غشای کوپلیمری جدید ضد رسوب PVDF-g-THFMA ساخته شده توسط پلیمریزاسیون رادیکالی غیرفعال شده برگشت پذیر القا شده نوری با Cu (II)

Novel anti-fouling PVDF-g-THFMA copolymer membrane fabricated via photoinduced Cu(II)-mediated reversible deactivation radical polymerization

Abstract

In this study, we fabricated a novel anti-fouling poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membrane using a novel amphiphilic copolymer of PVDF grafted with tetrahydrofurfuryl methacrylate (PVDF-g-THFMA). This copolymer was synthesized via photoinduced Cu(II)-mediated reversible deactivation radical polymerization. The amphiphilic copolymer was characterized by 1H nuclear magnetic resonance and Fourier transform infrared spectroscopy. The morphology of the copolymer was examined using scanning electron microscopy. The permeability and hydrophilicity of the membranes were evaluated on the basis of their pure water flux and dynamic contact angles, respectively. The anti-fouling property of the membranes was evaluated by carrying out filtration using a bovine serum albumin (BSA) solution. The PVDF-g-THFMA copolymer membranes showed a pure flux of up to 293.9 L m−2 h−1 bar−1 and a molecular weight cut off of 39.5 kDa. After the filtration of the BSA solution, the PVDF-g-THFMA copolymer membrane was washed with deionized water and the recovery ratio of the pure water flux reached a value of 89.1%. The modified membrane showed good filtration performance and anti-fouling property.

1 Introduction

Among commercial polymers, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) has received much attention as a membrane material owing to its excellent properties such as high mechanical strength, thermal stability, and outstanding chemical resistance to various organic solvents, acids, and bases [1–3]. However, the commercialization of PVDF membranes is limited. The surface energy of PVDF is very low, leading to the poor wettability and strong hydrophobic nature of PVDF membranes. Because of their hydrophobic nature, PVDF membranes are impressionable while treating aqueous solutions containing proteins. This increases the cost of operation and decreases the lifetime of PVDF membranes.

Many efforts have been made to improve the hydrophilicity of PVDF membranes. Coating a hydrophilic layer on the surface of PVDF membranes [4], grafting PVDF via various means such as ultraviolet (UV) photo irradiation, plasma, high-energy irradiation, and “living”/controlled polymerization, e.g. atom transfer radical polymerization (ATRP), and reverse atom transfer radical polymerization (RATRP) [5– 8], and introducing hydrophilic polymers [9], amphiphilic polymers, and inorganic nanoparticles into the membrane matrix have been proved to be effective in the modification of PVDF membranes [10–12].

Over the past few years, photochemically initiated ATRP, which offers the advantages of both ATRP and photopolymerization, has been studied extensively [13, 14]. Using this method, PVDF copolymers with a predetermined molecular weight and narrow molecular weight distribution can be synthesized. Compared to ATRP, photoinduced ATRP involves lower activation energy, faster reaction speed, and lower reaction temperature [15]. Yagci and co-workers developed the photoinduced Cu(II)- mediated reversible deactivation radical polymerization (RDRP) method. Cu(II) is of the utmost importance for the polymerization process in this method [16–18]. Over the past few years, photoinduced Cu(II)-mediated RDRP has received much attention and various modifications have been made to it [19]. In order to compensate for the unavoidable radical termination reactions in conventional ATRP, a high concentration of the Cu(I) catalyst is used. Cu(II)-mediated RDRP decreases the concentration of the copper catalyst used significantly without affecting the polymerization process. Compared to traditional reducing agents, light is an efficient and clean reducing agent for Cu(II). The light intensity reactor received can be changed by control the reaction equipment (the reactor was placed in it) size and polymerization time can be controlled through switching on or off light source. We can obtain polymer with certain grafting degree via control reaction equipment size and reaction time.[20]. The use of amphiphilic copolymers can improve the hydrophilicity of PVDF membranes in a single step during the membrane fabrication itself [21, 22]. Owing to their selfassembling ability, these copolymers impart a uniform pore size, narrow pore size distribution, and high water flux to PVDF membranes. The strong interactions between the bulk polymer and hydrophobic chains of amphiphilic copolymers can effectively increase their compatibility and stability in the PVDF membrane matrix [23, 24]. Amphiphilic copolymers such as PVDF grafted with poly(methyl methacrylate) (PVDF-g-PMAA), PVDF grafted with poly(hydroxyethyl methacrylate) (PVDF-gPHEMA), and PVDF grafted with poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PVDF-g-PEGMA) have been synthesized [25–27]. PVDF membranes using these amphiphilic copolymers as additives show excellent hydrophilicity and anti-fouling property. Recently, amphiphilic copolymers such as PVDF-cochlorotrifluoroethylene)-graft-poly(methyl methacrylate) (P(VDF-co-CTFE)-gPMMA) have been synthesized via photoinduced Cu(II)-mediated RDRP [28]. Motivated by these studies, we developed a PVDF amphiphilic copolymer membrane in this study. During the synthesis of PVDF amphiphilic copolymer membranes, a large number of hydrophilic segments are transferred to the membrane surface, which then self-assemble into regular pores. As a result, such membranes show good anti-fouling property and high flux.

In this study, we synthesized a novel amphiphilic copolymer of PVDF grafted with tetrahydrofurfuryl methacrylate (PVDF-g-THFMA) via photoinduced Cu(II)-mediated RDRP (a variation of ATRP) [29]. This copolymer was used to develop an anti-fouling ultrafiltration PVDF membrane via nonsolvent-induced phase separation. In this study, THFMA was used to fabricate a PVDF grafting copolymer for the first time. The results showed that photoinduced Cu(II)-mediated RDRP is an efficient approach to modify PVDF membranes. To the best of our knowledge there have been no reports on modifying PVDF membranes using this approach. The morphology of the prepared membranes was investigated using a scanning electron microscope (SEM). The performance of the PVDF-g-THFMA copolymer membranes was evaluated on the basis of their pure water flux, molecular weight cut off (MWCO), rejection of bovine serum albumin (BSA), and protein filtration experiments.

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

چکیده
1-مقدمه
2-آزمایش
2-1 ماد
2-2 تهیه میکرو کپسول های خود ترمیم
2-3 میکروکپسول های تقویت شده از نظر مکانیکی و حرارتی
2-4 ماتریس پلی اورتان قرار گرفته در درون میکرو کپسول
2-5 ارزیابی عملکرد خود ترمیمی
2-6 شناسایی
3- نتایج و بحث
4- نتیجه گیری

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1- مقدمه
مواد خود ترمیم، که از سیستم های زیستی و بیولوژیکی الهام گرفته اند، توانایی ترمیم آسیب دیدگی خفیف را بدون نیاز به تشخیص و یا هر گونه مداخله دستی نشان می دهند. مواد خود ترمیم قرار داده شده در محصولات پلیمری مختلف به فراوانی در زمینه های ساختاری مختلف نظیر هوا سازی، خودرو سازی، صنایع دفاعی و ساختمانی استفاده می شوند. این مواد هوشمند می توانند به طور معنی داری موجب افزایش طول عمر و ایمنی محصولات پلیمری شوند(1-4). اگرچه چندین راهبرد های خود ترمیم درونی و بیرونی( مبتنی بر کپسول و عروقی)، مطالعه شده اند، خود ترمیم مبتنی بر عوامل ترمیم میکرو کپسوله شده، در آینده نزدیک از اهمیت زیادی برخوردار خواهد بود زیرا میکرو کپسول ها را می توان به آسانی در ماتریس پلیمر با استفاده از فنون ترکیبی موجود بدون تغییر ساختار شیمیایی اولیه پلیمر قرار داد. به علاوهف این خود ترمیمی می تواند به ترمیم ترک های بزرگ کمک کند(5-8). معمولا، آسیب مکانیکی وارد شده به مواد موجب شکستگی میکرو کپسول ها شده و عوامل ترمیم کننده را وارد منطقه آسیب دیده می کند. سپس ترک، از طریق بسپارش و واکنش بین عوامل مختلف، ترمیم می شود.
اخیرا، تلاش های زیادی برای استفاده از مواد خود ترمیم بر روی قطعات درونی و بیرونی خودرو ها از جمله پانل های پلاستیکی و یا رنگ، صورت گرفته است زیرا مهندسی هوش هیجانی برای رایت مشتری از اهمیت زیادی برخوردار است(9-11). برای مثال، در صورتی که کاربران و استفاده کننده های خودرو ها با یک خراش بر روی لایه پوسته پانل مواجه شوند( که متشکل از بیرونی ترین لایه پوسته، لایه درونی و لایه مرکزی است)، هیجان و احساس بینایی و لامسه او می تواند به شدت تحت تاثیر قرار گیرد. در میان مواد پلیمری مختلف در خودروها، رزین PU متشکل از پیوند اورتان ( NH -COO ) برای لایه پوست استفاده شده است زیرا موجب کاهش احتمال خراش به دلیل الاستیسیته درونی می شود(12). با این حال، خسارت خارجی نظیر خراش بر روی لایه پوسته مبتنی بر PU، هنوز اجتناب ناپذیر است که موجب تضعیف حالت روحی کاربر می شود.
به منظور حفاظت از لایه PU در برابر خراش ها، دو رویکرد کشف شده است. اولین مورد، بهبود مقاومت خراش لایه پوست با استفاده از ذرات سرامیکی با اندازه نانو برای بهبود سختی و مقاومت پوسته روشن و دوم بازیابی و ترمیم خراش ها با بهبود ویژگی الاستیک رزین های PU می باشد. با این حال، اولین رویکرد، وقتی که خراش رخ دهد موثر نیست و دومین رویکرد بسته به میزان خراش، می تواند محدود باشد. از این روی، استفاده از مواد خود ترمیم مبتنی بر میکرو کپسول در رزین PU می تواند شیوه ای خوب و بهتر برای کاهش حضور خراش ها بوده و مانع از نارضایتی مشتری می شود.
لایه های پوسته مبتنی بر پلی اورتان یا از طریق قالب گیری تزرزق واکنشی و یا از طریق قالب گیری دوغاب پودری تولید می شوند که اغلب شامل تنش برشی بالا و دمای بالا است. به علاوه، برای قرار دادن میکرو کپسول های خود ترمیم د در رزین های پلی اورتان، فرایند شست و شو و خشک سازی بایستی انجام شود، زیرا رطوبت می تواند با رزین پلی اورتان واکنش دهد و تولید فوم اورتان با یک سطح زبر کند. از این روی، میکرو کپسول های خود ترمیم بایستی دارای خواص مکانیکی و حرارتی کافی برای مقاومت به فرایند های شست و شو و خشک سازی و قالب گیری باشد و این خواص از طریق افزایش ضخامت پوسته و یا معرفی مواد غیر آلی در پوسته حاصل می شود(19-23).
در این مطالعه، یک ماتریس مبتنی بر پلی اورتان با یک قابلیت خود ترمیمی با استفاده از دو میکرو کپسول در ماتریس برای کاربرد های آینده در لایه های پوست پانل ها در خودروها تهیه شد. یک میکرو کپسول با پلی دی متیل سیلوکسان PDMS و کاتالیزور پلاتینوم پر شده و دیگر میکرو کپسول با یک کراس لینکر پر شد.
به منظور بهبود خواص مکانیکی و حرارتی، لایه های اوره-فرمالدهید بر روی میکرو کپسول های مبتنی بر PUF، اوره-فرمالدهید رسوب یافتند و اندازه میکرو کپسول تنظیم شد. پس از تحلیل خاص مختلف میکروکپسول، ظرفیت خود ترمیمی ماتریس پلی اورتان ارزیابی شد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

