Study of the Effect on the Structural Properties of Polyvinyl Alcohol (PVA) Thin Films Doped with Aqueous Zinc Acetate after Exposing them to X-Rays and then to a CO2 Laser Beam and Vice Versa.

Kadhim, Abeer; Mohammed, Khalil Ibrahim

doi:10.32894/kujss.2022.131389.1045

Journals List

Study of the Effect on the Structural Properties of Polyvinyl Alcohol (PVA) Thin Films Doped with Aqueous Zinc Acetate after Exposing them to X-Rays and then to a CO2 Laser Beam and Vice Versa.

Kirkuk Journal of Science

Article 4, Volume 17, Issue 3, 2022, Pages 39-44 PDF (573.07 K)

Document Type: Research Paper

DOI: 10.32894/kujss.2022.131389.1045

Authors

Abeer Kadhim^* ¹; Khalil Ibrahim Mohammed²

¹Physics Department, Collage of Science, University of Kirkuk, Kirkuk, Iraq.

²Physics Department, College of education-Hawija, Kirkuk University, Kirkuk, Iraq.

Abstract

the study of the structural properties of the prepared films The to study the effect of each of the irradiation with a CO2 And a beam of X-rays, as well as the effect of the doping process on the thin films of a (PVA) doped with aqueous zinc acetate. By 5%, the casting method was used to make it into a thin film It is deposited on 25.4 * 12.5 nm, and its thickness is approximately 380.42 nm. Then the samples were divided into two parts, the first exposed to a CO2 laser beam at a constant energy of 10 Watt and (3,6,9,12 sec), then it was exposed to X-rays for 1.5 h. And fixing the voltage of the X-ray f (5KV). The second section of the samples were exposed to X-rays for different periods of time (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 h) with a voltage of (5 KV). Then, t exposed to a (CO2) laser with a energy of 10 Watt and a fixed exposure time of 10 sec. The effect of irradiation in both cases studied on the optical and structural properties. The results of (XRD) that the mixture (PVA + Zn) showed that the crystalline nature is amorphous. For the purpose of studying the topography of the surfaces, the results of (AFM) showed a decrease in the particle size after irradiation of the mixture, and it was found that the effect of irradiation is more responsive in the case of (Laser + X-Ray)than of (X-Ray + laser).

