SUPERVISOR
Amir Abdolmaleki
امیر عبد الملکی (استاد راهنما)
STUDENT
Sajjad Zamani
سجاد زمانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Preparation of polymeric membranes containing functionalized TiO2 nanoparticles and graphene nanosheets and investigation of their applications in gas separation and proton conductivity in fuel cells
At the first project, to attain well-dispersion and homogenous polymeric nanocomposites (NCs), surface modification of TiO 2 nanoparticles was carried out by grafting free radical polymerization of methoxy poly(ethylene glycol) methacrylate (MPEG) onto their surface and the surface modification was characterized by FT-IR, CHN, XRD, TGA, FE-SEM and TEM analysis. Then, a series of NC membranes were fabricated using poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(methyl methacrylate) (PMMA) as NC matrixes. PVA/TiO 2 -PMPEG and PMMA/TiO 2 -PMPEG NC membranes were synthesized through solution mixing method with various functionalized TiO 2 loadings (1, 3 and 5 wt.%). The resulting NCs were characterized by FT-IR, XRD, TGA, FE-SEM, AFM and TEM techniques. The surface morphology of membranes reveals homogeneous dispersion of nanoparticles in polymeric matrixes owing to the existence of hydrogen bonding interaction between functional groups on PMPEG-TiO 2 and polymers’ groups. The thermal and mechanical properties of the NC membranes were also studied. The elastic modulus, tensile strength, and strain were obtained from this investigation. Efficient interaction was found between TiO 2 -PMPEG and selected polymeric matrixes, which caused significant improvement in mechanical and thermal properties of NCs with homogeneous dispersion. Moreover, the effect of TiO 2 -PMPEG nanoparticles on gas separation properties of PVA and PMMA based membranes was also investigated using N 2 , O 2 , CH 4 and CO 2 gases. The results show that the addition of PMPEG-TiO 2 at low loading increased the selectivity of gases especially CO 2 selectivity due to its higher compatibility with inserted polar functional groups onto TiO 2 surface. At the second part of this project, graphite nanosheets were oxidized to graphene oxide (GO) and were sulfonated by radical polymerization of sodium allyl sulfonate. Sulfonated GO (sGO) was characterized using FT-IR, CHNS, XRD, TGA, FE-SEM and TEM analysis. For preparation of polymeric NCs, poly(ether sulfon) (PES) was sulfonated and was used as NC matrix. s-PES was characterized by FT-IR, CHNS and 1H-NMR techniques. Then, a new series of NC membranes based on s-PES were fabricated using sGO as nanofiller through solution mixing method. The fabricated NCs were investigated and studied by different analytical methods like FT-IR, XRD, TGA, FE-SEM and TEM. Thermal stability improvement of NCs was seen which can be due to the increased interfacial interaction between the s-PES matrix and functional groups on the sGO. Finally, proton conductivity of s-PES and its NCs was examined. The results show that proton conductivity increased by increasing sGO content which can be due to the presence of the sulfonated groups on the polymer backbone and sGO nanosheets.
