شبيه سازي ديناميك مولكولي كوپليمر تجمعي حساس به دما (Thermo-associating) با ساختار شبكه اي در محيط آبي

دكتري تخصصي

در سال هاي اخير دانشمندان علم پليمر در تلاش بودند تا با استفاده از پليمرهاي تجمعي (Associating)، گرانروي سامانه هاي آبي را تحت كنترل خود درآورند. با وجود تعدد ساختارهاي ارايه شده، ساختار مبتني بر تشكيل يك شبكه فيزيكي، از موثرترين ساختارهاي تجمعي است كه در غلظت هاي بسيار كم حل شونده ي پليمري، گرانروي سامانه ي پايه آبي را به شدت تحت تاثير قرار مي دهد. در اين رساله، كوپليمر سه بلوكي تجمعي حساس به دما جديدي جهت ايجاد ساختار شبكه اي فيزيكي كارآمد در محيط آبي به وسيله شبيه سازي ديناميك مولكولي مورد طراحي و مطالعه قرار گرفت. بدين منظور، ابتدا پلي آكريل آميد (PAM) به عنوان مناسب ترين پليمر آب دوست و پلي(-Nايزوپروپيل-آكريل آميد) (PNIPAm) با تعامل آبي وابسته به دما به ترتيب براي بلوك مياني و دو بلوك انتهايي از طريق ارزيابي رفتارهاي مولكولي و بين سطحي پليمرهاي مختلف در محيط آبي انتخاب شدند. در اين راستا، ابتدا به منظور درك عميق تر رفتار شيمي فيزيكي بلوك هاي وابسته به دما، اثر عامل دما و طول زنجير بر رفتار زنجير مجزا PNIPAm در آب مورد بررسي قرار گرفت. نتايج شبيه سازي نشان دادند كه رفتار تغييرات كان فورماسيوني حساس به دماي زنجير تنها در بالاتر از طول بحراني آن (شامل 15 واحد تكراري) قابل مشاهده است. با اين وجود، تغييرات رفتاري PNIPAm از نظر برهم كنشي به هنگام عبور از دماي كويل به گلبول محاسبه شده (6/302 كلوين) مستقل از طول آن است. در ادامه كوپليمر سه بلوكي پيشنهادي PNIPAm-b-PAM-b-PNIPAm در درصدهاي مختلف از بلوك هاي انتهايي 8، 16 و 32% تهيه شدند تا تاثير بلوك ها بر رفتار وابستگي دمايي يكديگر در محيط آبي مورد بررسي قرار گيرد. نتايج بررسي هاي ابعادي، برهم كنشي و بين سطحي بلوك هاي كوپليمر در آب نشان دادند، كوپليمر طراحي شده با نسبت مولي 19/0PNIPAm/PAM= رفتار تجمعي حساس به دما را به خوبي در آب نشان مي دهد. البته، اتصال بلوك ها به يكديگر منجر به انتقال حدود 10 كلوين دماي كويل به گلبول به مقادير بيشتر شد. در انتها با استفاده از كوپليمر فوق الذكر، تشكيل ساختار شبكه اي در محيط آب به وسيله ي شبيه سازي دانه درشت ديناميك ذرات اتلافي مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج شبيه سازي نشان دادند در دماهاي كمتر از دماي كويل به گلبول بلوك هاي انتهايي، زنجيرهاي كوپليمر در آب محلول هستند، در حالي كه افزايش بيش تر دما سبب تجمعاتي از آنها مي شود. مطابق نتايج بدست آمده از شبيه سازي، در غلظت g/L 078/1 از كوپليمر، افزايش دما سبب تجمع زنجير هاي كوپليمري و كاهش حدود 30% گرانروي سامانه از طريق تشكيل ساختارهاي مايسلي گرديد. در مقابل، در غلظت g/L 175/2 از كوپليمر، افزايش دما منجر به تشكيل ساختار شبكه اي فيزيكي و هم پيوسته گرا در محيط آبي شد. مطابق محاسبات گرانروي سامانه، با تشكيل ساختار شبكه اي و تجمعي زنجيرها در آب، گرانروي نسبي به بيش از 40 افزايش يافت. اگر چه رفتار مشابهي در نتايج آزمايشگاهي ساير محققان در استفاده از كوپليمرهاي پيوندي آمفيفيليك نيز مشاهده شده است، اما كوپليمرهاي بلوكي طراحي شده در اين تحقيق از قابليت هاي بسياري نسبت به گونه هاي پيوندي برخوردار است. از جمله اين قابليت ها كاهش 30 درصدي غلظت پليمر مصرفي و خاصيت تجمعي حساس به دما را مي توان نام برد كه سبب مي شود تا كوپليمر مذكور كانديد جذابي جهت استفاده به عنوان تغليظ كننده در صنايع رنگ، پوشش، غذايي، نفت، پزشكي و غيره شود .

209416

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي شيمي

محمدرضا مقبلي، سيدمجيد هاشميان زاده