دانلود تحقیق روش اسپکتروسکوپی اشعه مادون قرمز (بررسی ساختمان الیاف)

مقدمه Introduction تفکرات بیشتر مردم در مورد لباسی که می پوشند و حتی در مورد کاربرد محصولات نساجی چیزی متفاوت با اندیشه های کسانی است که با صنعت نساجی آشنا هستند.

لباس رابطی است بین ما و صنعت نساجی و حداقل هر کدام از ما در مورد آن اظهار نظرهایی می کنیم.

مثلا در مورد جنس و نوع فلان ژاکت مورد علاقه، فلان کت یا فلان منسوج اما این اظهار نظر محدود به پدیده هایی همچون لمس کردن نوع پارچه یا تجربیات ماست که می گوئیم فلان پارچه نخی، کتانی یا ...

است.

در مورد شستشو و رفو کردن و نگهداری پارچه ها نیز تا حدودی با جنس و نوع پارچه سروکار داریم.

به هر حال لباس به عنوان یک پوشش فقط یکی از کاربردهای محصولات صنعت نساجی است و بیش از آنچه به نظر می آید کاربرد دارد.

در منازل به عنوان نمونه کفپوش ها، پرده ها، مبلمان، سرویس خواب و توالت همگی از الیاف نساجی ساخته شده اند یا حداقل الیاف قسمتی از آنها را تشکیل می دهد.

در وسایل نقلیه نیز صندلیها، کمربند ایمنی، کفپوشها، تودوزی و حتی لاستیکها از نساجی بهره برده اند.

در فضای باز می توان پوششها یا چادرهایی که برای جلوگیری از ورود آلودگی بر روی محیطی نصب شده است یا پارچه هایی که در مناطق نامساعد برای حفظ گیاهان و نباتات استفاده می شوند را حاصل کار صنعت نساجی دانست.

پارچه های ضد نور، ضد بران، ضد صدا، سیم بکسلهای نخی، طنابها و حتی بسیاری لوازم مورد استفاده روزمره در زمره این محصولات به حساب می آیند.

امروز، حتی صنعت لباس و پوشش به قدری وسیع شده که تصور آن مشکل است.

لباسعای زیر، کشبافها، پیراهن، لباسهای شنا، لباسهای بیرون و مهمانی، پاپوشها و لباسهای محافظ زمینه های گسترده ای در صنعت نساجی به وجود آورده است.

صنایع داروئی و بهداشتی نیز از نساجی بهره گرفته اند و هزاران استفاده گوناگون دیگر که شاید در آینده مطرح خواهد شد.

در ساخت هر کدام ازاین منسوجات با توجه به کاربرد و با توجه به خوصوصیاتی که باید داشته باشند الیاف مختلفی استفاده می شود.

علاوه بر آن، روشی که این الیاف به هم تابیده شده و تبدیل به نخ یا پارچه می شوند، متفاوت است.

الیاف Fibres در راستای اراوه تعریفی جامع و مورد قبول در مورد الیاف می توان عنوان داشت که لیف ماده ای با ویژگیهایی همچون لطافت، ظرافت، استحکام، انعطاف پذیری و داشتن نسبت زیاد طول به قطر می باشد.

الیاف واحد های پایه ای هستند که محصولات نساجی ازآنها ساخته می شوند.

گونه های مختلفی از الیاف نساجی وجود دارد.

بطور کلی الیاف را به دو دسته عمده طبیعی و ساخته بشر دسته بندی می کنند.

در طبقه بندی وسیعتر، الیاف طبیعی را به حیوانی و نباتی و الیاف ساخت بشر را به الیاف مصنوعی و بازیافته طبقه بندی می کنند.

مثالهایی از هر گروه در ذیل شرح داده شده است.

در جدول (1-1) نیز لیست معمولترین الیاف مورد استفاده آورده شده است که در مقابل آن نوع و جنسیت لیف را می توان یافت.

الیاف طبیعی Natural Fibres الیاف حیوانی Animal Fibres این الیاف از مو یا کرک حیوانات به دست می آید یا در مورد ابریشم از تارهای تنیده شده به شکل پیله که توسط کرم ابریشم تولید می شود استفاده می گردد.