- در پروژه اول، سطوح نانو ذرات فلزی TiO 2 برای جلوگیری از کلوخه‌ای شدن و همچنین پراکندگی یکنواخت آن‌ها در ماتریس پلیمری، با استفاده از ماکرومنومر، متوکسی پلی(اتیلن گلیکول)متااکریلات (MPEG)، از طریق واکنش پیوند زدن رادیکالی اصلاح شد و نانوذرات اصلاح‌شده توسط تکنیک های مختلفی مانند FT-IR، CHN، XRD، FE-SEM، TEM و TGA مورد شناسایی قرار گرفت. سپس با استفاده از روش مخلوط کردن در محلول به کمک امواج فراصوت، نانوکامپوزیت های پلی(وینیل الکل)/ TiO 2 -PMPEG و پلی(متیل متااکریلات)/ TiO 2 -PMPEG با درصدهای وزنی مختلف 1، 3، و 5 درصد وزنی از TiO 2 عامل دار شده نسبت به وزن پلیمر تهیه شدند. نانوکامپوزیت های تهیه‌شده با روش‌های شناسایی مانند FT-IR، XRD، FE-SEM و TEM موردبررسی و مطالعه قرار گرفتند. میکروگراف های حاصل از FE-SEM و TEM توزیع یکنواختی از نانوذرات TiO 2 اصلاح‌شده را در بافت پلیمر نشان دادند که به دلیل وجود برهمکنش های مناسب بین گروه های عاملی پلیمر پیوند شده روی سطح نانوذرات و گروه های عاملی ماتریس پلیمر است. مطالعه خواص حرارتی نانوکامپوزیت‌های تهیه‌شده به کمک روش TGA نشان دادند که پایداری حرارتی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش محتوای تیتانیوم دی اکسید عامل دار شده افزایش پیدا کرد. همچنین بررسی خواص مکانیکی فیلم های نانوکامپوزیتی نشان داد که با افزایش درصد اندکی از تیتانیوم دی اکسید عامل دار شده در بافت پلیمری، خواص مکانیکی نانوکامپوزیت های حاصل بهبود می یابد. در پایان کاربرد نانوکامپوزیت‌های سنتز شده در جداسازی گازهای اکسیژن، نیتروژن، متان و دی اکسیدکربن موردبررسی و مطالعه قرار گرفت. نتایج این آزمون نشان داد که، نانوکامپوزیت های سنتز شده از PVA و PMMA با افزایش درصد وزنی TiO 2 عامل دار شده تراوایی بالاتری نسبت به گازهای موردبررسی از خود نشان دادند. همچنین پلیمر خالص و نانوکامپوزیت ها از بین گازهای موردمطالعه، بیشترین تراوایی را نسبت به گاز دی اکسیدکربن داشتند. - در پروژه دوم، برای ایجاد سایت های فعال و افزایش واکنش‌پذیری، نانو صفحات گرافیت به گرافن اکسید تبدیل شدند. در ادامه سطوح لایه های گرافن اکسید به منظور قرار دادن گروه های سولفونه بروی آن، طی یک واکنش پلیمر شدن رادیکالی با سدیم آلیل سولفونات عامل دار شدند. گرافن های عامل دار شده توسط روش های مختلفی مانند FT-IR،CHNS ، XRD، FE-SEM و TEM موردبررسی و مطالعه قرار گرفتند. خواص حرارتی گرافن های عامل دار شده نیز موردبررسی و مطالعه قرار گرفت. در ادامه به‌منظور تهیه نانوکامپوزیت های پلیمری، پلی(اتر سولفون) به‌وسیله واکنش با کلروسولفونیک اسید سولفونه شده و توسط تکنیک های مختلف مانند FT-IR، CHNS و H-NMR 1 شناسایی شد. هدف اصلی از سولفونه کردن پلیمر و گرافن در این پروژه تهیه نانوکامپوزیت های پلیمری با خواص هدایت پروتون بالا و بررسی تأثیر نانو ذرات حاوی گروه های سولفونه بر کارایی این سیستم می باشد. نانوکامپوزیت های(5 و 10 درصد وزنی) تهیه توسط روش‌های شناسایی مانند FT-IR ،XRD ، FE-SEM و TEM موردبررسی و مطالعه قرار گرفتند. نتایج FE-SEM و TEM نشان داده‌اند که نانو صفحات پلیمر سولفونه (sGO) به‌طور یکنواخت در ماتریس پلیمر پراکنده شده اند. خواص حرارتی نانوکامپوزیت‌های تهیه‌شده به کمک روش TGA بررسی گردید. نتایجTGA نشان داد که خواص حرارتی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش مقدار sGO بهبود پیداکرده است. درنهایت میزان هدایت پروتون نانوکامپوزیت‌های سنتز شده در مقایسه با پلیمر تنها موردبررسی و مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش درصد وزنی sGO، نانوکامپوزیت های سنتز شده میزان هدایت بیشتری از خود نشان میدهند. این افزایش به دلیل اضافه شدن گروههای سولفونه بیشتر به بافت پلیمر توسط گرافن اکسیدهای عاملدار شده با سدیم آلیل سولفونات میباشد.