پایان نامه رایگان درباره اکسیداسیون، هزینه تولید، دینامیکی

دانلود پایان نامه ارشد

۱۰۰ نانومتر تغییر می کند سطح ویژه است. از نظر کیفی فاکتورهای دیگری نیز وجود دارند که در تعیین این خصوصیات دخالت دارند مانند نسبت اتمهای سطحی به اتمهای توده و قسمتی از حجم ذره که شامل ضخامت محدوده لایه سطحی است (حجم سطحی). افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی می شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت جداگانه و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می گذارد. افزایش سطح، واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد زیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح در مقایسه با تعداد اتمها یا مولکولهای موجود در تودهی نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخهای شدن دارند. به عنوان مثال در مورد نانوذرات فلزی، به محض قرارگیری در هوا، به سرعت اکسید می شوند. در بعضی مواقع برای حفظ خواص مطلوب نانوذرات، جهت پیشگیری از واکنش بیشتر، بایستی یک پایدارکننده به آنها اضافه کرد تا در برابر سایش، فرسودگی وخوردگی مقاوم باشند [24]. البته این خاصیت مزایایی هم در بر دارد. مساحت سطح زیاد، عاملی کلیدی در عملكرد کاتالیزوها و ساختارهایی همچون الکترودها می باشد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت می توان کارایی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید و یا در تولید نانوکامپوزیتها با استفاده از این ذرات، پیوندهای شیمیایی مستحکمتری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده و استحکام آن به شدت افزایش می یابد. علاوه بر این، افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را کاهش داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود. تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم بالا در نانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد. تغییر در انرژی آزاد سطح، پتانسیل شیمیایی را تغییر می دهد. این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تأثیر گذار است. یکی دیگر از این مثالها محدوده کوانتومی است که با کاهش اندازه ذرات، شكاف انرژی4 افزایش یافته، باعث بوجود آمدن برخی ویژگیهای مفید برای مثال در فتوکاتالیستهای نیمه هادی میشود. علاوه بر این، کوچکتر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف مینماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته بندی، مواد آرایشی و روکشها مناسب باشند.  از جمله كاربردهای ديگر نانوذرات و پوشش‌های عامل حاصل از آنها میتوان به مواد فوق‌العاده سخت، كامپيوترهای فوق‌العاده سريع، سطوح دافع آلودگی، درمان‌های جديد برای سرطان، پوشش‌های مقاوم در برابر خراش و پيل‌های سوختی دارای كاتاليزورهای مؤثرتر اشاره کرد. خصوصيت مورد نظر ذره با اندازه آن تغيير می‌كند و كنترل توزيع اندازه ذرات در هنگام توليد تعيين كننده كيفيت محصول می‌باشد. اثر كاهش اندازه برخصوصيات ذرات بدين صورت است كه با كاهش اندازه [8]:
افزايش فعاليت كاتاليزوری (Pt در 3O2Al). افزايش استحكام مكانيكی (كربن در لاستيك‌ها). افزايش هدايت الكتريكی سراميك‌ها (2CeO). کاهش هدايت الكتريكی فلزات (مس، نيكل، آهن، كبالت و آلياژهاي مس). افزایش قابل توجه خاصيت پارامغناطيسی (3O2Fe). افزايش سختی و استحكام فلزات و آلياژها. افزايش سختی و شكل‌پذيری سراميك‌ها(2TiO).  انتقال طيف جذب نقطه‌های كوانتومی (نانوذراتی كه تمام ابعادشان كمتر از 10 نانومتر است) به سمت طول موج كوتاهتر بيشتر می‌شود [8].
1-5-1- روش های تولید نانو ذرات                                       
روش‌های توليد نانوذرات به طور كلی به دو دسته شيميايی و فيزيكی تقسيم میشوند و برخی روش‌ها نيز با نام فرآيندهای مكانيكی- شيميايی خوانده میشود.
روش فیزیکی:
نانوذرات در روش‌های فيزيكی بدون انجام واكنش و فقط توسط فرآيندهای فيزيكی توليد میشوند.
روش میعان بخار5: میعان بخار به منظور تهیه نانو ذرات به طور مستقیم از بخار فوق اشباع فلزات از جمله روش ها ی اولیه برای تولید نانو ذرات می باشد. این روش معمولاً شامل دو مرحله است، در مرحله اول نانو پودر فلزی به دلیل اضافه کردن گاز بی اثر به محفظه بخار فلز که باعث فوق اشباعیت می گردد، تولید می شود (به منظور دستیابی به این فوق اشباعیت بایستی گاز بی اثر با فشار بالا وارد مخزن شود) سپس با وارد کردن گاز اکسیژن به درون مخزن نانو پودر فلزی اکسید می شود و نانواکسید فلزی تشکیل می گردد. برای تهیه بخار فلزات از تبخیر گرمایی و تبخیر به کمک لیزر استفاده می شود.این روش در مقایسه با روش های دیگر دارای مزایایی می باشد از آن جمله می توان به راحتی عملکرد و آنالیز و خلوص بالای محصول تولیدی اشاره کرد همچنین در این روش امکان ایجاد فیلم نازک و پوشش دهی نیز وجود دارد.علیرغم این محاسن هزینه زياد، بازده کم و همچنین نیاز به کنترل دماهای بالا (به دلیل انجام واکنش در دمای بالا و گرمازا بودن واکنش اکسیداسیون) از معایب این روش می باشند [24].
