– (61)

Please enter banners and links.

در این پروژه، تکمیل منسوج با پلیمر رسانا و نانولولههای کربنی به منظور ایجاد هدایت الکتریکی با هدف استفاده در سلولهای خورشیدی به عنوان الکترود مقابل انجام شده است.
با توجه به اهداف یاد شده و به منظور آشنایی مقدماتی با موضوع باید بیان گردد که این پژوهش در قالب چهار فصل تهیه شده که به شرح ذیل می باشند:
در فصل نخست با عنوان )) مقدمه و مروری بر مقالات (( به بررسی تحقیقات انجام گرفته در زمینه ساخت الکترود مقابل با پلیمر رسانا و نانولولههای کربنی و روشهای تولید منسوجات پوششدهی شده با پلیمر رسانا و نانولولههای کربنی پرداخته شده است.
در فصل دوم این پژوهش، با عنوان )) تجربیات (( به بیان شرح مواد و دستگاه های مورد استفاده جهت تولید منسوجات رسانا با پلیمر رسانا و نانو لولههای کربنی پرداخته است.
فصل سوم تحت عنوان )) نتایج و بحث (( به بیان دقیق نتایج آزمایش ها و نیز بررسی منسوجات رسانا با پلیمر رسانا و نانو لولههای کربنی، تحلیل خواص فیزیکی، مورفولوژی، نوری، رفتار الکتروشیمیایی و همچنین بررسی روش های مختلف استفاده شده جهت تولید منسوجات رسانا با پلیمر رسانا و نانولولههای کربنی پرداخته شده است.
فصل چهارم با عنوان )) نتیجه گیری نهایی و پیشنهادات (( به نتیجهگیری پایانی پرداخته و پیشنهادات مربوطه جهت مطالعات آینده را ارائه نموده است.