The self-healing materials, inspired by biological systems, exhibit the ability to repair minor damage without the need for detection or any type of manual intervention. Self-healing materials incorporated in various polymeric products are increasingly used in structural applications in the space, automobile, defense and construction industries. These smart materials can significantly increase the lifetime and safety of polymer-based products and components [1–4]. While several extrinsic (capsule-based, vascular) and intrinsic self-healing strategies have been investigated, self-healing based on microencapsulated healing agents is more likely to be successful in the near future because microcapsules can easily be incorporated into the polymer matrix using existing blending techniques without changing the original chemical structure of the polymers. In addition, this self-healing can heal large-volume cracks [5–8]. Typically,mechanicaldamage inamaterial ruptures the microcapsules and releases healing agents into the damaged area. Then,the crack is repaired by polymerization via the reaction between different agents. Recently, several efforts have been made to apply self-healing materials to automobile interiors and exterior components such as plastic panels or paint because emotional engineering has become importantfor customer satisfaction [9–11]. For example, if an automobile user encounters a scratch in the skin layer ofthe instrument panel (which consists of an outermost skin layer, interlayer and core layer), the visual and tactile emotion of the user may worsen. Among various polymeric materials in automobiles, PU resin consisting of a urethane bond ( NH COO ) has mainly been used for the skin layer because it can decrease the scratch probability due to its intrinsic elasticity [12]. However, external damage such as scratches on the PU-based skin layer is still unavoidable, which may degrade the user’s emotional state. To protect the PU layer from scratches, two approaches have been explored. The first is enhancing the scratch resistance of the skin layer by using nanosized ceramic particles to improve the hardness of the clear coating and the second is recovering or healing the scratches by enhancing the elastic property of PU resins [13–16]. However, the first approach is not effective once a scratch has occurred, and the second approach may also be limited depending on the extent of the scratch. Therefore, the incorporation of microcapsule-based selfhealing materials into PU resin may be a better way to minimize the presence of scratches and subsequently prevent customer dissatisfaction. PU-based skin layers are produced by either reaction injection molding (RIM) or powder slush molding (PSM) processes, which typically involve high shear stress and/or high temperature [17,18]. Furthermore, in order for self-healing microcapsules to incorporate into PU resin, a severe washing and subsequent drying process should be conducted because moisture (water) can react with PU resin and generate urethane foam with a rough surface. Therefore, self-healing microcapsules must have adequate mechanical and thermal properties to withstand the molding and washing/drying processes, which can be achieved by increasing the shell thickness or introducing inorganic materials into the shell [19–23]. In this study, a PU-based matrix with a self-healing capability was prepared by incorporating two different microcapsules into the matrix for future application in the skin layers of instrument panels in automobiles. One microcapsule was filled with poly (dimethyl siloxane) (PDMS) and platinum catalyst (Pt) blend, and the other microcapsule was filled with a crosslinker. To improve the mechanical and thermal properties, additional urea-formaldehyde (UF) layers were deposited on the newly-prepared poly(ureaformaldehyde) (PUF)-based microcapsules, and the microcapsule size was tuned. After analysis of various microcapsule properties, the self-healing capacity of PU matrix was evaluated.

فرآوری، تغییرات میکروساختاری و خصوصیات استقامت کامپوزیت های ماتریس منیزیم در محل که حاوی ذرات SiCNO مشتق پلیمری در اندازه نانویی می باشند

Processing, microstructural evolution and strength properties of in-situ magnesium matrix composites containing nano-sized polymer derived SiCNO particles

Abstract

In-situ Mg matrix composites are fabricated by combining both liquid- and solid-state processing routes. Firstly, liquid polymer was injected into the molten Mg at a temperature of 800 °C to initiate pyrolysis. In-situ pyrolysis aids in the conversion of liquid polymer into sub-micron sized SiCNO particles (mean particle size in the range of 0.5–1 µm) and Mg2Si particles. Most of the polymer derived SiCNO particles were pushed by the solidification front and as a result segregated at the grain boundaries of as-cast composites (mean grain size in range of 50–65 µm) during subsequent solidification process. Formation of Mg2Si phase could be minimized by reducing the pyrolysis temperature from 800 to 700 °C. Single pass friction stir processing (FSP) of these as-cast composites lead to improved homogeneity in the SiCNO particle distribution, particle refinement (mean particle size of about 200–300 nm) and grain refinement (mean grain size in range of 2.5–3.5 µm). Mechanical properties (hardness, compressive yield stress, ultimate compressive stress, strain to failure and strain hardening exponent) of the FS processed composites were enhanced significantly as compared to their as-cast counterparts. Strengthening mechanisms and numerical models are being evoked to explain the observed yield strength in these two stage processed composites.

1 Introduction

Magnesium metal matrix composites (MMMCs) have significant potential in the design and manufacturing of next generation automotive and aerospace vehicles having light weight and reduced fuel consumption [1,2]. In-situ composite fabrication techniques seem to be gaining attraction since it overcomes several issues (non-uniformity of particle distribution, poor wettability and weak interfaces) associated with composites produced by conventional processing techniques [3,4]. In general, in-situ MMCs consist of ultra fine-sized and thermodynamically stable ceramic particles, clean and unoxidized ceramic-metal interfaces with high interfacial strength, due to improved wettability. There exist several variants of in-situ processes. These include both liquid metallurgy, and solid state processing routes [5–10]. Bhingole [7] added magnesium nitrate as oxygen supplying agent into the molten Mg-alloy and synthesized in-situ AZ91 matrix composites by in-situ reactive formation of hard MgO and Al2O3 particles. Despite the fact that numerous in-situ MMC processing routes are reported in the literature [5–10], their reaction pathways and chemical kinetics are complex to understand. Sudarshan et al. [11,12] developed a novel processing route to synthesize in-situ Mg-based MMCs by utilizing pyrolysis of polymer precursor within the molten Mg. Since polymer precursor contain all the constituents of ceramic phases within organic molecules itself, an in-situ pyrolysis aids in the conversion of polymer into ceramic particles without any chemical reaction between precursor and the host metal. However, they indentified two critical processing issues [11,12]: firstly the reaction between polymer precursor and magnesium melt results in the formation of brittle Mg2Si particles at pyrolysis temperature ranging from 800 to 1000 °C. This brittle Mg2Si phase impairs the ductility of resulting composite. Further, this leads to the reduction in the amount of polymer precursor available for generation of sub-micron sized SiCNO particles. Secondly, most of the polymer derived ceramic (PDC) particles were pushed away by the solidification front and as a result segregated at the grain boundaries. Such grain boundary segregation limits the enhancement in the mechanical properties of the final in-situ MMCs.

The nature and magnitude of interactive force between the ceramic particles and solidification front determines the nature of particle distribution in the final MMCs [13]. If the net force is attractive, the particles could be trapped within grain resulting in uniform dispersion where as repulsive forces leads to segregation of particles at the grain boundaries. Rapid solidification processing [14] and disintegrated melt technique [15] minimize the grain boundary segregation due to higher cooling rate to certain extent; however, it is difficult to understand and control the nature of interactive forces, and the solidification variables preciously during large-scale manufacturing of cast composites. Secondary process such as hot extrusion is more often used to bring about uniformity in particle distribution and to eliminate /minimize casting defects in the composites [16]. However, under non optimal conditions this may lead to some level of texture and anisotropy in the particulate MMCs.

In the present investigation, friction stir processing (FSP), one of the well-established solid state processing technique [17] has been explored as a technique to achieve both grain refinement and uniform distribution of reinforced particle distribution in the cast composites. These improvements have accrued due to intense material flow and dynamic recrystallization (DRX) which are the main attributes of FSP. Therefore, FSP can be utilized to minimize the grain boundary segregation of particles in the as-cast in-situ MMCs. In addition, FSP can also be used to eliminate/minimize casting defects akin to hotextrusion process. Arora et al. [18] observed the formation of in-situ nano-particles during FSP of AE42 Mg-alloys. Ranjit [19] modified the as-cast microstructures of Al-TiC in-situ composites by FSP. Ajay et al. [20] achieved a five-fold increase in microhardness of Cu-based in-situ MMCs after introducing polymer precursor by multi-pass friction stir processing (FSP). In their work, since the pyrolysis temperature (800 °C) of polymer precursor is lower than the melting temperature of Cu matrix (1083 °C); in-situ pyrolysis can be performed by solid state FSP itself. However, for the case of Mg, liquid state processing is required to initiate the pyrolysis for the conversion of polymer in to ceramic phase as pyrolysis temperature (700–800 °C) is greater than the melting temperature of Mg (650 °C). Use of FSP process has not been reported for the light weight in-situ MMCs dispersed with polymer derived ceramic (PDC) particles to the best of our knowledge. The primary objective of the present paper is three-fold; (i) to minimize the formation of Mg2Si phase by lowering the process or pyrolysis temperature, and (ii) to achieve the uniform dispersion of PDC particles throughout the magnesium matrix via FSP and (iii) to investigate the microstructural evolution, strength properties and the basis of strengthening of two stage processed in-situ MMCs.

ورقه های نانوکامپوزیت پلیمری با فسفر upconversion غیرآلی و افزودنی های نوری الکتریکی که با ماتریس پرتوی سه گانه هم جریان کمک شده و ته نشست لیزری پالسی مستقیم ایجاد شده است

Polymer nano-composite films with inorganic upconversion phosphor and electro-optic additives made by concurrent triple-beam matrix assisted and direct pulsed laser deposition

Abstract

The work was to investigate polymer nano-composite films with two inorganic additives: upconversion fluorescent phosphor NaYF4:Yb3+, Er3+ and aluminum doped ZnO (AZO). The films were deposited using a new method of concurrent evaporation of the frozen solution of polymer poly(methyl methacrylate) (PMMA) using the matrix assisted pulsed laser evaporation (MAPLE) and the ablation of the phosphor and AZO targets using the pulsed laser deposition (PLD). Three laser beams, an infrared 1064-nm beam for the MAPLE and two 532-nm beams for the PLD targets, were concurrently used in the process. A new target holder with remote control of the target tilt was designed to provide overlapping of the plumes from the three targets and uniform mixing of the additives in the polymer film. The fabricated nano-composite films were characterized using X-ray diffraction, scanning electron microscopy (SEM), and the measurement of the quantum efficiency (QE) of the upconversion fluorescence. The films retained the crystalline structure of the inorganic additives. The size of the nano-particles varied in the range 10–200 nm. Upconversion QE of the films was an order of magnitude less than that of the bulk phosphor, which can be explained by lesser number of the rare-earth ions in the nano-particles in the polymer film than in the micro-grains of the bulk phosphor. The AZO additive increased QE by 1.6 times to (0.072 ± 0.022) % more likely due to the plasmonic enhancement of the local optical infra-red pump (980 nm) field. The proposed triple-beam triple-target MAPLE/PLD method can be potentially used for making a wide variety of nano-composite films.

1 Introduction

There has been an explosive interest in the technique of laser assisted deposition of polymer nano-composite films exploiting the matrix assisted pulsed laser evaporation (MAPLE) with regard to the polymer host as can be judged form the numerous recent publications [1e40]. In MAPLE, a frozen solution of a polymer in a relatively volatile solvent is used as a laser target. The solvent and concentration are selected so that first, the polymer of interest can dissolve to form a dilute, particulate free solution, second, the majority of the laser energy is initially absorbed by the solvent molecules and not by the solute molecules, and third, there is no photochemical reaction between the solvent and the solute. The light-material interaction in MAPLE can be described as a photothermal process. The photon energy absorbed by the solvent is converted to thermal energy that causes the polymer to be heated but the solvent to vaporize. As the surface solvent molecules are evaporated into the gas phase, polymer molecules are exposed at the gas-target matrix interface. The polymer molecules attain sufficient kinetic energy through collective collisions with the evaporating solvent molecules, to be transferred into the gas phase. By careful optimization of the MAPLE deposition conditions (laser wavelength, repetition rate, solvent type, concentration, temperature, and background gas and gas pressure), this process can occur without any significant polymer decomposition. The MAPLE process proceeds layer-by-layer, depleting the target of solvent and polymer in the same concentration as the starting matrix. When a substrate is positioned directly in the path of the plume, a coating starts to form from the evaporated polymer molecules, while the volatile solvent molecules are evacuated by the pump from the deposition chamber. In case of fabrication of polymer nanocomposites, MAPLE targets are usually prepared as nano-colloids of the additives of interest in the initial polymer solutions.

