تولید ذرات ژانوس پلیمری بر پایه آلیاژ PS/PLA
محور پژوهش
مواد پیشرفته و محصولات مبتنی بر فناوری‌های شیمیایی
پژوهشکده/دانشکده
مهندسی شیمی
حوزه پژوهش
مواد پیشرفته (پلیمرها و کامپوزیت‌ها)/ فناوری نانو
عنوان
تولید ذرات ژانوس پلیمری بر پایه آلیاژ PS/PLA
هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه
: در این پژوهش ساخت ذرات ژانوس به روشی که قابلیت صنعتی شدن داشته و از مواد و تجهیزات در دسترس استفاده نماید مورد انتظار است. ذرات ژانوس میکرو/ نانو ذراتی هستند با طبیعت پلیمری، معدنی یا پلیمری- معدنی که بیش از 13 سال از اختراع آنها نمی گذرد، با این وجود در سالهای اخیر به شدت مورد توجه محققین قرار گرفته اند و تحقیقات بسیار زیادی بر روی آنها انجام شده است. ویژگی مشخصه ی ذرات ژانوس که اساس نام گذاری آنها نیز بوده، دارا بودن دو قسمت با شیمی متفاوت است. این شیمی متفاوت خاصیت دو-دوستی (آبدوستی-آبگریزی) یا در اصطلاح رایج آمفیفیل1 بودن را در یک ذره ی نانومتری ایجاد کرده است. ویژگی برجسته ی مواد آمفیفیل با قرار گرفتن در فصل مشترک مایعات یا مذاب های پلیمری امتزاج ناپذیر نمایان میشود. به طوری که احتمال کنده شدن ذره ی ژانوس از فصل مشترک دو مایع امتزاج ناپذیر حدودا 20 برابر کمتر از احتمال کنده شدن یک ذره ی هموژن است. این ویژگی دریچه ای است به کاربردهای بیشمار این ذرات در جهان صنعت. از بین این کاربردها میتوان به موارد ساده تری نظیر سازگارکننده در آلیاژ های پلیمری و امولسیون ها تا موارد پیچیده تری همچون پوششهای هوشمند و کاربرد در ساخت کاغذ های الکترونیکی اشاره کرد. در صنعت پوشش های پلیمری، استفاده از خاصیت آبدوستی-آبگریزی این ذرات در تولید پوششهای آب گریز یا آبدوست سبب ایجاد برهم کنش مناسب بین پوشش و لایه ی اعمالی میشود. در صنایع پزشکی نیز از این ذرات به عنوان حامل های دارویی که قابلیت حمل همزمان داروهایی با پایه ی آبی و روغنی را دارند استفاده میشود. علاوه بر این افزودن نانو ذرات فلزی و نقاط کوانتومی به ساختار ژانوس سبب پاسخگو شدن این ذرات به میدان های مغناطیسی و همچنین تولید میکرو موتورهایی میشود که با داشتن قابلیت خود ران بودن استفاده های گسترده ای در صنایع پزشکی و محیط زیست داشته، و از جدیدترین و به روزترین موضوعات پژوهشی و صنعتی در جهان هستند . با توجه به موارد ذکر شده و انگشت شمار بودن تحقیقاتی که در کشور عزیزمان بر روی این ذرات انجام شده، که عمدتا نیز سنتز ذرات در آنها به روشی است که امکان تولید در مقیاس بالا را ندارند، ضرورت پرداختن به این موضوع نمایان میشود. لازم به ذکر است که دارا بودن دانش تولید این ذرات گامی است پایه ای و ضروری جهت پرداختن به جنبه های کاربردی روز افزون آنها در صنایع دیگر. هدف از این پژوهش تولید ذرات آمفیفیلیک پلیمری بر پایه ی آلیاژ پلی (لاکتیک اسید)/ پلی استایرن (PS/PLA) می باشد. انتخاب زوج پلیمری مناسب که منجر به تولید ذراتی با جدایی فازی و تمایز شیمیایی کافی باشند از اهمیت بالایی برخوردار است. این زوج پلیمر باید به گونه ای انتخاب شوند که تمایز آبدوستی کافی برای قرار گیری در فصل مشترک را داشته باشند و از طرف دیگر این