146050952500فصل اول
مقدمه و مروری بر مقالات
00فصل اول
مقدمه و مروری بر مقالات

مقدمهدر این فصل به پیشینه و کاربرد کامپوزیت ها، کامپوزیت نانولولههای کربنی و پلیمر هادی و استفاده از آنها در سلولهای خورشیدی به عنوان الکترود مقابل، نقش، اهمیت و مشکلات الکترود مقابل پرداخته شده است.
تعریف کامپوزیت
ترکیب دو یا چند ماده با یکدیگر به طوری که به صورت شیمیائی مجزا و غیر محلول در یکدیگر باشند و بازده و خواص سازهای این ترکیب نسبت به هریک از اجزاء تشکیل دهنده آن به تنهایی، در موقعیت برتری قرار بگیرد را کامپوزیت مینامند. به عبارت دیگر کامپوزیت به دسته ای از مواد اطلاق میشود که آمیزه ای از مواد مختلف و متفاوت در فرم و ترکیب باشند و اجزاء تشکیل دهنده آنها هویت خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده، با هم ممزوج نمیشوند [7].
تاریخچه
قدیمی ترین مثال از کامپوزیت ها مربوط به افزودن کاه به گل جهت تقویت گل و ساخت آجری مقاوم جهت استفاده در بناها بوده است. قدمت این کار به 4000 سال قبل از میلاد مسیح باز میگردد. در این مورد کاه نقش تقویت کننده و گل نقش زمینه یا ماتریس را دارد. ارگ بم که شاهکار معماری ایرانیان بوده است. نمونه بارزی از استفاده از تکنولوژی کامپوزیتها در قرون گذشته بوده است. مثال دیگر تقویت بتن توسط میلههای فولادی میباشد. که قدمت آن به سال ۱۸۰۰ میلادی باز میگردد. در بتن مسلح یا تقویت شده میله های فلزی استحکام کششی لازم را در بتن ایجاد مینمایند چرا که بتن یک ماده ترد میباشد و مقاومت اندکی در برابر بارهای کششی دارد. بدین ترتیب بتن وظیفه تحمل بارهای فشاری و میله های فولادی وظیفه تحمل بارهای کششی را بر عهده دارند [7].
تاریخچه مواد پلیمری تقویت شده با الیافتاریخچه مواد پلیمری تقویت شده با الیاف به سالهای 1940 در صنایع دفاعی و به خصوص کاربردهای هوا-فضا بر میگردد. در این صنایع داشتن عملکرد بالا از مقرون به صرفه بودن اهمیت بیشتری دارد. برای ساخت و طراحی مواد با عملکرد بالا از الیافی که نسبت استحکام به وزن بالایی داشتند استفاده گردید. برای مثال در سال 1945 بیش از 7 میلیون پوند الیاف شیشه به طور خاص برای صنایع نظامی، مورد استفاده قرار گرفته است. علاوه بر هوافضا، از کامپوزیت منسوجات در زمینههای مختلفی از جمله ورزشی(تولید لباسهای ورزشی محافظ مثل کلاه و …)، پزشکی، تولید و ذخیرهسازی انرژی، الکترونیک، فناوری اطلاعات، خودرو سازی(در ساخت بدنه و سایر بخشهای اتومبیل مثل چرخها) و ساختمان سازی(برای ساخت دیوارهایی با استحکام بالا و ضخامت کم و درنتیجه هزینه تولید پایین) مورد استفاده قرار میگیرد[7].
کامپوزیت نانولولههای کربنی و پلیمر رساناتکنولوژی پلیمریزاسیون شیمیایی انیلین و پلیپیرول در حدود یک قرن است که شناخته شده است. با کشف پلیمرهای رسانا در سال 1963، تحقیقات گستردهای در زمینهی پلیمرهای رسانا توسط مک دیارمید (در سال 1976) با هدف کاربرد آنها در سنسورها، ذخیرهی انرژی و خازنها و ابزارهای دیگر انجام شد[8].
پلیمرهای رسانای تهیه شده به روش پلیمریزاسیون شیمیایی رسانایی بالا، ثبات خوب و انحلالپذیری ناچیزی در محلولهای آبی دارند. سنتز شیمیایی پلیمرهای رسانا سادهترین روش تهیه پلیمرهاست که در این روش، مونومرها با استفاده از یک مادهی اکسیدکننده پلیمریزه میشوند. به عنوان مثال انیلین به صورت شیمیایی توسط اکسیدکنندههای متفاوتی از جمله آمونیوم پرسولفات، پتاسیم دیکرومات، آهن() کلراید و به طور مشابه پلیپیرول هم با استفاده از اکسیدکنندههای متفاوتی از جمله نقره () نیترات ، آهن() کلراید، آهن () نیترات و مس() نیترات میتواند تهیه شود [8].
تیوفن و مشتقاتش هم میتواند به صورت شیمیایی در محیطهای آلی تهیه شوند. اگرچه به علت حلالیت خوب مونومرها در محلولهای آبی، سنتز شیمیایی پلیانیلین و پلیپیرول در مقایسه با مشتقات تیوفن، مقرون به صرفهتر و سازگار با محیطزیست است[8].
نانولولههای کربنی به دلیل داشتن ساختار منحصربفرد، سطح مخصوص زیاد و پایداری گرمایی و الکتریکی بالا بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. هنگامی که نانولولههای کربنی در داخل شبکههای پلیمری قرار میگیرند میتوانند هدایت الکتریکی و خواص مکانیکی آنها را بهبود ببخشند. پلیمر رسانا نوعی از پلیمرها با پیوندهای π و نانولولههای کربنی هم پیوندهای π مزدوج دارند. که می توان نانولوله های کربنی را به نوعی پلیمر که تنها از کربن ساخته شده در نظرگرفت. هر اتم کربن نانولولهی کربنی یک اوربیتال P اضافی دارد و الکترون ها در اوربیتال P اضافی ، پیوندهای π غیر مستقر زیادی را به وجود می آورند. این الکترون های π غیرمستقر[1] می توانند به الکترون های π پلیمررسانا به صورت پیوندهای غیرکووالانسی π – π متصل شوند. بنابراین پیوند پلیمررسانا با دیواره های جانبی نانولوله ی کربنی به شکل پیوندهای غیرکووالانسی π – π و کامپوزیت پلیمررسانا-نانولوله با ساختار هسته-پوسته می تواند فراهم شود[9].
در تحقیقات گذشته، پلیمریزاسیون شیمیایی پلیمر رسانا و مشتقات آن بر روی مواد مختلف مثل شیشه، پلیمر، سیلیکا، اکسیدهای فلزی، الیاف و منسوجات انجام شده است. درنتیجه نشان داده شد که همهی مواد میتوانند با استفاده از پلیمرهای رسانا و کامپوزیت جدیدشان پوششدهی شده و در زمینههای مختلفی مورد استفاده قرار گیرند. تلاشهای زیادی در جهت بهبود خواص الکتروشیمیایی و مکانیکی پلیمرهای رسانای سنتز شده انجام شد. برای این منظور پوششدهی مواد کربنی مختلف با پلیمرهای رسانا انجام شد. مواد کربنی مختلف ازجمله کربن سیاه، کربن فعال، الیاف کربن، نانولولههای کربنی تک دیواره و چند دیواره، قبل از شروع پلیمریزاسیون به منظور تشکیل سوسپانسیون در داخل محلول دیسپرس شدند. سپس پلیمریزاسیون در سطح این مواد کربنی اتفاق افتاد[8].
از آنجایی که نانولولههای کربنی قابلیت دیسپرس شدن کمی در آب دارند، برای تهیه دیسپرسیون بهتر نانولولهها در محلولهای آبی، قبل و در حین پلیمریزاسیون شیمیایی تحت امواج فراصوت(اولتراسونیک) قرار گرفتند. درنتیجه مطالعاتی در راستای تاثیر امواج فراصوت بر محصول پلیمریزاسیون انجام شد [10].
کامپوزیتهای نانولوله-پلیانیلینبرهمکنشهای نانولوله/پلیانیلیناز مشکلات ساخت کامپوزیتهای نانولولهی کربنی-پلیمر، تهیه دیسپرسیون و کنترل جهتیابی نانولولهها ناشی از برهمکنشهای قوی واندروالسی آنهاست. برای تهیه دیسپرسیون خوب نانولولهها در محیطهای آلی، آنها را طی یک سری واکنشهای کووالانسی و غیرکووالانسی با مولکولهای آلی عاملدار میکنند[11].
برهمکنشهای پلیانیلین با نانولولهی عاملدارنشدهروشهای غیرکووالانسی برای دیسپرس کردن نانولوله این مزیت را دارد که ساختار الکترونی نانولوله بدون تغییر میماند. یکپارچگی ساختاری و سیستم مزدوج π در سطح خارجی نانولولهی کربنی حفظ میشود. عیب این روش این است که به دلیل نیروهای ضعیف بین مولکولها ممکن است باعث انتقال بار کمتر در کامپوزیت نانولولهی کربنی-پلیمر میشود. برای تولید نانولولههای محلول در مولکولهای آلی با واکنشهای غیرآلی چندین روش گزارش شده است. نانولولههای کربنی مولکولهایی غنی از الکترون هستند که با مولکولهای غنی از الکترون، برهمکنشهای π-π و برهمکنشهای CH-π با مولکولهای دهندهی CH شامل پلیمرهایی مثل پلیمتیل متااکریلات یا پلیبوتادیان و مولکولهای کوچک مانند 1-اکتادکانتیول را تشکیل میدهند. سازگاری بینظیر بین نانولولهی کربنی و آمینهای آروماتیک مثل انیلین گزارش شده است. تشکیل کمپلکس انتقال بار بین CNT و انیلین، یک الکترون دهنده خوب، با ظهور جذب جدید در ناحیه مرئی(350 نانومتر) نشان داده شده است. این عمل با انتقال پروتون از انیلین به CNT انجام میشود[11].
ساختار زنجیرهای غیرمسطح پلیانیلین برای برهمکنش قوی با CNT باید کاهش پیدا کند. اگرچه همهی مطالعات انجام شده بر روی کامپوزیت پلیانیلین/نانولولهی کربنی، برهمکنشهای خوب بین هر دو جز را نشان میدهد. به طور کلی ساختارهای آروماتیک برای برهمکنش شدید سطوح گرافیتی با پیوند π هستند. لازم به ذکر است که اثر افزایش رسانایی ناشی از این حقیقت است که نانولولههای کربنی به دلیل نسبت حجمی و سطح مخصوص زیاد ممکن است به عنوان پل رسانا بین نواحی نمک امرالدین پلیانیلین عمل کند[11].
برهمکنشهای پلیانیلین با نانولولهی عاملدار شدهنانولولهی کربنی در کلاهکهای انتهایی نسبت به سطح مسطح ورقههای گرافن واکنشپذیرتر هستند. از معایب قابل توجه نانولولههای عاملدار شده به روش کووالانسی، شکستن پیوند π مزدوج است که انتظار میرود تاثیر اساسی بر روی خواص الکتریکی نانولوله داشته باشد[11].