Mixing the components of different nature, organic polymers and inorganic dopants, in the same target at a certain proportion and exposing them to the same laser beam not necessarily brings good quality nano-composite films. The laser pulse energy and wavelength cannot be optimized for each component individually. Also, the mixing proportion in the composite film is dictated by the initial proportion of the target and thus cannot be changed in the process. These limitations were removed in the recently proposed method of multi-beam and multi-target deposition (in its doublebeam/dual-target variation) using a MAPLE polymer target and one inorganic target, each being concurrently exposed to laser beams of different wavelengths [41e50]. Using the method, nanocomposite films of polymer poly(methyl methacrylate) known as PMMA doped with a rare earth (RE) inorganic upconversion phosphor compounds were prepared. Also, a nano-composite film of thermoelectric film of inorganic aluminum-doped ZnO known as AZO was impregnated with PMMA nano-fillers with the purpose of improving electrical conductivity and thermoelectric performance [46,50]. The polymer target was a frozen (to a temperature of liquid nitrogen) PMMA solution in chlorobenzene exposed to a 1064-nm laser beam from a Q-switched Nd:YAG pulsed laser. The inorganic targets were the pellets made of the compressed micro-powders of highly efficient RE-doped NaYF4 or the sintered powder of AZO concurrently ablated with the conventional pulsed laser deposition (PLD) process using the 532-nm frequency doubled beam from the same laser. The major result was that both, the polymer and the inorganic components could be transferred on a substrate during the combined MAPLE/PLD process in the form of a uniformly mixed nano-composite film preserving the chemical/crystalline structure of the components and with the desired new functional properties (highly efficient upconversion emission or the improved thermoelectric energy harvesting). The early work was limited to two laser beams and two targets (polymer MAPLE and inorganic PLD). Also, the target tilt (in order to provide overlapping of the plumes from both targets on the substrate) was adjusted manually inside the open vacuum chamber before the deposition process. Any correction of the plume directions in order to optimize the overlapping required time consuming operations of opening the chamber followed by degassing and reaching high vacuum. This paper presents the results of the further improvements of the proposed method. The number of the laser beams and the targets is increased to three: one polymer MAPLE and two inorganic PLD targets. The MAPLE target is the frozen solution of PMMA. The inorganic targets are made of an upconversion phosphor and aluminum doped oxide ZnO known as AZO. The targets are tilted remotely without opening the chamber in such a way that the plum overlapping can be optimized during the deposition process. The focus is on preserving the chemical and crystalline structure of the components in the resulting polymer nano-composite films with two inorganic additives and gaining the functionalities attributed to the additives and their interaction with the polymer host and with each other.

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

چکیده

1.مقدمه

2. پیش زمینه ی تئوریک و شبیه سازی ها

1.2. استفاده از تئوری لایه ترک برای HDPE

3. ننایج و بحث

1.3. مقایسه شبیه سازی و نتایج آزمایش

2.3. تغییر پارامتر ها در شرایط بارگذاری خستگی

4. نتیجه گیری

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

مقدمه
اخیرا پلی اتیلن با تراکم بالا (HDPE) به طور گسترده در لوله های توزیع آب و گاز مورد استفاده قرار گرفته اسن. طول مدت ماندگاری مورد انتظار برای لوله های HDPE در شرایط میدانی چندین دهه است (1). به دلیل فرآیند شکست طولانی مدت عناصر ساختاری ترموپلاستیک، آزمایشات تسریع شده در مجموعه های آزمایشگاهی به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است (2، 3). در اینجا، شرایط محیطی و بارگذاری ممکن است دستکاری شود تا تست های کوتاه مدت از طریق افزایش دما و بار فراتر از مقدار نرمال آنها اجرا شود (4 -7). به طور خاص، بارگذاری دوره ای برای تست سریع خزش مورد استفاده قرار گرفته است (8) . در این آزمایشات بسیار حیاتی است که رابطه ی بین آزمایشات کوتاه مدت و فرآیند های شکست طولانی مدت از قبیل ارتباط بین خستگی و گسیختگی ناشی از تنش شناسایی شدود. بدین منظور درکی جامع از مکانیسم گسیختگی تحت شرایط بار گذاری مختلف ضروری است. مکانیزم گسیختگی ترموپلاستیک های تحت خستگی از قبیل HDPE (1،9) به صورت تابعی از تنش استفاده شده ، نسبت تنش و فرکانس و نیز دما و محیط تغییر می کند. در شرایط بارگذاری نسبتا بالا که به عنوان شکست انعطاف پذیر شناخته می شو، زنجیره و ساختار ملکلولی HDPE دستخوش شکستگی ها و تبلور مجدد می شود. با این حال تحت شرایطط بار کمتر ، شکست نهایی می تواند به صورت شکست تردی بدون دفورمه شدن پلاستیک زیاد که اغلب در شکست لوله های HDPE در محل کار دیده می شود، رخ دهد. برای بدست آوردن نتایج ارزشمند، تغییر شرایط بارگذاری تست های تسریع شده باید مکانیزم های شکست مشابه با شکست های واقعی در عرصه را به همراه داشته باشد.
شکست تردی لوله های HDPE را می توان به طور رایج به سه مرحله در شرایط بارگذاری خستگی و خزش تقسیم کرد. در اولین مرجله، شکاف های ریز در نزدیکی شکاف هایی که از قبل وجود داشته رخ می دهد. زمانی که تخریب از یک سطح بحرانی خاص بالاتر رفت، یک ترک بزرگ شروع به ایجاد و پیشرفت می کند. در مرحله ی دوم، ترک به صورت شکننده از طریق یک فرآیند رشد ترک شبیه ایستا که تحت عنوان رشد آهسته شکاف (SCG) نیز شناخته می شود، به آهستگی پیشرفت می کند. در نهایت، در مرحله سوم، ناپایداری کلی منجر به شکست عظیم همراه با انتشار سریع ترک (rcp) می شود (10). در بسیاری از موارد سکشت در عرصه میدانی، زمان SCG به عنوان بخش اصلی مدت ماندگاری SCG در نظر گرفته می شود. بنابراین، کدلسازی دقیق فرآیند SCG برای پیش بینی مدت ماندگاری HDPE بسیار حیاتی است. از این رو ، بساری از مطالعات برای ارزیابی فرآِند SCG مواد HDPE صورت گرفت است (2،3، 10 -13). ظاهرا، SCG مواد HDPE به صورت پیوسته و ناپیوسته بسته به بار استفاده شده، دما و اندازه ترک ، اجرا شده است. تفاوت در الگو های SCG از طریق تفاوت معنی دار در کینتیک SCG حاصل می شود. نقطه ای که در آن مکانیزم و کینتیک SCG تغییر می کند به عنوان تبدیل نوع دوم شکننده- تردی (DBT2) شناخته میدشود زیرا به تبدیل شکست شکننده (خزش ) به تردی میکروفیبر ها در زون فرآیند (PZ) مربوط می شود (2، 9، 12، 14 ، 15 ).
مدل های تجربی زیادی برای نرخ SCG وجود دارد که مبتنی بر قانون پاریس هستند (16 ، 18). با این حال، این مدل های اصلاح شده هنوز نمی تواند به طور کامل حالت ناپیوسته SCG مواد HDPE را در نظر بگیرد. این موضوع را می توان از این امر مشاهده کرد که مدل های تجربی انحصارا نیروی محرک ترک یعنی عامل شدت تنش را استفاده کرده اند و ارتباط متقابل بین ترک و PZ را در نظر تنگرفته اند (10). مطالعات مورفولوژیکی و میکروساختاری بر روی ترک ها و PZ در جلوی صفحه ی ترک برای جبران کردن این کمبود ها مورد نیاز است. تئوری لایه ترک (CL) اولین مدلی است که امکان استنتاج PZ به طور مستقل از ترک را فراهم می کند و به طور دقیق رابطه ی متقابل بین ترک اصلی و PZ (یعنی، تخریب در جلوی راس ترک ) را مد نظر قرار میدهد. سیستم شامل ترک اصلی و PZ که راس ترک را در بر میگیرد ، Cl را به همراه دارد (19). در مورد مواد ترموپلاستیک مهندسی، نواحی کرنش محلی (تخریب) در اطراف راس ترک اصلی ممکن است علاوه بر حالت تنش، بسته به معماری ملکولی و مورفولوژی پلیمر نیز تغییر کند (20). پلی اتیلن (PE)، به طور خاص HDPE، نمایان گر نوع ساده ای از PZ گوه ای شکل است ، که از فیبر های کشش سرد و غشا ها تشکیل شده و در آن مرزی نسبتا مشخص بین PZ و مواد اصلی اطراف وجود دارد. بنابراین، در این مورد، یک روش انطباق کاربردی است. این روش ساده سازی پارامتر های CL را ممکن می سازد (13، 21، 22). ویژگی های مورفولوژیک PZ و ترک را می توان برای ایجاد تئوری CL در جهت شبیه سازی رفتار SCG ترموپلاستیک های مختلف از قبیل HDPE به کار برد.
در حین شبیه سازی CL، پارامتر های مختلف منعکس کننده ویژگی های مواد، میکروساختار و شرایط تست استفاده شد از قبیل تنش نهایی عمل کننده بر روی مرزPZ، انرژی اولیه شکست سطح، انتقال انتالپی برای تبدیل مواد و نسبت کشش طبیعی. اگرچه هر کدام از پارامتر های CL یک مفهوم فیزیکی شفاف دارد، ارزیابی آزمایشگاهی هر کدام از پارامتر ها مورد نیاز است. بنابراین استفاده از تئوری CL برای پیش بینی طول مدت مواد ترموپلاستیک در شکست تردی تا حدودی با محدودیت روبرو است. یک راه موثر برای ارتقای کاربرد تئوری CL استفاده از یک آنالیز سیستماتیک از روابط بین رفتار SCG و پارامتر های مختلف CL است. ارزیابی اثر دما که یکی از عوامل تسریع کننده است بر روی انتالپی کشش سرد ، یعنی تبدیل مواد از حالت ایزوتروپی اولیه به یک حالت با کشش دارای جهت گیری بالا ، انجام شد (9). با این حال، مطالعه بر روی پارامتر های CL نیز مورد نیاز است.
در این مطالعه، آنالیز پارامتری برای تخمین طول مدت دوام و حالت SCG شرایط میدانی از طریق ترکیب ترکیب تست های کوتاه مدت و شبیه سازی های عددی SCG و مدت دوام PE انجام شد. رفتار SCG مواد HDPE تحت شرایط بارگذاری خستگی به صورت عددی با استفاده از تئئوری CL شبیه سازی شد. پارامتر های ورودی CL متغیر برای آنالیز پارامتری مد نظر قرار گرفت. نتایج ازمایشگاهی گزارش شده توسط پارسونز و همکاران (2، 12) با نتایج شبیه سازی ما مقایسه شد و وابستگی پارامتر CL به شرایط بارگذاری خستگی از قبیل سطح حداکثر بار، نسبت R، و فرکانس بارگذاری بررسی شد. به این دلیل که تئوری Cl یک سیستم از دو معادله دیفرانسیلی جفت شده که تشریح کننده تغییر ترک و PZ است استفاده می کند، مشاهدات پدیدار شناسی استفاده شده در مطالعه حاضر را می توان به دیگر شرایط که مکانیزم برهمکنش بین ترک و PZ مشابه باشد، تعمیم داد. بنابراین، می توان به طور دقیق رفتار SCG و مدت دوام HDPE را در شرایط خستگی و بار گذاری خزش از طریق استفاده از الگوریتم CL ارائه شده در این مطالعه تخمین زد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Recently, high density polyethylene (HDPE) is widely used in water and natural gas distribution pipes. The expected lifespan of HDPE pipes is several decades in field conditions [1]. Owing to the long-term failure process of thermoplastic structural elements, accelerated experiments have been widely used in the laboratory setting [2,3]. Here, environmental and loading conditions may be manipulated to execute short-term testing through increasing temperature and load beyond their normally encountered values [4–7]. Specifically, cyclic loading is widely employed for accelerated testing of creep [8]. In these experiments, it is critical to identify the relationship between short-term experiments and long-term field failure processes, such as the connection between fatigue and creep failure. For this purpose, a comprehensive understanding of fracture mechanisms under various loading conditions is essential. The fracture mechanism of thermoplastics under fatigue including HDPE [1,9] varies as a function of applied stress, stress ratio, and frequency, as well as temperature and environment. The chain and molecular structures of HDPE undergo substantial breakage and recrystallization in the case of relatively high load conditions, which is known as ductile failure. Under lower load conditions, however, final failure may occur in the form of brittle fracture without large amounts of plastic deformation, which is often observed in field failures of HDPE pipes. To obtain meaningful results, the variation in loading conditions of the accelerated testing must reflect the same fracture mechanisms of actual field failures. Brittle fracture of HDPE can be conventionally divided into three stages during creep and fatigue loading conditions. In the first stage, micro-crazes accumulate in the vicinity of pre-existing defects. When the accumulated damage exceeds a specified critical level, a macroscopic crack starts to grow. In the second stage, the crack grows slowly in a brittle manner through a quasi-static crack growth process, also known as slow crack growth (SCG). Finally, in the third stage, global instability leads to catastrophic failure with rapid crack propagation (RCP) [10]. In many filed failure cases, the time for SCG is considered the major contribution of the lifespan of HDPE. Therefore, accurate modeling of the SCG process is critical to predicting the lifespan of HDPE. Hence, many studies have been conducted to investigate the SCG process of HDPE [2,3,10–13]. Evidently, SCG of HDPE proceeds in a continuous or discontinuous manner depending on the applied load, temperature, and crack size. Differences in SCG patterns are accompanied by significantly different SCG kinetics. The point at which the mechanism and kinetics of the SCG distinctly change is referred to as the ductilebrittle transition of the second kind (DBT2), since it corresponds to the transition from ductile (creep) to brittle fracture of the microfibers within the process zone (PZ) [2,9,12,14,15]. There are several empirical models of SCG rate based on the conventional Paris law [16–18]. However, these modified models still do not competently capture the discontinuous SCG mode of HDPE. This can be plainly seen from the fact that the empirical models use the crack driving force exclusively, i.e., the stress intensity factor, without consideration for the interaction between the crack and PZ [10]. Morphological and microstructural studies on the crack as well as the PZ in front of the crack tip are necessary to address these shortcomings. The crack layer (CL) theory is the first model that allows the PZ to evolve independently of the crack and explicitly considers the interaction between the main crack and PZ (namely, damages ahead of crack tip). The system including the main crack and PZ, which surrounds the crack tip, comprises the CL [19]. In the case of engineering thermoplastics, localized strain areas (damage) surrounding the main crack tip may vary, depending on the molecular architecture and morphology of the polymer in addition to the stress state [20]. Polyethylene (PE), especially HDPE, displays a simple wedge shape PZ, consisting of cold drawn fibers and membranes, with a relatively sharp boundary between the PZ and the surrounding original material. Therefore, in this case a superposition method is applicable. It enables simplification of the CL parameters [13,21,22]. That is, the morphological characteristics of the PZ and crack can be utilized to construct CL theory for simulating SCG behavior of various thermoplastics, including HDPE. During the CL simulation, several parameters reflecting the material properties, microstructure, and test conditions were employed, e.g., the closing stress acting on PZ boundary, the initial surface fracture energy, the enthalpy transition for material transformation, and the natural drawing ratio, amongst others. Although each CL parameter has a clear physical meaning, the experimental evaluation of such parameters are commonly required. So, the application of CL theory for prediction of thermoplastic lifespan in brittle fracture is somewhat limited. One effective way of improving the applicability of CL theory is to conduct a systematic analysis of the correlations between SCG behavior and various CL parameters. An investigation on the effect of temperature, which is one of the accelerating factors, on the enthalpy of cold drawing, i.e. material transformation from its original isotropic state to a highly oriented drawn status, was performed [9]. However, studies on the other CL parameters are also necessary. In this study, a parametric analysis was performed to estimate the lifespan and SCG mode of field conditions through a combination of short-term tests and numerical simulations of SCG and PE lifespan. SCG behavior of HDPE under fatigue loading conditions was numerically simulated by applying CL theory. A variation of CL input parameters was considered for the parametric analysis. The experimental results reported by Parsons et al. [2,12] were compared with our simulation results, and the CL parameter dependency on fatigue loading conditions, such as maximum load level, R-ratio, and loading frequency, were constructed. Since that the CL theory suggests a system of two coupled differential equations describing the crack and PZ evolution, the phenomenological observations used in the present study can be extended to other conditions, as long as the crack-PZ interaction mechanism is the same. Therefore, one can accurately estimate the SCG behavior and the lifespan of HDPE at fatigue and creep loading conditions through application of the CL algorithm presented in this study.