مثالهایی از این نوع را می توان، موهر، کشمیر، پشم، کرک، آلپاکا، موی خرگوش، موی شتر[1]، موی سمور[2] و موی حیوانات وحشی نام برد.

الیاف گیاهی Vegetable Fibres از جمله الیاف گیاهی می توان به الیاف دانه ای، ساقه ای، میوه ای و الیاف برگی اشاره کرد.

از جمله معمولترین این الیاف پنبه است که بیش از الیاف تولیدی جهان را تشکیل می دهد.

از جمله از نمونه های دیگر این الیاف می توان کاپاک[3] ، کتان[4]، چتایی[5]، کنف[6]، سی سال[7]، رامی[8] و الیاف نارگیل[9] را نام برد.

الیاف ساخت بشر Man Made Fibres الیاف بازیافتی Regenerated Fibres الیاف بازیافتی اطلاق می شود که از پلیمر های طبیعی ساخته شده اند، به این صورت که از طریق دوباره شکل دادن اولیه و اصلاح آنها تولید می گردند.

در ابتدا این نوع الیاف را از مواد پروتئینی مثل شیر، بادام زمینی و سویا بدست می آوردند، اما امروزه پایه تولید این نوع الیاف سلولز است.

ویسکوز ریون که معمولترین این نوع الیاف است از خمیر چوب ساخته می شود.

ریون کوپر آمونیوم، دی استات سلولز و تری استات سلولز از جمله الیاف با پایه سلولزی به حساب می آیند.

الیاف مصنوعی Synthetic Fibres این نوع الیاف از سنتز شیمیایی پلیمرها بدست می آیند.

به عنوان مثال الیافی که به کمک علم مهندسی شکل می گیرند از این نوعند.

مواد خام مورد استفاده در ساخت این الیاف مشتقات نفتی بوده و طیف گسترده ای از این نوع الیاف موجود می باشد.

نایلونها، پلی استرها، اکریلیکها، الیاف محتوی کلر، پلی اولفین ها و پلی آمیدهای آروماتیک نمونه هایی از الیاف مصنوعی هستند.

روش های بررسی ساختار داخلی الیاف منابع و تئوریهای ساختار ذره ای الیاف متنوع، وسیع و در حال تکمیل می باشند.

برخی از روشهائی که ساختار داخلی را از آنها می توان استنتاج کرد عبارتند از: مطالعه ساختمان الیاف بوسیله روش میکروسکوپ نوری با بهره گیری از خواص نوری الیاف مطالعه ساختمان الیاف بوسیله میکروسکوپ های الکترونی SEM و TEM اسپکتروسکوپی مادون قرمز(IR) رزونانس مغناطیسی هسته(NMR) روشهای آنالیز حرارتی شامل آنالیز حرارتی تفاضلی (DTA) و کلیمتری انعکاسی تفاضلی (DSC) تحقیق به وسیله اشعه X و روش پراش اشعهX [10] شیمی الیاف که شامل ساختمان شیمیایی، طرز تهیه، فرمول و خواص شیمیایی آن می باشد.

استفاده از خواص عمومی فیزیکی الیاف.

از روشهای فوق روش شیمی الیاف و استفاده از خواص عمومی فیزیکی الیاف مباحثی جداگانه و مختص به خود است که در این مجموعه قابل بررسی نیست.

اسپکتروسکوپی اشعه مادون قرمز[11] Infrared Spectroscopy اسپکتروسکوپی جذب اشعه مادون قرمز امروزه بطور وسیعی برای مطالعه ساختمان فیزیکی و شیمیایی پلیمر ها و الیاف مورد استفاده قرار می گیرد.

تقریباً تمام ترکیباتی که پیوند کوالانسی دارند، اعم از آلی یا معدنی، فرکانسهای متفاوتی از اشعه الکترومغناطیسی را در ناحیه مادون قرمز طیف جذب می کنند.

ناحیه مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی دارای طول موجی بلندتر از طول موج نور مرئی (یا طول موج nm 800-400 ( و کوتاهتر از طول موج ماکروویو (با طول موج بلندتر از mm1) است.

در شیمی ما فقط به بخش ارتعاشی[12] ناحیه مادون قرمز علاقه مندیم.

این بخش طول موجی بین 2.5 تا 15 را شامل می شود.