عملآوری شیمیایی MWCNT با فنیلدیآزونیوم تترافلوروبورات در حضور هیپوفسفیت سدیم، سازگاری اینها را با پلیانیلین افزایش میدهد. درنتیجهی کاهش کاتیون فنیلدیآزونیوم، رادیکالهای دیآزونیوم ایجاد میشود. این رادیکالهای اولیه به رادیکالهای فنیل شدیدا واکنشپذیر تفکیک میشوند که منجر به تشکیل یک لایهی سطحی فنیل بر روی دیوارههای نانولوله میشود. درنتیجهی این اصلاح، زنجیرهای پلیانیلین کمتر پیچ میخورند و تماس بین سایتهای اکسایشی-کاهشی پلیانیلین با نانولوله افزایش مییابد. این امر باعث انتقال موثرتر الکترون بین الکترود و سایتهای اکسایشی-کاهشی پلیانیلین و درنتیجه افزایش جریان اکسایشی-کاهشی پلیانیلین میشود[11].
روشهای سنتزبرای ساخت کامپوزیت پلیمر رسانا/ نانولولههای کربنی چندین روش وجود دارد. این کامپوزیت میتواند با روشهای الکتروشیمیایی یا شیمیایی سنتز شود. از جملهی این روشها میتوان به روش رسوبدهی پلیمریزاسیون الکتریکی، رسوبدهی لایه به لایه، الکتروفورتیک، پلیمریزاسیون آبی بدون سطح فعال، امولسیون معکوس و … استفاده کرد. مورفولوژی کامپوزیت تهیه شده به نسبت نانولولهی به کار برده شده و نوع روش مورد استفاده بستگی دارد[11].
کاربرد کامپوزیت نانولولههای کربنی/ پلیمر رسانادر سالهای اخیر استفاده از پلیمرهای رسانا، نانولولههای کربنی و کامپوزیت آنها به عنوان الکترود مقابل(کاتد) در سلولهای خورشیدی مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته است. در سال 2013 شاکر ابراهیم و همکارانش از کامپوزیت نانولولههای کربنی و پلیانیلین به عنوان الکترود شمارشگر در سلول خورشیدی رنگ حساس کردند. بدین ترتیب که ابتدا پلیانلین به روش شیمیایی سنتز شد. سپس نانولولههای کربنی و پلیانیلین به کمک اولتراسونیک در دیمتیل فرم آمید حل شد و بر روی سطح شیشهی رسانا لایهنشانی گردید[12].
یامینگ و همکارانش پلیانیلین را بر روی سطح شیشهی رسانای پوشیده شده با نانولولههای کربنی چند دیواره با روش الکتروشیمیایی پوششدهی کردند و از آن به عنوان پلاتین در سلول خورشیدی رنگ حساس استفاده کردند. بازده سلول خورشیدی رنگ حساس با الکترود مقابل پلاتین و نانولولهی کربنی/ پلیانیلین به ترتیب برابر 05/6 و 24/6 درصد بدست آمد. این افزایش بازده نشاندهندهی این است که کامپوزیت نانولولههای کربنی/ پلیانیلین میتواند جایگزینی مناسبی برای پلاتین در این سلولهای خورشیدی باشد[13].
لیو و همکارانش از کامپوزیت نانولولههای کربنی چند دیواره و پلیپیرول به عنوان الکترود مقابل در سلول خورشیدی رنگ حساس استفاده کردند. این کامپوزیت به صورت فیلم دو لایهی نانولولههای کربنی چند دیواره و پلیپیرول بر روی سطح زیرلایه لایهنشانی شد. بدین ترتیب که ابتدا نانولولههای کربنی چند دیواره به روش الکتروفورتیک بر روی سطح شیشهی رسانا لایهنشانی شدند سپس لایهای از پلیپیرول به روش الکتروشیمیایی (ولتامتری چرخهای) بر روی فیلم نانولولههای کربنی چند دیواره تشکیل شد. بازده تبدیل انرژی بدست آمده در این روش 78/3 درصد گزارش شد[14].
البته علاوه بر سلولهای خورشیدی از این کامپوزیتها در زمینههای دیگر مورد استفاده قرار میگیرد[8, 9].
نقش و خصوصیت الکترود مقابل (کاتد)سلولهای خورشیدی رنگ حساس از چند بخش اصلی رنگهای حساس به نور، فتوآند تیتانیوم دیاکسید[2] (TiO2)، الکترولیت اکسایش-کاهش یدید/ترییدید و یک الکترود مقابل[3] (کاتد) تشکیل شده است. الکترود مقابل نقش مهمی را در سلولهای خورشیدی رنگ حساس ایفا میکند. این الکترود وظیفهی جمعآوری الکترون از مدار خارجی برای بازسازی سیستم اکسید و احیا در الکترولیت را بر عهده دارد [6, 15]. یون های تری یدید در الکترود مقابل به یدید کاهش پیدا میکنند. برای کاهش یون های تری یدید، الکترود مقابل باید فعالیت الکتروکاتالیزوری بالایی داشته باشد. پلاتین پوشش داده شده روی سطح اکسید رسانای شفاف (ضخامت 10-5 میکروگرم بر سانتی متر مربع یا تقریباً 200 نانومتر) یا کربن معمولاً به عنوان الکترود مقابل در این سلول ها استفاده می شود [16]. موادی میتوانند به عنوان الکترود مقابل استفاده شوند که رسانایی الکتریکی خوب، فعالیت کاتالیزوری عالی و مقاومت خوردگی بالایی در برابر محلول الکترولیت از خود نشان دهند[6]. جهت بررسی فعالیت الکتروکاتالیزوری الکترود کاتد از روش ولتامتری چرخهای استفاده میگردد.
مشکلات سلولهای خورشیدی رنگ حساسدر سلولهای خورشیدی رنگ حساس عمدتا از شیشههای رسانای[4]پوششدهی شده با پلاتین به عنوان زیرلایه استفاده میشود. علت این امر رسانایی الکتریکی خوب و فعالیت کاتالیزوری عالی پلاتین برای کاهش یون ترییدید میباشد. اگرچه استفاده از الکترود مقابل پوشیده شده با پلاتین، در مقیاس زیاد و کاربردهای تجاری به دلیل قیمت بالا و مصرف انرژی زیاد جهت آمادهسازی، محدود شده است. همچنین یکی دیگر از معایب پلاتین خوردگی آن در برابر اکسایش-کاهش یدید/ترییدید موجود در الکترولیت میباشد[6]. بنابراین مطالعات زیادی در جهت یافتن جایگزینی با قیمت کمتر و پایداری بیشتر مثل مواد کربنی(کربن سیاه، گرافن، کربن متخلخل، نانولولهی کربنی)[17-21] و پلیمرهای رسانا مثل پلیاتیلن دیاکسی تیوفن[22, 23]، پلیانیلین[13, 24] و پلیپیرول[25-28] به عنوان جایگزین اقتصادی مطرح شد.
مشکل اصلی این شیشههای رسانا سخت بودن، سنگین وزنی و گران بودن آنها میباشد. استفاده از پارچه در سلهای خورشیدی علاوه بر انعطافپذیری و قابلیت ارتجاعی، سبک وزنی و قرارگیری راحت ابزارهای الکترونیک قابل پوشش را فراهم میآورد. شیشههای رسانا یکی از اجزا گران سلهای خورشیدی رنگحساس به شمار میروند که در حدود 30 درصد قیمت کل مواد مورد نیاز سل را تشکیل میدهند. اگرچه سختی، شکنندگی و سنگین وزنی از جمله ویژگیهایی هستند که حملونقل سلهای خورشیدی رنگ حساس ساخته شده با شیشههای رسانا را دشوار میکنند. اگرچه زیرلایههای انعطافپذیری همچون فویلهای فلزی یا پلاستیکی میتوانند استفاده شوند اما گرانتر از شیشههای رسانا هستند[6, 29-31].
تکمیل منسوج توسط پلیمرهای رسانا
پوششدهی پارچه با استفاده از پلیمرهای رسانا یکی از روشهای ایجاد هدایت الکتریکی در سطح پارچه میباشد. برای تولید منسوج رسانا میتوان از پلیمرهای رسانا استفاده کرد که همراه با پلیمریزه شدن پلیمر رسانا در سطح منسوج و تولید یک لایه پلیمری دائمی و یکنواخت بر روی سطح و در بافت آن است. در مقایسه با روشهای پوششدهی پارچه با فلز، چسبندگی پلیمرهای رسانا بهتر بوده و همچنین مشکل اکسید شدن و زنگ زدگی وجود ندارد[32, 33].
البته روشهای دیگری هم برای پوششدهی منسوجات با پلیمرهای رسانا وجود دارد. پوششدهی مونومرها بر روی یک رشته نخ در فاز گازی و یا مایع وجود دارد و یا مونومر ابتدا روی سطح کالای متخلخل تزریق شود و سپس در معرض اکسیدکننده و دوپه کننده قرارگیرد. در این فرایند، اثر اکسیدکننده و دوپهکننده بر روی پلیمریزاسیون مونومر بسیارقابل توجه می باشد[34-36]. روشهای دیگر تولید منسوجات رسانا ، روش انتشار[5] [37, 38] و ته نشینی امولسیونی[6] [39] و روش الکتروشیمیایی [40, 41] می باشد.
تکمیل منسوج توسط پلیانیلینپلیانیلینمکانیزم رسانایی پلیانیلین[7] (PANI) نسبت به دیگر پلیمرهای رسانا متفاوت میباشد. در تشکیل رادیکال کاتیونی پلیانیلین اتم نیتروژن شرکت میکند در صورتی که در دیگر پلیمرهای رسانا اتم کربن در تشکیل رادیکال کاتیونی درگیر میشود. از سویی دیگر نیتروژن در سیستم پیوند دوگانهی مزدوج هم دخیل شده بود. بنابراین رسانایی الکتریکی پلیانیلین به دو عامل درجهی اکسیداسیون و درجهی پروتونهشدن بستگی دارد[42]. پلیانیلین دارای رسانایی الکتریکی نسبتا بالا (10-102 سانتیمتر بر زیمنس) میباشد. این پلیمر با توجه به درجهی اکسایش و محیط تغییر رنگ متفاوتی را از خود نشان میدهد. علاوه بر رسانایی الکتریکی به دلیل رفتار جالب الکتروشیمیایی، سهولت سنتز در محیطهای آبی و آلی، قیمت ارزان مونومر و پایداری خوب در برابر عوامل محیطی، حرارتی و شیمیایی از محبوبیت ویژهای برخوردار میباشد [43]. پلیانیلین نخستین پلیمر رساناست که به صورت تجاری درآمده است [44]. پلیانیلین به گروهی از پلیمرهای رسانا گفته میشود که دارای فرمول کلی نشان داده شده در شکل 1-1 هستند. در این فرمول، درجهی پلیمریزاسیون را نشان میدهد. نیز میتواند از صفر، برای فرم کاملا اکسیدشده؛ تا یک، فرم کاملا احیاشده، به طور پیوسته تغییر کند. فرم کاملا اکسیدشده() را پرنیگرانیلین()[8]، فرم کاملا احیاشده() را لوکو امرالدین()[9]، و فرم نیمه اکسیدشده() را امرالدین()[10]مینامند [45].