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

مقدمه
مواد و روش ها
مواد
نتایج و بحث
اندازه گیری زاویه تماس
بررسی اندازه ذرات
مطالعات TEM
خواص دی الکتریک
نتیجه گیری

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

مقدمه
بسیاری از انواع پلیمر ها را می توان برای بسته بندی غذا، ابزار ها و سایر آیتم ها استفاده کرد. این پلیمر ها را می توان تبدیل کرده، در فضای ذخیره ای در هوای باز قرار داده و در مکان های کثیف و یا در اتمسفر بخار قرار داد( برای مثال، صندلی ها در استادیوم ها یا ماشین ها). این شرایط موجب تسریع چسبندگی ذرات کثیف و کوچک شن یا سایر مواد نامطلوب و کثیف سازی سطوح شده و ایجاد چشم انداز نامطلوبی می کند. به علاوه، پنجره ها یا در های بیرونی بایستی هر روز تمیز شوند. از این روی، آماده سازی انواع خاصی از ویژگی های پلیمری با رفتار های خود پاک شونده جهت غلبه بر این مسئله مهم و حیاتی از اهمیت زیادی برخوردار است.
رطوبت پذیری یکی از ویژگی های مهم سطوح جامد بوده و عمدتا با دو عامل تعیین می شود: توپوگرافی( ناهمواری) سطحی و ترکیب شیمیایی(3-9، 13-18)، که دارای زاویه تماس بزرگ تر از 150 درجه می باشند و توجه زیادی را به دلیل کاربرد های عملی خود به خود معطوف کرده اند(19). سطوح فوق آبگریز از طریق تشکیل ساختار های دو دویی میکرو و نانومقیاس سلسله مراتبی و اصلاح شیمیایی برای کاربرد مواد با انرژی سطحی پایین به مواد دیگر ایجاد می شوند. مدل ونزل(1) و مدل کاسی- باکستر(12) به فراوانی برای توجیه نتایج تجربی ازمایشی استفاده می شوند. مدل ونزل، رفتار خیس شدگی و رطوبت پذیری را توصیف می کند که در آن یک قطره مایع بر روی سطح ارتباط نزدیکی با زبری سطحی دارد، در حالی که مدل کاسی وضعیتی را توصیف می کند که در آن، قطره بر روی سطح ترکیبی( کامپوزیت) جامد-گاز قرار می گیرد(20-25). تفاوت کلیدی بین دو رژیم، پسماند یا هیسترزیس زاویه تماس می باشد که پسماند زاویه تماس رژیم خیس شدگی کاسی بسیار پایین تر از رژیم رطوبت پذیری ونزل است.
هوای زیرین به دام افتاده در یک حالت کاسی را می توان زمانی حذف کرد که یک فشار اعمال شده و منجر به گذار به حالت ونزل شود. این موسوم به حالت کاسی کم ثبات می باشد. حالت یا روش تماس بستگی به شیوه رسوب قطرات مایع بر روی سطح دارد. برای مثال، کشیده شدن بر روی سطح زبر و یا ضربه دیدن می تواند منجر به این گذار شود(27). عمل ضربه یک قطره بر روی یک سطح فوق اب گریز توسط گروه های مختلف مطالعه شده است(28-37).
لی و همکاران(27) این موضوع را تایید کردند که عمل ضربه زنی بین قطرات آب و سطح، بستگی به پارامتر های هندسی سطح دارد و تنها برخی اشکال هندسی خاص منجر به رژیم قوی کاسی می شود(27). باشتان و همکاران (29) یک معیاری را ایجاد کردند که در آن گذار از رژیم کاسی به رژیم ونزل با سه عامل تعیین می شود:سرعت ضربه، پارامتر های هندسی سطوح ( طول، عرض و ارتفاع الگو) و خواص مایع. به طور کلی، مذاکرات مذکور بر تاثیر پارامتر های هندسی سطوح بر روی حالت رطوبت پذیری تاکید دارد(38). این مطالعه نشان می دهد که ترکیب سطوح د مقادیر پایین تاثیری بر روی رطوبت پذیری سطح ندارد، با این حال تغییرات رطوبت پذیری سطحی و پسماند زاویه تماس را می توان به طور معنی داری با دست ورزی فعل و انفعال و اثر متقابل قطره-سطح تغییر داد که هرگز قبلا گزارش نشده است. ما رفتار خیس شوندگی پویا و دینامیک یک قطره آب فشرده را بر روی آلومینا آنودایز اثبات کردیم که با برس های پلیمری حساس پس از پیش تیمار با یک آغاز گر رقیق اصلاح شد(39). تغییرات رطوبت پذیری بین خاصیت فوق آب گریزی و آب دوستی را می توان بسته به حساسیت بین قطرات با PH های مختلف، غلظت الکترولیت ها، دمای محیط و برس های پلیمری حساس به محرک بدست ورد. تغییرات CA منجر به ایجاد ویژگی های رطوبت پذیری دو لایه ای می شود.
هدف کلی این تحقیق، ایجاد یک سطح آب گریز از طریق روش بسپارش سول ژل شامل پلیمر های مناسب با انواع مختلف با کارکرد های مختلف می باشد. ذرات غیر آلی و اکسید های فلزی به این سطوح برای افزایش فوق آبگریزی کمک کرده و به طور معنی داری موجب افزایش عملکرد خود پاک شوندگی سطوح موجود می شود. این پیشرفت ها شامل پاک شوندگی سریع و خشک سازی سریع با بالاترین کیفیت سطوح کل می باشد. امید می رود که این پیشرفت ها منجر به تولید مواد با سطح فوق ابگریز شود.
اندازه گیری مواد دی الکتریک می تواند اطلاعات پارامتر طراحی مهمی را در اختیار بگذارد. برای مثال، کاهش عایق کابل، امپدانس سوبسترا یا فرکانس یک روزناتور دی الکتریک. این اطلاعات از اهمیت زیادی برای بهبود طرح های بسته بندی برخوردار است. کاربرد های اخیر در زمینه فراوری مایکرویو صنعتی مواد غذایی، لاستیک، پلاستیک و سرامیک از دانش مربوط به خواص دی الکتریک بهره برده اند. آب گریزی مواد عایق به صورت عامل مقاومت به تشکیل مسیر های آبی هادی و رسانا عمل می کند که موجب افزایش جریان نشتی و سایر اثرات نامطلوب شود. عملکرد برتر مواد عایق پلیمری به ایجاد سطوح آب گریز کمک شایانی کرده است.
سطوح فوق آبگریز از طریق تشکیل مینی امولسیون از طریق فنون بسپارش پیشرفته و از طریق مقایسه با سطوح آب گریز طبیعی ایجاد شدند. پلیمر های فوق آب گریز با ذرات غیر آلی تثبیت شده برای افزایش عملکرد آب گریزی سطوح با استفاده از آلکوکسید های فلزی به عنوان مواد مورد نیاز برای فوق آب گریزی دوپ شدند. نمونه های چند لایه با لایه فوقانی آلی-معدنی اصلاح شده تولید زوایای تماس آبی بیش از 130 درجه می کنند

بخشی از مقاله انگلیسی:

