوجه چیزی شدند. محققان می گویند که پلیمرها در طی چاپ دو مرحله متمایز از جریان را طی می کنند: اولین مرحله وقتی رخ می دهد که عمل موئینگی جوهر پلیمر را وقتی که شروع به تبخیر می کند بالا می کشد ، و مرحله دوم نتیجه نیروهای تحمیل شده توسط تیغه های چاپ و بستره است.
 
دیائو گفت: "پارک و کووک مرحله دیگری را کشف کردند که در طول چاپ رخ می دهد که در آن به نظر می رسد پلیمرها دارای خواص بسیار متفاوتی هستند." "این مرحله سوم بین دو مرحله قبلاً تعریف شده رخ می دهد ، و نشان می دهد که پلیمرها در حال کشیده شدن به شکل های مسطح هستند."
 
دیائو گفت ، نه تنها پلیمرها در این مرحله سوم کشیده و مسطح می شوند ، بلکه همچنین آنها پس از رسوب زدایی از محلول نیز به این شکل باقی می مانند ، و این امکان را فراهم می آورند که تنظیمات پرینتر را به دقت تنظیم کنید تا پلیمرهای در هم آمیخته را برای استفاده در دستگاه های جدید و سریع‌تر زیست پزشکی و الکترونیک انعطاف پذیر تولید کنید.
 
دیائو گفت: "ما در حال کشف باغ وحش کاملی از مراحل جدید پلیمری هستیم ، که همه نسبت به نیروهایی که در طی فرآیند چاپ روی می دهند حساس هستند." صاف بودن یا مسطح بودن یک پلیمر در هم آمیخته نقش زیادی در توانایی آن در انتقال برق دارد."ما اینگونه تصویر پردازی می کنیم که این تعادل های کاوش نشده و مرحله های تحریک شده با جریان در نهایت به پلیمرهای جدید در هم آمیخته با خواص اپتوالکترونیکی مهیج تبدیل می شوند."
 

فیلم‌های پلیمری جدید به جای به دام انداختن گرما، آن را هدایت می‌کنند

پلیمرها معمولاً ماده عایق حرارتی هستند. به یک دستکش بلند سیلیکونی اجاق یا یک فنجان استیروفوم قهوه فکر کنید ، هر دو از مواد پلیمری ساخته شده و در به دام انداختن گرما بسیار عالی هستند.
 
اکنون مهندسان MIT با ساختن فیلم های پلیمری نازک که گرما را هدایت می کنند - توانایی ای که معمولاً با فلزات همراه است - تصویری که از عایق پلیمری استاندارد وجود دارد را معکوس کرده اند. در آزمایشات ، آنها فیلم هایی را پیدا کردند که از پوشش پلاستیکی نازک تر هستند و گرما را بهتر از بسیاری از فلزات شامل فولاد و سرامیک هدایت می کنند.
 
نتایج این تیم ، که در ژورنال ارتباطات طبیعت منتشر شده است ، ممکن است تحریکی باشد برای توسعه عایق های پلیمری‌ به عنوان جایگزین های سبک ، انعطاف پذیر و مقاوم در برابر خوردگی برای رساناهای گرمایی فلزی سنتی ، برای کاربردهای مختلف از مواد دفع گرما در لپ تاپ ها و تلفن های همراه گرفته تا عناصر خنک کننده در خودروها و یخچال ها.
 
"ما فکر می کنیم این نتیجه گامی برای تحریک این زمینه است."  "دید بزرگتر ما این است که این خواص پلیمرها می توانند کاربردها و شاید صنایع جدیدی ایجاد کنند و ممکن است جایگزین فلزات به عنوان مبدل های حرارتی شوند."
 
در سال 2010 ، این تیم گزارش موفقیت خود را در ساخت الیاف نازک پلی اتیلن ، که 300 برابر هدایت گرمایی بیشتر از پلی اتیلن معمولی داشتند و تقریباً به اندازه اغلب فلزات رسانای گرمایی بودند ، دادند. نتایج آنها ، که در ژورنال نانوتکنولوژی طبیعت منتشر شد ، توجه صنایع مختلفی از جمله تولید کنندگان مبدل های حرارتی ، پردازنده های هسته رایانه و حتی اتومبیل های مسابقه را به خود جلب کرده است.
 
خیلی زود مشخص شد ، برای این که هادی های پلیمری بتوانند برای هر یک از این کاربردها کار کنند ، مواد باید از فیبرهای فوق العاده نازک (یک فیبر منفرد به اندازه یک صدم قطر موهای انسان اندازه گیری می شود) به فیلم های قابل کنترل تر افزایش ابعاد دهند.
 
چن می گوید: "در آن زمان که گفتیم به جای یک فیبر واحد ، می توانیم تلاش کنیم که یک ورق بسازیم." "این روند بسیار دشوار از کار در آمد."
 
محققان نه تنها لازم بود از پسِ ساختن ورق های رسانای گرما از پلیمر بر آیند ، بلکه همچنین لازم بود اسبابی سفارشی را می ساختند تا بتوانند هدایت گرمای این ماده را تست کنند ، و همچنین کدهای رایانه ای را برای تحلیل تصاویر ساختارهای میکروسکوپی مواد تهیه کنند. در پایان ، این تیم توانست فیلم های نازکی از پلیمرهای هادی را با شروع از پودر پلی اتیلن تجاری بسازد.
 
