Loading..

شهرک صنعتی پرند، بعد از میدان فناوری، خیابان گلزار، کوچه گل آذین، پلاک 10
info@reactivemetal.com02128422927
ساختار الکتروشیمیایی TNT ها

 

مطالعات قابلیت خیسی روی سطوح نانوساختار و در نانولوله­هایی با ابعاد نانومتر مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است از زمانی که آن­ها نقشی کلیدی در لنزهای چشمی، مواد پزشکی، سطوح خودتمیزشونده و نچسب، مواد مختلف مور استفاده در داخل لوله­ها ایفا کرده­اند. قابلیت خیسی با انرژی سطح، خاصیت شیمیایی سطح و ساختار آن ارتباط دارد. البته خاصیت سیال نیز نقش مهمی را ایفا می­کند. راه سریع برای توضیح قابلیت خیسی سطح زاویه­ی تماس یک قطره باقی­مانده روی آن سطح است. به عنوان مثال سطحی که زاویه­ی تماس بیش از 150 درجه داشته باشد(برگ نیلوفر آبی) فوق آبگریز گویند.  از طرفی مقابل سطح نانولوله­های تیتانیوم ایجاد شده با الکتروفورتیک فوق آبدوست می­باشد. سطوح مختلفی نیز در کاربردهای ضد بخار و خود تمیز شونده استفاده می­شوند. تحقیقات زیادی روی خواص خیسی نانوذرات TiO2 انجام شده اما به ندرت روی نانولوله­های اکسید تیتانیوم کار شده است. در سال 2016 آقای لیو و همکارانش با روش آندایز روی تیتانیوم خاصیت خیسی نانولوله­های اکسید تیتانیوم (TNT) را بررسی کردند.

فویل تیتانیوم با خلوص 99.8% به اندازه­های (15 ×35×0.3 میلیمتر) بریده شدهو توسط التراسونیک درون استون، ایزوپروپیل الکل و متانول هرکدام به مدت 10 دقیقه شست و شو داده شد. سپس فویل را درون آب مقطر کرده و در هوا خشک شد. آندایز با دو الکترود که در آن تیتانیوم به عنوان آند و فویل پلاتینیوم به عنوان کاتد استفاده شد.

ساختار الکتروشیمیایی TNT ها

 

فاصله ­ی بین آند و کاتد 3.5 سانتی­متر ثابت شد. الکترولیت در تمامی آزمایش­ها اتیلن گلیکول شامل 0.5 درصد وزنی آمونیوم فلوراید و0.3 درصد وزنی آب مقطر بود. 4نمونه با ولتاژهای 20، 40، 60 و 80 ولت با 24 آندایز شده و سپس تحت ولتاژ 60 ولت  با زمان­های مختلف (4، 8، 16و32 ساعت) آندایز شد. بعد از آندایز نمونه­ها در دمای 500 درجه سانتی­گراد به مدت 2 ساعت آنیل شده و با نرخ 2 درجه سانتی­گراد بر دقیقه سرد شدند

نمودار XRD a) بعد از آنیل b) قبل از آنیل TNT روی زیر لایه تیتانیوم
: عکس¬های FESEM نمونه ی a) خام b) آندایز شده c) آنیل شده و زاویه ی تماس قطره در این 3 حالت

 

در نمودار XRD تغییر ساختار فازی TNT بعد از عملیت حرارتی نشان داده شده است. از حالت آمورف به کریستالی تبدیل شده که موجب بهبود در میزان آبدوستی شده است(شکل FESEM). زاویه­ی تماس قطره با سطح TNT و TNT آنیل شده با تیتانیوم خام مقایسه شده و نتایج بیشترین آبدوستی را برای TNT آنیل شده با 13 درجه نشان می­دهند. تست قطره تمامی نمونه­ها با 10 میلی­لیتر آب مقطر گرفته شده است.

عکس FESEM از نمای بالا و سطح برش خرده. a و e) 20ولت در 24 ساعت و سپس 20ولت 1 ساعت b و f)40 ولت در 24 ساعت و سپس 20ولت 1 ساعت c و g)60 ولت در 24 ساعت و سپس 20ولت 1 ساعت d و h)80 ولت در 24 ساعت و سپس 20ولت 1 ساعت

TNT تازه ایجاد شده آمورف است. تعداد زیادی نقاط محلی دارای ساختار آمورف باعث ایجاد مراکز به دام انداختن می­شوند که کارایی TNT(فتوکاتالیک/الکترونیک)را پایین می­آورد. به همین دلیل نمونه ­ها آنیل شدند تا ساختار کریستالی TNT حاصل شود. در نمودار XRDپیک­های بلند
نمونه­ی آنیل شده در مقایسه با پیک­های ملایم نمونه­ی آنیل نشده که
Ti را نشان می­دهد، این موضوع را اثبات می­کند. با توجه به پیک­های نمونه­ی آنیل شده فاز آناتاس شده است.

