مریم اسماعیل پور-Maryam Esmailpour

عنوان : مطالعه نقش شيمي و فيزيك سطح بر رفتار ترشوندگي پوشش هاي نانو كامپوزيتي پايه پلي اورتان

TITLE : Study of the Role of Surface Chemistry and Physics on Wetting Behavior of Polyurethane Nanocomposite Coatings

چكيده

در اين پژوهش پليمر پلي­اورتان به­عنوان يك پليمر شفاف پركاربرد مورد مطالعه قرار گرفت. از آنجاكه پلي‌اورتان در دسته مواد آب‌دوست جاي دارد، تغيير ماهيت شيميايي اين پليمر با استفاده از درصدهاي مولي مختلف از ماده افزودني با انرژي سطحي پايين به روش اختلاط مورد بررسي قرار گرفت. نتايج به­دست آمده از آناليز طيف سنجي پراكندگي انرژي پرتو ايكس و آزمون ميكروسكوپ نيروي اتمي نشان داد مهاجرت ماده افزودني به­سطح، نه تنها شيمي سطح پوشش را اصلاح كرده، بلكه فيزيك آن را نيز با ايجاد زبري در مقياس نانو تغيير داده است. براي پوشش‌هاي اصلاح شده توسط پلي­اكريلات اصلاح شده با سيليكون، مشخص شد درصد بهينه ماده اصلاح­گر مقداري است كه بتواند هم شيمي سطح و هم فيزيك آن را اصلاح كند. در اين ميان درصد مولي 5 توانست بهبود 60 درصدي در رفتار آب‌گريزي ايجاد نمايد و زاويه تماس را از 65   تا حدود 104 درجه افزايش دهد. همچنين مطالعاتي بر روي نرخ‌ عمل­آوري صورت گرفت و مشخص گرديد اين پارامتر نقش مهمي در تشكيل الگوي زبري سطح شامل تراكم، اندازه و شكل زبري‌ها و در نهايت در رفتار ترشوندگي پوشش دارد. نتايج نشان دادند از ميان نمونه‌هاي عمل‌آوري شده در جعبه، دماي محيط، 80، 100 و 120 درجه سانتيگراد، نمونه‌ي عمل‌آوري شده در دماي محيط داراي بالاترين زاويه تماس بوده و از بيشترين عدد زبري مجذور ميانگين مربعات به بزرگي 33/20 نانومتر برخوردار بوده است. با كاهش اين معيارِ زبري، زاويه تماس نمونه‌ها نيز كاهش يافته است. همچنين براي اولين بار مكانيزمي براي توصيف عمل‌كرد ماده افزودني در تغيير رفتار ترشوندگي و ايجاد زبري با الگوهاي مختلف پيشنهاد شد. در اين راستا بر اساس نتايج حاصل از سنجش كشش سطحي و طيف سنجي پراكندگي انرژي پرتو ايكس پارامتري با عنوان "فشار جانبي سطحي" معرفي شد. اين پارامتر با استفاده از انرژي سطحي ماده افزودني مورد استفاده و درصد حضور آن بر روي سطح، معياري كمي براي عمل‌كرد ماده افزودني ‌ارائه مي­كند. تغييرات عدد فشار جانبي از صفر به mN/m 3/53 و مجددا كاهش آن به mN/m 3/16 با روند افزايشي و كاهشي عدد زبري مطابق بوده و آن را توصيف كرده است. در ادامه پوشش‌هاي نانوكامپوزيتي حاوي نانوذرات سيليكا در حضور و عدم حضور ماده كاهنده انرژي سطحي به روش اختلاط تهيه شدند. يافته‌ها نشان داد در عدم حضور ماده كاهنده انرژي سطحي، الگوي زبري ايجاد شده درحضور 2 درصد وزني نانو‌ذره تا 15% به ترشوندگي بيشتر پوشش منجر گرديده است. اين امر به ماهيت آب‌دوستي سطحي­ترين مولكول­ها نسبت داده شد. استفاده از ماده كاهنده انرژي سطحي در حضور درصدهاي مختلف از نانوذرات باعث ايجاد ريخت‌هاي متنوع در سطح گرديد و پوشش‌هاي با زواياي تماس مختلف ايجاد كرد. پايين‌ترين زاويه تماس برابر 90 درجه براي پوشش‌هاي محتوي 8 درصد وزني نانوذره و 1درصد مولي افزودني پرفلوئورو‌دودكانول و بالاترين زاويه تماس برابر با 109 درجه براي نمونه محتوي 2درصد وزني نانوذره و 5درصد مولي افزودني پلي­اكريلات اصلاح شده با سيليكون به‌دست آمد. در رويكردي ديگر پس از اصلاح سطحي نانوذرات توسط عوامل فلوئوردار و سيليكون دار، پوشش‌هاي پلي­اورتاني نيمه­عمل­آوري شده در محلول حاوي نانوذرات اصلاح شده چندين مرتبه غوطه­ور گرديدند. در نهايت بسته به­نوع ماده آلي مورد استفاده و تعداد لايه غوطه­وري، الگو‌هاي زبري متفاوتي بر روي پوشش‌ها ايجاد شد. بررسي‌ها نشان داد الگوهاي زبري با ساختار ميكرو- نانو با محدوده عدد زبري 2-7 ميكرومتر به افزايش زاويه تماس از 89 تا 130 درجه منجر گرديده و در مقابل در اثر تفرق نور مرئي، ميزان شفافيت اين پوشش‌ها را از 80 تا 40 درصد كاهش دادند. جهت توصيف رفتار ترشوندگي اين پوشش‌ها از رژيم قارچي استفاده شد و شرايط پايداري قطره بر اساس اين رژيم بدست آمد. رژيم قارچي كه زير مجموعه‌اي از رژيم گل‌برگ گل رز در نظر گرفته شد نشان داد به­دليل حضور زبري‌هاي نانومتري متراكم زاويه تماس بالا با رفتار چسبنده همراه بوده است.

  كلمات كليدي: رفتار ترشوندگي، نانوكامپوزيت پلي‌اورتان، نانوزبري، فشار جانبي سطحي، رژيم شبه قارچي، برهمكنش واندروالس

Abstract

In this work, the effects of surface chemistry and physics on the wetting behavior of polyurethane coatings were studied. The polyurethane coatings were applied on the glass slides in order to ensure the tra  arency of coatings during the investigation. Different molar percents of a surface energy reducing agent (SERA) were used to study the role of chemical modification in wetting of the polyurethane coatings. Different roughness patterns with different densities, sizes and shapes of surface features were formed. the optimum amount of modifier which altered both the chemistry and physics of the coating was found to be 5 mole%. The modifier increased the contact angle from 65 to 104°. In addition, a mechanism for the effects of additive on the wetting behavior and surface pattern of the coatings was presented for the first time. Nanocomposite coatings containing silica nanoparticles with and without the surface energy reducing agent were then prepared using a mixing technique. The lowest contact angle of 90° and highest contact angle of 109° were obtained for the coating with 8 wt% nanoparticles and 1 mole% perflourododecanol and the coating with 2 wt% nanoparticles and 5 mole% silicone-modified polyacrylate, respectively. In another approach, partially-cured polyurethane coatings were deep-coated several times in a dispersion containing surface-modified nanoparticles. It was found that the wetting behavior of these coating had a good ...