Keywords

Poly Vinyl Alcohol (PVA); Hydrated Zinc Acetate; X-Ray; CO2 laser

Full Text

1. المقدمة:
استجابة للرغبة فی تقلیل التأثیرات البیئیة مع الطلب المتزاید للمواد الداخلة فی تصنیع احتیاجاتنا الیومیة من خلال التحکم فی الصفات والخصائص البصریة والمیکانیکیة والکهربائیة لبعض المواد ومنها البولیمرات عن طریق إضافة التشویب الیها ومعاملتها ببعض المعاملات الخاصة التی تُدخل التحسینات اللازمة ومثال ذلک الأغشیة المصنعة من بولی فینال الکحول لغرض الدراسة والتطویر [1]، مثل إضافة بعض المرکبات الکیمیاویة او المزج بین البولیمرات بهدف الحصول على الخصائص المطلوبة .[2] Polyvinyl Alcohol (PVA) مادة على شکل مسحوق عاجی عدیم الطعم ومتوافقة حیویاً، قابله للتفسخ، غیر سامه فی الطبیعة، یمکن ان یخلط بالمواد الکیمیاویة الأخرى بسهوله، ملائم لتصنیع اغلفة الأطعمة کونه ماص جید للماء وتکون الاغلفة المصنوعة منه صدیقة للبیئة ومقاوم لبعض المواد الکیمیائیة وبعض الغازات [3].
هو أحد البولیمرات الشفافة، ویذوب ببطء فی الماء عند درجات الحرارة الواطئة ولکن تصبح لدیه قابلیة ذوبان عالیة مع درجات الحرارة العالیة، وهو مادة مقاومة للمذیبات والدهون، ویتمتع البولیمر بعزل جید وله القابلیة على خزن الشحنات الاستاتیکیة [4]. تتکون البولیمرات من مرکبات کیمیائیة ضخمة تتألف بدورها من وحدات بنائیة حیث تترکب البولیمرات من جزیئات عضویة وهذه الجزیئات تنبنی عند تکرار الوحدات الصغیرة لتحتوی السلاسل الکبیرة جداً من البولیمرات على مجموعة کبیرة من هذه الوحدات المکررة، یمکن مزج (PVA) مع مواد ذات وزن جزیئی منخفض او مرتفع لتتکیف ویمکن استخدامها فی جمیع التطبیقات، وازدادت أهمیتها عندما أصبحت تستخدم بشکل متزاید فی حفظ ونقل الادویة کونها یمکن التحکم بشکل کبیر فیها بالسطح والحجم .[5]
تعتبر المواد البولیمیریة من المواد المهمة والتی تمثل مایشبه الفاصل بین المواد البلوریة وغیر البلوریة، وکذلک فصل المرکبات الموجودة فی الخلیط أذا کانت تعتبر مواد صلبة حقیقة یمکن وجودها فی نفس الوقت مثل المخالیط (mixtures) وکذلک المتراکبات(composites)، لذلک تعتبر البولیمرات من المواد المنافسة مع المواد التقلیدیة الأخرى.
أن استعمال أکثر البولیمرات کان مقتصراً على وتصنیع بعض المنتجات المحددة وتکون رخیصة الثَمن ذات استخدامات بسیطة، مع التقدم والتطور السریع تم استبدال بعض هذه المواد مع مواد أخرى لدیها مواصفات أحسْنَ منها کما هو الحَال عند تبدیل الألمنیوَم وکذلک الحدید بالمواد الاخرى المصنوعة من البولیمرات لکی تتحمل الإجهاد العالی والحرارة العالیة، یسعى العلماء والمختصین فی الوقت الحالی لإنتاج مواد بولیمیریة تصلح لاستخدامها فی المجالات المختلفة. وتعتبر اللدائَن من القطاعات المهمة جداً فی مختلف الصناعات الکیمیائیة حیث تمتاز بالصلابة ورخص الثمن والقابلیة على تشکیلها لأِدراجها فی الکثیر من الصناعات مثل صناعة الأدوات المنزلیة وأیضا العوازل الکَهربائیة وکذلک صناعة الطائرات والسیارات. أیضا تدخل البولیمرات فی صناعة الأقمار الصناعیة بشکل مهم وفی أبحاث الفضّاء حیث تدخل فی صناعة الدوائر الکهربائیة وکذلک الأغلفة للهوائیات وأیضا العلب للأجهزة الدقیقة وللحواجز الحراریة [6].
استعملت فی عملیة تشویب البولیمر مادة خلات الزنک المائیة وصیغتها الکیمیائیة (Zn(CH3CO2)2H2O)، وهی عبارة عن مسحوق ابیض سریع الذوبان فی الماء یمکن ان تذوب بالماء فی درجة حرارة الغرفة یتم تحضیرها من أوکسید الخارصین ZnO عن طریق اذابته اسیتات الزنک باستخدام مقدار معین من محلول کحول الایثانول واستخدام مادة Diethanol Amin (DEA) التی تعتبر مادة مثبته وتعمل على زیادة تجانس المحلول کما وتساهم فی زیادة تثبیته على القواعد الزجاجیة لاحقاً [7].
الهدف من عملیة تشویب البولیمر لغرض تحسین بعض الخصائص الترکیبیة والبصریة کما یمکن التحکم بمقدار التوصیلیة الکهربائیة من خلال نسبة ونوع التشویب [8,9]. أن التشعیع بحزمة أشعة اللیزر یؤدی الى حدوث تغییرات فی الخصائص الترکیبیة والبصریة والحرارة للبولیمرات بصورة عامة [10]. کما أن التشعیع بالأشعة السینیة (x-ray) یؤدی الى حصول تغییرات فی بعض الخواص ولکن بنسبة اقل من تأثیر حزمة اشعة اللیزر .[11]
ویهدف البحث الى معرفة مدى تأثیر الاشعة السینیة ولیزر ثانی أوکسید الکاربون وعملیة التشویب فی البولیمر المشوب (PVA+ZN) فی حالة التشعیع باللیزر تعقبها الاشعة السینیة أو فی حالة تشعیع بالأشعة السینیة وبعدها باللیزر.