طول موج() رابطه عکس با فرکانس() دارد که از رابطه روبرو گرفته شده و در آنc سزعت نور می باشد.

همانگونه که در رابطه روبرو مشاهده می شود انرژی رابطه مستقیمی با فرکانس دارد.

در این رابطه h ثابت پلانک است.

با استفاده از فرمول اخیر می توان مشاهده نمود که ناحیه اشعه X دارای بالاترین انرژی در طیف است.

این انرژی آنقدر زیاد می باشد که قارد به شکستن اتصال در مولکول است.

در انتهای دیگر طیف الکترومغناطیس، فرکانسهای رادیویی انرژی بسیار اندکی داشته، بطوری که فقط قادر به انتقالات اسپین هسته ای با اسپین الکترونی در مولکول می باشند.

در نواحی مختلف طیف از جمله مادون قرمز اطلاعات بسیار مهمی را در مورد مولکولهای آلی در اختیار می نهند.

بسیاری از شیمیدانها از واحد عدد موج[13] () در ناحیه مادون قرمز طیف الکترومغناطیس استفاده می کنند.

عدد موج بر حسب بیان شده است و بسهولت از فرمول زیر محاسبه می گردد.

اگر آن عدد در سرعت نور ضرب شود، می توان فرکانس () را بدست آورد.

، مزیت این واحد آن است که رابطه مستقیمی با انرژی دارد.

با استفاده از این واحد، ناحیه ارتعاشی مادون قرمز بخشی بین 400 تا 650 را در بر خواهد گرفت.

مزیت این واحد آن است که رابطه مستقیمی با انرژی دارد.

جدول انواع انتقالات انرژی در نواحی مختلف طیف الکترومغناطیس اشعه نورانی از یک منبعی که می تواند یک محدوده از طول موج را بطور مداوم نشر دهد، تولید و پس از جمع آوری، این اشعه از بین یک نمونه پلیمری با ضخامت مناسب عبور کرده و توسط یک منشور بطول موجهای دلخواه تقسیم می گردد و سپس آنرا روی یک جذب کننده مناسب جمع می کنیم.

در دستگاه های تجارتی معمول است که تمام کارها بطور اتوماتیک انجام گرفته و یک منحنی که مقدار جذب را نسبت بطول موج یا عدد موج (طول موج/1) نشان می دهد رسم می گردد.

نمونه پلیمری معمولاً بصورت فیلم نازک تهیه می گردد(معمولاً 0.05 سانتیمتر یا کمتر) و نمونه در زمان آزمایش هیچ صدمه فیزیکی یا شیمیایی نمی بیند.

مواد پلیمری در محدوده طول موجهای 1 تا 30 میکرون مطالعه می گردد.

در شکل (1) منحنی بدست آمده برای نایلون 66 نشان داده شده است.

آزمایش را می توان به دو طریق انجام داد که عبارتند از: الف- وقتی جهت اشعه موازی محور لیف مورد آزمایش باشد.

ب- وقتی جهت اشعه عمود بر محور لیف باشد.

طیف جذب ناشی از تغییر فاز (تحول) نوسانات مولکولی در سطوح مختلف انرژی می باشد.

شکل(1)- منحنی جذب اشعه مادون قرمز برای نایلون 66 خط پر: جهت اشعه عمود بر محور لیف- خط چین: جهت اشعه موازی محور لیف رابطه بین خطوط تغییر انرژی و فرکانس () اشعه جذب را می توان از فرمول زیر بدست آورد که در آن h عدد ثابت پلانک می باشد.

لذا تغییرات انرژی حدود 3 کیلو کالری بر مول است.

حتی تغییرات انرژی کمتری که مربوط بطول موجهای بلندتر و همراه با تغییرات انرژی سطوح مختلف مولکولها است وجود دارد ولی این تغییرات نمی توانند در طیف جذب مواد پلیمری ظاهر شوند.

