بررسی امکان تولید نانوالیاف پلی‌پیرول از طریق الکتروریسی محلول پیرول و متعاقباً اکسیداسیون درجا

STUDENT

DEGREE

YEAR

Polypyrrole (PPy) is one of the most important conductive polymers. Because of its easy synthesis and long-term ambient stability, it has been investigated for many applications, such as antistatic, electromagnetic shielding, actuators and polymer batteries. The inherently poor solubility in common solvents, which originates from the strong intra-chain interactions, is the disadvantage that restricts practical applications of PPy in many areas. Several attempts have been made to obtain PPy conductive nanofibers by dissolving the polymer. As literature review showed no report on the PPy nanofibers production from electrospinning its monomer, this study aimed at investigating the possibility of pyrrole solution electrospinning and subsequently in situ oxidation to achieve PPy nanofibers. Low viscosity of pyrrole makes it unsuitable for electrospinning; therefore several method was examined to increase its viscosity and gain spinnability. Then oxidation of electrospun nanofibers was conducted the electrospun nanofibers in ferric chloride (FeCl3) oxidant solution as polymerization bath (one step method) or dipping the electrospun nanofiber mat in FeCl3 oxidant solution (one step method). Due to the ability of dopant to increase electrical conductivity of PPy, dopant was added to polymerization bath in one step method or to electrospinning solution in two step method. p-Toluenesulfonic acid (PTSA) and Anthraquinone-2-sulfonic acid sodium salt (AQSA) are the most common dopants for PPy and were investigated in this study. Based on oxidation method, dopant type and the stage of adding dopant, 6 samples of PPy nanofibers were produced. After a series of trial and error to achieve optimum conditions for electrospinning and polymerization, it was found that the solution with 9% (w/w) poly(vinylpyrrolidone) in pyrrole leads to the formation of nanofibers by electrospinning. These nanofibers were oxidized in solution of 2% (w/v) FeCl3 in ethanol. PPy formation was confirmed by FTIR results. According to results of this study, PPy/PVP nanofibers doped with PTSA in one step method had the lowest diameter and the highest crystallinity. The SEM images reveal that this sample present an average diameter of 438 nm and XRD patterns show crystallinity is about 25.7%. The electrical conductivity of the obtained doped PPy/PVP nanofibers with AQSA in one step method was about 5.22×10-1 S/cm. This sample is most conductive sample in this study with an average diameter of 833 nm. The obtained conductivity in this research was higher than in-situ polymerized PPy nanofibers that produced by other researchers. It is worth mentioning that the highest conductivity obtained in this work is comparable to the conductivity of pure PPy nanofibers with 0.5 S/cm conductivity and 3 ?m diameter. Key Words Conductive Polymers, Electrospinning, Polypyrrole, Nanofibers