شکل ‏11- فرمول کلی انیلین[45]
در بین فرمهای مختلف اکسیداسیون پلیانیلین فرم امرالدین که در آن نصف ازتها پروتونه شده و دارای واحدهای اکسیده و کاهیدهی یکسان هستند و بیشترین رسانایی را دارند. فرمهای کاملا اکسیدشده و کاملا احیاشده عایق میباشند. هر کدام از فرمهای پلیانیلین میتواند به صورت بازی (غیر پروتونه) و پروتونه وجود داشته باشند این تبدیلات به راحتی در اثر اکسایش-کاهش شیمیایی و یا الکتروشیمیایی و همچنین واکنش با اسید و باز برونستد انجام میگیرد. در شکل 1-2 چهار فرم مختلف پلیانیلین و چگونگی تبدیل آنها به یکدیگر نمایش داده شده است.

شکل ‏12- فرمهای مختلف پلیانیلین[45]
کاربرد پلیمر رسانای پلیانیلیندر بین پلیمرهای رسانا، پلیانیلین از پایداری محیطی بالایی برخوردار است. به عنوان مثال پلیاستیلن () در مقایسه با پلیانیلین، علی رغم داشتن هدایت الکتریکی بسیار زیاد در اثر دوپینگ، به شدت در شرایط محیطی حتی در اتمسفر خنثی ناپایدار است. همچنین پلیانیلین برخلاف پلیپیرول، پلیتیوفن و سایر پلیمرهای رسانا در بعضی از حلالها مثل، اسید فرمیک 88% و اسید سولفوریک غلیظ حل میشود. حلال اختصاصی و معروف این پلیمر میباشد و در حلالهایی چون پیریدین،و به مقدار جزئی حل میشود [46].
از پلیانیلین برای جلوگیری از خوردگی، به عنوان الکترود در ساخت باطریهای قابلشارژ، محافظت عالی در مقابل بارهای الکتریکی که موجب کاربرد در ساخت اجزای الکترونیکی شده، نمایشگرهای الکتروکرومیک، حفاظتکنندههای امواج الکترومغناطیسی، تهیه غشاهای گزینشی[47] و همچنین به دلیل قیمت کم، سنتز راحت، فعالیت کاتالیزوری بالا و ثبات زیست محیطی قابل توجه، به عنوان الکترود مقابل در سلولهای خورشیدی [24, 48] مورد استفاده قرار میگیرد.
پارچههای پوششدهی شده توسط پلیانیلینتا مدتها از انیلین به عنوان یک مرحله رنگرزی بر روی پارچههای سلولزی استفاده میکردند و به دست آوردن منسوج رسانا مورد توجه نبوده است [49]. پلیمریزاسیون جانشینی انیلین بر روی منسوجات ابتدا توسط کمپانی تحقیقاتی میلیکن[11] [50] و سپس توسط محققان دیگر گزارش شد [51-53].
به منظور تهیه منسوج رسانا، ابتدا سطح منسوج با محلولی شامل مونومر انیلین و هیدروکلریک اسید خیس میخورد و سپس در معرض ماده اکسیدکننده قرار میگیرد. برای انجام مرحلهی اکسیداسیون میتوان از پرسولفاتهایی مانند آمونیوم پرسولفات یا پتاسیم پرسولفات در محلول اسیدی استفاده کرد [32]. بعد از پایان پلیمریزاسیون، سطح پوشش داده شده را با مقدار کافی از آب آبکشی نموده، سپس با محلول اسیدکلریک 2 مولار شستشو داده و بعد خشک کرد. این مراحل شستشو باعث تشکیل لایه یکنواخت و چسبیدهای از پلیانیلین دوپشده کلریدی میشود [54].
بررسیهای انجام شده نشان داد که بعد از پوششدهی توسط پلیانیلین، میزان رسانایی در نخهای پشمی و پلیاستری نسبت به نایلونی، پنبهای و اکریلیکی بیشتر میباشد [49].
تکمیل منسوج توسط پلیپیرول پلیپیرولپلیپیرول[12] (PPY) یکی از مهمترین پلیمرهای رساناست که از بهم پیوستن تعدادی واحد حلقوی به نام پیرول تشکیل شده است (شکل 1-3) که در سالهای اخیر، به دلیل هدایت الکتریکی بالا و پایداری زیاد در هوا [55, 56]، در مقایسه با سایر پلیمرهای رسانا بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.

شکل ‏13- ساختار پلیپیرولپلیپیرول مانند سایر پلیمرهای رسانا هم به روش پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی [57, 58] و هم به روش پلیمریزاسیون شیمیایی [55, 56] تهیه میشود. هر یک از این روشها مزایا و معایبی دارند. مراحل پلیمریزاسیون در شکل 1-4 نشان داده میشود.

شکل ‏14- مراحل پلیمریزاسیون پلیپیرول[59]
، به عنوان یون مخالف یا آنیون دوپینگ میباشد.
پلیمریزاسیون پلیپیرول توسط اکسیداسیون مونومر آغاز میشود و سبب تولید رادیکال کاتیون میشود. پلیمریزاسیون از طریق مکانیسم اتصال رادیکال- رادیکال حاصل میشود(شکل 1-5).

