مقدمه

فروسیالهاي مغناطیسی سوسپانسیونهـایی هـستند کـه در آنهـا نـانو ذرات مغناطیـسی ماننـد مگنتیـت (Fe3O4)، مگهمیـت

(-Fe2O3)، فریتهاي نیکل، کبالت و غیره در داخل یک سیال آبی یا آلی بطـور پایـدار پراکنـده شـدهانـد. در ایـن بـین، فـرو سیالهاي برپایه مگنتیت و مگهمیت بهدلیل ویژگیهاي مغناطیسی و زیست سازگاري مورد توجه بیشتري قـرار گرفتـهانـد. ایـن مواد در عکسبرداري MRI، رسانشدارو، جوهرهاي چاپ، آببندي موتورهاي بسیار حـساس، انتقـال حـرارت و غیـره اسـتفاده میشود .[۷-۱] رایجترین راه سنتز این ذرات، روش هم رسوبی شیمیایی یونهاي نمک آهن دو و سه ظرفیتی در حضور یک باز

Comb Polymeric Surfactants Turbidimetry

۱

۲

۹

تهمینه گیوهکی، ابراهیم قاسمی و…

قوي میباشد ۸] و .[۹ واکنش تشکیل نانو ذرات، بصورت زیر است:

Fe+2+2Fe+3+8OH-→Fe3O4+4H2O (1)

طبق این واکنش، براي تولید مگنتیت، نسبت مولی اولیه ۲:۱ از Fe3+:Fe2+ نیاز است. با توجه به کاربردهاي خاص این نـانوذرات، پایدار بودن آنها در محیطهاي آبی و آلی در کنترل ویژگیهاي محصولات نهایی نقش ضروري دارد .[۹] براي ایجـاد پایـداري در نانو ذرات روشهاي مختلفی وجود دارد یکی از روشها، اصلاح سطح ذرات توسط مواد فعال سطحی مختلف است.

مواد فعال سطحی معمولا ترکیبات آلی هستند که داراي گروههاي آبدوست و آبگریز میباشند. گروههاي آبگریز نقش دم و دنباله را دارد و شامل ترکیباتی رادیکال هیدروکربن است وگروههاي آبدوست، نقش سر مواد فعـال سـطحی را دارد کـه شـامل فلـزات قلیایی یا بنیانهاي دیگر است. وجود طبیعت دو گانه سبب ویژگیهاي خاصی در این مولکولها میشود به طوري که میتواننـد در آب حل شده و در سطح مشترك آب- هوا یا بین دو سطح از دو فاز مختلف تجمع یافته و سبب کاهش کشش سطحی شوند.

یکی از کاربردهاي مواد فعال سطحی استفاده از آنها در سوسپانسیونهاي کلوییـدي اسـت. از آنجـا کـه در سوسپانـسیونهـاي حاوي نانوذرات با کاهش اندازه ذرات، حرکت براونی افزایش مییابد از این رو ذرات شانس زیادي براي نزدیک شدن به یکـدیگر و تشکیل آگلومره دارند. استفاده از مواد فعال سطحی کاتیونی و آنیونی باعث میشود یکی از دوسـر فعـال سـطحهـا بـه کلوئیـد متصل شده و سر دیگرشان به محلول نزدیک میشود، بنابراین سرهایی که در محلول قرار دارند همنام بوده و سبب دافعـه بـین کلوئیدها میشوند و در نتیجه از تجمع و بهم پیوستن آنها ممانعت میکنند. شکل (۱) نحوه پراکندگی نانو ذرات را توسـط جـذب مواد فعال سطحی نشان میدهد ۱۰] و .[۱۱ سازوکار موجود در این رابطه به سازوکار ممانعت فضایی۳ معروف است.

شکل -۱ شمایی از پراکندگی نانو ذرات در اثر جذب مواد فعال سطحی [۱۲]

با بررسیهایی که ژومان۴ و همکارانش[۱۳] انجام دادند مشخص شد که استفاده از دو لایه پوشش مواد فعـال سـطحی بـر روي سطح نانوذرات مگنتیت باعث افزایش میزان پراکندگی میشود. آنها از اولئیکسدیم به عنـوان اولـین پوشـش و سـولفنات بنـزن ددیکیل سدیم۵ به عنوان دومین لایه پوشش مواد فعال سطحی بر روي سطح نانوذرات استفاده کردند. پوشش اولئیکسـدیم بـر روي نانوذرات مگنتیت باعث شد که شکل ذرات کروي و متوسط اندازه ذرات ۱۰nm شود.