اسپری پیرولیز: این روش با نام های دیگری از جمله ترمولیز ائروسل، تبخیر پلاسما، و تجزیه ائروسل نیز شناخته می شود. ماده اولیه مورد استفاده در این روش معمولاً به صورت نمک محلول یا سل و یا سوسپانسیون اولیه می باشد. قطرات تولید شده تحت اثر حرارت بالا خشک می شود و ذرات میکروسکوپی را تولید می کنند و در نهایت با عملیات حرارتی به شکل محصول مورد نظر در می آیند. به دلیل کم هزینه بودن و همچنین امکان تهیه گستره وسیعی از محلول های مختلف به طور عمده از محلول آبی استفاده می شود. کلریدها و نیترات های فلزی به دلیل حلالیت بالا از جمله مواد مرسوم در این روش می باشند. موادی که حلالیت کمی دارند کاربرد چندانی در این روش ندارند. در حین تبدیل قطرات ائروسل به نانو ذرات فرآیندهای مختلفی شامل تبخیر حلال، ترسیب ماده حل شده و ترمولیز ذرات تولید شده صورت می گیرد. از مزایای این روش می توان به یک مرحله ای بودن و بالا بودن خلوص مواد تولید شده اشاره کرد. ایراد اصلی این روش نیز استفاده زیاد از حلال می باشد که باعث بالا رفتن هزینه تولید می شود [24].
روش احتراق6: روش احتراق شعله ای بطور وسیعی برای تولید پودرهای نانو ساختار اکسید فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش ماده شیمیایی اولیه بخار می شود و در فرآیند اکسیداسیون در حضور عامل اشتعال و عامل اکسید کننده که معمولاً پروپان و اکسیژن و یا متان و هوا می باشد اکسید می شود و نانو ذره اکسید فلزی را به وجود می آورد. شعله معمولاً حرارتی در گستره ۱۲۰۰ تا ٣۰۰۰ درجه کلوین ایجاد می کند که باعث تسریع واکنش شیمیایی فاز گاز می گردد [24].
روش مکانوشیمی7:  این روش سنتز شامل فعالسازی مکانیکی جامد برای قرار گرفتن در شرایط واکنش می باشد. در سال های اخیر برای تولید نانو ذرات آلومینا  و ZnO به طور وسیعی از این روش استفاده شده است. این روش شامل آسیاب کردن ماده اولیه (معمولاً نمک یا اکسیدهای فلزی) به منظور تهیه یک مخلوط از موادی که قرار است وارد واکنش شوند، می باشد که این مخلوط در ضمن آسیاب شدن با هم واکنش داده و نانو ذره اکسید فلزی را به وجود می آورند.
روش شیمیایی:
در روش‌های شيميايی ابتدا واكنش شيميايی بين واكنشگرها صورت گرفته، سپس نانوذرات توليد شده از محيط جدا میشوند. سنتز شیمیایی شامل تشكيل و رشد ذرات در یک واسطه مایع حاوی انواع واکنشگرها است. به طور کلی برای کنترل شکل نهایی ذرات، روشهای شیمیایی بهتر از روشهای فیزیکی هستند. در روشهای شیمیایی، اندازه نهایی ذره را می توان با توقف فرآیند در هنگامی که اندازه مطلوب به دست آمد یا با توقف رشد، در یک اندازه خاص کنترل نمود. روش شیمیایی به دلیل چینش مواد در شرایط نانومتری به منظور دستیابی به خواص موردنظر، توانایی منحصر به فردی در زمینه تکنولوژی و علم مواد نانوساختار دارد.
