شنبه 06 دی 1404 کد خبر: 181
آشنایی با تاثیر افزایش سطح نانوذرات در تولید پارچههای ضد آتش
با ورود مواد به مقیاس نانو، بسیاری از خواص فیزیکی و شیمیایی آنها دستخوش تغییرات چشمگیری میشود؛ بهگونهای که مواد در این مقیاس میتوانند رفتارهایی متفاوت از حالت تودهای (بالک) خود نشان دهند. یکی از مهمترین دلایل بروز این تغییرات، افزایش نسبت سطح به حجم در ذرات نانومتری است. در ابعاد نانو، بخش قابل توجهی از اتمها در سطح ماده قرار میگیرند و همین امر موجب افزایش برهمکنش ماده با محیط اطراف میشود.
افزایش سطح تماس در نانوذرات باعث تقویت پدیدههایی مانند واکنشپذیری، جذب انرژی، انتقال حرارت و تعامل با شعله میگردد. به همین دلیل، بسیاری از موادی که در مقیاس معمولی خواص خاصی ندارند، در ابعاد نانو میتوانند ویژگیهای جدید و کاربردی از خود نشان دهند. این اصل یکی از پایههای اصلی فناوری نانو و دلیل گسترش کاربردهای آن در حوزههایی مانند ایمنی، مواد پیشرفته و مهندسی نساجی است.
کربنات کلسیم یکی از مواد معدنی پرکاربرد و در دسترس است که در حالت معمولی، کاربردهای گستردهای در صنایع مختلف دارد. با این حال، هنگامی که این ماده به صورت نانوذره مورد استفاده قرار میگیرد، به دلیل سطح ویژه بالا و رفتار حرارتی خاص، میتواند نقش مؤثری در کاهش شعلهپذیری مواد آلی ایفا کند. نانوذرات کربنات کلسیم قادرند در مواجهه با حرارت، بخشی از انرژی گرمایی را جذب کرده و از گسترش سریع شعله جلوگیری نمایند.
از سوی دیگر، استفاده از بسترهای پلیمری مانند پلیوینیلالکل (PVA) امکان پخش یکنواخت نانوذرات و تثبیت آنها بر سطح الیاف پارچه را فراهم میکند. ایجاد چنین پوشش نانوکامپوزیتی میتواند بدون تغییر محسوس در ظاهر پارچه، مقاومت آن را در برابر آتش افزایش دهد.
در این آزمایش، با سنتز نانوذرات کربنات کلسیم و بهکارگیری آنها در پوششدهی پارچه نخی، تلاش میشود تا بهصورت عملی نشان داده شود که کاهش ابعاد ماده تا مقیاس نانو چگونه میتواند منجر به بهبود خواص عملکردی و افزایش ایمنی مواد شود. این آزمایش نمونهای ساده و آموزشی از کاربرد فناوری نانو در زندگی روزمره است.
۳- تئوری آزمایش:
هدف از این آزمایش، بررسی تأثیر کاهش اندازه ذرات تا مقیاس نانو بر خواص حرارتی و ضدحریق مواد و استفاده از این ویژگی در افزایش مقاومت پارچههای نخی در برابر آتش است. در این آزمایش، نانوذرات کربنات کلسیم سنتز شده و بهصورت پوشش نانوکامپوزیتی بر سطح الیاف سلولزی قرار میگیرند.
در مقیاس ماکرو، کربنات کلسیم مادهای نسبتاً پایدار است، اما با کاهش اندازه ذرات تا ابعاد نانومتری (۱ تا ۱۰۰ نانومتر)، نسبت سطح به حجم بهطور چشمگیری افزایش مییابد. این افزایش سطح مؤثر باعث میشود برهمکنش ماده با گرما و شعله بهصورت قابل توجهی تغییر کند. نانوذرات به دلیل سطح ویژه بالا، توانایی جذب و پخش انرژی حرارتی بیشتری نسبت به ذرات درشت دارند.