Steric Repulsion Xuman SDBS

۳

۴

۵

۰۱ شمارهي ۱ تابستان ۱۳۹۱

علم و مهندسی سرامیک

پراکنده کردن نانو ذرات اکسید آهن در سیالهاي آلی نسبتا راحتتر از سیالهاي آبی است. از طرفی به دلیل اهمیت کاربردهـاي پزشکی و لزوم زیست سازگاري فروسیالها، لازم اسـت کـه ایـن ذرات در محـیط آبـی پراکنـده شـوند. اسـتفاده از مـواد فعـال سطحیهاي بر پایه پلی اتیلن گلیکول در این راستا مناسب تشخیص داده شده است .[۱۴] با این حال تاکنون گزارشی مبنـی بـر استفاده از فعال سطح پلیمري شانهاي برپایه پلی آکریلیک اسید-پلی اتیلن گلیکول آکریلات گـزارش نـشده اسـت. همچنـین در کارهاي مشابه قبلی ۱۵]و[۱۶ بیشتر بحث سنتز و خواص ریولوژیکی فروسیالهاي بر پایه محیط هاي آلـی مـورد بررسـی قـرار گرفته است. در خصوص پراکندگی نانوذرات اکسید آهن در محیط آبی، اطلاعات چندانی از محققین داخلی منتشر نشده است. در این تحقیق، تاثیر عواملی مانند وزن مولکولی مواد فعال سطحی شانه اي برپایه پلی آکریلیک اسید-پلی اتیلن گلیکول آکریلات بر پراکندگی نانو ذرات مغناطیسی در فرو سیال بر پایه آب مورد بررسی قرار گرفته است.

-۲ روش کار تجربی

-۱-۲ مواد اولیه

کلریدهاي آهن دو (FeCl2.4H2O) و سهظرفیتی (FeCl3.6H2O)، هیدروکسیدآمونیوم (NH4OH)، محصول شرکت Merck و

با خلوص بالاتر از %۹۹، آبمقطر و نیز سه ماده فعال سطح پلی آکریلیک اسید-پلی اتیلن گلیکول آکریلات بـا شـانههـاي پلـی اتیلن گلیکول PCA-1000، PCA-2000 و PCA-4000 با نـامهـاي اختـصاري PCA-PCA-1000، PCA-PCA-2000 و PCA-PCA-4000 ساخت موسسه پژوهشی علوم و فناوري رنگ استفاده شد.

-۲-۲ روش ساخت فروسیال

براي تهیه نانوذرات مغناطیسی مگنتیت از روش همرسوبی استفاده شد. ابتدا با حل کردن مقادیر مشخص از نمکهاي آهـن (II)

و آهن (III) که بهعنوان منابع تولید یونهاي آهن (II) و آهن (III) بودند، محلولهاي یک مولار از هر یک از نمکها تهیه شد.

محلولهاي حاصل با نسبت وزنی ۲:۱ از آهن :(II) آهن (III) در یک راکتور شیشهاي چند دهانه با هم مخلوط شده و با اسـتفاده از همزن مکانیکی بهمدت ۵ min در دماي انتخاب شده همزده شد. در این مرحله رنـگ محلـول نـارنجی رنـگ بـود. در تمـام مراحل سنتز، براي جلوگیري از اکسید شدن Fe2+ به Fe3+ از اتمسفر خنثی استفاده شد. براي این کار، در تمام مراحل سنتز، گـاز نیتروژن به محلول تزریق شد. در هر نمونه، مقدار و نوع مشخصی از مواد فعال سطحی (طبق جدول(۲ افزوده و مجددا بـهمـدت ۱۰min همزده شد و در نهایت با استفاده از افزودن سریع ۷۰ mlمحلول %۲۵ بازي هیدروکـسیدآمونیوم و افـزایش دور هـمزن،
pH محلول به ۱۱ رسانیده شد. بهمحض افزودن باز، رنگ محلول سیاه رنگ شد. بعد از گذشـت زمـان لازم جهـت بـه هـمزدن محلول و یکنواختی آن، عمل همزدن متوقف و رسوب سیاه حاصل به روش تهنشینی به کمک آهنربا از محلـول جـدا و محلـول باقیمانده از آن سرریز شد. براي جداکردن کامل آمونیاك و پایین آوردن pH به حدود ۷ عملیات شستشو چندین بار با آب مقطر تکرار شد و در نهایت بهمنظور پراکنده کردن ذرات در سیال (آب) رسوب بهدست آمده در مقدار ۱۵cc آب دي یونیزه ریخته و به مدت ۵min تحت التراسونیک قرار گرفت.