 

مطالعات ابتدایی خاصیت خیسی به خوبی بررسی شده است، در حالی که اثر ظریب ابعادی نانو در این بحث هنوز جای کار دارد. برای افتادن یک قطره روی سطح صاف معادله­ی اولیه­ی یانگ به صورت زیر است در اینجا  زاویه­ی تماس،  کشش سطحی با اندیس­های آورده شده به ترتیب برای مایع، گاز و حالت جامد،  خط کشش از خط سه­گانه و k انحنای خط سه­گانه است

افتادن قطره روی سطح و خاصیت خیسی سطح و جمع بردارهای کشش سطحی از خط سه گانه را نشان می دهد. ب) سرعت پخش شدن ج) هندسه ی استفاده شده در شبیه سازی جذب مویینگی یک خیسی سیال را نشان می دهد و د) عکس شبیه سازی دینامیک مولکولی تشکیل لایه ی نازک اولیه جلوی مویینگی را نشان میدهد.

 

واضح است که این معادله نه تنها اثر ابعاد نانو را در نظر نگرفته، برهمکنش مولکولی بین مایع و جامد درمورد اجزای کشش سطحی را نیز محاسبه نمی­کند. شکل -ب سرعت القا شده­ از هوای اطراف پخش شدن قطره را نشان می­دهد. مشکلات محاسبه وقتی خود را نشان می­دهند که بخواهیم خیسی داخل نانولوله­ها و یا مویینگی­های کوچک را در نظر بگیریم. رابطه­ی واشبرن طول نفوذ z را در زمان t از یک سیال در یک مویین با ضخامت R به صورت زیر نشان داده شده است:

 

 کشش سطحی جامد/مایع و  سرعت برشی ورود مایع است. قطر ظاهرا بزگ نانولوله­های کربنی (200 نانومتر) با پر شدن آن­ها توسط آب کاهش می­یابد. وقتی لوله پر می­شود با بازیابی شکل حداقل انرژی منسوب به قسمت شعاعی  روی مایع اثر می­گزارد. البته در محاسبات برای لوله­های بسیار نازک این موضوع در نظر گرفته نمی­شود. شبیه­سازی دینامیک مولکولی نشان داد که وجود لایه­ی پیش­ماده در پر شدن مویینگی باعث اعوجاج پیدا کردن فرم انحنا­های سطح می­شود.  این اعوجاج به خاطر برهم­کنش مرز سطحی و فشار جدایش ایجاد شده توسط برهمکنش های مولکولی در بین مایع و جامد می­باشد. هنوز اثر این عوامل کاملا مورد مطالعه و درک نشده است.

در بررسی آب­دوستی TNT تیانیوم خام بیشترین زاویه­ی تماس و به طور ذاتی آب­گریز با زاویه تماس حدود 90 درجه را داشت. با تشکیل نانولوله­های اکسید تیتانیوم روی آن سطح آب­دوست با زاویه­ی تماس 24 درجه شد. که کاهش 74 درصدی زاویه تماس را با فویل خام نشان می­دهد. این به دلیل ایجاد شدن سطح تماس زیاد TNT برای سیال است.

در a-d مقایسه ی زاویه ی تماس قطره با سطح TNT و e زاویه تماس قطره با TNT ساخته شده در ولتاژهای مختلف را نشان میدهد.
عکس های FESEM از TNT های آندایز شده در 60 ولت a) 4 ساعت b) 8 ساعت c) 16 ساعت d) 32 ساعت e) زاویه ی تماس قطره با هر یک از نمونه های ساخته شده را نشان میدهد.

 

معمولا با آنیل کردن فلزات سطوح آن­ها آب­گریز می­شوند اما در مورد TNT ها سطوح بعد از آنیل شدن آب­دوست با زاوه تماس حدود 13 درجه شدند. این به دلیل تشکیل فاز آناتاس در دمای آنیل و خاصیت آی­دوستی این فاز می­باشد. دلیل دیگر احتمالا به خاطر افزایش فاصله­ی بین نانولوله­ها بعد از آنیل شدن است که باعث ایجاد فضای بیشتری برای نفوذ سیال می­شود.

درک طول و قطرهای نانولوله­ها، آن­ها را در کاربردهای پوشش­دهی جالب توجه می­کند. پر کردن لوله، جریان واکنش­های فتوکاتالیتیک و روشن شدن در سلول­های خورشیدی. راه حل تولید این­چنین پوشش­های نانولوله­ای تشکیل لایه­ای نانولوله و سپس جدا کردن آن از زیرلایه و سپس گرفت عکس از قسمت پشت پوشش است که رد ایجاد شده روی سطح را می­توان مشاهده کرد.

a) عکس FESEM از نمای پایین TNT ها b) اثر باقی مانده روی سطح قطعه c و d زاویه ی تماس قطره با پشت نانولوله های اکسید تیتانیوم و اثر باقی مانده از آن روی قطعه تیتانیوم.