INTRODUCTION

Many types of polymers can be used for packaging food, tools, and other items. These polymers can be translated, placed on shelf storage in open air, and used in dirty places or in a vapor atmosphere (e.g., chairs in stadiums or cars). These conditions accelerate the attachment of dirty, small particles of sand or other undesirable materials to render the surface unclean and visually unappealing. Furthermore, outside windows or doors need to be cleaned daily. Therefore, it is necessary to prepare special types of polymer characteristics with self-cleaning behaviors to overcome this vital problem. Wettability is an important property of solid surfaces and is mainly determined by two factors: the surface topography and chemical composition [1–12]. Super-hydrophobic (SH) surfaces [3–9, 13–18], which have a contact angle (CA) larger than 1508, have attracted much attention due to their practical applications [19]. Super-hydrophobic surfaces can usually be achieved by forming hierarchical micro/ nanoscale binary structures and by chemical modification to apply materials with low surface energy to another material. The Wenzel model [1] and the Cassie-Baxter model [12] are most frequently used to account for experimental results. The Wenzel model describes wetting behavior where a liquid droplet on a rough surface is in intimate contact with surface asperities, while the Cassie model describes states where the droplet sits on a solid–air composite surface [20–25]. The key difference between the two regimes is the contact angle hysteresis, with the contact angle hysteresis of the Cassie wetting regime being much lower than that of the Wenzel wetting regime. The underlying trapped air in a Cassie state can be eliminated when a pressure is applied, resulting in a transition to the Wenzel state. This is called a “metastable00 Cassie state. The contact mode depends on the way liquid drops are deposited on the surface. For example, dragging over a rough surface [26] or being impacted can lead to such a transition [27]. The impact action of a droplet on a super-hydrophobic surface has been studied by several groups [28–37]. Lee and coworkers [27] confirmed that the impacting action between water droplets and the surface depends on the geometric parameters of the surface, and only certain geometries could result in a robust Cassie regime [27]. Bhushan and coworkers [29] developed a criterion in which the transition from the Cassie regime to the Wenzel regime is determined by three factors: impact velocity, geometric parameters of patterned surfaces (the length, width, and height of patterns and pitch between them), and liquid properties. Generally, the mentioned studies focus on the effect of geometric parameters of surfaces on the wetting mode [38]. The present study shows that the surface composition in low fractions might not affect the surface wettability, but the surface wetting transitions and contact angle hysteresis can be altered significantly by manipulating the droplet–surface interaction, which has never been reported before. We demonstrate the dynamic wetting behavior of a pressed water droplet on anodized alumina, which was modified with responsive polymer brushes after pretreatment with a dilute initiator [39]. The wetting transition between super hydrophobicity and hydrophilicity may be achieved depending on the responsiveness between droplets of different pH, the concentrations of electrolytes, the environmental temperature, and surface-grafted stimuli-responsive polymer brushes. The distinct CA changes give the surface double-faced wetting characteristics. The general aim of this research is developing a superhydrophobic surface by a sol–gel polymerization method involving suitable polymers of different types with various functionalities. Inorganic particles and metal oxides help these polymers to develop super-hydrophobicity and substantially increase the self-cleaning functionality of currently available surfaces. These developments include fast cleaning and faster super drying with the highest quality of the overall surface. Hopefully, these developments will lead to commercially available superhydrophobic surface materials. A dielectric materials measurement can provide critical design parameter information form any applications. For example, the loss of a cable insulator, the impedance of a substrate, or the frequency of a dielectric resonator. This information is also useful for improving packaging designs. More recent applications in the area of industrial microwave processing of food, rubber, plastic, and ceramics have also were found to benefit from knowledge of dielectric properties. Hydrophobicity of insulating materials is treated as the resistance to formation of conducting water tracks that increase leakage current, chances of flashover, and other deterioration effects. The superior performances of polymer outdoor insulating materials are regarded as the contribution of their hydrophobic surfaces. Super-hydrophobic surfaces were made by miniemulsion formation through sophisticated polymerization techniques and by comparison with natural hydrophobic surfaces. The super-hydrophobic polymers were doped by stabilized inorganic particles to boost the superhydrophobic performance of the surfaces using metal alkoxides (SiO2 and with silica/chlorotrimethylsilane, SiO2/ CTMS) as a requirement for super-hydrophobicity. Multilayer samples with a modified organic–inorganic top layer could produce water contact angles of up to 1308.

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده
اکستروژن برشی خالص ( مطلق) (PSE) بعنوان یک تکنیک تغییر شکل شدید جدید (SPD) معرفی شده است. فرآیند SPD جدید ، امکان تغییر شکل شدید فلزات و آلیاژها را در مُد ترکیبی از برش مطلق و ساده ، با فرصت تغییر دادن نسبت برش مطلق به ساده، فراهم میکند. این فرآیند اصولا بر مبنای ان چیزی میباشد که در مقالات بعنوان برش مطلق نامیده میشود، که در آن یک مربع، در امتداد قطری، به یک لوزی تبدیل میشود. ناحیه تغییر شکل در فرایند PSE متشکل از دو بخش میباشد، که عبارتند از نواحی تغییر شکل بالایی و پایینی. در ناحیه تغییر شکل بالایی، سطح مقطع مربع اولیه از نمونه، به تدریج، به لوزی تغییر شکل میدهد ، در حالیکه سطح مقطع ان ثابت باقی میماند و ثابت بودن سطح مقطع، باعث اطمینان از نبود تغییر سرعت میشود و بنابراین، کرنشی در جهت عمود بر سطح مقطع نمونه؛ که منجر به تغییر شکل کرنش صفحه ای شود، ایجاد نمیشود. در ناحیه تغییر شکل پایینی، نمونه، تدریجا با تغییر شکل معکوس با توجه به ناحیه بالایی، هندسه اولیه خود را به دست می اورد. ثابت بودن سطح مقطع نمونه ، امکان تکرار فرآیند تغییر شکل را فراهم می اورد که PSE را به یک کاندید جدید برای فرآوری(پردازش) SPD فلزات و الیاژها تبدیل میکند. کرنش موثر با استفاده از روش هندسی تخمین زده میشود. الیاژ الومینیوم AA1050 ؛ با استفاده از PSE ، تا دو پاس ، بمنظور تایید امکان پذیر بودن فراوری SPD با PSE، تغییر شکل می یابد.

1-مقدمه
در سالهای اخیر، فلزات نانوساختار و الیاژها، در جوامع دانشگاهی به دلیل خواص منحصر بفرد فیزیکی و مکانیکی‌شان، مورد توجه زیادی قرار گرفته اند [1-5]. در میان همه تکنیکهای تولید بالک مواد نانوساختار (BNM)، تغییر شکل شدید پلاستیک، قابلیتهای قابل توجهی را برای فلزات و الیاژهای مختلف، از خود نشان داده است [6-9]. تکنیکهایSPD مثل اکستروژن زاویه ای کانال برابر ،(ECAE) [10-12], ، پیچ خوردگی فشار بالا (HPT) [12-14]، اکستروژن پیچشی (TE) [15]، پیوند رول تجمعی (ARB) [16], شیار تکراری و صاف کردن (RCS) [17],، آهنگری چند جهتی (MDF) [18]، اکستروژن انبساطی چرخه ای (CEE) [19] و روش جدیدا توسعه یافته اکستروژن برش ساده (SSE) [20, 21] برای تولید BNM [22] در آلیاژها و فلزات مختلف، توسعه یافته اند [6-9].
علیرغم داشتن مشخصات تکنولوژیکی مختلف، این فرایندها معمولا جهت اهداف مشابهی برای تولید BNM , مورد استفاده قرار میگیرند، به هر حال، مُدهای تغییر شکل، از برش مطلق تا برش ساده و نیز از بارگذاری یک نواخت تا بارگذاری چرخه ای و متقاطع تغییر میکند. Segal [23] نشان داده است که حالت تغییر شکل، یعنی برش ساده و یا مطلق، میتواند موجب ایجاد تفاوتهای قابل توجهی در پاسخ ماده به اصلاح دانه شود. مشخص شده است که [23] کاربرد برش ساده ، یک گام کوتاه را در ارزیابی پیوسته، موقعیت یابی زود هنگام و بارگذاری متقاطع ایجاد نموده است که باعث اصلاح دانه میشود، در حالیکه برش خالص ممکن است نقش مشابهی را بازی نکند.
به هر حال، قابل ذکر است که فرآیندی که برای اعمال برش مطلق در مقاله [23] مورد استفاده قرارگرفت ، نورد بوده است که ظرفیت نگه داشتن سطح مقطع ماده را به صورت ثابت، فراهم نمیکند. بنابراین، عجیب نیست، که، مرحله طولانیِ تکامل پیوسته، مرزهای دانه با زاویه بالای مسطح و بارگذاری یکنواخت با کاهش موثر سطح مقطع ماده، در میان این یافته‌ها قرار دارند. همچنین باید افزود که نورد مربوط به کار اضافه‌ای است که باعث ایجاد تغییر شکل ناهمگن میشود، علاوه اینکه سطح مقطع را ثابت نگه نمیدارد و بنابراین، فرآیند مناسبی برای SPD نمیباشد. عدم حضور فرایند SPD که امکان بکار بردن تغییر شکل برشی مطلق همگن و بازگرداندن شکل اولیه نمونه را فراهم کند ، ان را به فرآیند مشکلی برای بررسی اثر مد تغییر شکل ، یعنی برش ساده و مطلق، روی تکامل میکروساختاری، تبدیل نموده است. مد تغییر شکل در اکثر فرایندهای بخوبی شناخته شده SPD، مثل ECAE, HPT, TE , SSE برش ساده میباشد یا به میزان بیشتر قابل توجهی تحت تسلط توسط برش ساده میباشد [23]. بقیه فرآیندهای SPD مثل ARB, RCS, MDF و CEE که بصورت کلی و یا جزیی در مد برش مطلق عمل نمیکنند، بر اساس فرآیندهای شکل دهی سنتی فلز مانند نورد، اکستروژن و یا آهنگری میباشند [16-19]. این فرایندها، ذاتا شامل کارهای اضافی هستند [24] که باعث تغییر شکل ناهمگن و در نتیجه باعث ایجاد ریز ساختار و خواص مکانیکی ناهمگن در سراسر نمونه فراوری شده میشوند. با توجه به دانش نویسنده، هیچ تکنیک SPD ای برای بکار بردن کرنش روی برش غیر ساده و یا در حالت تغییر شکل برش مطلق؛ بدون انجام کار اضافی وجود ندارد. جدیدا، اکستروژن برش مطلق (PSE) ، بعنوان یک تکنیک جدید SPD معرفی شده است [25]. در این مقاله، این فرایند کاملا بررسی شده است. فرآیند، امکان بکار بردن حالت تغییر شکل ترکیبی از برش مطلق و یا ساده ، بدون کار اضافی و ناهمگونی کرنش را تعریف کرده است. ادعا شده است که PSE فرآیند SPD تکی است که در ان ممکن است که بتوان تغییر شکلهای برشی ساده و مطلق ترکیبی را روی مواد بکار برد. فرایند معرفی شده در این مقاله ، امکان مقایسه عادلانه بین بازدهی اصلاح دانه با بکار بردن برش ساده و مطلق را فراهم میکند که میتواند در فعالیتهای مطالعاتی آینده مد نظر قرار گیرد. امکان تغییر شکل شدید مواد با نسبتهای مختلف از برش ساده و مطلق ممکن است منجر به کاربردهای منحصر بفرد برای این فرآیند شود.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

Pure shear extrusion (PSE) is introduced as a new severe plastic deformation (SPD) technique. The new SPD process provides the possibility of severely deform metals and alloys in a combined mode of pure and simple shear with the opportunity of changing the ratio of pure to simple shear. The process is fundamentally based on what in the literature known as pure shear, in which, a square deforms to a rhombic alongside its diagonals. The deformation zone in PSE process is composed of two sections, i.e., upper and lower deformation zones. In the upper deformation zone, an initial square cross section of a sample gradually changes shape to a rhombic while keeping a constant cross sectional area. The constancy of the cross sectional area certifies no velocity change and therefore, no strain in the direction perpendicular to the cross section of the sample leading to a plane-strain deformation. In the lower deformation zone, the sample gradually gains its initial geometry back by an inverse deformation regarding the upper zone. The constancy of cross section of the sample provides the possibility of repeating the deformation process which makes the PSE as a new candidate for SPD processing of metals and alloys. Effective strain is estimated using a geometrical approach. AA1050 aluminum alloy is deformed up to two passes using PSE in order to verify the feasibility of SPD processing by PSE.

1 Introduction In recent years, nanostructured metals and alloys have gained significant interest in academic research due to their unique physical and mechanical properties [1-5]. Among every production technique of bulk nanostructured materials (BNM), severe plastic deformation has shown remarkable capacities for in different metals and alloys [6-9]. SPD techniques, e.g., equal channel angular extrusion (ECAE) [10-12], high pressure torsion (HPT) [12-14], twist extrusion (TE) [15] accumulative roll bonding (ARB) [16], repetitive corrugation and straightening (RCS) [17], multi-directional forging (MDF) [18], cyclic expansion extrusion (CEE) [19] and recently developed simple shear extrusion (SSE) [20, 21] have been developed towards producing BNM [22] in different metals and alloys [6-9]. Despite of having different technological characteristics, these processes are normally used for similar purposes to produce BNM, however, the deformation modes rang from pure shear to simple shear and as well, from monotonic loading to cyclic and cross loading. It has been shown by Segal [23] that the deformation state, i.e., simple or pure shear, causes significant differences in the response of the material towards grain refinement. It is found [23] that application of simple shear provides a short stage of continuous evolution, early localization and cross loading resulting in a considerable grain refinement while pure shear may not play a similar role. However, it should be mentioned that the process which was used for applying pure shear in that study [23] was rolling which obviously does not provide the capacity of keeping the cross section of the material constant. Therefore, it is not surprising if a long stage of continuous evolution, planar high angle grain boundaries and monotonic loading with effective reduction of material cross section are among the findings. One may add that rolling is associated with redundant work which results in an inhomogeneous deformation in addition to not maintaining a constant cross section and therefore, may not be a most suitable process for SPD. The lack of the presence of a SPD process providing the possibility of applying homogeneous pure shear deformation and returning the initial shape of the sample has made it quite difficult for investigating the effect of deformation mode, i.e., simple and pure shear, on microstructural evolution. The deformation mode in most of the wellknown SPD processes, e.g., ECAE, HPT, TE and SSE, is simple shear or most significantly governed by simple shear [23]. The rest of SPD processes, e.g., ARB, RCS, MDF and CEE which act totally or partly in pure shear, are based on traditional metal forming processes such as rolling, extrusion and forging [16-19]. These processes are inherently involved with redundant work [24] which causes an inhomogeneous deformation and consequently a nonhomogeneous microstructure and mechanical properties throughout the processed sample. To the knowledge of the author, no SPD technique exists for applying strain in non-simple shear or in pure shear deformation state without redundant work.Recently, pure shear extrusion (PSE) is introduced as a new SPD technique [25]. In this article, the process is thoroughly investigated. The process defines the possibility of applying combined deformation state of pure and simple shear without redundant work and strain inhomogeneity. It is claimed that PSE is a single SPD process by which it is possible to apply a homogeneous combined pure and simple shear deformation on materials. The process introduced in this study provides the possibility of a fair comparison between the efficiency in grain refinement by applying simple and pure shear which may be the subject of study in future research activities. The possibility of severe deformation of materials with different ratios of pure and simple shear may result in unique applications for this process.