منبع: دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign ، دفتر خبر



موضوع مطلب :
پنج شنبه 98 دی 12 :: 10:13 صبح ::  نویسنده : مهندس سجاد شفیعی

مفهوم شگفت انگیز حد تناسب بین تنش و کرنش

علم مواد و مکانیک شاخه‌هایی از فیزیک هستند که به بررسی خصوصیات شیمیایی و فیزیکی هر ماده‌ی منفردی می‌پردازند، و کاربردهای آن در مهندسی و علوم محض است. در حالی که رویکرد تقلیل گرایانه از مطالعه خواص مواد در سطح اتمی یا مولکولی ممکن است به ما در درک برخی خصوصیات مواد کمک کند، نمی‌توان پیش بینی کرد که وقتی نیروهای بین مولکولی به ایفای نقش بپردازند ماده به صورت توده‌ای و بزرگ مقیاس چگونه رفتار خواهد کرد. در کاربردهای کاملاً مهندسی، لازم است مواد برای قدرتشان مورد آزمایش قرار بگیرند تا نقطه تسلیم یا حد قدرت کشش آنها مشخص شود. نیروهای ماکروسکوپی در اینجا وارد بازی می‌شوند. یکی از خصوصیات فیزیکی وابسته، که هنگام انجام تست‌های استرس اندازه گیری می‌شود، حد تناسب است.
 

درباره تنش و کرنش

قدرت یک ماده با نحوه پاسخگویی به تنش و کرنش اندازه گیری می‌شود. تنش، اندازه‌ای است از نیروی داخلی در واحد سطح که بر روی جسم وارد می‌شود هنگامی که جسم تحت تأثیر نیروهای تغییر شکل دهنده قرار می‌گیرد. واحد تنش همان فشار است و برابر با نیوتن بر متر مربع است.
 
از نظر مهندسی، کرنش با توجه به ابعاد اصلی آن، یک نسبت تغییر در ابعاد هر جسم است. این اعوجاج جسم است که بر اثر اعمال نیروهای خارجی بر روی آن اتفاق می‌افتد. این تغییر مکان لایه‌های جسم است که تحت تأثیر اِعمال نیروی تغییر شکل دهنده وارد بر ماده رخ می‌دهد.
 
قانون هوک رابطه‌ای بین تنش و کرنش است که توسط یک جسمِ تحت دفرمه شدن احساس می‌شود. این قانونِ تقریبی بیان می‌کند که در حد الاستیک، کرنشی که توسط یک ماده احساس می‌شود مستقیماً با تنش متناسب است. حد الاستیک نقطه‌ای است که اگر یک شیء فراتر از آن، کشیده شود، برای همیشه تغییر شکل می‌دهد. ضریب تناسب بین تنش و کرنش به عنوان مدول الاستیسیته ماده شناخته می‌شود.
 

تعریف

حد تناسب، حداکثر میزان تنش است که یک شیء می‌تواند تحمل کند در حالی که هنوز از قانون هوک پیروی می‌کند. به عبارت دیگر، بالاترین میزان تنشی است که ممکن است یک ماده در معرض آن قرار بگیرد در حالی که هنوز هم یک رابطه خطی با کرنش را حفظ می‌کند.
 
اگر منحنی تنش را در برابر کرنش ترسیم کنید، خواهید دید که تا رسیدن به نقطه تسلیم، رابطه‌ای خطی بین آنها وجود دارد. بعد از این مرحله، کرنش بدون افزایش تنش در حال افزایش خواهد بود. بالاترین مقدار تنش، درست قبل از رسیدن به نقطه تسلیم، به عنوان حد تناسب شناخته شده است.
 
اگر نیرویی اعمال کنید، فراتر از این حد، رابطه تناسب خطی بین تنش و کرنش دیگر حفظ نمی‌شود. اگر تنش بیشتری را فراتر از این مرحله اعمال کنید ممکن است مواد به طور دائمی تغییر شکل دهند. به خودی خود، هیچ فرمولی برای حد تناسب وجود ندارد، زیرا مقدار دقیق حداکثر تنش که یک ماده می‌تواند تحمل کند، کاملاً به ساختار مولکولی داخلی یا ساختار بلوری آن بستگی دارد.
 
اگر مهندسی تولید یا مکانیک را دنبال می‌کنید، می‌دانید که مطالعه خواص مواد مانند حد تناسب آنها و درجه بندی آنها با توجه به قدرت عملکرد آنها از مهمترین وظایف یک طراح و مدیر تولید است.
 

قانون هوک

قانون هوک یک قانون فیزیکی است که می‌گوید نیرویی (F)  که لازم است که فنری را به اندازه x بکشد یا فشرده سازد به صورت خطی متناسب با x است. یعنی Fs=kx که در آن k فاکتور ثابتی است که اندازه آن به ویژگی فنر مثل سختی آن بستگی دارد، و x در مقایسه با دفرمه شدن ممکن کلی فنر کمیت کوچکی است. این قانون به افتخار روبرت هوک، فیزیکدان انگلیسی قرن هفدهم به نام او نامگذاری شده است. وی برای اولین بار این قانون را در سال 1676 به صورت یک نمودار لاتینی بیان کرد.
 
معادله هوک در بسیاری از مواقع دیگر که جسم الاستیک تحت نیروهای تغییر شکل دهنده قرار می‌گیرد، مانند مورد وزش باد بر روی یک ساختمان بلند، و یا زمانی که یک نوازنده رشته‌ی گیتار خود را می‌کشد، (تا حدی) اعتبار خود را حفظ می‌کند. به یک جسم یا ماده‌ی الاستیکی که می‌توان برای آن اعتبار این قانون را فرض کرد، خطی - الاستیک یا هوکیَن گفته می‌شود.
 
قانون هوک فقط یک تقریب خطی مرتبه اول به پاسخ واقعی فنرها و سایر اجسام الاستیک به نیروهای اعمال شده است. وقتی نیروهای اعمالی از حد مجاز فراتر رفتند این قانون درنهایت باید شکست بخورد، زیرا هیچ ماده‌ای نمی‌تواند بیش از حداقل اندازه معینی فشرده شود، یا بیش از حداکثر اندازه‌ای کشیده شود بدون این که تغییر شکل یا تغییر وضعیت دائمی بدهد. نمی‌توان پیش بینی کرد که وقتی نیروهای بین مولکولی به ایفای نقش بپردازند ماده به صورت توده‌ای و بزرگ مقیاس چگونه رفتار خواهد کرد.حتی بسیاری از مواد به طرز محسوسی قبل از رسیدن به این محدوده‌های الاستیک، از قانون هوک کمابیش منحرف می‌شوند.
 