درعکس FESEM از نمای پایین TNT ها بعد از جدایش لایه از زیرلایه­ی تیتانیومی اثر تشکیل لایه روی زیرلایه باقی مانده و در عکس قابل مشاهده است. پشت پوسته­ی ایجاد شده شامل TNT های بسته شده با قطر حدود 200 نانومتر است. یک لایه­ی محافظ بین TNT ها و زیرلایه وجود دارد که در آن تعداد زیادی آنیون (F، O، OH) و کاتیون­ها فلزی Tin+ در جاهای مختلفی ترکیب شده اند. بنابر این ترکیب شیمیایی آن با ساختار نانولوله­های اکسید تیتانیوم متفاوت است. شکل ‏213 c و d به ترتیب خاصیت خیسی پشت لایه و اثر به­جای مانده روی زیر لایه را نشان می­دهد. در قسمت پشت لایه نانولوله­ها زاویه تماس در حدود 0 درجه است که خاصیت فوق آب­دوستی را نشان می­دهد. این موضوع به دلیل وجود نتایج واکنش­های سمت
لایه­ی محافظ که شامل اجزای هیدروکسیدی بیشتر که باعث افزایش آب­دوستی می­شود هست
. اثر به­جای مانده روی تیتانیوم زاویه تماس حدود 68 درجه را داشت که آب­گریز بوده و نسبت به زاویه تماس قبل از پوشش­دهی این مقدار کاهش یافته است.

در ولتاژهای 20 یا 40 ولت حفره­ها کوچک اند و بالطبع سطح میکرو نیز صاف است، اندازه­ی سورخ نانولوله­ها به ترتیب 30 و 70 نانومتر است. در ولتاژها بالاتر 60 و 80 ولت میزان اچ شدن سطح بیشتر بوده است. در 60 ولت ابعادسوراخ در حدود 140 نانومتر بوده که اچ های نا متعارفی در سطح رخ داده است. به­علاوه لایه­ی ایجاد شده در 80 ولت نیز دارای چگالی کمتر و نظم کمتر نانولوله­ها است. سطح­ها ایجاد شده دارای رنگ­های متفاوتی هستند، این تفاوت به­خاطر پدیده­ی تداخل پرتوها بین نور بازتاب شده از لایه­ی اکسیدی و نور بازتاب شده از سطح مشترک لایه اکسیدی با زیرلایه­ی تیتانیوم است. هرچه ولتاژ آندایز بالاتر رفته ضخامت لایه­ی اکسیدی تغییر می­کند و رنگ نور بازتابی متفاوت خواهد بود. قطر نانولوله­ها و ضخامت لایه­ی اکسیدی به صورت خظی با ولتاژ اعمالی متناسب است. وقتی ولتاژ از 20 تا 80 ولت تغییر می­کند، قطر و طول TNT ها از 30 تا 90نانومتر و 5تا 40 میکرومتر تغییر می­کند.به طور کلی اعمال ولتاژ بالا سطحی با انرژی بالا را ایجادمی­کند، مخصوصا وقتی ولتاژ آندایز از 60 ولت بالاتر می­رود زبری سطح و نیروی مویینگی به دلیل نامرتب شدن نانوساختار افزایش می­یابد که نیروی بیشتری برای نفوذ یا پخش شدگی فراهم می­سازد و نمونه­ ها با آب کاملا خیس می­شوند.

در شکل عکس­های FESEM از TNT های آندایز شده در 60 ولت d عکس­های FESEM از TNT ها تولید شده در ولتاژ 60 ولت با زمان­های مختلف آورده شده است. قطر نانو لوله با افزایش زمان آندایز افزایش نمی­یابد. ابتدا حفره­ها تشکیل شده و قطر به شدت افزایش می­یابد و باسپری شدن زمان آندایز اندازه­ی قطر ثابت باقی می­ماند. اگرچه طول نانولوله­ ها تازمانی که سرعت عمل اچ سطحی توسط فلوراید با سرعت تشکیل نانولوله­ها یکسان شود ومعادله به حالت پایدار برسد، افزایش می­یابد. این شرایط پایدار معمولا درالکترولیت اتیلن گلیکول بعد از 15 الی 20 ساعت رخ می­دهد. نتایج نشان می­دهدکه سطوح ایجاد شده آب­دوست بوده زیرا زاویه تما آن­ها کمتر از 65 درجه است. به طور کلی اندازه­ ی زاویه­ ی تماس TiO2 با افزایش زمان آندایز کاهش می­یابد زیرا با افزایش زمان آندایز نانولوله­ ها منظم­تر خواهند شد و
ساختار سطحی یکنواخت­تری خواهند داشت
.

Write A Comment