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده
گرافن، یک هیبرید sp2 تک لایه از اتم های کربن آرایش یافته در یک شبکه دو بعدی است که صنعت الکتریکی را به دلیل خصوصیات الکتریکی استثنایی اش، به خود جلب کرده است. یکی از امیدوارکننده ترین برنامه های کاربردی این ماده، بکار بردن آن در نانوکامپوزیت های پلیمر است که در آن رابط گرافن براساس مواد است و زنجیره های پلیمری که برای توسعه فناوری ترین دستگاهها، ادغام شده اند. این فصل، خصوصیات الکتریکی چنین گرافن هایی را که براساس نانوکامپوزیت های گرافن هستند را ارائه می دهد و همچنین اثر عوامل مختلف را بر هدایت الکتریکی آنها را مورد بحث قرار می دهد. گرافن قادر است که عایق را به یک انتقال دهنده رسانا که بارگذاری قابل توجه پایینی دارد توسط ایجاد مسیرهای تراوشی برای انتقال الکترون و ساخت پلیمرهای کامپوزیت که از نظر الکتریکی رسانا هستند، تبدیل کند. اثر شرایط پردازش، پراکندگی، تجمع، اصلاح و نسبت ابعاد گرافن بر هدایت الکتریکی نانوکمپوزیت های گرافن/پلیمر نیز مورد بررسی قرار گرفته اند.
کلمات کلیدی: هدایت، پرکولاسیون یا تراوش، اصلاح پرکننده Filler، کسر حجمی، ساخت
1.مقدمه
گرافن، یک ساختار تک اتمی ضخیم، دو بعدی از sp2باند شده به اتم های کربن است که زمینه ی تحقیقات بسیار زیادی را به علت خصوصیات الکتریکی، قدرت تقویت عالی، ویژگی های فیزیکی منحصر بفرد و خصوصیات مکانیکی بالا، به خود جلب کرده است. بنابراین تحقیقات اخیر، بر توسعه عملکرد بالا نانوکامپوزیت های پلیمر با بهره مندی از نانوتکنولوژی گرافن به منظور رسیدن به مواد کامپوزیت جدید برای طیف گسترده ای از زمینه های صنعتی متمرکز شده اند. گرافن بطور چشمگیری خصوصیات پلیمر ها براساس کامپوزیت ها را در بارگذاری بسیار پایین بهبود می بخشد و جذاب ترین ویژگی آن، هدایت سطحی بسیار بالایی است که منجر به تشکیل کامپوزیت های پلیمر رسانای متعددی می گردد. چنین نانوکامپوزیت های گرافن بطور گسترده ای در مواد آنتی استاتیک، حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، حسگرهای شیمیایی، صفحات دو قطبی برای سلولهای سوختی و غیره کاربرد دارند. دیگر برنامه های کاربردی ممکن شامل حفاظت از تداخل فرکانس رادیویی برای دستگاههای الکترونیکی و پراکندگی الکتروستاتیک می باشند(3-1).
کامپوزیت های گرافن با استفاده از روش های پردازش معمولی، می توانند به راحتی اجزای پیچیده ای را با حفظ عالی ساختار و خصوصیات بسازند. این امر برای استفاده کامل از خصوصیات مهم گرافن، اهمیت دارد. گرافن در مقایسه با نانولوله های کربن (CNTs), نسبت سطح به حجم بالاتری دارد که به علت عدم دسترسی سطح داخلی لوله CNT’s به مولکولهای پلیمر است. این باعث می شود که گرافن بطور بالقوه برای بهبود ویژگی های ماتریس های پلیمری مانند خصوصیات الکتریکی، مناسب تر و مطلوب تر باشد. بنابراین کامپوزیت های پلیمری که براساس گرافن هستند، مورد علاقه زمینه صنعتی و تحقیقات دانشگاهی هستند (3).
این فصل یک مرور کلی بر خصوصیات نانوکامپوزیت های پلیمری براساس گرافن را ارائه می دهد. شرح مختصری در مورد سنتز و خصوصیات گرافن نیز در این فصل گنجانده شده است. از آنجا که کتاب کنونی به کاربرد نانوکامپوزیت های گرافن در زمینه های مختلف الکترونیک قابل پوشش و انعطاف پذیر می پردازد، تصور می شود که این فصل، اهمیت بسیاری در هدایت الکتریکی پایه برای برنامه های کاربردی گرافن داشته باشد. پس از ارائه دادن یک طرح کلی در مورد خصوصیات الکتریکی کامپوزیت های پلیمر گرافن، عوامل مختلف موثر بر هدایت و رسانایی مانند نسبت ابعاد فیلر یا پرکننده، پراکندگی، اصلاح سطح گرافن و غیره نیز در اینجا مورد بحث قرار خواهند گرفت. پدیده آستانه نفوذ یا تراوش نیز به تصویر کشیده شده است و در نهایت این فصل با معرفی برخی از برنامه های کاربردی جدید به پایان می رسد.
2. سنتز (ساخت) و خصوصیات
2.1 سنتز گرافن
گرافیت در هر دو شکل منابع طبیعی و منابع سنتزی به مقدار زیاد در دسترس و موجود است و نسبتا ارزان قیمت است (4). مشتقات اصلی گرافیت شامل EG، اکسید گرافیت، نانوپلت های گرافن (GNP), اکسید گرافن (GO), اکسید گرافن کاهشی (RGO), و گرافن می باشند. از آنجا که ویژگی های الکترونیکی، فوتونیکی (نوری)، مکانیکی و حرارتی گرافن به تعداد لایه ها (گرافن های تک لایه (ML), دو لایه (BL), و سه لایه (TL) دارای اهمیت عملی هستند) و ساختار کریستالی آن بستگی دارد ، کنترل سنتز گرافن با لایه تعریف شده، نیز نسبتا قابل توجه است. روش پیلینیگ مکانیکی که با استفاده از آن گرافن برای اولین بار ساخته شد (6)، برای مقیاس های صنعتی تولید مورد استفاده قرار نگرفت. مشتقات GO و RGO معمولا از طریق اکسیداسیون بر پایه محلول و عمل کاهش با استفاده از روش های حرارتی و شیمیایی سنتز می شوند، درحالیکه لایه های گرافن با ویژگی های انتقال الکترون برتر، همیشه با استفاده از روش های خشک مانند رسوب بخار شیمیایی (CVD) و جداسازی سطح سنتز می شوند (13-6). اگرچه بیش از 95% گرافن ها بر فویل های مس رشد می کنند (5)، اما این رشد همبافته نیست و بنابراین رشد کامل بر روی تمام سوبسترا همچنان به عنوان یک چالش یاقی مانده است. ثابت شده است که سطح نیکل (Ni(III بهترین سوبسترا برای رشد همبافته گرافن های همگن از نظر ساختاری هستند که به دلیل عدم تطابق شبکه های کوچک این سطح با گرافن و گرافیت های پیرولیتی محوری می باشد (14). اما این روش به دلیل انحلال کربن در نیکل، زیان هایی دارد، و درنتیجه دستیابی به ضخامت در سراسر سوبسترا، مشکل است. اخیرا روش ساده جداسازی سطح (17-15) برای حل این مشکل و رشد همبافته گرافن بر روی فیلم نیکل (ضخامت تقریبا 100 نانومتر) معرفی شده است (18). اسپکتروسکوپی رامان و میکروسکوپی تونلی روبشی (STM) ، همگنی و یکنواختی لایه گرافن را بر تمام فیلم نیکل تایید می کنند (21-19).

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

Graphene, a monolayer of sp2 hybridized carbon atoms arranged in a two dimensional lattice has attracted electronic industrial interest due to its exceptional electrical properties. One of the most promising applications of this material is in polymer nanocomposites in which the interface of graphene based materials and polymer chains merge to develop the most technologically promising devices. This chapter presents the electrical properties of such graphene based polymer nanocomposites and also discusses the effect of various factors on their electrical conductivity. Graphene enables the insulator to conductor transition at significantly lower loading by providing percolated pathways for electron transfer and making the polymers composite electrically conductive. The effect of processing conditions, dispersion, aggregation, modification and aspect ratio of graphene on the electrical conductivity of the graphene/polymer nanocomposites is conferred.

Keywords Conductivity · Percolation · Filler modification · Volume fraction · Fabrication

1 Introduction

Graphene, a two-dimensional, single-atom-thick structure of sp2 bonded carbon atoms, has attracted tremendous research interest due to their excellent reinforcement, electrical properties, unique physical characteristics and high mechanical properties. Therefore, recent research has focused on developing high performance polymer nanocomposites, with the benefit of graphene nanotechnology, to achieve novel composite materials for a wide range of industrial fields. Graphene dramatically improves the properties of polymer based composites at a very low loading and its most fascinating property is the very high surface conductivity leading to the formation of numerous electrically conductive polymer composites. Such conducting graphene nanocomposites have been widely applied in anti-static materials, electromagnetic interference (EMI) shielding, chemical sensor, bipolar plates for fuel cells etc. Other possible applications include radio-frequency interference shielding for electronic devices and electrostatic dissipation [1–3]. By using conventional processing methods, graphene composites can be easily fabricated into intricately shaped components with excellent preservation of the structure and properties. This is very important to make full use of the outstanding properties of graphene. Compared with carbon nanotubes (CNTs), graphene has a higher surface-to-volume ratio because of the inaccessibility of the CNT’s inner tube surface to polymer molecules. This makes graphene potentially more favorable for improving the properties of polymer matrices, such as electrical properties. Therefore, graphene-based polymer composites have attracted both academic and industrial interest [3]. The present chapter gives an overview of the electrical properties of graphene based polymer nanocomposites. A brief description about the synthesis and characterization of graphene is also included in this chapter. Since the present book deals with the applications of graphene nanocomposites in various fields of flexible and wearable electronics, we think this chapter is of much significance as electrical conductivity is the basis for graphene’s such applications. After giving an outline about the electrical properties of graphene polymer composites, the various factors affecting the conductivity such as filler aspect ratio, dispersion, modification of graphene surfaces etc. are also discussed here. The phenomenon of percolation threshold is also well pictured and finally this chapter ends with a few applications.

2 Synthesis and Characterization

2.1 Synthesis of Graphene

Graphite is available in large quantities as in the form of both natural and synthetic sources and is rather inexpensive [4]. The main graphite derivatives include EG, graphite oxide, graphene nanoplatelets (GNP), graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (RGO), and graphene. Because the electronic, photonic, mechanical, and thermal properties of graphene depend on the number of layers [5] [although the monolayer (ML), bi-layer (BL), and tri-layer (TL) graphenes have practical significance] and its crystalline structure, the controlled synthesis of graphene with defined layers is rather significant. The mechanical peeling method by which graphene is first produced [6] is not used for an industrial scale of production. The GO and RGO derivatives are usually synthesized via solution-based oxidation and reduction by thermal and chemical methods, whereas graphene layers with superior electron transport characteristics are always synthesized using dry methods such as chemical vapor deposition (CVD) and surface segregation [6–13]. Although more than 95 % of graphene has been grown on Cu foil [5], this growth was not epitaxial, and thus complete growth over the entire substrate remains a major challenge. The surface of Ni(III) proved to be the best substrate for the epitaxial growth of structurally homogeneous graphene due to the small lattice mismatch of this surface with that of graphene and highly oriented pyrolytic graphite [14]. However, this method suffers from the disadvantage of carbon solubility in nickel, and thus achieving uniform thickness throughout the substrate is difficult. The simple method of surface segregation [15–17] was recently introduced to solve this problem and to epitaxially grow graphene over Ni film (~100 nm thick) [18]. Raman spectroscopy and scanning tunneling microscopy (STM) verified the homogeneity of the graphene layer over the entire Ni film [19–21].