از طرف دیگر، قانون هوک تقریباً برای بسیاری از اجسام جامد یک تقریب دقیق است تا زمانی که نیروها و تغییر شکل‌ها به اندازه کافی کوچک باشند. به همین دلیل، قانون هوک در همه شاخه های علوم و مهندسی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد و پایه و اساس بسیاری از رشته ها مانند زلزله شناسی، مکانیک مولکولی و آکوستیک است. همچنین این قانون، اصلی اساسی در مقیاس فنر، مانومتر و چرخ تعادل ساعت مکانیکی است.
 
نظریه مدرن الاستیسیته، قانون هوک را تعمیم می‌دهد تا بگوید که کرنش (تغییر شکل) یک ماده یا ماده الاستیک متناسب با تنش اعمال شده بر آن است. با این حال، از آن جا که تنش‌ها و فشارهای کلی ممکن است چندین مؤلفه مستقل داشته باشند، "ضریب تناسب" ممکن است دیگر فقط یک عدد واقعی واحد نباشد، بلکه یک نقشه خطی (یک تانسور) است که می‌تواند توسط یک ماتریس از اعداد حقیقی نشان داده شود.
 
در این شکل کلی، قانون هوک استنتاج رابطه بین کرنش و تنش را برای اشیاء پیچیده بر حسب خصوصیات ذاتی موادی که از آن ساخته شده است ممکن می‌سازد. به عنوان مثال، می توان نتیجه گرفت که یک میله همگن با سطح مقطع یکنواخت مانند کشش یک فنر ساده رفتار خواهد کرد با یک سفتی k که به طور مستقیم متناسب با سطح مقطع آن است و به طور معکوس متناسب با طول آن است.
 
منبع: اُمکار فاتاکک




موضوع مطلب :
پنج شنبه 98 دی 12 :: 10:11 صبح ::  نویسنده : مهندس سجاد شفیعی

صنایع شیمیایی پتروشیمی و محصولات جنگلی

 

مترجم: حبیب الله علیخانی
 

عملیات های صنعتی کنونی و استفاده از دیرگدازها

صنایع شیمیایی ادوات فرآوری دارد که در گستره ی 370 تا 1870 درجه ی سانتیگراد کار می کنند. واحدهای حاوی آسترهای دیرگداز در یک بخش پالایشگاهی نمونه وار، می توانند شامل واحد کراکینگ کاتالیستی (FCCUs)، بهینه سازهای کاتالیستی، هیترهای مشعلی، بویلرها، بهینه سازهای هیدروژن، کوره های اتیلنی، مخازن مخصوص سوزاندن و کوره های کربن می باشد. برخی از این واحدها به گونه ای طراحی شده اند که قابلیت عایق کاری را دارا می باشند در حالی که برخی بخش های دیگر، واحدهای دما پایین هستند (مانند FCCUs) و از ای نرو، تنها حاوی یک لایه ی منفرد از مواد دیرگداز هستند که برای فایق آمدن بر سایش شدید ایجاد شده به دلیل کاتالیست ها، اعمال شده اند.در صنعت پتروشیمی و سنتز صنعتی گازها، طراحی های جدید در محیط حمایت کننده ی کاتالیست و عایق کاری با استفاده از دیرگدازها، موجب افزایش در عمر مفید عملیات و افزایش بازده رآکتورهای مختلف می شود.هزینه ی تخمین زده شده برای عایق کاری با آسترهای دیرگداز و کارهای نصب و نگهداری آنها در صنعت شیمیایی و پتروشیمی، نسبتاً پایین است (در واقعا مقداری نزدیک به 1 % از کل هزینه های عملیاتی). به دلیل دماهای عملیاتی پایین، در مقایسه با سایر صنایع، دیرگدازها به صورت نرمال بوسیله ی دماهای بالا تحت تأثیر قرار نمی گیرند و از این رو، تخریب ناشی از ایروژن، خوردگی و تنش های مکانیکی در آنها کمتر است. یکی دیگر از مشکلاتی که بر روی قابلیت اعتماد دیرگدازها اثر گذار است، روشی است که دیرگداز با استفاده از آن نصب می شود. علاوه بر این، آسترکاری این بخش ها، معمولاً زمان کمتری در مقایسه با آسترکاری در سایر صنایع، نیاز دارد. طراحی آسترکاری (ضخامت، نحوی چیدمان، طراحی ساختار و اتصالات مربوطه) نیز می تواند مورد توجه باشد.
همچنین تناژ کلی مربوط به مواد دیرگدازی که در یک پالایشگاه نمونه وار با اندازه ی متوسط مورد استفاده قرار می گیرد، می تواند در حد 1000 تن باشد که این میزان برای حداقل یک دهه کافی است. یک پالایشگاه نمونه وار نیازمند 2500 تن دیرگداز می باشد. برخی از واحدهای حساس تر نیازمند نگهداری هستند و باید هر ساله مورد بازبینی و تعمیر و نگهداری قرار گیرند.
به طور کلی، اکثر دیرگدازهایی که بوسیله ی کارخانه جات مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند، از نوع مونولیتیکی هستند. این دیرگدازها شامل مواد ریختنی، مخلوط های ریخته گری شده با ویبراسیون، مخلوط های چسبی، مواد ریختنی حاوی مقادیر اندک سیمان و بدون سیمان، و انواع مختلفی از دیرگدازهای عایق کاری می باشند. به دلیل اینکه بسیاری از فرایندهای پالایش کوتاه مدت می باشند، یک اتصال سرامیکی می تواند با اتصال های هیدرولیکی (سیمانی) جایگزین شود. برخی از انواع این دیرگدازها را با استفاده از پلاستیک های با اتصال فسفاتی به هم متصل می کنند. در واقع این اتصال ها نیازهای مربوط به دما پایین را برطرف می کنند. برخی از شرکت ها دارای مخلوط های ریختنی هستند که مخصوص استفاده در این بخش ها می باشند.
به هر حال، محلی که دیرگدازی پیشرفته ممکن است بیشترین اثر را بر روی بازده صنعت شیمیایی داشته باشند، بویلرها هستند که در حقیقت برای تولید جریان بخار استفاده می شوند. بهبودهای ایجاد شده در بازده گرمایی بویلرها (به خودی خود) از طریق بهبود عایق کاری بخش های داخلی و لوله های انتقال مقدور می شود. در حقیقت با استفاده از دیرگدازهای مورد استفاده در این بویلرها، میزان اتلاف حرارت به حداقل، می رسد.
در صنعت پتروشیمی و سنتز صنعتی گازها، طراحی های جدید در محیط حمایت کننده ی کاتالیست و عایق کاری با استفاده از دیرگدازها، موجب افزایش در عمر مفید عملیات و افزایش بازده رآکتورهای مختلف می شود. طراحی های جدید از دیرگدازها که در بخش حمایت کننده های کاتالیستی استفاده می شوند، موجب افزایش نرخ جریان و افزایش عمر مفید تولید کاتالیست ها می شوند. کاتالیست ها مواد گران قیمتی هستند و از این رو، این کار موجب صرفه جویی های قابل توجهی می شود. توجه زیادی باید به استفاده از مواد آسترکاری سرامیکی حاوی فیبر و همچنین مواد میکرومتخلخل سیلیسی شود. توجه زیادی نیز باید به استفاده از قطعات پیش ساخته برای استفاده در اجزای مختلف فرایندهای تولید، معطوف شود. همچنین استفاده از تکنولوژی پیش ساخته، بیشتر مد نظر می باشد. به دلیل اینکه این بسیار مهم است که دماهای مربوط به پوسته ی رآکتورها و بخش های واکنشی باید بالاتر از یک دمای آستانه قرار گیرد تا بدی صورت از ایجاد بخار بر روی سطوح رآکتورها جلوگیری به عمل آید، طراح ها تلاش می کنند تا مدل هایی برای پیش بینی گرادیان دمایی و دماهای سطح سرد رآکتورها، توسعه دهند. فقدان اطلاعات در مورد رسانایی گرمایی برخی از مواد ریختگی مونولیتیک یکی از مشکلات در این زمینه می باشد.