شکل ‏15- مکانیسم پلیمریزاسیون پلیپیرول[59]
پلیمریزاسیون شیمیایی پیرول، یک روش مناسب برای تشکیل کامپوزیتهای رسانا در محیط آبی میباشد [59-61] که در آن، واکنش بین مونومر پیرول با یک اکسیدکننده مناسب در محلول صورت میگیرد. در پلیمریزاسیون شیمیایی، کلرید آهن () اکثرا به عنوان اکسیدکننده و آب به عنوان محلول اصلی استفاده میشود [59]. اگر از کلرید آهن به عنوان اکسیدکننده استفاده شود یونهای مخالف آن است که به دلیل حرکت نسبی یون کلرید، پلیمر حاصل پایدار نیست درنتیجه با اضافه کردن دوپنت میتوان باعث بهبود خواص الکتریکی و پایداری محیطی پلیمر شد [62].
مزایای پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی عبارتند از : خالص بودن پلیمر، تولید یک مرحلهای پلیمر به طور مستقیم در سطح الکترود و امکان جداسازی پلیمر از روی آن، کنترل میزان پلیمر شدن و امکان تغییر ماهیت الکترولیت که تغییر عمدهای را در میزان رسانایی و مورفولوژی فیلمهای پلیمر ایجاد میکند. از معایب این روش ناچیز بودن بهرهی واکنش و عدم امکان کنترل ساختار به هنگام رشد زنجیر پلیمری نام برد. در پلیمریزاسیون شیمیایی امکان کنترل ساختار به هنگام پلیمریزاسیون و بهره واکنش بیشتر از مزایا و آلوده بودن پلیمر حاصل و چند مرحلهای بودن فرآیند تولید از معایب این روش است. در تهیه پلیمرهای رسانا از طریق پلیمریزاسیون شیمیایی، مشابه با پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی ، اکسایش مونومر نقش مهمی دارد. در پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی، اکسایش مونومر در سطح الکترود و به دنبال آن رشد زنجیر، موجب تشکیل پلیمر میشود و در پلیمریزاسیون شیمیایی نیز مونومر با اکسندهی مناسب اکسید شده و زنجیرها در همان شرایط رشد پیدا میکنند. پلیمریزاسیون شیمیایی معمولا سریعتر و آسانتر انجام میپذیرد [63].
کاربرد پلیمر رسانای پلیپیرولاز پلیپیرول و مشتقات آن در تهیه ابزار و وسایلی که به علت جذب امواج مایکروویو در صفحه رادار غیر قابل مشاهده میشوند، استفاده میشود. همچنین به صورت لایهی نازک در ابزارهای حسی، روکش آنتیاستاتیک جهت جلوگیری از تخلیه الکتریکی در برابر امولسیونهای فتوگرافیک استفاده میشود [63]. ماهیت این پلیمرها باعث شده است که آنها علاوه بر رسانایی الکترواکتیو هم باشند. رسانایی این پلیمرها باعث شده که در مواد آنتیاستاتیک با تولید گرما باعث اثر حفاظتی امواج الکترومغناطیسی شوند. همچنین به دلیل داشتن ماهیت الکترواکتیو میتوانند صفحههای نمایش الکتریکی، ابزارهای انتشار دهندهی نور()[13] ، محرکها و بیوسنسورها به کار روند [64-72]. این پلیمر به دلیل قیمت کم، سنتز راحت، فعالیت کاتالیزوری بالا و ثبات زیست محیطی قابل توجه، به عنوان الکترود مقابل در سلولهای خورشیدی مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است[25-28, 73].
پارچههای رسانای پوششدهی شده با پلیپیرولبا انجام پلیمریزاسیون پلیپیرول بر روی سطح پارچه یک فیلم نازک و یکنواختی تشکیل میشود. ضخامت فیلم پلیمر رسانا در طول سنتز شیمیایی به زمان سنتز و غلظت واکنشدهنده بستگی دارد. پارچههای پوششداده شده با پلیمرهای رسانا در مقایسه با پارچههای پوششدهی شده با فلزات دارای وزن کمتر و انعطافپذیری بیشتری میباشند [63].
برای پلیپیرول اکسیدکنندههای مختلفی مثل کلرید آهن()[74, 75]، پتاسیم پرسولفات[76]، پرکلرات آهن [77] و آمونیوم پرسولفات[78] استفاده میکنند که خصوصیات فیزیکی، مورفولوژی و الکتروشیمیایی پلیپیرول تحت تاثیر مادههای اکسیدکننده میباشد [77].
همچنین مادههای دوپهکننده مختلفی شامل پاراتولوئن سولفونیک اسید [79]، آنتراکینون دوسولفونیک اسید، دونفتالن سولفونیک اسید و تری کلروبنزن سولفونیک اسید[80, 81] میتوان برای پلیپیرول استفاده کرد. براساس تحقیقهای صورت گرفته بر روی سیلیکون، نشان داده شد که خصوصیات الکتریکی پیرول به دوپنت مورد استفاده بستگی دارد. اسیدهای سولفونیک آروماتیک مثل بنزن سولفونیک اسید، چهار تولوئن سولفونیک اسید، نفتالن سولفونیک اسید و آنتراکینون دو سولفونیک میتواند به مخلوط یون مخالف و پلیمر اضافه شود [82, 83]. پلیمرهای ذاتا رسانا میتوانند در حجم زیاد با هزینهی کم به وسیلهی پلیمریزاسیون شیمیایی تهیه شوند. در پلیمریزاسیون شیمیایی که مبنی بر اکسیداسیون مونومر توسط نمک فلزی مانند کلرید آهن میباشد رنج بالایی از رسانایی بدست میآید که رسانایی پلیمرهای حاصل به زمان پلیمریزاسیون، دما و غلظت مونومر و اکسیدکننده بستگی دارد [75].
تکمیل منسوج توسط نانولولههای کربنینانولولههای کربنینانولولههای کربنی که در سال 1991 توسط ایجیما کشف شدند، یکی از چهار حالت شناخته شدهی کربن بر روی زمین هستند[84]. نانولولههای کربنی از رول شدن صفحات گرافنی دارای اتمهای کربن با هیبرید SP2، تشکیل شدند. نانولولههای کربنی تک دیواره از یک صفحهی گرافنی که به دور خودش پیچیده شده، تشکیل شد که دو انتهایش میتواند با مولکول شبه فولرن بسته شود. نانولولههای کربنی چند دیواره شامل یک لولهی مرکزی با قطر نانومتری میباشد که توسط لایههای گرافنی هم مرکز، مشابه حلقههای تنهی درخت، احاطه شده است. فاصلهی بین این صفحات تقریبا برابر و در حدود 0.34 نانومتر میباشد[85]. از آنجایی که صفحههای گرافنی را میتوان به شکلهای مختلفی لوله کرد، انواع مختلفی نانولولهی کربنی وجود دارد. از طریق دنبال کردن رد الگوهای مربوط میتوان نانولولههای زیگزاگی[14] ، صندلی راحتی[15] و کایرال[16] را میتوان از هم تشخیص داد[11].
به دلیل ویژگیهای ساختاری، شیمیایی، مکانیکی، حرارتی، نوری و الکترونیکی منحصربفرد نانولولههای کربنی، علاقهی زیادی به استفاده از آنها در محدودهی وسیعی از کاربردها و زمینهها وجود دارد. ابسن و تاکادا عیوب ساختاری نانولولههای کربنی را به سه گروه تقسیمبندی کردند: توپولوژیکی[17]، پیوندزنی دوباره[18] و عیوب اتصال ناکامل. بیشتر ویژگیهای نانولوله مثل رسانایی و پهنای باند، شدیدا تحت تاثیر این عیوب قرار میگیرند[86]. نانولولههای کربنی توسط سه تکنیک اصلی، قوس الکتریکی، تجزیه شیمیایی بخار و کندوسوز لیزری سنتز میشوند. در صورت استفاده از هریک از این روشها برای حذف نانوذرات گرافیت، کربن آمورف، نانو کپسولهای کربنی چند پوستهای، فولرنها و کاتالیستهای فلزی به دست آمده به همراه نانولولههای کربنی، انجام مرحلهی خالصسازی ضروری میباشد. روش خالصسازی در دو گروه اصلی طبقهبندی میشود: تکنیکهای شیمیایی مثل اکسیداسیون شیمیایی، اکسیداسیون فاز مایع و تکنیکهای فیزیکی مثل فیلتراسیون، سانتریفوژ، کروماتوگرافی، اولتراسونیکیشن[19] و حرارتدهی در دمای بالا. لازم به ذکر است که بیشتر روشهای خالصسازی نامبرده برای نانولولههای کربنی تک دیواره و چند دیواره، باعث تخریب آنها شده و در مقیاس زیاد تاثیری در حذف ناخالصیها ندارند. روشهای چندمرحلهای به کار گرفته میشود تا به نانولولهها آسیب کمتری وارد شود[11].
کاربرد نانولولههای کربنینانولولههای کربنی به دلیل خصوصیات بی نظیرشان به یکی از مهیج ترین مواد در سال های اخیر تبدیل شدند. مخصوصا خصوصیات الکتریکی نانولولههای کربنی باعث استفاده ی آن ها در ترانزیستورها، شناسایی فرکانس رادیویی، حسگرها و…. شده است. یکی از بیشترین کاربردهای نانولوله های کربنی استفاده ی از آنها در ساخت الکترودهای شفاف است. ایندیم قلع اکسید به عنوان ماده ی متداول و غالب برای الکترودهای شفاف است که می تواند با نانولوله ها که ارزان تر است جایگزین شود. نانولوله ها علاوه بر کاهش قیمت برای این نوع ابزارها باعث انعطاف پذیری آن ها هم می شود. همچنین میتوانند در کاربردهایی نظیر سلولهای خورشیدی [17]، ابزارهای الکترونیکی و سنسورها[87]، جاذب برای جذب فلزات () در آب [88] و در زمینههای بسیاری از علم مواد مورد استفاده قرار گیرند.
تهیه پارچه رسانا توسط نانولولههای کربنیبرای لایهنشانی و تهیه فیلم از نانولولههای کربنی روشهایی نظیر غوطهوری، اسپری، پوششدهی دورانی ، فیلتراسیون خلا، چاپ، رسوبدهی شیمیایی بخار، کندوپاش، الکترواسپری و… استفاده میشود[87].
در روش اسپری، دیسپرسیون نانولولهها بر روی سطح گرم شدهی زیرلایه اسپری میشود و درنتیجه لایهی نازکی از نانولولهها بر روی سطح تشکیل میشود. محصولات جانبی فرار و حلالها تبخیر شده و از سطح زیرلایه جدا میشود. از مزایای اصلی این روش توانایی تشکیل لایههای ضخیم و لایهنشانی در مقیاس زیاد میباشد[87].
روش غوطهوری یکی از آسانترین روشهاست که به تکنیک و تجهیزات پیچیدهای نیاز نمیباشد. در این روش زیرلایه با سرعت ثابتی در ظرف محتوی دیسپرسیون نانولولهها وارد شده مدتی در آن غوطهور میماند سپس با سرعت ثابتی خارج شده و خشک میشود. میزان ضخامت لایهی تشکیل شده به ویسکوزیته دیسپرسیون، زمان غوطهوری، سرعت خروج و برهمکنش بین دیسپرسیون با زیرلایه، بستگی دارد. به منظور بهبود در چسبندگی بین سطح زیرلایه و دیسپرسیون انجام یکسری عملیات آمادهسازی بر روی سطح زیرلایه ضروری است[87]
در روش پوششدهی دورانی، زیرلایه بر روی یک صفحهای با دمای معین قرار میگیرد. سپس مقدار کمی دیسپرسیون بر روی مرکز زیرلایه قرار داده میشود. در اثر چرخش صفحه با سرعت بالا، به دلیل نیروی گریز از مرکز، دیسپرسیون بر روی سطح زیرلایه پخش میشود. ضخامت فیلم معمولا به ویسکوزیته محلول، سرعت زاویهای و میزان چرخش بستگی دارد[87].