رسوب دهی یا کریستالیزاسیون یک فاز جامد از یک محلول، روش عمومی برای تولید نانوذرات است. فرایند کلی در این روش عبارتست از واکنشهایی که در محلولهای آبی یا غیر آبی حاوی نمکها و یا مواد محلول انجام میپذیرد. پس از این که محلول از حل شونده اشباع شد، با تغییر از حالت اشباع به فوق اشباع، رسوبدهی و یا تشکیل کریستال صورت میگیرد. میتوان این فرآیند را مشابه یک واکنش شیمیایی در نظر گرفت. بنابراین  غلظت واکنش دهندهها، دمای واکنش، pH محیط و نسبت افزایش واکنش دهنده ها به محیط واکنش، بر توزیع اندازه و خواص فیزیکی محصول (کریستالهای نهایی) موثرند. پتانسيل‌های فراوانی كه برای كاربرد نانوذرات در دنيای فناوری وجود دارد موجب پيدايش تحقيقات فراوانی برای يافتن راههای جديد توليد اين مواد و بر طرف ساختن مشكلات موجود در مسير توليد آنها شده است. از جمله مشكلات عمدهای كه در توليد نانوذرات وجود دارد میتوان بههم پيوستن ذرات يا کلوخه‌ای شدن8  آنها و نيز اكسايش9 سطح آنها را نام برد. يكی از پارامترهای كليدی در كيفيت نانو ذرات كوچك بودن ابعاد آنهاست. لذا فرآيند توليد بايد به گونه‌ای طراحی شود كه اين ذرات به هم نچسبند و به اصطلاح كلوخه10  نشوند زيرا اين پديده موجب رشد ناخواسته ذرات میشود. همچنين سطح تماس ذرات با كوچك شدن ابعاد آنها بالا رفته، موجب اكسيد شدن سطح ذرات فلزی میشود و اين پديده در مواردی كه هدف ما توليد ذرات فلزی و غيراكسيدی نظير نيتريدها باشد، يكی از مشكلات است كه بايد بر آن غلبه نمود [27] . اهميت يافتن نانوذرات در دهه‌های اخير نهتنها از اهميت روش‌های قديمی توليد ذرات نكاسته است بلكه خود باعث به وجود آمدن روش‌های نوينی در توليد اين ذرات شده است. توليد ذرات نانو به روش‌های شيميايی كاربردهای زيادی در توليد مواد نوری، الكترونيكی، مغناطيسی، زيستی، كاتاليزوری و زيست‌پزشكی دارد [26].
1-5-2- چگونگی بررسی ویژگیهای نانو ذرات
آناليز و بررسی اندازه ذرات توليد شده معمولاً توسط پراكندگی نور ديناميکی (DLS)11 يا ميكروسكوپ الكترونی12SEM و13TEM مورد مطالعه قرار میگيرند.
14XRD جهت شناسایی ساختمان بلورها و تعیین فاز به صورت کمی و کیفی استفاده میشود و اساس کار آن روی پراش پودر ماده مورد نظر است. وجود تعداد زیادی از بلورهای ماده در پودر آن باعث میشود که صفحات مختلف کریستالی به طور تصادفی در زوایای متفاوت تحت تاثیر اشعه قرار گرفته و شدت پراش آنها اندازه گیری شود. با استفاده از تکنیک XRD اندازه کریستالها را نيز میتوان تعيين كرد. در آنالیز XRD با کاهش اندازه کریستال الگوی حاصل از XRD پهنتر میشود به طوری که پهنای طیف رابطه معکوسی با اندازه کریستال دارد. 
برای مشاهده شکل و ساختار نانوذرات از میکروسکوپ الکترونی گذاره (TEM) استفاده میشود. میکروسکوپ الکترونی گذاره از یک ستون بلند ساخته شده که منبع پرتوهای الکترونی در بالای این ستون قرار گرفته اند. پرتوهای الکترونی بعد از گذر از نمونه، به یک فیلم عکاسی یا یک صفحه نمایش (که از مواد فلورسانت ساخته شده) برخورد می کنند و موجب تشکیل تصویر می شوند.از آن جایی که برخی از پرتوها از نمونه عبور نمی کنند و نقاط سیاهرنگی را بوجود می آورند، عکس ها سیاه و سفیدند و رنگی نیستند [27].
1-6- نانوکامپوزیت ها
1-6-1- معرفی و چگونگی پیدایش نانوکامپوزیت ها
امروزه در بسياری از کاربردهای مهندسی به تلفيق خواص مواد نياز است و امکان استفاده از يک نوع ماده که همه خواص مورد نظر را برآورده سازد، وجود ندارد. به عنوان مثال در صنعت پوشش دهی خطوط انتقال گاز به موادی نياز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند، مقاومت سايش،مقاومت خوردگی، قیمت و مقاومت در برابر نور ماوراء بنفش و…خوبی داشته باشند و در دماهای مورد نیاز استحکام خود را از دست ندهند. از آنجا که نمیتوان مادهای يافت که همه خواص فوق را دارا باشد، بايد به دنبال روشی برای ترکيب خواص مواد بود. اين راه حل همان مواد کامپوزيتی و نانوکامپوزیتی است. کامپوزيت ماده ای چند جزيی است که خواص آن ترکيبی از اجزای اوليه است، ضمن آنکه

پایان نامه
Previous Entries دانلود پایان نامه درباره توسل به زور Next Entries پایان نامه رایگان درباره مواد غذایی، نفت و گاز