پلیمریزاسیون مونومرهای مایع یونی در دمای اتاق با تابش پرتوی الکترونی با هدف ساخت ساختارهای میکروپلیمر/ نانوپلیمر سه بعدی

Polymerization of Room-Temperature Ionic Liquid Monomers by Electron Beam Irradiation with the Aim of Fabricating ThreeDimensional Micropolymer/Nanopolymer Structures

چکیده
چکیده:
روش جدیدی برای ساخت ساختارهای پلیمری با اندازه های میکرو ونانو از مایع یونی در دمای اتاق (RTIL) روی سوبسترای Si با تابش الگودار یک پرتوی الکترونی (EB) توسعه یافت. یک فشار بخار بی نهایت پائین RTIL، 1- آلیل-3- اتیل ایمیدازولیوم بیس (تری فلورومتان) سولفونیل آمید، امکان ورود به محفظه خلاء بالای تجهیزات پرتو الکترونی برای اجرای پلیمریزاسیون تحریک شده با تابش در منطقه نانو را فراهم می آورد. دراینجا ساختارهای میکرو/نانوپلیمری سه بعدی مختلفی (3D) با نسبت های دید بالای 5 با رزولوشن (وضوح و شفافیت) زیر 100nm تهیه کردیم. به علاوه، اثرات دوز تابش و جریان پرتو بر خصوصیات فیزیکی شیمیایی پلیمرهای ته نشین شده با ثبت طیف های FT-IR و مدول یانگ مورد پژوهش قرار گرفت. نکته جالب توجه اینکه اشکال کلی ساختارهای بدست آمده با استفاده از پرتو یونی متمرکز (FIB)، با اشکال تهیه شده در مطالعه اخیر تفاوت داشت حتی اگر نمونه ها به شیوه ای مشابه تابیده شده بودند. علت این امر می تواند انتقال متفاوت بین دونوع پرتو باشد که براساس محاسبات نظری خطوط سیر پرتو کوانتومی، راجع به آن بحث شد. ادراکات بدست آمده در این مطالعه روشهای تهیه و آماده سازی آسانی برای میکرو/ نانوساختارها فراهم می نمایند.
.
1. مقدمه
مایعات یونی در دمای اتاق (RTIL)، که نمک های مایع که فقط متشکل ازکاتیون ها و آنیون هاهستند، به خاطر خصوصیات فیزیکی شیمیایی منحصر به فردشان نظیر احتراق ناپذیری، رسانایی و هدایت یونی بالا، پایداری حرارتی بالا و پنجره الکتروشیمیایی، محققین زیادی را در رشته های مختلف جذب کرده اند. در میان این خصوصیات، فشار بخار ناچیز RTIL یکی از مهمترین ویژگیها در تحقیق اخیر با استفاده از RTIL تحت شرایط خلاء می باشد. گروه تحقیق چندین تکنولوژی جدید توسعه داد که به صورت تکنولوژی خلاء RTIL طبقه بندی می شوند. به طور مثال، یک تکنیک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) درجا برای پژوهش واکنش های الکتروشیمیایی در RTIL همزمان با قطبش الکترودها توسعه داده ایم. در سری پژوهشها، به این مسئله توجه کردیم که انواع خاصی از واکنش های شیمیایی، به عبارتی کاهش یونهای فلز، با تابش پرتو الکترون تحریک والقاء می شوند. یافته اول آن بود که ذرات طلا در یک RTIL تولید شدند که در طول مشاهده RTIL با SEM مشخص گردید که محتوی یونهای طلا بود. براساس این ادراکات، روشی کاملاً جدید برای ساخت ساختارهای پلیمری با اندازه میکرو/ نانو با ترسیم الگوهای اختیاری روی RTIL قابل پلیمر شدن، 1- آلیل-3- اتیل ایمیدازولیوم بیس (تری فلورومتان)- (سولفونیل) آمید ، طرح 1)، با ابزار پرتو یون متمرکز (FIB)، ارائه کرده ایم. در این تکنولوژی، در زمینه ساخت ساختارهای پلیمری میکروسکوپی سه بعدی مختلف (3D) موفق شدیم که ساخت آنها بااستفاده از تکنیک های FIB متداول سخت و دشوار است. ساخت ساختارهای سه بعدی پیچیده با مکانیسم شکل گیری متمایزی صورت گرفت که شبیه به مکانیسم چاپگرهای 3 بعدی می باشد. نکته کلیدی در این روش آن است که قطبش یا پلیمریزاسیون در سطح میانی یا واسط RTIL/ خلاء به وقوع پیوسته و اینکه سازماندهی مجدد هلال مایع سبب می شود موقعیت واکنش ساختار پلیمر در سطح بالاتری از ضخامت اصلی لایه RTIL قرار داشته باشد.

Abstract

A novel method for fabricating microsized and nanosized polymer structures from a room-temperature ionic liquid (RTIL) on a Si substrate was developed by the patterned irradiation of an electron beam (EB). An extremely low vapor pressure of the RTIL, 1-allyl-3-ethylimidazolium bis((trifluoromethane)sulfonyl)amide, allows it to be introduced into the high-vacuum chamber of an electron beam apparatus to conduct a radiation-induced polymerization in the nanoregion. We prepared various three-dimensional (3D) micro/nanopolymer structures having high aspect ratios of up to 5 with a resolution of sub-100 nm. In addition, the effects of the irradiation dose and beam current on the physicochemical properties of the deposited polymers were investigated by recording the FT-IR spectra and Young’s modulus. Interestingly, the overall shapes of the obtained structures were different from those prepared in our recent study using a focused ion beam (FIB) even if the samples were irradiated in a similar manner. This may be due to the different transmission between the two types of beams as discussed on the basis of the theoretical calculations of the quantum beam trajectories. Perceptions obtained in this study provide facile preparation procedures for the micro/ nanostructures.

1. Introduction

Room-temperature ionic liquids (RTILs), which are liquid salts consisting only of cations and anions, have fascinated many researchers in various fields because of their unique physicochemical properties such as incombustibility, high ionic conductivity, high thermal stability, and wide electrochemical window.1−7 Among these properties, the negligible vapor pressure of RTILs is one of the most important features in recent research using RTILs under vacuum conditions.8,9 Our research group developed several new technologies that can be categorized as RTIL-vacuum technology.10,11 For example, we have developed an in situ scanning electron microscopy (SEM) technique to investigate electrochemical reactions in RTIL concurrently with the polarization of electrodes.12,13 In a series of investigations, we further noticed that certain types of chemical reactions, i.e., the reduction of metal ions, are induced by electron beam irradiation.14,15 The first finding was that gold particles were produced in an RTIL that contained gold ions during the observation of the RTIL by SEM. On the basis of these perceptions, we have established a completely new method to fabricate micro/nanosized polymer structures by drawing arbitrary patterns on a polymerizable RTIL, 1-allyl-3-ethylimidazolium bis((trifluoromethane)- sulfonyl)amide ([AllylEtIm][Tf2N], Scheme 1), with a focused ion beam (FIB) instrument.16 In this technique, we succeeded in fabricating various three-dimensional (3D) microscopic polymer structures that are difficult to build using conventional FIB techniques. The fabrication of complicated 3D structures was achieved by a distinctive formation mechanism that resembles the mechanism of 3D printers. The key point in this method is that the polymerization takes place at the RTIL/ vacuum interface and that the reorganization of the liquid meniscus raises the reaction position for the polymer structure to grow higher than the original thickness of the RTIL layer.

پلیمریزاسیون مونومرهای مایع یونی در دمای اتاق با تابش پرتوی الکترونی با هدف ساخت ساختارهای میکروپلیمر/ نانوپلیمر سه بعدی

Polymerization of Room-Temperature Ionic Liquid Monomers by Electron Beam Irradiation with the Aim of Fabricating ThreeDimensional Micropolymer/Nanopolymer Structures