تفاوت در انرژی سطحی آنقدر بالا نباشد که سبب تمایل یک فاز برای در بر گرفتن فاز دیگر و ایجاد مورفولوژی هسته-پوسته شود. نوع ذرات ژانوس مورد انتظار کروی است و کنترل مورفولوژی و میزان جدایی فازی برای رسیدن به ذراتی با تمایز شیمیایی بالا از اهداف مهم این پروژه است. عدم تقارنِ ویژه ی ذرات ژانوسِ پلیمری در شکل، ترکیب و عاملیت، باعث شده است که این ذرات خواص ویژه ای پیدا کنند. این خواص که عمده ترین شان قابلیت خود آرایی1 و فعالیت سطحی است. گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها بررسی پژوهش هایی که بر روی ذرات ژانوس انجام شده نشان میدهد که سیستمهای ژانوسی که تا کنون به روش تبخیر حلال از امولسیون ساخته شده اند عمدتا از پلیمرهایی با پارامتر حلالیت نزدیک به هم بوده اند که تمایز مورد انتظار از ذرات ژانوس را برآورده نمی کند و ذره ی ژانوسی بر پایه ی آلیاژ PS و PLA که ضریب برهم کنش نسبتا بالایی دارند، تا کنون ساخته نشده است. ساخت ذره ی ژانوس بر پایه ی این آلیاژ جدید نیازمند انجام مطالعات پیش بینی کننده ی شیمی فیزیکی است که در فاز مطالعات تئوریک این پژوهش انجام شده است. بررسی ریز ساختار ذرات ژانوس از دو نقطه نظر پایداری سینتیکی و ترمودینامیکی مورد مطالعه قرار گرفت و رسیدن به ذره ی ژانوس را پیش بینی کرده اند. بررسی همزمان اثر جرم ملکولی ، تقارن جرم ملکولی و تمایل شیمیایی حلال به هر یک از فازها تصویر روشنی از مکانیسم حاکم بر شکل گیری ذره ی ژانوس و رقابت فاکتورهای سینتیکی و ترمودینامیکی را نشان میدهد، که از دیگر دستاوردهای این پژوهش میباشد. علاوه بر این بررسی مدلهای اصلی حاکم بر آلیاژهای سه تایی و کارآمدی آنها در پیش بینی ریزساختار ژانوس نیز از دیگر مواردی است که در این پروژه برای نخستین بار بررسی میشود. همه ی این موارد ابزاری قدرتمند برای ساخت سفارشی این ذرات را در آینده برای کاربردهای مشخص امکان پذیر می کند. در این پژوهش جهت تولید ذرات ژانوس، روش "تبخیر حلال از امولسیون" به علت ارزان و در دسترس بودن مواد و تجهیزات، راندمان تولید بالا و امکان افزایش مقیاس تولید انتخاب شده است. در این روش پس از ساخت فاز روغنی شامل اجزای پلیمری و حلال، فاز آبی حاوی آب و امولسیفایر ساخته میشود. سپس امولسیونی روغن در آب تحت هم زدن شدید با هموژنایزر ایجاد میشود. در این مرحله و پس از آن که تبخیر حلال است کنترل فرآیند جدایی فازی که در مقیاس نانو انجام میشود، بسیار مهم است زیرا جدایی فازی در این مرحله باعث ایجاد ریزساختار خاص ژانوس میشود. تصاویر و محتوای گرافیکی مرتبط:


شکل 1- ذرات ژانوس با معماری های مختلف (a کروی،(b استوانه ای، (c دیسکی، (f,d آدم برفی، (e تمشکی و (g دمبل شکل


شکل 2- قرار گیری ذرات ژانوس در فصل مشترک قطره ی نفتی و آب (این قابلیت استفاده گسترده ای در جمع آوری آلودگی های نفتی از سطح دریاها دارد و با افزودن تنها یک جزء فلزی به محیط واکنش پژوهش حاضر و تولید ذرات مغناطیسی جمع آوری آلودگی ها را بسیار آسان میکند.)














تبخیر حلال حلال+ پلیمرها ذرات ژانوس امولسیون روغن در آب فاز آبی


شکل 3- طرح شماتیک فرآیند مورد استفاده در ساخت ذرات