شمارهي ۱ تابستان ۱۱ ۱۳۹۱

تهمینه گیوهکی، ابراهیم قاسمی و…

براي بررسی توزیع اندازه ذرات از آنالیز تفرق دینامیک لیزري استفاده شد براي این کار از دستگاه Brookhaven مـدل ۹۰ PLUS بـا دقت اندازهگیري بین ۱-۶۰۰۰ nm استفاده گردید. براي انجام این آزمون ابتدا نمونهها تا حد لازم براي عبور نـور بـا آب، رقیـق شـد و قبل از اندازهگیري به مدت ۱-۲min توسط همگنساز۶ همگن شدند. براي بررسی پایداري فروسیال از آزمون کدورتسنجی۷ اسـتفاده شد. این آزمون براساس اندازهگیري شدت عبور نور در طولموج مریی از یک سیال کلوئیدي است. براي انجام این آزمون نمونهها رقیق گردیده و به صورت تابعی از زمان مورد بررسی قرارگرفت. براي انجام این آزمون از دستگاه مدل HACH-2100AN استفاده شد.

-۳ نتایج و بحث

شکل ۲ آنالیز پراش اشعه ایکس رسوب به دست آمده را بدون اعمال سورفکتانت نشان میدهد. از این شکل مشخص است کـه به جز فاز مگنتیت فاز فرعی دیگري مشاهده نمیشود. لازم به ذکر است که ویژگیهاي ابعادي و مورفولوژي ذرات مگنتیـت بـه دست آمده در کارهاي قبلی اعضاي این گروه مورد سنجش قرار گرفته است ۱۵] و [۱۶ که براین اساس، میـانگین انـدازه ذرات طبق آنالیز میکروسکوپ نوري عبوري TEM معادل ۱۱nm گزارش شده است. از این رو در این تحقیق بـا توجـه بـه مـشابهت کامل روش سنتز، از ارایه نتایج آزمون TEM صرفنظر میشود.

شکل -۲ آنالیز پراش اشعه ایکس نانو ذرات اکسید آهن

معیار پایداري فروسیال، دستیابی به کمترین میانگین اندازه آگلومرهها در نظر گرفته شد و اندازه هیدرودینامیکی ذرات با اسـتفاده از روش DLS در شرایط مختلف بررسی شد. جدول ۱ نمونههاي مختلف و شرایط تهیه آنهـا را نـشان مـیدهـد. پـس از آمـاده سازي، وضعیت پایداري در ابتدا به صورت چشمی مورد مقایسه قرار گرفت .[۱۷] این جدول نشان میدهد که تنهـا نمونـههـایی که حاوي حدود ۲۲ درصد وزنی مواد فعال سطحی بودند نسبت به سایر نمونهها از پایداري بیشتري برخوردارند. همچنین از ایـن

۶ Homogenizer 7 Turbidimeter
21 شمارهي ۱ تابستان ۱۳۹۱

علم و مهندسی سرامیک

جدول نشان میدهد که ماده فعال سطحی PCA-2000 با مقدار ۲۲ در صد وزنی نـسبت بـه دو مـواد فعـال سـطحی دیگـر در شرایط مختلف دما و زمان سنتز داراي میانگین اندازه آگلومرههاي کوچکتر و در نتیجه محدوده پایداري گستردهتري است.