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

چکیده

1.مقدمه

2- نانوذرات ایستا

2-1 ممبران ها و مت ها

2- 3 ساختار های سه بعدی متخلخل

4- نتیجه گیری و مطالعات آینده

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

 مقدمه
آلودگی آب، یکی از مسائل مهم بین المللی است که ناشی از فرایند های صنعتی ، مصارف خانگی و نیز زیست محیطی است. سازمان ملل براورد کرده است که 300 تا 500 میلیون تن فلزات سنگین، حلال و سایر پسماند ها به منابع آب دنیا هر ساله وارد می شوند(1). آلودگی آب می تواند منشا طبیعی داشته باشد. برای مثال، آلودگی ارسنیک یک مسئله جدی در کشور هایی نظیر بنگلادش، بنگال غربی و نپال به دلیل هوازدگی سنک هایی است که به طور طبیعی دارای آرسنیک هستند(2-6). به علاوه، با رشد حمعیت جهان، فشار وارده بر منابع آبی نیز تشدید می شود.
در طی دهه اخیر، فناوری نانو به طور روز افزونی به صورت یک جایگزین بالقوه برای روش های درمانی سنتی و عوامل واکنشی برای ارایه آب سالم با هزینه پایین تبدیل شده است ضمن این که به طور هم زمان استاندارد های کیفیت جهانی آب را نیز رعایت می کند(7). با این حال،تعاریف دقیق مربوط به مواد مقیاس نانو و نانومقیاس به شدت مورد بحث هستند.
در سال 2010، مرکز تحقیقات مشترک کمیسیون اروپا(JCR) یک گزارشی را منتشر کرده است که تعاریف بین المللی را ارایه کرده است(8). در بریتا نیا، دو تعریف برای اصطلاح نانومقیاس گزارش شده است. وزارت محیط زیست، امور روستایی و غذا(DEFRA) به صورت 200 نانومتر تعریف شده است، در حالی که سایر سازمان ها 100 نانومتر را در نظر گرفته اند. بر اساس توصیه های ارایه شده توسط JCR، در اکتبر 2011، کمیسیون اروپا تعریف زیر را از نانومواد برای اهداف قانونی پذیرفته است(9)
یک ماده طبیعی، تصادفی یا تولید شده حاوی ذرات در حالت محدود و یا حالت ترکیبی در نظرگرفته شده و 50 درصد ذرات در توزیع اندازه دارای ابعاد متناسب با 1 تا 100 نانومتر است.
نانومواد به دلیل اندازه بسیار کوچک خود، ویژگی های مختلف فیزیکی، شیمیایی و زیستی را در مقایسه با انواع بزرک تر، میکرو و بزرگ مقیاس نشان داده اند(8، 10-13). نانو مواد دارای نسبت سطح به حجم بوده و در نتیجه تراکم بالایی از مناطق وکنش سطحی به ازای واحد وزنی وجود دارد. به علاوه، انرزی آزاد سطحی برای نانو مواد بزرگ تر از مواد میکرو و ماکرو مقیاس است. از این روی نانومواد، واکنش پذیری بالایی را برای فرایند های سطحی نشان می دهد. با این حال، چون اندازه ذره به مسیر الکترونی نزدیک می شود و در مقیاس طول موج است( پایین تر از 30 نانومتر)، اثرات اندازه کوانتوم مشخص تر شده و ویژگی های فیزیکی اساسی، به طور معنی داری تغییر می کنند. ااین اثرات موجب خنثی سازی واکنش پذیری بالا می شود که توسط شارما و همکاران با یک سری مطالعات در خصوص ویژگی های نانومواد اثبات شده است.
وقتی که نانومواد در چارچوب دامنه با اندازه بهینه قرار گیرد، آن ها به عنوان یک چایگزین مناسب و کارامد تر برای مواد فعلی مورد استفاده برای تصفیه آب است(7). یک فناوری نو ظهور وتجاری در امریکا، تزریق نانوذرات NP است(10 ، 15-18). NP ها که معمولا نانوذرات آهن صفر ظرفیتی (INP) می باشند، به یک زمین به صورت یک پودر خشک و یا دو غاب برای تصفیه مستقیم آب تزریق می شوند. نانوذرات را می توان به طور مستقیم تثبیت کرده و آن را به یک مانع واکنشی تراوا زیر زمینی PRB تبدیل کرد و یا آن را منتشر کرد به طوری که نانوذرات بتواند با توده آب آلوده مهاجرت کنند. (ش کل 1)
با این حال این روش دارای معایبی در استفاده از NP های آزاد برای تصفیه می باشند و این که رفتار نانوذرات به خوبی درک نشده است. این مسئله به خوبی شناخته شده است که انتشار NP در سیستم آب زیر زمینی با فرایند های مختلف محدود می شود: جذب مواد معدنی، فعالیت میکرو بیولوژیکی، توده ای شدن و تشکیل محصولات خوردگی( 10، 13، 1824). INP ها به طور ویژه ای به دلیل خواص مغناطیسی قوی (21،22) علاوه بر جاذبه های الکترو استاتیک NP-NP که به طور موثری در محلول های ذره ای غلیظ عمل می کنند، در معرض رسوب گذاری قرار می گیرد( دوغاب ها). مطالعات مختلف در منابع روش هایی را برای اجتناب از این مسائل با استفاده از NP ارایه کرده اند که در شکل 2 نشان داده شده است.
سورفکتانت [10،18،26-32] یا پلیمرها [22،33-62] را می توان به سطوح نانوذرات برای افزایش بازدارندگی استری و تغییر بار سطحی برای پیش گیری از جاذبه الکترواستایتک افزود. نانوذرات را می توان در سایر ساختار های سیار نظیر اشکال کربن(63-78)، سیلیس(79-89) و رس های کلوییدی(88) قرار داد. با این حال، سازو کار ها و مکانیسم های انتقال و تاخیر واقع در زیر زمین، برای هر یک از سناریو های تصفیه ای منحصر به فرد است و با چندین عامل متغیر همراه است. از جمله ترکیب خاک، سرعت های جریان، تعادل اسیدیته و EH و جوامع باکتری. پیش بینی این متغیر ها سخت است و نیازمند استفاده از NP برای هر یک از شرایط می باشد . تغییرات در آب زیر زمینی می تواند موجب جذب الاینده ها به سطح نانوذرات شود و به این ترتیب با در نظر گرفتن سختی حذف نانوذرات از زمین، این مسئله نیز باید مورد توجه قرار گیرد. به علاوه، اطلاعات نسبتا کمی در خصوص اثرات سم بلند مدت NP در محیط وجود دارد. این ویژگی های کیفی موجب می شوند تا آن ها برای موجوداات زنده مضر باشد. اگر نانوذرات سمی باشند، آنگاه بایستی از NP های پاک سازی شده استفاده کرد.
از آن جا که روش های تصفیه بایستی دارای عوامل واکنش غیر سمی باشند، تا مکانیسم های حذف بلند مدت و پایدار را ارایه کنند، با این حال معایب آن باعث شده است تا استفاده از این فناوری مشکل شود. از این روی، اگرچه هیچ گونه استدلال برای سمیت وجود دارد، بریتانیا در حال استفاده از رویکرد هایی برای معرفی NP مهندسی شده در محیط است. این عمل از گزارش های جامعه پادشاهی و آکادمی پادشاهی مهندسی و CL:AIRE برای وزارت محیط زیست، غذا و امور روستایی(2011) تبعیت می کند. هر دو گزارش نشان دهنده نیاز به تحقیقات اساسی در زمینه رفتار NP و نانو توکسیکولوژی در سیستم های محیطی زیر زمینی است.
به منظور اجتماب از محدودیت های مطرح شده، توسعه یک روش تصفیه ای برای استفاده از فعالیت نانوذرات ضمن اجتناب از آزاد سازی NP در محیط ، می تواند بسیار سود مند باشد. یک مسیر و شیوه احتمالی، توسعه یک نانوکامپوزیت است که به صورت زیر تعریف می شود:
یک ماده چند فازی که در آن حداقل یکی از فاز های تشکیل دهنده دارای یک بعد کم تر از 100 نانومتر است.
تحقیقات اخیر تغییراتی را در نانوکامپوزیت های مختلف ارایه کرده اند، که در آن به طور کلی نانوذرات با مواد میکرو و ماکرو ترکیب می شوند. در این آرایش، واکنش پذیری نانو نشان داده شده و با ویژگی های مواد همراه مکمل است.
این مقاله به بررسی نانوکامپوزیت های حاوی اکسید آهن و آهن مورد استفاده در سیستم های تصفیه آب ساکن می پردازد که شامل موانع واکنشی تراوا، سیستم های راکتور بچ و فیلتر های نقطه ای است. این سیستم ها بایستی از مسائل مربوط به انتشار NP کنترل نشده اجتناب شود و از این روی جاذب ها بایستی در چارچوب یک ساختار پایدار باشد. نانوذرات آهن و آهن اکسید ، از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا آهن در روش های تصفیه ای به مدت زمان طولانی استفاده شده است و به نانوذرات به طور کامل برای اهداف تصفیه ای استفاده شده است. از همه مهم تر این که آن ها موجب تصفیه طیف وسیعی از آلاینده ها از فلزات سنکین از طریق جذب تا تجزیه حلال های کلر از طریق کاهش شیمیایی می شود.
اگرچه این نوع فناوری بسیار مفید به نظر می رسد ولی این مقاله به بررسی زمیته های تحقیق و توسعه ای می پردازد که نیازمند پیشرفت بیشتری است به خصوص اگر نانوکامپوزیت ها به عنوان یک فناوری پاک کننده آب واقعی در نظر گرفته شوند. یکی از مسائل مهم در این مقاله این است که هیچ گونه پیوستگی در ازمایش عملکرد برای نانوکامپوزیت های توسعه یافته توسط گروه های مختلف وجود ندارد. به این ترتیب مقایسه محصولات و تصمیم گیری برای تامین سرمایه و توسعه لازم است.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Water contamination is a major international problem caused by industrial, domestic and environmental infl uences. The United Nations estimates that 300–500 million tons of heavy metals, solvents and other waste are released into the world’s water supplies each year as a harmful by-product of industrial activity. [ 1 ] Water contamination can also be naturally derived. For example, arsenic contamination is a serious issue in countries such as Bangladesh, West Bengal (India) and Nepal due to the weathering of rocks that naturally contain arsenic. [ 2–6 ] Furthermore, as global populations continue to grow the human pressure exerted on our water supplies is expected to intensify with potentially greater likelihood of pollution. Over the past decade nano-technology has been increasingly investigated as a potential replacement for traditional treatment methods and reactive agents in order to deliver clean water at a reduced cost whilst simultaneously meeting increasingly stringent water quality standards. [ 7 ] However, the exact defi nitions of ‘nano-scale’ and ‘nano-material’ are still subjects of controversy. In 2010, the Joint Research Centre (JCR) of the European Commission published a report highlighting the international range of defi nitions. [ 8 ] Just within the UK two defi nitions were found for the term nano-scale; the UK Department for Environment, Food and Rural Affairs (DEFRA) defi ned it as 200 nm, whilst other organizations used 100 nm. Following recommendations made by the JCR, in October 2011 the European Commission adopted the following defi nition of ‘nano-material’ for regulatory purposes; [ 9 ] A natural, incidental or manufactured material containing particles, in an unbound state or as an aggregate or as an agglomerate and where, for 50% or more of the particles in the number size distribution, one or more external dimensions are in the size range 1 nm – 100 nm. Due to their miniscule size, nano-materials exhibit different physical, chemical and biological characteristics when compared to their larger, micro- and macro-scale counterparts (<100 nm). [ 8,10–13 ] The nano-materials have a larger surface area to volume ratio and consequently a higher density of surface reaction sites per unit mass. Furthermore, surface free-energy is observed to be greater for nano-materials than for micro- or macro-scale counterparts. Nano-materials, therefore, display a higher reactivity for surface mediated processes. However, as the particle size approaches the electron mean-free path and wavelength scales (below approximately 30 nm), quantum size effects become apparent and fundamental physical characteristics are signifi cantly changed again. These effects can counteract the increased reactivity as demonstrated by Sharma et al., [ 14 ] with many further comprehensive studies of properties specifi c to nano-materials readily found in literature. When within the optimum size range, nano-materials potentially represent a more effi cient alternative to current materials used for water treatment. [ 7 ] A rapidly emerging technology already achieving commercial use in America is nano-particle (NP) injection. [ 10,15–18 ] The NPs, usually zero valent iron nanoparticles (INPs), are injected into the ground as a dry powder or slurry to directly treat contaminated groundwater. The NPs can be either deliberately immobilized, and hence perform as a deep underground permeable reactive barrier (PRB), or mobilized, allowing the NPs to migrate with the contaminated plume of water ( Figure 1 ). This technique, however, highlights multiple disadvantages of using ‘free’ NPs for remediation including the important fact that NP behavior is still not fully understood. It is well recognized that the dispersion of NPs through a groundwater system will be limited by multiple processes; mineral sorption, microbiological activity, aggregation and formation of voluminous corrosion products. [ 10,13,18–24 ] INPs are particularly prone to aggregation and sedimentation because of their strong magnetic properties [ 21,25 ] in addition to electrostatic NP-NP attractions which operate most effectively in concentrated particle suspensions (i.e. slurries). Multiple studies in the literature have developed methods for avoiding these problems by adapting the NPs themselves, as illustrated in Figure 2 , to limit or negate inter-particle attractions. Surfactants [ 10,18,26–32 ] or polymers [ 22,33–62 ] can be added to the NP surfaces to encourage steric hindrance and alter the surface charge to prevent electrostatic attraction. The NPs can also be incorporated into other mobile structures such as carbon forms, [ 63–78 ] silica [ 79–87 ] and colloidal clays. [ 88–93 ] However, the exact transport and retardation mechanisms occurring within the ground are unique to each treatment scenario and dictated by multiple factors that can vary over time, including soil composition, fl ow rates, pH and Eh balance and bacterial communities. These variables are diffi cult to predict and would require unique tailoring of the NPs for each situation. Changes in the groundwater system (natural or otherwise) may also cause contaminants adsorbed to the surface of NPs to become remobilized and surface adaptations to be reversed or become redundant – consequences that become inevitable when considering the operational diffi culty of removing the NPs from the ground. Furthermore, there is relatively little known about the long-term ecotoxicological effects of freely dispersed NPs in the environment [ 49,94–101 ] – the same properties that provide the remediative qualities could also make them hazardous for living organisms. If, in the future, NPs themselves are proven as an unacceptable toxic risk then contractors that have deployed NPs via injection may subsequently become liable for NP clean-up. As remediation methods need to have non-toxic reaction agents providing long term and stable removal mechanisms, the disadvantages highlighted make it diffi cult to establish whether this technology, as it currently exists, can be safely applied. Hence, although there is currently no argument for or against toxicity, the UK is taking a precautionary approach for introducing engineered NPs into the environment. This action follows reports by the Royal Society and Royal Academy of Engineering (2004) [ 99 ] and CL:AIRE (Contaminated Land: Applications in Real Environments), for the UK Department for Environment, Food and Rural A airs (2011). [ 96 ] Both reports highlight the need for more fundamental research into nanotoxicology and NP behavior in subsurface environmental systems. To avoid the limitations outlined it would be highly advantageous to develop a remediation method that utilizes the reactivity of NPs whilst avoiding the release of free NPs into the environment. One possible route is to develop a ‘nano-composite’, a product defi ned as; [ 102 ] A multiphase material where at least one of the constituent phases has one dimension less than 100 nm. Recent research has spawned a multitude of different permutations of nano-composite, where generally the NPs are combined with a micro- or macro-scale support material. In this arrangement the nano-reactivity is still exhibited and complemented by the properties of the accompanying material. The current article provides a review of emerging iron and iron oxide containing nano-composites that can be used in static water treatment systems, including permeable reactive barriers, batch reactor systems and point-of-use fi lters. These systems should avoid the problems associated with uncontrolled NP dispersions by holding them, and sorbed contaminants, securely within a stable structure. Iron and iron oxide NPs [ 103 ] are of particular interest because bulk iron has been used in treatment methods for many years and, as a miniscule derivative, INPs have been thoroughly studied for remediation purposes (see Crane and Scott (2012), [ 10 ] Zhang [ 104 ] and all references therein), although primarily for synthetic laboratory solutions. Most signifi cantly, they have been shown to remediate an impressive range of contaminants, [ 105 ] from heavy metals via adsorption [ 2–6,106–114 ] to the degradation of chlorinated solvents via chemical reduction, [ 115–121 ] and at much greater rates than bulk iron. Although this type of technology looks promising, this review will also highlight areas for research and development that require further improvement if nano-composites are to be a viable realistic water clean-up technology. One major issue that becomes apparent within this article is that there is little to no consistency in performance testing for nano-composites developed by different groups. This makes it very diffi cult to compare products and decide which are the most promising for further funding and upscaling.