چون طیف جذب اشعه مادون قرمز مربوط به تغییر فاز بین انرژی نوسانی سطوح تمام مولکولها است لذا این وسیله خیلی موثرتر از روشهای دیگر مثلا اسپکتروسکوپی جذب اشعه ماوراء بنفش(U.V.) (که در آن تغییر فاز بین انرژی الکترونی سطوح تعیین می گردد) می باشد و در نتیجه توسط اشعه ماوراء بنفش نوع پیوندها تعیین می گردد ولی در اشعه مادون قرمز ترتیب قرار گرفتن این پیوندها در مولکول تعیین می گردد.

کمیت هایی که طیف جذب اشعه مادون قرمز را مشخص می نمایند عبارتند از: طول موجهائیکه (فرکانس) در آنها جذب پیوندها پدیدار می گردد.

مقدار شدت جذب هر یک از پیوندها طیف جذب اشعه مادون قرمز وسیله بسیار موثر و سریعی برای مطالعه ساختمان پلیمرها می باشد و معمولا در بیشتر کارخانجات صنایع پلیمری و موسسات تحقیقات از این وسیله استفاده می گردد.

فرآیند جذب مادون قرمز Nfrared Absorpation Processs مانند انواع دیگر جذب انرژی، موقعی که مولکولها اشعه مادون قرمز را جذب می کنند به حالت انرژی بالاتر بر انگیخته می گردند.

جذب تابش مادون قرمز مانند هر فرآیند جذب دیگر یک فرآیند کوانتومی می باشد، بدین صورت که فقط فرکانسهای (انرژی های) مشخصی از تابش مادون قمز توسط مولکول جذب می گردد.

جذب مادون قرمز با تغییر انرژی بین kcal/mol 10-2 همراه است.

تابشی که دارای چنین انرژی باشد، فرکانسهای ارتعاشی کششی و خمشی پیوندهای کوالانسی اکثر مولکولها را شامل می گردد.

در فرآیند جذب، فرکانسهایی از اشعه مادون قرمز که با فرکانسهای ارتعاشی طبیعی مولکول مورد نظر تطبیق کند جذب خواهد شد و انرژی جذب شده برای افزایش دامنه حرکت ارتعاشی اتصال موجود در مولکول به کار گرفته می شود.

باید توجه داشت که تمام پیوند های موجود در مولکول قادر به جذب انرژی مادون قرمز نیستند، حتی اگر اشعه مادون قرمز کاملا با فرکانس حرکت تطبیق کند، فقط آن پیوند هایی که دارای گشتاور قطبی هستند قادر به جذب اشعه مادون قرمز می باشند.

پیوندهای متقارن، مثل پیوند موجود در و اشعه مادون قرمز را جذب نمی کند.

یک پیوند باید خصلت یک دو قطبی الکتریکی را از خود بروز دهد، مولکول این دو قطبی با همان فرکانس اشعه ورودی متغیر بوده تا انتقال انرژی صورت پذیرد.

بنابراین پیوندهای متقارن در مادون قرمز جذب نمی دهند.

اکثر پیوندهایی که چنین پدیده ای را دارا می باشند پیوندهای موجود در آلکن های (C=C) متقارن و نیز آلکیلهای (C=C) متقارن هستند.

موارد استفاده از طیف مادون قرمز Application of Infrared Spectrum چون هر پیوند دارای فرکانس ارتعاشی طبیعی خاصی استف و نیز چون یک پیوند بخصوص در دو مولکول مختلف در دو محیط متفاوت قرار داشته، بنابراین هیچگاه دو مولکول با ساختمان متفاوت جذب مادون قرمز یا به عبارت بهتر طیف مادون قرمز مشابهی نمی دهند.

اگر چه ممکن است بعضی از فرکانسهای جذب شده در دو مولکول مشابه باشند، اما هیچگاه دو مولکول مختلف، طیف قرمز کاملا یکسانی را نخواهند داشت.

اگر تمام جذبها در طیف دو مولکول بر یکدیگر منطبق شوند، آن وقت به احتمال قریب به یقین دو ماده یکسان هستند.

کاربرد دوم طیف مادون قرمز که مهمتر از اولی می باشد این است که طیف مزبور اطلاعاتی راجع به ساختمان یک مولکول می دهد.

جذبهای مربوط به هر پیوند (C, C-C, N-H, C-H, C-O, O-H, C-X, C=O, C و غیره) در بخش کوچکی از ناحیه ارتعاشی مادون قرمز یافت می شوند.

به عنوان مثال