موانع

دیرگدازها و مواد عایق کاری نقش مهمی در بیشتر عملیات های شیمیایی دارند. این تخمین زده شده است که 50 % از انرژی که به صورت مستقیم در این فرایندها به مصرف می رسد، با دیرگدازها مرتبط است. بر اساس تجزیه و تحلیل انجام شده بر روی کوره های صنعتی و عملیات های انجام شده در این صنایع، فهمیده شده است که بهبود در سیستم دیرگداز مورد استفاده در صنایع شیمیایی و پتروشیمی، می تواند منجر به صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی شود (تا میزان 266.4 TBtu در سال). موانع موجود در این زمینه، عبارتند از:
• فقدان آگاهی در مورد خواص دما بالا مانند گسستگی خزشی، استحکام کوتاه مدت، رسانایی گرمایی، انبساط حرارتی، دوام و پایداری دیرگدازهای مونولیتیکی مورد استفاده در این صنایع.
• فقدان آگاهی در مورد خواص خوردگی دیرگدازهای مورد استفاده در صنایع شیمیایی و پتروشیمی.
• فقدان آگاهی در مورد زمان اتمام و هزینه های نگهداری که به صورت روزافزون بر روی المان های هزینه ای اثرگذار می باشد. فقدان آگاهی در مورد کاهش در مصرف انرژی و آلودگی هوا.
• فقدان آگاهی در مورد محیط های دما بالا و خوردنده که موجب محدود شدن عمر دیرگدازها و افزایش هزینه های نگهداری در بسیاری از رآکتورهای شیمیایی و بخش های پتروشیمی، می شود.

بیشتر بخوانید: آثار تخریب پتروشیمی بر محیط زیست

 

روش های تحقیق و توسعه

• توسعه ی دیرگدازهای بهبود یافته برای مینیمم کردن آسیب های مکانیکی به محفظه های با آستر دیرگداز از طریق کاهش در میزان تنش های مکانیکی بر روی آستر.
• توسعه ی کارها در زمینه ی بهینه سازی خواص فیزیکی دیرگدازها (یعنی خاصیت عایق کاری گرمایی، مقاومت به ایروژن، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت به شوک حرارتی، استحکام، تخلخل و نفوذپذیری) تحت شرایط عملیاتی شناخته شده برای انواع واحدهای خاص. توسعه ی محصولات واقعی و با قابلیت تولید و توسعه و بهبود خواص به منظور کنترل کیفیت و بهبود خواص فیزیکی مورد نیاز برای آسترکاری در شرایط سرویس دهی.
• توسعه ی روش های بهبود یافته برای آنالیز ادوات دما بالا از طریق روش های بررسی آنلاین دیرگدازها
• توسعه ی دیرگدازهای با عمر طولانی تر که در حقیقت تردی کمتری دارند و نسبت به شوک حرارتی مقاوم تر می باشند.
• بدست آوردن داده های ترموفیزیکی، مکانیکی و کینتیکی از دیرگدازها.
• توسعه ی کامپوزیت های زمینه ی سرامیکی- فلزی با پایداری بهبود یافته و سطح اصلاح شده و یا دارای پوشش برای افزایش مقاومت به خوردگی
• توسعه ی موادی که در برابر دماهای بالا مقاوم هستند در حالی که استحکام، دوام، مقاومت به خوردگی، مقاومت به سایش و تخریب در آنها فوق العاده است.
• توسعه ی موادی که مقامت بهبود یافته ای در برابر اسیدهای آلی دارند و می توان آنها را در فرایندهای پایه کلر نیز استفاده کرد. با این کار می توان الزامات عملیاتی و حفظ و نگهداری را کاهش داد.
• توسعه ی دیرگدازها و پوشش های نسوزی که موجب کاهش مصرف انرژی و هزینه های نگهداری می شوند. توسعه ی سطوح نچسب دما بالا که در واقع بدون تخریب شدن، در دماهای بالا تبخیر می شوند و موجب کاهش هزینه های نگهداری مربوط به ادوات می شوند.