2. الجزء العملی:
فی هذا البحث تم تحضیر الأغشیة الرقیقة لخلیط من مادة بولی فینایل الکحول المشوبة بمادة خلات الزنک المائیة وتم تحضیر المحلول بطریقة الصب (Casting Method) لکونها سهلة التحضیر ولاتحتاج الى تقنیات متقدمة وسهولة التحضیر بالإضافة الى النتائج التی یتم الحصول علیها مقارنته بالطرق الأخرى، لقد حضرت النماذج على شکل أغشیة رقیقة وبترکیزgm/ml ( 5%)، وذلک عن طریق أذابة0.2 gm من مادة خلات الزنک المائیة فی 20 ml من الماء المقطر و بدرجة حرارة (60 C^o) ولمدة min 30 أی نصف ساعة مع استخدام4 gm من مادة بولی فینایل الکحول فی 40 ml من الماء المقطر ولمدة 150min عند نفس درجة الحرارة وذلک باستخدام الخلاط المغناطیسی ( magnetic stirrer) وبعدها تمت خلط المحالیل مع بعضها کل من مادة خلات الزنک المائیة ومادة بولی فینایل الکحول ولمدة 60min وبدرجة حرارة 60 C^o وکانت قیمة (PH≈6)، وصُب الخلیط على شرائح زجاجیة، وتم تعریض جزء من العینات الى اشعة لیزر ثانی أوکسید الکاربون (CO₂) وبطاقة مقدارها (10W) و حسب الأزمنة sec (3, 6, 9, 12) وبعدها تمت تعریض نفس العینات الى الاشعة السینیة لمدة h 1.5 وبجهد (5kv) اما فی حال المجموعة الثانیة فقد تم تعریض العینات الى الاشعة السینیة حسب الازمنة (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5)h وبجهد (5kV) وبعدها تم تعریض نفس العینات الى شعاع اللیزر لمدة 10 sec وبطاقة (10W)، ولقیاس ومعرفة مدى التغیرات التی طرأت على الخصائص الترکیبیة فقد تم استخدام جهاز حیود الاشعة السینیة (XRD) وأیضا جهاز مجهر القوة الذریة (AFM) لدراسة مدى التأثیر وتشخیص الفروقات التی حصلت فی ترکیب الاغشیة بین المجموعتین.

3. النتائج والمناقشة:
3.1نتائج الفحوصات باستخدام حیود الاشعة السینیة XRD :
تم التعرف على طبیعة الترکیب البلوری لمتراکبات بولی فینایل الکحول المشوبة بخلات الزنک المائیة (PVA /Zn) وبترکیز 5% من خلال دراسة نمط حیود الأشعة السینیة ومعرفة مواقع القمم (Peaks) التی تُظهر عند فحص الاغشیة الرقیقة بفحص XRD الشکل 1 یبین نتائج الفحص بالأشعة السینیة ویتبین من خلاله ان الطبیعة الترکیبیة لمتراکبات الخلیط غیر بلوریة (Amorphous) وهذا یتفق مع الباحثین [12] [13] [14].

شکل:1 نتائج حیود الأشعة السینیة لبولی فینایل الکحول المشوبة بخلات الزنک المائیة (PVA /Zn)

أظهرت نتائج تشعیع مرکب بولی فینایل الکحول المشوب بخلات الزنک المائیة بلیزر ثنائی أوکسید الکاربون (CO₂) فقد بینت نتائج الفحص عند التشعیع بـ(3sec) ظهرت أعظم شدة عند موقع (2θ=20.183) أما عند التشعیع لفترة (6sec) ظهرت أعظم شدة عند (2θ=20.003) وعند زیادة زمن التشعیع الى (9sec) ظهرت أعظم شدة عند (2θ=19.896) وعند تشعیع (12sec) فان اعظم شدة ظهرت عند (2θ=19.881) حیث تبین بأن الشدة تزداد کلما زاد زمن التشعیع وکما یمکننا التحکم بدرجة التبلور بزیادة زمن التشعیع لکونه یزید من الارتباط والتشابک بین سلاسل المرکبات البولیمیریة [15]. کما تبین أن أعظم عرض منتصف القمة (FWHM) هی (deg 0.918) وکما موضح فی الجدول 1، حیث تمثل (d) المسافة البینیة بین کل مستویین متتالین.

جدول :1 نتائج حیود الاشعة السینیة قبل التشعیع وبعد تشعیعه باللیزر.

FWHM (deg)	d(A^°)	2 θ(deg)	PVA+ZN
0.596	4.3961	20,183	Before irradiation
0.711	4.4353	20.003	3sec
0.913	4.416	20,091	6sec
0.918	4.4589	19.896	9sec
0.805	4.4621	19.881	12sec

اما فی حالة تشعیع بالأشعة السینیة لمرکب بولی فینایل الکحول المشوب بخلات الزنک المائیة فقد أظهرت نتائج فحوصات حیود الاشعة السینیة بأنه عند التشعیع لمدة (h0.5) فأن عند أعظم شدة ستکون (2θ=19.696) أما عند تشعیع الى (h1.5) فان أعظم شدة عند (2θ=19.902) وعندما نزید التشعیع الى (2h) فان أعظم شدة عند ((2θ=20.018 أما عند التشعیع لمدة (h2.5) فان أعظم شدة عند (2θ=20.101) وتبینت أن الشدة تزداد مع زیادة زمن التشعیع بأشعة السینیة وأن أعظم شدة کانت عندما کان الزمن (h2.5). الجدول 2 یوضح حیود الاشعة السینیة قبل التشعیع وبعد التشعیع بالأشعة السینیة وهذا مقارب لما توصل له الباحث [16].

جدول :2حیود الاشعة السینیة قبل التشعیع وبعد التشعیع بالأشعة السینیة.