شکل ‏16- روش پوششدهی الف) غوطهوری، ب) دورانی[87]
روش فیلتراسیون خلا یکی از سادهترین روشها برای جداکردن کامپوزیت نانولولههای کربنی از حلال میباشد. در این روش به دلیل ایجاد اختلاف فشار در دو طرف قیف بوخنر، حلال جدا شده و فیلم فشردهای از نانولولهها بر روی سطح ایجاد میشود. با این وجود فیلمهای تشکیل شده توسط فیلتراسیون خلا کاملا ضخیم میباشند که در کاربردهای خاص نمیتوانند مورد استفاده قرار بگیرند[87].
یکی از روشهای مورد علاقه چاپ نانولولههای کربنی است. همچنین روشهای چاپ متنوعی مانند چاپ تخت، چاپ آیروسل، چاپ انتقالی و چاپ تماسی برای رسوب نانولوله بر روی زمینههای مختلف ارائه شد ولی مطلوب ترین شکل چاپ، چاپ جوهرافشان است. چاپ جوهرافشان مزایای بینظیری نسبت به دیگر روشهای چاپ ارائه میدهد. این روش نیاز به پیشسازی شابلون ندارد و فرآیند چاپ سریع و با هزینهی کم انجام میشود. علاوه براین با توجه به روشهای دقیق الگودهی، به مراحل پس از چاپ نیازی نیست. علاوه براین مواد متعدد به طور همزمان با استفاده از چند کارتریج جوهر میتواند رسوب کند و مقدار ماده هم میتواند با دقت زیاد کنترل شود. برای انجام این چاپ نیاز به یادگیری سختافزار یا نرمافزار خاصی نیست و راحت است. از معایبش این است که امکان گرفتگی نازل وجود دارد و اینکه به طور کلی قابل کنترل نیست، مخصوصا حجم قطره و فاصله نمیتواند تنظیم شود. وقتی که نانولولههای کربنی بر روی زمینهی مورد نظر چاپ میشوند و حلال تبخیر میشود، شبکههای نانولوله به صورت رندوم بر روی زیرلایه باقی میماند. بعضی از نانولولههای کربنی ممکن است بدون داشتن تماس با دیگر نانولولهها کاملا مجزا و تک قرار بگیرند که در این صورت الکترونها در نانولوله حبس میشوند. درنتیجه نانولولهی مجزا نمیتواند تاثیری در هدایت فیلم چاپ شده داشته باشد. بعضی از نانولولههای کربنی ممکن است در تماس با دیگر نانولولههای کربنی قرار بگیرند. ایجاد یک مسیر الکترونی ضروری است تا الکترون بتواند از یک نانولوله به نانولولهی دیگر بروند و درنتیجه باعث ایجاد جریان و نهایتا رسانایی در فیلم چاپ شده میشوند[89].

شکل ‏17- نحوه قرارگیری نانولولهها[89]
همانطور که انتظار میرود مقدار جریان با تعداد مسیرهای الکترونی رابطهی مستقیم دارد. این حاکی از این است که طول نانولولههای کربنی نقش مهمی در رسانایی لایه نازک ایفا میکند. اگر طول نانولولهها کوتاه باشد امکان تماس آنها با هم کمتر و درنتیجه رسانایی کمتر میشود. چاپ چندلایه رسانایی را افزایش میدهد چون هر لایهی اضافی باعث ایجاد شبکهی متراکمتر و درنتیجه مسیرهای الکترونی بیشتری تولید میکند[89]. هچ و همکارانش نشان دادند که با افزایش طول نانولولهها رسانایی هم افزایش مییابد. دیسپرسیونکنندهها توسط مهار تماس نانولولهها میتوانند باعث کاهش رسانایی شبکهی نانولوله شوند. انواع مختلف نانولولهها هم در میزان هدایت موثر است. فرآیند خشک کردن هم میتواند در توزیع و جهتیابی نانولولهها تاثیرگذار باشد. تهیه دیسپرسیون نانولولهی کربنی خیلی مهم است. علاوه بر دیسپرسیون، کشش سطحی و ویسکوزیته از ویژگیهای مهم برای جوهر نانولولهی کربنی است. به دلیل نیروی واندروالس بین نانولولهها، براحتی انباشته شده و رسوب میکنند که خیلی نامطلوب است چون باعث گرفتگی نازل جوهرافشان میشود[89, 90].
برای تزریق جوهر از نازل جوهر باید کشش سطحی کم داشته باشد به دلیل حجم خیلی کم جوهری که میخواهد تزریق شود داشتن کشش سطحی کم بسیار ضروری است. اگر کشش سطحی خیلی بالا باشد قطرههای جوهر ممکن است در نازل کارتریج باقی بماند که این به شدت نامطلوب است. حلالهای آلی کشش سطحی کمی دارند به همین دلیل به عامل ترکننده نیازی ندارند ولی آب کشش سطحی خیلی بالایی دارد که مولکولهای سطح فعال معمولا به عنوان عامل ترکننده هم استفاده میشوند. در مایعی مثل آب مولکولهای سطح فعال در فصل مشترک بین آب و هوا جمع میشوند که درنهایت باعث کاهش چسبندگی بین مولکولهای آب در سطح و درنتیجه کاهش کشش سطحی میشوند[89].
روشهای تهیه دیسپرسیون نانولولههای کربنیدیسپرسیون نانولولههای کربنی عاملدارمرحلهی اول عاملدار کردن نانولولههای کربنی است که این امر مستلزم یک فرآیند شیمیایی است که در اثر آن مولکولها به دیوارههای نانولولهی کربنی متصل میشوند. یکی از متداولترین روشهای استفاده از نانولولههای کربوکسیله است. در کربوکسیله کردن گروههای کربوکسیل طی یکسری روشهای شیمیایی به دیوارههای نانولولههای کربنی متصل میشوند. برخلاف نانولولههای کربنی که آبگریز هستند، گروههای کربوکسیل آبدوست هستند و احتمال تجمع نانولولهها را کاهش میدهند. در طی عاملدار کردن ممکن است به دیوارههای نانولولهها آسیب جدی وارد میشودکه باعث کاهش رسانایی آنها میشود[91].
دیسپرسیون نانولولههای کربنی بر پایهی حلالهای آلیروش دیگر برای تهیه دیسپرسیون نانولولهها استفاده از حلالهای آلی است که در این روش دیگر نیازی به عامل دار کردن نانولولهها نیست و خود حلال همانند دیسپرسکنندهها عمل میکند. مولکولهای حلال آلی به دلیل برهمکنش هیدروفوبی با پیوند قوی واندروالس بین نانولولهها مقابله میکنند. به دلیل کشش سطحی کم خود حلالها نیاز به اضافه کردن عامل ترکننده برای جوهرهایی بر پایهی حلالهای آلی نیست. حلالهای آلی فرار هستند که باعث ایجاد مشکل در آمادهسازی و استفادهی جوهر در کارتریج میشوند جز اینکه کارتریج به خوبی مهر و موم شده باشد. وقتی که حلال تبخیر شود فقط نانولولهها باقی میمانند که باعث گرفتگی نازل میشود. مشکل دیگری که در مواجهه با حلال آلی وجود دارد این است که اثر بدی روی سلامتی و محیط میگذارد. حلالهای آلی بعضی از پلیمرها بسیار خورنده هستند که کارتریج استفاده شده باید در برابر آن مقاوم باشد. این خاصیت خورندگی همچنین انتخاب زیرلایه را هم محدود میکند[90].