محصولات جنگلی

عملیات ها و استفاده های کنونی از مواد دیرگداز
اگر چه صنعت پالپ و کاغذ یک استفاده کننده ی قابل توجه از مواد دیرگداز نیست. صنعت محصولات جنگلی سومین مصرف کننده ی بزرگ انرژی در ایالات متحده ی آمریکا می باشد. این بخش سالانه 3.3 کوارد انرژی مصرف می کند. به خاطر همین، این صنعت 63 % از انرژی خود را با استفاده از محصولات ضایعاتی چوبی بازیافت شده و سایر منابع تجدیدپذیر تولید می کند. از سال 1972، این صنعت استفاده ی خود از سوخت های فصیلی را کاهش داد و تنها 2 % از انرژی خود را خریداری کرد، در حالی که میزان تولید این بخش از زمان گفته شده تا الان، 64 % افزایش یافته است. در آینده، گازگیری از شیرآبه ی تولید کاغذ (black liquor) و بیوگاز، منجر به کاهش بیشتر انرژی خریداری شده و حتی تغییر در صنعت تولید پالپ و کاغذ می شود. بخش های گازگیری در واقع می توانند انرژی قابل توجهی تولید کنند.
کوره های بازیافت آهک نیز در تولید محصولات جنگلی استفاده می شوند. این بخش ها، به عنوان یکی از اجزای مربوط به فرایند کرافت پالپ است. این کوره ها، 7 میلیون Btu انرژی را برای بازیابی آهک مصرف می کنند. حال این کوره ها محدودیت هایی از جمله نرخ تولید سیکلی، کیفیت پایین محصول حاصله، گرد و غبار سیکلی قابل توجه، و مشکل انسداد، رنج می برند. بیشتر این محدودیت ها به دلیل خرابی در آجرکاری و یا شکست دیرگدازها رخ می دهد و می توانند موجب تعمیر و نگهداری این سیستم ها به مدت 35 روز شوند.

موانع

این تخمین زده می شود که 40 % از مصرف انرژی مستقیم بوسیله ی محصولات جنگلی، در فرایندهایی رخ می دهد که تحت تأثیر دیرگدازها می باشند. بر اساس تجزیه و تحلیل های انجام شده بر روی کوره ها و واحدهای فرآوری، این فهمیده شده است که بهبود در سیستم های دیرگداز می تواند منجر به صرفه جویی در میزان مصرف انرژی تا میزان 129 TBtu در سال شود.
• فقدان آگاهی در مورد مسائل مربوط به چسبیدن مواد واکنش دهنده و محصولات به آسترهای دیرگداز و کوره ها که موجب محدود شدن عمر عملیاتی آنها می شود.
• عدم دسترسی به مواد با مقاومت خوردگی در برابر محیط های قلیایی بالا و مقاوم در برابر خوردگی و سایش، مقاومت در برابر پوسته ای شدن و تطابق گرمایی با مواد فلزی مورد استفاده در بخش های گازگیری.
• عدم دسترسی به مواد بهبود یافته که با اتمسفرهای قلیایی واکنش نمی دهند. یک چنین واکنش هایی موجب تراشیده شدن سطح آستر دیرگداز می شود و عمر آستر را کاهش می دهد.
• فقدان داده ها در مورد خواص مواد با قابلیت ریخته گری مورد استفاده در این صنعت و اطلاعات مربوط به محصولات دیرگداز موجود.
• عدم دسترسی به دیرگدازهای بهبود یافته برای بویلرهای بازیابی Tomlinson و جایگزینی با دیرگدازهای گل آتشخوار، آجرهای آلومینایی و اجزای مونولیتیکی مشابه در بخش های زیرین. دیرگدازهای بهبود یافته می توانند میزان زمان های خاموشی دستگاه را کاهش دهند.
• فقدان سیستم های دیرگداز با مقاومت به خوردگی قلیایی کافی برای آسترکاری محفظه های دخیره سازی مورد استفاده در بخش مواد شیمیایی پالپ.

روش های تحقیق و توسعه

• توسعه ی دیرگدازهای بهبود یافته برای کوره های آهک، به منظور کاهش زمان های مورد نیاز برای ایجاد رینگ و کوتینگ که منجر به افزایش بازده انرژی و طول عمر کوره
• توسعه ی دیرگدازهای پیشرفته برای مهیا کردن مواد مناسب در بخش های گازگیری. دیرگدازهای پیشرفته می توانند منجر به بهبود قابل توجه در بازده انرژی برا صنعت محصولات جنگلی شوند.
• توسعه ی موادی که دارای مقاومت بیشتر در برابر خوردگی با نمک های مذاب هستند. این مواد مقاومت بیشتری در برابر ایروژن دارند و نسبت به خرد شدن نیز مقاوم ترند.
• توسعه ی مواد دیرگدازی که از لحاظ گرمایی با مواد فلزی مورد استفاده در بخش های گازگیری، تطابق داشته باشند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Refractories for industrial processing: opportunities for improved energy efficiency/ prepared by DOE- EERE industrial technologies program



موضوع مطلب :

تایر و ترمز خودروها میکروپلاستیک‌های مضر بیرون می‌ریزند

چکیده:
 
سایش تایرها و لنت ترمز و سطح جاده ذرات بسیارریز پلاستیکی را از آنها جدا و در هوا پخش می‌کند که باعث آلودگی هوا و آب (از طرق باران) می‌شود که برای محیط زیست و موجودات آبزی مضر است. یکی از راه حل‌ها این است که خودروها حتی الامکان با سرعت ثابت حرکت کنند.
 