یکی از ویژگیهای مهم کربنات کلسیم، تجزیه گرماگیر آن در دماهای بالا است. در هنگام قرار گرفتن در معرض شعله، نانوذرات کربنات کلسیم انرژی حرارتی را جذب کرده و به اکسید کلسیم و گاز دیاکسید کربن تجزیه میشوند. آزاد شدن گاز CO₂ در سطح پارچه، موجب رقیق شدن اکسیژن اطراف شعله و کاهش شدت احتراق میشود. از سوی دیگر، باقیماندن لایهای معدنی بر سطح الیاف، مانند یک سد فیزیکی از رسیدن مستقیم حرارت به الیاف پارچه جلوگیری میکند.
در این آزمایش، برای تثبیت نانوذرات بر سطح پارچه، از پلیوینیلالکل (PVA) بهعنوان بستر پلیمری استفاده میشود. PVA با ایجاد یک پوشش یکنواخت، موجب پخش مناسب نانوذرات و افزایش چسبندگی آنها به الیاف نخی میگردد. این پوشش نانوکامپوزیتی باعث کاهش سرعت گسترش شعله، افزایش زمان اشتعال و بهبود مقاومت حرارتی پارچه میشود.
در مجموع، این آزمایش نمونهای ساده و قابل فهم از کاربرد فناوری نانو در افزایش ایمنی مواد است و نشان میدهد که چگونه تغییر در مقیاس ماده، بدون تغییر در ماهیت شیمیایی آن، میتواند منجر به بروز خواص جدید و کاربردی مانند خاصیت ضدحریق شود.
۴-۲- روش انجام آزمایش
سنتز نانوذرات کربنات کلسیم و بررسی کاربرد آنها در تهیه پارچه ضدحریق
۱- مقدار 100 میلیلیتر آب مقطر را درون یک بشر شیشهای تمیز بریزید و یک مگنت همزن در آن قرار دهید.
۲- دهانه بشر را با فویل آلومینیومی بپوشانید و بشر را روی همزن مغناطیسی با کنترل دما قرار دهید.
۳- دمای محلول را تا حدود 70 تا 80 درجه سانتیگراد افزایش دهید.
۴- پس از رسیدن به دمای مورد نظر، 4 گرم پلیوینیلالکل (PVA) را بهآرامی و بهصورت تدریجی به آب اضافه کنید.
۵- همزدن را بهطور مداوم ادامه دهید تا محلولی شفاف و یکنواخت حاصل شود.
پس از حل کامل PVA، همزن را خاموش کرده و اجازه دهید محلول تا دمای محیط سرد شود.
برای انجام این مرحله، دو محلول جداگانه طبق مراحل زیر تهیه کنید:
تهیه محلول اول
۱- مقدار ۲/۷۸ گرم سدیم کلرید و ۲ گرم ژلاتین را در ۱۰۰ میلیلیتر آب مقطر بریزید.
۲- محلول را در دمای ۷۰ تا ۸۰ درجه سانتیگراد تحت همزدن قرار دهید تا کاملاً شفاف شود.
تهیه محلول دوم
۱- مقدار ۲/۶۸ گرم سدیم کربنات و ۲گرم ژلاتین را در ۱۰۰ میلیلیتر آب مقطر حل کنید.
۲- شرایط دمایی و همزدن را مشابه محلول اول تنظیم نمایید تا محلولی یکنواخت بهدست آید.
تشکیل نانوذرات
۱- محلول سدیم کربنات را بهصورت قطرهای و آرام به محلول سدیم کلرید اضافه کنید.
۲- در حین افزودن، همزدن را ادامه دهید.
۳- با پیشرفت واکنش، تشکیل رسوب سفیدرنگ نانوذرات کربنات کلسیم مشاهده خواهد شد.
۴- پس از پایان افزودن، مخلوط را چند دقیقه دیگر هم بزنید.