دیسپرسیون نانولولههای کربنی با آبدیسپرسیون نانولوله با آب دوستدار محیط زیست است و به آسانی ذخیره میشود و کار کردن با آن امنتر است. به دلیل آبگریز بودن سطح نانولولهها و همچنین وجود نیروی واندروالس قوی بین آنها باعث انباشته شدن آنها در آب میشود. یکی از راههای رفع این مشکل کمک گرفتن از سطح فعالها و پلیمرها است. سطح فعال یک سر آبدوست و یک دم آبگریز دارد که با دم آبگریز جذب نانولولهها میشود و به دلیل داشتن سر آبدوست باعث ایجاد دافعه بین نانولولهها میشود. پلیمرها هم زنجیری بلند از مونومرها هستند که به صورت هلیکس دور نانولولهها میپیچند و مانند سطح فعالها عمل میکنند[89].
تهیه منسوج رسانا توسط نانوذرات فلزیتوسعه لایهنشانی احیایی فلزات و آلیاژها در سالهای گذشته قابل توجه بوده و هنوز هم ادامه دارد. این فرآیند برای کاربردهای گوناگونی مانند دیسکهای مغناطیسی، مدارهای چاپی، روکشدهی روی نیمههادیها، روکشدهی روی غیرهادیهایی مانند منسوجات، باتریها و وسایل پزشکی بررسی شده است. بیشتر این کاربردها وابسته به لایهنشانی مس، نیکل و نقره است که کاربردهای اساسی آنها شامل فلزکاری سطوح غیرهادی، لایهنشانی احیایی پوششهای کامپوزیت و لایهنشانی احیایی نقره، طلا و سایر فلزات است [92].
تکنیکهای فلزدار کردنبرای پوششدهی منسوجات با فلزات روشهای مختلفی مثل رسوبدهی تحت خلا[20]، کندوپاش[21]، آبکاری الکتریکی[22] و آبکاری الکترولس4 یا لایهنشانی احیایی وجود دارد [92].
روش کندوپاش بهبود یافته و در میزان ضخامت در آن قابل کنترل است. اگرچه این روش مزایایی همچون یکنواختی، قوی بودن پیوند بین فیلم و زیرلایه میباشد و دوستدار محیط زیست است اما گران و دارای نرخ رسوبدهی کمی است [92]. رسوبدهی در خلا یک روش نسبتا ارزان برای تولید الیاف پوششدهی شده با فلز است اما چسبندگی بین فلز و الیاف ناپایدار است. علاوه بر این، انجام این فرآیند مشکل است و الیاف تولید شده به این روش مقاومت کمی در برابر خوردگی دارند و برای پوشش هم مناسب نیستند. روش آبکاری الکتریکی هم به علت قیمت بالا و مشکل بودن فرآیند، در صنعت نساجی زیاد مورد استفاده قرار نمیگیرد. لایهنشانی احیایی یک روش جایگزین میباشد که در این لایههای فلزی به اندازهی کافی نازک هستند و در طی فرآیند آسیبی به پارچه وارد نمیشود [92].
لایهنشانی احیایی و پیشرفت آن در نساجیلایهنشانی احیاییاین روش در سال 1835 با کاهش نمکهای نقره بوسیلهی اکسایش آلدهیدها انجام شد. این پیشرفت تا سال 1946 حفظ شد. این فرآیند یک روش موثر برای رسوب فیلمهای فلزی روی سطوح بدون استفاده از انرژی الکتریکی میباشد. برخلاف آبکاری الکتریکی که در آن الکترونهای خارجی اعمال شده به عنوان عامل کاهنده عمل میکنند در این روش، با وقوع واکنش شیمیایی بین عامل کاهنده و یونهای فلزی حاضر در محلول، رسوبدهی فلز انجام میشود [92].
مزایای روش لایهنشانی احیایی عبارتند از:
بسیار انعطافپذیر است و تقریبا برای هر زیرلایهای مناسب است.
این نوع رسوبدهی ساده و ارزان است.
پوششدهی با ضخامت یکنواخت انجام میشود.
در این روش الیاف با عملکرد بالا بدست میآید بدون اینکه تغییر قابلتوجهی در سایر خصوصیات مثل انعطافپذیری، چگالی ایجاد شود[92].
مکانیزم فرآیندلایهنشانی احیاییمکانیزم فرآیند بر پایهی کاهش شیمیایی یون فلزی توسط عامل کاهنده میباشد. رسوب لایهی فلزی بر روی مواد غیر رسانا مثل زیرلایهی پلیمری، توسط این روش به معنی ایجاد سایتهای کاتالیتیکی برروی سطح غیر رسانا برای آغاز واکنش شیمیایی است[93]. در این سایتها معمولا پالادیم جذب میشود. جذب شیمیایی پالادیم میتواند توسط دو روند شیمیایی متفاوت انجام شود. یکی از این فرآیندها شامل دو مرحلهی حساسسازی و فعالسازی میباشد. در طی حساسسازی، سایتهای فعال با غوطهوری زیرلایه در محلول کاهشی ایجاد میشوند. کلریدقلع یک حساسکننده است. حمام حساسسازی معمولا شامل کلریدقلع و اسیدکلریک است. گاهی اوقات به منظور جلوگیری از اکسایش یونهای قلع(II) کمی قلع در داخل محلول حساسسازی استفاده میشود. مرحلهی فعالسازی شامل تهیهی کاتالیست است. برای فعالسازی زیرلایه در حمامی حاوی یونهای فلزی گرانبها، معمولا پالادیم، غوطهور میشود.
روش دیگر برای جذب شیمیایی پالادیم، یک فرآیند یک مرحلهای است که زیرلایه در محلول کلوئیدی مخلوط کلریدقلع و کلریدپالادیم فعالسازی شده است. یک مرحلهی سریع برای برداشت لایهی قلع و سپس ایجاد کاتالیست فعال برای رسوب بیشتر فلز، ضروری است. واکنشهایی که رخ میدهد و منجر به شروع پوششدهی فلزی میشود در معادلهی1-1 و 1-2 نشان داده شده است[94].
معادله 1-1
معادله 1-2
بعد از قرارگیری زیرلایه در محلول لایهنشانی، ذرات فلزی بر سطح کاتالیز شدهی زیرلایه رسوب میکنند. رسوب فلز در این فرآیند از یک مکانیسم الکتروشیمیایی پیروی میکند(مثل واکنشهای اکسایش و کاهش) که شامل انتقال الکترونها بین انواع واکنش دهندههای شیمیایی میباشد. اکسایش با از دست دادن الکترونها و کاهش با بدست آوردن الکترونها همراه است. بنابراین اکسایش، یک فرآیند آندی و کاهش، یک فرآیند کاتدی را نشان میدهد. یک مدل الکتروشیمیایی استفاده شده برای فرآیند رسوبدهی الکترولس فلز، بر اساس تئوری پتانسیل مخلوط فرآیند رسوب پیشنهاد داده شده است. بر اساس تئوری پتانسیل مخلوط رسوبدهی الکترولس، واکنش کلی میتواند به یک واکنش کاهشی و یک واکنش اکسایشی تجزیه شود. این واکنش های کاهشی و اکسایشی در زیر توصیف شد.
معادله 1-3- کاهش
معادله 1-4- اکسایش
که یون فلزی، عامل کاهنده، اتم فلزی، محصول اکسایش در اثر عامل کاهنده، الکترون، z و تعداد الکترون های منتقل شده درواکنش های اکسایشی کاهشی هستند.
واکنش کلی رسوب الکترولس توسط معادله ی 1-5 نشان داده شده است. تصویر شماتیک اجزای اصلی رسوب الکترولس در شکل 1-9 نشان داده است[93].
معادله 1-5- واکنش کلی