تعداد کلمات: 704   /    تخمین زمان مطالعه:  4  دقیقه

 

تایر، لنت، و جاده: منابع آلودگی محیط زیست 
مترجم: حمید وثیق زاده انصاری

 

توضیح تصویر: یک تحقیق جدید می‌گوید ساییدگی و پارگی تایرها، لنت‌های ترمز، و سطوح جاده میکروپلاستیک‌های مضری از خود به جای می‌گذارد که در هوا به چرخ در می‌آیند.

 
این لاستیک‌ مصنوعی و دیگر مواد می‌توانند آبراهه‌ها را آلوده کنند و به اکوسیستم‌های شکننده صدمه وارد آورند.
 

تایر ماشین‌ها و لنت ترمز آنها همزمان با استفاده از آنها ساییده می‌شوند. سطوح جاده نیز ساییده می‌شوند. همه این‌ها لاستیک مصنوعی و مواد دیگر را در هوا پخش می‌کنند. و این گونه نیست که آنها فقط به راحتی ناپدید شوند. آنها در فرم ذراتی کوچک متوقف هستند. بسیاری از آنها به اندازه کافی سبک هستند تا بتوانند در هوا شناور شوند. در واقع، یک مطالعه جدید نشان داد که تقریباً نه تا از هر ده ذره کوچک که از هوای اطراف سه بزرگ راه شلوغ نمونه برداری شدند از تایر وسایل نقلیه، سیستم‌های ترمز و خودِ جاده‌ها می‌آمدند.
محققان این ذرات را به عنوان میکروپلاستیک طبقه بندی می‌کنند. (در واقع، تمام مواد واقعاً از پلاستیک ساخته نشده‌اند.)
این ذرات به وسیله باد دمیده می‌شوند و بعداً توسط باران به سمت آبراهه‌هایی که به اقیانوس هدایت می‌شوند، شسته می‌شوند. رتو گیِر می‌گوید، در آن جا، این خرده‌ها می‌توانند به حیوانات آبزی و اکوسیستم‌های شکننده آسیب برسانند. او دانشمند محیط زیست در دانشگاه پنسیلوانیا در فیلادلفیا است.
او یافته های خود را چندی پیش در نشست سالیانه انجمن زمین شناسی آمریکا ارائه داد. این تحقیق در ایندیاناپولیس انجام شده است. تحقیقات قبلی تخمین زده بود که حدود 30 درصد (به حجم) از میکروپلاستیک‌ها که اقیانوس‌ها، دریاچه‌ها و رودخانه‌ها را آلوده می‌کنند از سایش تایر می‌آیند.
هنگامی که صحبت از آلودگی ایجاد شده توسط وسیله نقلیه می‌شود، اکثر مردم تمایل دارند به آن چه که از اگزوز خودرو بیرون می‌آید فکر کنند. مثلاً دی اکسید کربن یا CO2 که با سوختن سوخت منتشر می‌شود، به ذهن متبادر می‌شود. این مواد شیمیایی منابع عمده آسیب زیست محیطی هستند. بنابراین سازندگان ماشین در حال کار بر روی قطع جریان هر چه بیشتر آلودگی‌هایی که از خودرو به بیرون پمپ می‌شود هستند. Gieré می‌گوید: "ما همه می‌خواهیم میزان انتشار CO2 را از اگزوز خودرو کاهش دهیم." "اما شما نمی توانید سایش تایر را متوقف کنید." (دی اکسید کربن (یا CO2) یک گاز بی رنگ و بدون بو است که توسط تمام حیوانات تولید می‌شود زمانی که اکسیژن آنها در معرض واکنش با غذاهای غنی از کربن که آنها خورده اند قرار می‌گیرد. دی اکسید کربن همچنین هنگامی که مواد آلی (از جمله سوخت های فسیلی مانند نفت و گاز) سوزانده می‌شوند  آزاد می‌شود. دی اکسید کربن به عنوان یک گاز گل خانه‌ای عمل می‌کند و گرما را در جو زمین به دام می‌اندازد. گیاهان در طی فتوسنتز، دی اکسید کربن را به اکسیژن تبدیل می‌کنند، و این فرایندی است که آنها برای تولید مواد غذایی خود استفاده می‌کنند.)
تراکم ترافیک مشکل را بدتر می‌کند. محققان دریافتند که وسایل نقلیه که در سرعتهای ثابت حرکت می‌کنند لازم ندارند زیاد از ترمز استفاده کنند، و این به این معنی است که ذرات کمتری تولید می‌کنند.
برخی از موادی که اتومبیل‌ها و جاده‌ها بیرون می‌دهند به سختی قابل شناسایی هستند. این به این دلیل است که آنها در گرد و غبار و دیگر ذرات ریزتر خرده‌ها پوشانده می‌شوند. جان وینشتاین که یک متخصص سم شناسی محیط زیست است می‌گوید: "این ذرات، دزدکی هستند."
تیم Gieré بیش از 500 ذره کوچک موجود در هوای اطراف بزرگراه‌های آلمان را تجزیه و تحلیل کرد. محققان از یک میکروسکوپ الکترونی روبشی برای کشف این که هر ذره از چه ساخته شده است استفاده کردند.این میکروسکوپ، سطح یک ماده را با پرتوی از الکترون‌ها اسکن می‌کند. هنگامی که الکترونها به سطح ماده برخورد می‌کنند، مقداری از انرژی آنها به ماده منتقل می‌شود. این ماده با انتشار اشعه ایکس عکس العمل نشان می‌دهد. (میکروسکوپ الکترونی میکروسکوپی با وضوح و بزرگنمایی زیاد است که از الکترونها به جای نور استفاده می‌کند تا یک شیء را به صورت قابل تشخیص مصور کند.)
مواد شیمیایی مختلف به شیوه‌های مختلف عکس العمل نشان می‌دهند. بنابراین الگوی اشعه ایکس به محققان می‌گوید که نمونه، حاوی کدام ماده شیمیایی است. این روش نشان داد که اکثریت قریب به اتفاق ذرات در امتداد جاده‌های آلمان متشکل از لاستیک، لنت ترمز و خودِ سطح جاده‌ها هستند.