۵- رسوب حاصل را با استفاده از سانتریفیوژ جدا کرده و چند بار با آب مقطر بشویید تا ناخالصیها حذف شوند. درصورت نداشتن سانتریفیوژ از کاغذ صافی استفاده کنید.
۶- نمونه شستهشده را در آون خشککن با دمای ۷۰ تا ۸۰ درجه سانتی گراد به مدت ۳ ساعت قرار دهید تا کاملاً خشک شود و برای مراحل بعدی نگهداری نمایید. در صورت نبود آون، کاغذ صافی حاوی نانوذرات را به آرامی داخل ظرف قرار دهید و ظرف را در کنار بخاری قرار داده تا به خوبی خشک شوند.
۳. تهیه نانوکامپوزیت PVA–نانوذرات کربنات کلسیم
۱- مقدار1 درصد وزنی از نانوذرات کربنات کلسیم خشکشده را به محلول PVA تهیهشده اضافه کنید.
۲- برای دستیابی به توزیع یکنواخت نانوذرات و جلوگیری از تجمع آنها، مخلوط را بهمدت10 دقیقه در دستگاه التراسونیک قرار دهید.(اختیاری) در صورت عدم دسترسی به دستگاه التراسونیک، مخلوط را با مگنت یا همزن شیشهای هم بزنید تا حد ممکن یکنواخت شود.
۳- در پایان این مرحله، یک سوسپانسیون یکنواخت نانوکامپوزیتی بهدست میآید.
۴. بررسی عملکرد ضدحریق نمونهها
۱-۴ آزمون ضدحریق با استفاده از پنبه
۱- سه قطعه پنبه با وزن یکسان انتخاب کنید.
۲- نمونهها را بهصورت زیر آماده نمایید:
۳- نمونههای تیمارشده را در آون خشککن خشک کنید.
۴- آزمون اشتعال را بهطور همزمان انجام دهید. با استفاده از یک فندک و با نظارت معلم یا والدین خود، نمونهها را همزمان آتش بزنید و از فرآیند فیلمبرداری کنید. اصول ایمنی را رعایت کرده و حتما از عینک ایمنی استفاده کنید.
۵- زمان اشتعال، شدت سوختن و سرعت گسترش شعله در نمونهها را مشاهده و با یکدیگر مقایسه کنید. زمان را با کرنومتر ثبت کنید.
۲-۴ آزمون ضدحریق با استفاده از پارچه نخی
۱- سه قطعه پارچه نخی با ابعاد یکسان انتخاب نمایید.
۲- پارچهها را بهطور جداگانه در محلولهای زیر غوطهور کنید:
۳- پس از خارج کردن پارچهها، آنها را در آون خشککن خشک نمایید.
۴- آزمون اشتعال را انجام داده و تأثیر پوشش نانوکامپوزیتی را بر کاهش شعلهپذیری، تأخیر در اشتعال و افزایش مقاومت حرارتی پارچه بررسی کنید. فرآیند را با نظارت معلم و یا والدین و با رعایت اصول ایمنی انجام دهید. حتما از عینک ایمنی استفاده کنید. زمان را با کرنومتر ثبت کنید.
پرسشها
۱. چرا کاهش اندازه ذرات کربنات کلسیم تا مقیاس نانو میتواند باعث افزایش خاصیت ضدحریق پارچه شود، در حالی که جنس شیمیایی ماده تغییری نکرده است؟
۲. در مورد سایر کاربردهای نانوذرات کلسیم کربنات در صنعت تحقیق کنید.
۳. چرا در این آزمایش از پلیوینیلالکل (PVA) بهعنوان بستر پلیمری برای پوششدهی پارچه استفاده شده است و نبود آن چه تأثیری بر نتیجه آزمایش خواهد داشت؟
۴. آزاد شدن گاز دیاکسید کربن در اثر تجزیه حرارتی کربنات کلسیم چگونه میتواند به کاهش شدت احتراق و گسترش شعله در پارچه کمک کند؟