پلیمرهای رسانا به خاطر هزینه کم، وزن سبک و کاربردهای متنوعشان در مقایسه با مواد رسانا و نیمه‌رسانا، در فناوری‌های جدید به‌صورت چشمگیر مورد توجه قرار گرفته‌اند. پلی‌پیرول یکی از پلیمرهای رسانای متداول می‌باشد که دارای ویژگی‌هایی چون، رسانایی الکتریکی بالا، زیست‌سازگاری، پایداری محیطی خوب در دراز مدت و سادگی سنتز است. کاربرد اصلی پلی‌پیرول در دستگاه‌های الکترونیکی و حسگرهای شیمیایی می باشد . همچنین در دارو رسانی، مهندسی بافت و ساخت ماهیچه‌ی مصنوعی کاربرد دارد. تعدادی از مقالات نشان داده‌اند نانو ساختارهای پلیمری یک بُعدی، در بسیاری از کاربردها نسبت به ساختارهای دارای ابعاد معمولی مزیت دارند. عملکرد پلی‌پیرول مثل بسیاری از مواد دیگر با سطح ویژه‌ی آن متناسب است. تولید پلی‌پیرول به‌شکل الیاف با قطر در محدوده‌ی نانو، افزایش سطح ویژه را به‌صورت قابل ملاحظه در پی دارد. انحلال‌پذیری بسیار ضعیف پلی‌پیرول در حلال‌های متداول که ناشی از برهمکنش‌های قوی بین مولکولی می‌باشد، فرآیند‌پذیری پلی‌پیرول را با محدودیت مواجه کرده‌است. در این پژوهش ، به بررسی امکان تولید نانوالیاف پلی‌پیرول از طریق الکتروریسی محلول منومر پرداخته شده‌است. به این منظور با توجه به پایین بودن گرانروی پیرول راهکارهای متفاوتی برای افزایش گرانروی، جهت الکتروریسی پیرول مورد بررسی قرار گرفت. سپس اکسید کردن نانوالیاف از طریق جمع‌آوری آن در حمام پلیمریزاسیون حاوی اکسیدانت(روش یک‌مرحله‌ای) یا قرار دادن وب نانوالیاف پیرول در محلول اکسیدانت(روش دو‌مرحله‌ای) انجام شد. با توجه به نقش دوپنت در افزایش رسانایی پلی‌پیرول، افزودن آن به حمام پلیمریزاسیونِ روش یک‌مرحله‌ای یا محلول الکتروریسی در روش دومرحله‌ای بررسی گردید. از پاراتولوئن سولفونیک اسید(PTSA) و نمک سدیم آنتراکینون سولفونیک اسید(AQSA) به‌عنوان دوپنت استفاده شد. در این تحقیق بر اساس روش اکسید کردن، نوع دوپنت و نحوه افزودن آن 6 نمونه نانوالیاف پلی‌پیرول تولید شد. پس از آزمون و خطا و سعی برای بهینه‌سازی شرایط الکتروریسی و پلیمریزاسیون، مشخص شد محلول 9 درصد وزنی‌ پلی(وینیل‌پیرولیدون) در پیرول قابلیت الکتروریسی دارد و می‌توان نانوالیاف حاصل از آن را در محلول 2 درصدوزنی فریک‌کلراید6آبه اکسید کرد. بررسی طیف مادون قرمز نمونه‌ها تشکیل پلی‌پیرول را تأیید می‌کند. بر اساس نتایج حاصل از این تحقیق نانوالیاف پلی‌پیرول دوپ‌شده با PTSA در روش یک مرحله‌ای با میانگین قطر 438 نانومتر و درصد تبلور 7/25 درصد در مقایسه با سایر نمونه‌های تولید شده ظرافت و تبلور بیشتری دارند. همچنین از میان 6 نمونه تولید شده، نانوالیاف پلی‌پیرول دوپ‌شده با AQSA در روش یک مرحله‌ای با رسانایی الکتریکی 1- 10×22/5 زیمنس‌برسانتی‌متر بیشترین رسانایی را دارد. در این نمونه، میانگین قطر نانوالیاف پلی‌پیرول 833 نانومتر می‌باشد. مقایسه‌ی رسانایی الکتریکی نانوالیاف پلی‌پیرول دوپ‌شده توسط AQSA در روش یک مرحله‌ای با کارهای تحقیقاتی دیگر نشان می‌دهد رسانایی کسب شده، نسبت به نانوالیاف پلی‌پیرول که تا امروز به روش پلیمریزاسیون درجا تولید شده‌اند بیشتر است و قابل مقایسه با رسانایی الیاف الکتروریسی شده از پلی‌پیرول با دوپنت اضافی می‌باشد. رسانایی الکتریکی گزارش شده‌ برای الیاف حاصل از الکتروریسی پلی‌پیرول مذکور، با میانگین قطر 3 میکرومتر، 5/0 زیمنس‌برسانتی‌متر است . کلمات کلیدی: پلیمرهای رسانا، الکتروریسی، پلی‌پیرول، نانوالیاف