موضوع مطلب :

هنگامی که نیمه رساناها به یکدیگر می چسبند، مواد کوانتومی می‌شوند

توضیح تصویر: زاویه پیچشی شکل گرفته بین لایه های نازک اتمی دی سولفید تنگستن و دی سلنید تنگستن به عنوان یک دکمه تنظیم عمل می کند و نیمه هادی های معمولی را به یک ماده کوانتومی عجیب تبدیل می کند.
اعتبار: آزمایشگاه برکلی
     

گزارش کامل

یک مطالعه جدید نشان می دهد که چگونه لایه های تراز شده نیمه رساناهای نازک اتمی می‌توانند یک ماده کوانتومی جدید عجیب و غریب را به دست دهند.
 
گروهی از محققان تحت هدایت آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) از وزارت انرژی آمریکا یک روش ساده را که می تواند مواد نیمه هادی معمولی را به دستگاه های کوانتومی تبدیل کند - دستگاه های فوق العاده ای که با رفتارهای الکترونیکی فوق العاده مشخص شده اند - توسعه داده است. چنین پیشرفتی می تواند به تحریک تعدادی از صنایع با هدف استفاده از سیستم های قدرتمند انرژی الکتریکی کمک کند و زمینه ای برای یک فیزیک جدید عجیب و غریب فراهم کند.
 
این مطالعه  که توصیف کننده روشی است که در آن لایه های دو بعدی دی سولفید تنگستن و دی سلنید تنگستن به هم می چسبند تا یک ماده به طور بغرنج طراحی شده را خلق کنند، به تازگی در مجله Nature منتشر شد.
 
فنگ وانگ، فیزیکدان ماده چگال و استاد فیزیک در دانشگاه برکلی، گفت: "این یک کشف شگفت انگیز است، زیرا ما این مواد نیمه هادی را به شدت درهم آمیختیم." "اکنون این کار این نیمه هادی های به ظاهر معمولی را به فضای مواد کوانتومی آورده است."  "این یک کشف شگفت انگیز است، زیرا ما این مواد نیمه هادی را به شدت درهم آمیختیم." "اکنون این کار این نیمه هادی های به ظاهر معمولی را به فضای مواد کوانتومی آورده است."
 

مواد دو بعدی، که فقط به اندازه یک اتم ضخیم هستند، مانند بلوکهای ساختمانی نانوساختار هستند که می توانند به طور دلخواه توده شوند و به شکل دستگاه های کوچک فرم بگیرند. هنگامی که شبکه های دو ماده دو بعدی مشابه و به خوبی هماهنگ است، یک الگوی تکراری می تواند شکل بگیرد به نام سوپر شبکه‌ی مویر.
 
برای دهه گذشته، محققان در حال مطالعه روش هایی برای ترکیب مواد مختلف دو بعدی بوده اند، که اغلب با گرافن شروع می شود - یک ماده شناخته شده برای توانایی‌اش برای هدایتِ کارآمد حرارت و برق. در این زمینه‌ی کاری، محققانِ دیگر کشف کردند که سوپر شبکه های مویر شکل گرفته با گرافن فیزیک عجیب و غریبی را نشان می دهند مانند ابررسانایی هنگامی که لایه ها دقیقاً در زاویه ی درستی قرار بگیرند.
 
مطالعه جدید که به رهبری وانگ انجام شده است، از نمونه های دو بعدی مواد نیمه هادی مانند دی سولفید تنگستن و دی سلنید تنگستن استفاده کرد تا نشان دهد که زاویه پیچش بین لایه ها همچون یک دکمه تنظیم برای تبدیل سیستم نیمه هادی دو بعدی به یک ماده کوانتومی عجیب و غریب با الکترونهای به شدت فعل و انفعالی عمل می کند.
 
ورود به یک قلمرو جدید از فیزیک
نویسندگان همکار Chenhao Jin، یک دانش پژوه پسادکترا مدرسه، و Emma Regan، یک محقق دانشجوی کارشناسی ارشد، که هر دو تحت هدایت وانگ در گروه Ultrafast Nano Optics Group در دانشگاه برکلی کار می کنند، نمونه های تنگستن دی سولفید و تنگستن دی سلنید را با استفاده از یک تکنیک مبتنی بر پلیمر برای جمع آوری و انتقال ورقه های مواد، که هر کدام فقط در حد ده ها میکرون قطر دارند، به یک پشته، تولید کردند.
 
آنها نمونه های مشابهی از مواد را برای مطالعه قبلی ساختند، اما با دو لایه بدون زاویه خاص انباشته شده بودند. هنگامی که آنها جذب نوری یک نمونه جدید دی سولفید تنگستن و نمونه تنگستن دی سلنید را برای مطالعه فعلی اندازه گیری کردند، آنها به طرز شگفت انگیزی تعجب کردند.
 
جذب نور مرئی در یک دستگاه دی سولفید تنگستن / دی سلنید تنگستن وقتی بیشترین مقدار را دارد که نور همان انرژی اکسایتون سیستم را داشته باشد که یک شبه ذره‌ است متشکل از الکترونی پیوند خورده با یک حفره، که در نیمه رساناهای دو بعدی معمول است. (در فیزیک، یک حفره یک فضای در حال حاضر خالی است که یک الکترون می تواند آن را اشغال کند.) محققانِ دیگر کشف کردند که سوپر شبکه های مویر شکل گرفته با گرافن فیزیک عجیب و غریبی را نشان می دهند مانند ابررسانایی هنگامی که لایه ها دقیقاً در زاویه ی درستی قرار بگیرند.
 