شکل ‏18- تصویر شماتیک اجزای اصلی لایهنشانی احیایی[93]
زیرلایهجنس زیرلایهی مورد استفاده نیز بسیار مهم میباشد. منسوج دارای ساختار سه بعدی است. ویژگی ساختارهای منسوج توسط ویژگیهای خاص الیاف تشکیلدهنده و ساختارهای نخ و پارچه تعیین میشود. پلیاستر گستردهترین منسوج مصنوعی مورد استفاده است که یک چهارم الیاف تولیدی جهان را تشکیل میدهد. پلیاستر انواع متفاوتی دارد. ساختار شیمیایی پلیاستر در شکل 1-10 نشان داده میشود.

شکل ‏19- ساختار شیمایی پلی اتیلن ترفتالات[93]
پلیاستر مزایایی زیادی همچون قیمت ارزان، استحکام بالا، انعطافپذیری، سبکوزنی و ثبات ابعادی دارد. پلیاستر دارای نقطه ذوب بالایی است و در برابر رنگ، حلالها و بیشتر مواد شیمیایی، لک، کشش و جمعشدگی مقاوم است. سریع خشک میشود و در برابر سایش، سفیدک و چین و چروک مقاوم است. پلیاسترها ثیات خوبی در برابر نور، اکسیژن، آب و بسیاری از مواد شیمیایی دارند. علاوه بر مزایای ذکر شده، پلیاستر ویژگیهای نامطلوبی همچون آبگریزی، تولید و تجمع بار الکتریکی ساکن، چربیدوست بودن میباشد[92, 95]
روش متداول برای ایجاد خوردگی و تشکیل گروههای هیدروکسیل در سطح پارچه پلی استری، استفاده از روش هیدرولیز قلیایی میباشد. در طی این فرآیند سطح پارچه دچار خوردگی شده و یکسری گروههای هیدروکسیل در آن ایجاد میشود[95].
آمادهسازی زیرلایه با فرآیند پلاسمافرآیند پلاسمادر سال 1879 آقای ویلیام کروک مفهوم پلاسما را به عنوان حالت چهارم ماده پیشنهاد کرد. در سال 1928 شیمیدان امریکایی ایروینگ لانگمیور برای اولین بار از واژهی پلاسما استفاده کرد. پلاسما مخلوطی از گونههای واکنشپذیر مانند رادیکالهای آزاد، الکترونها و ذرات سنگین است که آن را به یک وسیلهی بینظیر و متنوع برای اصلاح سطح تبدیل میکند. تکنولوژی پلاسما یک فرآیند تمیز و خشک است که نسبت به فرآیندهای شیمیایی قدیمی مزایای متعددی دارد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفهتر و دوستدار محیط زیست است. با توجه به پتانسیلهای متنوع و ویژگیهای بینظیر پلاسما، از آن با موفقیت در زمینههای مختلفی از جمله الکترونیک، صنایع ابزارسازی، خودرو، دستگاههای پزشکی و به طور کلی صنعت پلاستیک و فیلم استفاده شد[96].
ساختار و خواص مواد نساجی کاملا متفاوت و پیچیدهتر از سطح پلاستیک و فلز است. اساسا خواص سطح نقش مهمی را در مراحل مختلف تولید منسوج و همچنین عملکرد ویژه و معمولی منسوج دارد. بسیاری از خواص منسوجات مثل ترشوندگی، چسبندگی، قابلیت چاپ، اصطکاک، تولید بار ساکن، جمعشدگی(در مورد پشم)، مقاومت در برابر آب، مقاومت در برابر لک، تا حد زیادی تحت تاثیر ویژگیهای سطح منسوج است. به عبارت دیگر با اصلاح سطح میتوان خصوصیات و عملکرد متنوع و مطلوبی را در منسوجات ایجاد کرد[97].
با ظهور فناوری پلاسما، تحولی جدید در عرصه بهبود خواص سطحی مواد مختلف بوجود آمده است. پلاسما از طریق برخورد الکترونها و فرآیندهای فتوشیمیایی باعث قطع ارتباط مولکولها و درنتیجه تولید رادیکالهای آزاد با چگالی بالا میشود. این عمل باعث اختلال پیوندهای شیمیایی در سطح الیاف و پلیمرها و درنتیجه شکلگیری گونههای شیمیایی جدید میشود. هم شیمی سطح و هم توپوگرافی سطح تحت تاثیر پلاسما تغییر میکند اما در ویژگیهای اصلی ماده تغییری ایجاد نمیکند. [95, 98].
برهمکنش بین پلاسما با سطح منسوجاتمشکلات چسبندگی مخصوصا برای پارچههایی با الیاف مصنوعی در هنگام پوششدهی و چاپ منسوجات وجود دارد. بسیاری از زیرلایهی پلیمری به دلیل انرژی سطحی کم، چسبندگی ضعیفی دارند. چسبندگی از ویژگیهای سطح است که اغلب توسط لایهای از مولکولها کنترل میشود. انواع بسیاری از روشهای مرطوب و شیمیایی برای افزایش چسبندگی سطح وجود دارد ولی به دلیل ملاحظات زیستمحیطی و ایمنی قابل قبول نیستند. در اصلاح الیاف و پلیمرها با پلاسما، ذرات پرانرژی و فوتونهای تولیدشده به شدت با سطح زیرلایه برهمکنش داشته و باعث چهار اثر عمدهی تمیز کردن سطح، فرسایش، پیوند عرضی مولکول های نزدیک سطح و اصلاح ساختار شیمیایی سطح میشوند[99]. از ویژگیهای جالب پلاسما این است که به دلیل سطح نفوذ کم، تغییرات در عمق چند نانومتر محدود میشوند[98]
برای بررسی کاربردهای بالقوه پلاسما در منسوجات، فهمیدن برهمکنش بین گونههای پلاسما با منسوجات ضروری است. وقتی که گونههای برانگیخته و پرانرژی پلاسما(یونها، رادیکالها، الکترونها ) سطح منسوج یا پلیمر را بمباران میکنند، واکنشهای متنوعی را آغاز میکنند. به طور کلی، پلاسما میتواند دو نوع برهم کنش با سطح داشته باشد. نوع اول گسیختگی زنجیرهای سطح است که باعث کندهکاری، تمیز کردن و یا فعالسازی میشود. نوع دوم برهمکنش باعث پلیمریزاسیون یا برقراری پیوند جدید میشود. برهمکنش نوع اول با استفاده از گازهای غیر پلیمریزه کننده مثل هلیوم، آرگون، اکسیژن، هوا و نیتروژن انجام میشود. پلیمریزه کردن یا ایجاد پیوند بر روی سطح منسوج میتواند با استفاده از گازهای پلیمریزهکننده متنوعی مثل فلوروکربنها، هیدروکربنها و سیلیکون حاوی مونومرها انجام شود. شکل1-11 (الف) و (ب) هر دو نوع برهمکنش را نشان میدهد[96].

شکل ‏110- برهمکنش بین سطح و پلاسمادر هر دو نوع برهمکنش بین سطح و پلاسما، گازهای حامل نقش بسیار مهمی را ایفا میکنند. معمولا گازهای بیاثر مثل هلیوم یا آرگون به عنوان گاز حامل، هم برای کندهکاری سطح و هم برای پلیمریزه کردن توسط پلاسما، میتواند استفاده شود. اصلاح سطح منسوجات با استفاده از گازهای غیر پلیمریزهکننده به پارامترهای مختلفی مثل مدت زمان قرارگیری در معرض پلاسما، ماهیت گاز مورد استفاده، ماهیت زیرلایه و قدرت تخلیه، بستگی دارد. نوع گاز مورد استفاده برای تولید پلاسما هم، نقش مهمی را ایفا میکند. چون میتواند ویژگیهای متفاوتی را بر روی سطح منسوج ایجاد کند. روبل و همکارانش اثر گازهای مختلف مثل نیتروژن، اکسیژن، هوا، کربندیاکسید و آمونیاک را بر روی خواص پارچهی پلیاستری اصلاح شده با پلاسما بررسی کردند. گزارش شد که گازهای مختلف در پلاسما، تغییرات مورفولوژیکی و شیمیایی متفاوتی را بر روی سطح پارچهی پلیاستری ایجاد میکنند. بنابراین برای انتخاب گاز پلاسما باید بسیار دقت کرد تا ویژگی موردنظر در سطح منسوج را ایجاد کند. گازهای بیاثر عمدتا فعالسازی سطح را با تولید رادیکالهای آزاد در سطح بوسیلهی گسیختگی زنجیرها انجام میدهند. در حالیکه گازهای واکنشگری همچون اکسیژن و آمونیاک، گروههایی شامل اکسیژن یا نیتروژن ایجاد کنند. این تغییرات در شیمی سطح ممکن است منجر به کاربردهای مختلفی مثل بهبود در چسبندگی، چاپ، رنگرزی و .. شود[96].
منسوجات مورد عمل قرار گرفته با پلاسما تحت تغییرات شیمیایی و فیزیکی از جمله تغییرات شیمیایی در لایههای سطحی، تغییرات در ساختار لایهی سطحی، تغییرات در خصوصیتهای فیزیکی لایههای سطحی قرار میگیرند. پلاسما از طریق برخورد الکترونها و فرآیندهای فتوشیمیایی باعث قطع ارتباط مولکولها و درنتیجه تولید رادیکالهای آزاد با چگالی بالا میشود. این عمل باعث اختلال پیوندهای شیمیایی در سطح الیاف و پلیمرها و درنتیجه شکلگیری گونههای شیمیایی جدید میشود. هم شیمی سطح و هم توپوگرافی سطح تحت تاثیر پلاسما تغییر میکند و مساحت سطح مخصوص الیاف به طور قابل ملاحظهای افزایش مییابد. عملآوری با پلاسما در سطح الیاف و پلیمر باعث ایجاد گروههای عاملی جدید مثل،، میشود. این گروهها ترشوندگی پارچه را تحت تاثیر قرار میدهند[99].
در تحقیق حاضر به دنبال انجام روشهایی برای پوششدهی منسوج با پلیمرهای رسانا همچون پلیانیلین، پلیپیرول و نانولولههای کربنی است. زیرلایهی استفاده شده در این کار پارچهی پلیاستری خام و پوششدهی شده با نانوذرات مس و نیکل میباشد.
2413001995805فصل دوم
تجربیات
00فصل دوم
تجربیات

بخش تجربیات شامل دو قسمت می‌باشد که عبارتند از: 1- ساخت پارچه‌‌ی رسانا 2- دستگاه ها و تجهیزات.
شرح کلی آزمایشات برای لایهنشانی منسوج با نانولولههای کربنی و پلیمر رسانا آزمایشات در چندین مرحله انجام شده است.
آمادهسازی پارچهی پلیاستری به دو روش هیدرولیز قلیایی و پلاسمای اکسیژن.

Related posts: