عنوان

تهیه ایروژل‌های هیبرید آلی-معدنی گرافن/ OapPOSS و بررسی مورفولوژی، خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی آن‌ها

IR

۴۴۱۷پ

فارسی

IR

تهیه ایروژل‌های هیبرید آلی-معدنی گرافن/ OapPOSS و بررسی مورفولوژی، خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی آن‌ها

[پایان‌نامه]

Preparation of Hybrid Organic-Inorganic Graphene/OapPOSS Aerogels and Investigation of Their Morphology, Mechanical, Thermal and Electrical Properties

/ابوالفضل جنگی

: مهندسی پلیمر

، ۱۳۹۹

۱۸۱ص.

:

زبان: فارسی

زبان چکیده: فارسی

چاپی - الکترونیکی

مصور، جدول، نمودار

دکتری

مهندسی پلیمر- صنایع پلیمر

۱۳۹۹/۱۲/۰۱

صنعتی سهند

ایروژل‌های متنوعی نظیر ایروژل‌های سیلیکایی، اکسیدفلزی، کربنی و اخیرا ایروژل‌های گرافنی، بخاطر تخلخل بالا، چگالی پایین، و نانوساختاربودن به‌طور گسترده‌ای در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند .بویژه، ایروژل‌های گرافن که دارای خواص منحصربه‌فردی نظیر چگالی بسیار پایین، تخلخل و مساحت سطح ویژه بالا، انعطاف‌پذیری عالی، مدول یانگ بالا، رسانش‌گرمایی پایین و رسانش‌الکتریکی بالا هستند، بسیار موردتوجه قرار گرفته‌اند .امروزه، چالش اصلی پژوهشگران، افزایش خواص‌مکانیکی، افزودن پایداری‌حرارتی و بهبود رسانش‌گرمایی و الکتریکی ایروژل‌های گرافنی است .در این پروژه ایروژل‌های فوق سبک هیبرید آلی-معدنی گرافن /اکتا(آمینوفنیل) پلی‌هدرال الیگومریک سیلسس‌کویی‌اکسان (OapPOSS) با ساختار شبکه‌ای سه‌بعدی به‌هم‌پیوسته و بسیار متخلخل، تهیه گردید .این ایروژل‌ها توسط فرآیندهای همزمان واکنش کاهش و خود-گردایش نانوصفحات اکسیدگرافن، از طریق واکنش کووالانسی مولکول اکتا(آمینوفنیل) پلی‌هدرال الیگومریک سیلسس-کویی‌اکسان با اکسیدگرافن سنتز شد .مولکول‌های OapPOSS علاوه بر اینکه پوششی بر روی سطح صفحات اکسیدگرافن به‌وجود می‌آورند، به‌عنوان عامل شبکه‌ای‌کننده، به‌ویژه، در نواحی همپوشانی‌شده صفحات اکسیدگرافن عمل می‌کنند .این امر، به کنارهم قرار گرفتن صفحات اکسیدگرافن در ساختار شبکه سه‌بعدی متخلخل و در نواحی همپوشانی‌شده، کمک می‌کند .با استفاده از فرآیندهای جایگزینی حلال و سپس خشک‌کردن فوق‌بحرانی با دی‌اکسیدکربن، ژل‌های بدست‌آمده به ایروژل‌های معادل تبدیل می‌شود .پنج نمونه با غلظت‌های مختلف از پیش‌ماده‌های اکسیدگرافن و OapPOSS تهیه شد و تاثیر ترکیب‌درصدهای مختلف این پیش‌ماده‌ها بر روی خواص نهایی ایروژل بدست‌آمده بررسی شد .ساختار شیمیایی، مورفولوژی و فاصله بین‌لایه‌ای، خواص مکانیکی، پایداری حرارتی، رسانش‌گرمایی و الکتریکی مواد واسط و ایروژل‌های بدست‌آمده، با روشهای طیف‌سنجیFTIR ، نور فرابنفش/مرئی(UV/vis) ، پراش رامان(Raman) ، پراش اشعه ایکسray)- (X، آنالیزBET ، میکروسکوپ الکترونی پویشی گسیل میدانی(FESEM) ، آزمون استحکام فشاری، آزمون گرماوزن‌سنجی(TGA) ، اندازه‌گیری رسانش‌گرمایی و الکتریکی مورد مطالعه قرار گرفت .چگالی توده )b) و تخلخل این ایروژل‌ها به‌ترتیب بین مقدار فوق‌العاده پایینmg cm -۳ ۵/۹ - ۲/۷ و مقدار بالاتر از ۹۹/۵ قرار گرفت .با استناد به تصاویر میکروسکوپ الکترونی و همچنین، نتایج به‌دست‌آمده از روشBET ، اندازه حفره‌های ایروژل‌های GO/OapPOSS در محدوده نانومتری تا چند میکرون قرار داشت .خواص مکانیکی و پایداری حرارتی ایروژل‌های تهیه‌شده در مقایسه با ایروژل گرافن خالص گزارش‌شده در منابع، بهبود قابل‌توجهی نشان دادند .بررسی نتایج رسانش‌گرمایی ایروژل‌های گرافنی مورد مطالعه نشان می‌دهد که در انتقال‌حرارت کل، سهم انتقال‌حرارت از طریق فاز جامد نسبت به مکانیسم‌های دیگر انتقال‌حرارت برتری دارد .این برتری حتی در دماهای بالاتر هم حفظ می‌شود .این امر بدین دلیل می‌باشد که به‌خاطر ضریب جذب مادون‌قرمز بالای ایروژل‌های گرافنی، انتقال‌حرارت از طریق تشعشع به‌طور موثری مهار می‌شود .همچنین، متوسط اندازه حفره‌های پایین ایروژل‌های گرافنی مورد بررسی، میانگین مسیر آزاد مولکول‌های گاز را درون حفره‌ها، در دمای بالا، محدود می‌کند و از این طریق سهم انتقال‌حرارت فاز گازی کاهش می‌یابد .همان‌طور که اشاره شد در ایروژل‌های تهیه‌شده، سهم انتقال حرارت فاز جامد نسبت به مکانیسم‌های دیگر انتقال حرارت بالاتر می‌باشد، بااین‌وجود، انتقال حرارت از طریق این فاز عدد بسیار پایینی است .این پدیده، ناشی از تخلخل بالای ایروژل‌های تهیه‌شده می‌باشد .درنهایت، تاثیر محتوای مواد اولیه، چگالی و مورفولوژی بر روی خواص‌مکانیکی، پایداری‌حرارتی، رسانش‌گرمایی و الکتریکی مورد بررسی قرار گرفت و رابطه ریزساختار و خواص ایروژل‌های تهیه‌شده تبیین گردید .مجموعه خواصی نظیر تخلخل عالی، مساحت سطح بالا، چگالی بسیار پایین، رسانش‌گرمایی جزئی، و رسانش الکتریکی عالی باعث شد تا این ایروژل‌ها پتانسیل بالایی در کاربردهای گسترده‌ای از جمله وسایل ذخیره و تبدیل انرژی( ابرخازن، الکترود و غیره)، بستر کاتالیست، جاذب آلاینده‌ها( مایع و گازی)، و مواد عایق/محافظ حرارتی داشته باشند.

A variety of aerogels such as silica aerogels, metal oxide aerogels, carbon aerogels, and more recently graphene aerogels, are widely used in a range of applications due to their high porosity, low density, and nanostructure properties. Particularly, graphene aerogels, which have unique properties such as very low density, high porosity, high specific surface area, excellent flexibility, high Young modulus, low thermal conductivity and high electrical conductivity, have received much attention. Nowadays, the main challenge for researchers is to improve mechanical properties, thermal stability and thermal and electrical conductivity of graphene aerogels. In this project, flyweight organic-inorganic hybrid graphene/octa (aminophenyl) polyhedral oligomeric silsesquioxane (OapPOSS) aerogels with 3D interconnected structures and high porosity, were prepared. These aerogels were synthesized by the simultaneous self-assembly and reduction processes of graphene oxide nanosheets, by the covalent reaction of the OapPOSS molecules with graphene oxide. In addition to that the OapPOSS molecules form a coating on the surface of graphene oxide, they act as a crosslinking agent, especially on the overlapping areas of graphene oxide platelets. This helps to bring the graphene oxide platelets tight in a 3D porous lattice structure. Using solvent exchange process and then carbon dioxide supercritical drying, the resulting gels are converted to equivalent aerogels. Five samples with different concentration of GO and OapPOSS precursors were prepared and the effect of different composition, on the final aerogel properties was studied. Chemical structure, morphology and interlaminar distance, mechanical properties, thermal stability, thermal and electrical conductivity of intermediates and prepared aerogels were studied by Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, ultraviolet-visible (UV/Vis) spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction analysis, Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM), compression strength test, Thermogravimetric analysis (TGA), thermal and electrical conductivity measurements. Bulk density (b) and porosity of the aerogels are located between super-low value of 2.7 - 5.9 mg cm-3 and beyond 99.5 , respectively. According to the FESEM micrographs, the pore size of the obtained aerogels is in between nanoscale to several microns. The mechanical properties and thermal stability of the prepared aerogels showed a significant improvement compared to the reported graphene aerogels. Investigation of the thermal conductivity results of the obtained aerogels showed that the contribution of heat transfer through the solid phase, s, is superior to other heat transfer mechanisms. This superiority is maintained even at higher temperatures. This is attributed to the high self-extinction coefficient of graphene aerogels, which heat transfer through radiation is effectively suppressed. Likewise, the lower average pore size of the obtained aerogels, limits the mean free path of gas molecules at high temperature and thereby reduces the contribution of gas thermal conductivity. Since these aerogels have porosity of above 99.5 , the contribution of solid phase thermal conductivity was also very low. Finally, the influence of raw material content, density and morphology on mechanical properties, thermal stability, and thermal conductivity was investigated and the structure-properties relationship of the prepared aerogels was explained. The combination of properties such as high porosity, great surface area, extremely low density, minor thermal conductivity, and good electrical conductivity have made these aerogels as a great candidate in a wide range of applications including energy storage and conversion devices (like supercapacitors, electrode materials etc.), catalyst substrate, contaminant absorbers, and thermal insulation.

ba

Preparation of Hybrid Organic-Inorganic Graphene/OapPOSS Aerogels and Investigation of Their Morphology, Mechanical, Thermal and Electrical Properties

ساختارهای متخلخل فوق‌سبک

ایروژل‌های هیبرید آلی-معدنی گرافنی

خواص مکانیکی

رسانش-گرمایی

رسانش‌الکتریکی

Ultra-light Porous Structures, Organic-Inorganic Graphene Hybrid Aerogels, Mechanical Properties, Thermal Conductivity, Electrical Conductivity

ساختارهای متخلخل فوق‌سبک، ایروژل‌های هیبرید آلی-معدنی گرافنی، خواص مکانیکی، رسانش-گرمایی، رسانش‌الکتریکی

جنگی، ابوالفضل

رضایی، مصطفی، استاد راهنما

طالبی، سعید، استاد راهنما

حقگو، مجید، استاد مشاور

ایران

20230703

پلیمر ،۶۰۳۳۱ ،۱۳۹۹

ی‌لآ دیربیه‍ ی‌اهل‌ژوریا ه‌یهت‍-ن‌فارگ‍ ی‌ندعم‍OapPOSS / ی‌ژولوفروم‍ ی‌سررب‍ و، ی‌کیناکم‍ ص‌اوخ‍، اهن‌آ ی‌کیرتکلا و ی‌ترارح‍.pdf

عادی

عادی

c14.pdf

p60331.pdf

0

ایمانی

متن

0

پ۴۴۱۷

فارسی

نمایه‌سازی قبلی

pe

TF

92029

1

a

Y