برای نور در محدوده انرژی‌ای که محققان در نظر می گرفتند، آنها انتظار داشتند یک قله را در سیگنالی ببینند که مربوط بود به  انرژی یک اکسایتون.
 
در عوض، آنها دریافتند که قله اصلی که انتظار می رفت آنها ببینند به سه قله متفاوت تقسیم شده است که سه حالت مختلف متمایز را نشان می دهند.
 
چه چیزی باعث افزایش تعداد حالت های اکسیاتون در دستگاه تنگستن دی سولفید / تنگستن دی سلنید از یک به سه می شود؟ آیا علت آن اضافه کردن سوپر شبکه مویر بود؟
 
برای فهمیدن این مطلب، همکاران آنها اِیمینگ یان و الکس زتل از یک میکروسکوپ الکترونی انتقالی (TEM) در موسسه تحقیقات علوم نانومقیاس آزمایشگاه برکلی در آزمایشگاه علوم نانومقیاس استفاده کردند تا تصاویری با رزولوشن اتمی از دستگاه دی سولفید تنگستن / دی سلنید تنگستن را بررسی کنند تا ببینند چگونه شبکه های مواد هم تراز شده اند.
تصاویر TEM آنچه را که در مورد آن تعجب کرده بودند تایید کرد: مواد در واقع یک سوپر لایه مویری را تشکیل می دادند. ریگان گفت: "ما شاهد الگوهای زیبا و تکراری در کل نمونه بودیم." "پس از مقایسه این مشاهدات آزمایشی با یک مدل نظری، ما دریافتیم که الگوی مویر یک انرژی پتانسیل بزرگ را به صورت دوره ای بر روی دستگاه نشان می دهد و بنابراین می تواند پدیده های کوانتومی عجیب را معرفی کند."
 
محققان سپس قصد دارند اندازه گیری کنند که چگونه این سیستم کوانتومی جدید می تواند به اپتوالکترونیک اعمال شود، امری که به استفاده از نور در الکترونیک مربوط می شود، و نیز چگونه در وَلیترونیک، زمینه ای که می تواند محدودیت قانون مویر را با کوچک کردن اجزای الکترونیکی گسترش دهد، و ابررسانایی، که الکترونها را قادر می سازد در دستگاه هایی که عملا بدون مقاومت هستند جریان یابند، اعمال می شود.
 
بر گرفته از سایت ساینس دیلی



موضوع مطلب :
<   1   2   3   4   5   >>   >   
پیوندها
لوگو
http://www.telegram.me/sajjadshafiee_ir
.
.
.

رشته مهندسی پلیمر نسبت به رشته‌های مهندسی دیگر تقریبا جوان است و شکوفایی آن از زمان جنگ جهانی دوم آغاز شده است. اما به دلیل کاربرد روزافزون پلیمر در صنایع مختلف، این رشته به سرعت رشد کرده و امروزه جزو یکی از رشته‌های مهم کشورهای صنعتی پیشرفته می‌باشد.

هدف رشته مهندسی صنایع پلیمر تولید کلیه محصولات پلیمری از قبیل لاستیک، پلاستیک، الاستومر، چسب‌ها، رزین و سایر مواد مورد نیاز صنعت است. برای مثال طراحی و تولید تایر ماشین در صنایع لاستیک، لوله‌های پلی‌اتیلن در صنایع پلاستیک و انواع فایبرگلاسها در کامپوزیت به یاری متخصصان مهندسی صنایع پلیمر انجام می‌گیرد یا حتی در این رشته شکل‌دهی رزین‌ها نیز مطرح است که برای مثال می‌توان به ساخت ملامین اشاره کرد.حتی کیسه‌های پلاستیکی و روکش ظروف نچسب ( تفلون ) از مواد پلیمری می‌باشند. در واقع در رشته مهندسی صنایع پلیمر هر آنچه که به این مواد بر می‌گردد، مورد مطالعه و بررسی قرار می‌گیرد. البته پلیمرها فقط کاربرد صنعتی ندارند بلکه کاربرد پزشکی نیز دارند. مثلا اگر کشکک زانوی یک نفر آسیب ببیند و ترمیم آن امکان‌پذیر نباشد، شبیه به همان کشکک زانو را با مواد پلیمری درست می‌کنند و بر روی زانو قرار می‌دهند و یا دندان مصنوعی و لنزهای چشمی همه از مواد پلیمری ساخته می‌شوند که به این مواد پلیمری «پلیمرهای زیستی» می‌گویند.

فرصت‌های شغلی:

در صنعت پوشاک پلیمرها در تولید پاپوش‌ها، تن‌پوشها و کف‌پوشها بسیار موثر هستند. در صنایع حمل و نقل زمینی (خودروسازی، قطار و ... )، هوایی ( هواپیما و بالگرد) و دریایی (کشتی‌ها و ...) پلیمرها حضوری چشمگیر دارند، و بالاخره در صنایع نظامی، پزشکی، کشاورزی و بسته‌بندی کاربرد مواد پلیمری بسیار گسترده است.بدر صنعت پوشاک نیز پلیمرها در تولید پاپوش‌ها، تن‌پوشها و کف‌پوشها بسیار موثر هستند. در صنایع حمل و نقل زمینی (خودروسازی، قطار و ... )، هوایی ( هواپیما و بالگرد) و دریایی (کشتی‌ها و ...) پلیمرها حضوری چشمگیر دارند، و بالاخره در صنایع نظامی، پزشکی، کشاورزی و بسته‌بندی کاربرد مواد پلیمری بسیار گسترده است. باتوجه به کاربرد وسیع پلیمرها در صنایع، فارغ‌التحصیلان این رشته توانایی‌های کافی در زمینه‌های ایجاد و برنامه‌ریزی واحدهای تولیدی تبدیل پلیمر خام به مواد مصرفی و اشتغا
آمار وبلاگ
  • بازدید امروز: 808
  • بازدید دیروز: 1251
  • کل بازدیدها: 5169344