FWHM(deg)	d(°A)	2θ(deg)	PVA+Zn
0.596	4.3961	20.183	Before irradiation
0.991	4.5036	19.696	0.5h
0.97	4.4576	19.902	1.5h
0.314	3.12.7	20.018	2h
0.185	4.4138	20.101	2.5h

شکل 2: حیود الأشعة السینیة قبل التشعیع وبعد التشعیع بالأشعة السینیة.

الشکل (2) یوضح حیود الاشعة السینیة قبل التشعیع وبعد التشعیع بالأشعة السینیة. وتبین أن أعظم عرض منتصف القمة (FWHM) هی (deg 0.991).

3.2 نتائج الفحوصات باستخدام مجهر القوة الذریة (AFM) :
لغرض دراسة طبوغرافیة السطوح للأغشیة الرقیقة حیت تم استخدام مجهر القوة الذریة وذلک لأمکانیته فی تحلیل السطوح للأغشیة وتصویرها ولقد تمت دراسة هذا الفحص للمرکب (PVA+Zn) قبل التشعیع الشکل 3.

شکل 3: نتائج فحص (AFM) للمرکب (PVA+Zn) قبل التشعیع.

بعد تشعیع باللیزر ثنائی أوکسید الکاربون لمدة (sec 9) تبین أن التشعیع أدى الى نقصان فی معدل الحجم الحبیبی ویعزى ذلک الى أن أشعة اللیزر تعمل على عدم الالتحام الذرات فیما بینها وذلک نتیجة لتکوین حالة توتر بین الحدود [17]وأیضا النقصان فی قیمة خشونة السطح، ونقصان فی معدل الجذر التربیعی (الذی یمثل مربع الارتفاع والانخفاض للحبیبات على حاصل الجمع لها تحت الجذر التربیعی) وکما موضح فی جدول 3 وذلک لأن التشعیع باللیزر ساعد على التجانس للنمو البلوری لسطوح الأغشیة المشععة، الشکل 4.
أما فی حالة التشعیع بالأشعة السینیة ولمدة (1.5h) أدت الى نقصان الحجم الحبیبی وقد یعزى ذلک الى عدم التحام الذرات والتراص مع بعضها البعض وکذلک زیادة فی قیمة خشونة السطح وأیضا زیادة فی معدل الجذر التربیعی (الذی یمثل مربع الارتفاع والانخفاض للحبیبات على حاصل جمع لها تحت الجذر التربیعی والموضحة فی الجدول 3 وهذا یدل على أن التشعیع بالأشعة السینیة لم یساعد على التجانس النمو البلوری لأغشیة المشععة بالأشعة السینیة وهذا مقارب لماحصل علیة الباحثون [17].

شکل 4: نتائج فحص (AFM) بعد تشعیع باللیزر للمرکب (PVA+Zn) لمدة 9sec.

شکل 5: یبین نتائج (AFM) للمرکب (PVA+ZN) بعد التشعیع بالأشعة السینیة لمدة h(1.5).

یوضح الجدول 3 أدناه معلمات فحص(AFM) بضمنها قیم معدل الحجم الحبیبی ومعدل الجذر التربیعی ومعدل الخشونة لغشاء بولی الکحول المشوبة بخلات النحاس المائیة.

جدول 3: نتائج فحص (AFM).

Roughness averge (nm) معدل الخشونة	Rootmean square (nm) معدل الجذر التربیعی	Mean grain(nm) معدل الحجم الحبیبی	PVA+Zn
7.469	9.434	0.004	Before irradiation
5.178	6.375	0.003	9 sec
11.56	13.84	0.002	1.5h

4. الاستنتاجات :
تبین من خلال نتائج حیود الأشعة السینیة (XRD) أن الأغشیة الرقیقة المحضرة من بولی فینایل الکحول المشوبة بخلات النحاس المائیة بأنها ذو ترکیب غیر بلوری (Amorphous).

بینت نتائج التشخیص بمجهر القوة الذریة (AFM) أن التشعیع باللیزر أدى الى تناقص فی قیم الحجم الحبیبی وکذلک فی قیم معدل خشونة السطح ومتوسط الجذر التربیعی، أما فی حالة التشعیع بالأشعة السینیة أدى الى تناقص فی الحجم الحبیبی وزیادة فی قیم معدل خشونة السطح ومتوسط الجذر التربیعی.

أظهرت الاغشیة الرقیقة التی تم تشعیعها بـــ (Laser+X-Ray) استجابة أکبر من حالة المجموعة الثانیة المشععة بــ (X-Ray+ laser).

التمویل: لا یوجد.

بیان توفر البیانات: جمیع البیانات الداعمة لنتائج الدراسة المقدمة یمکن طلبها من المؤلف المسؤول.

اقرارات:

تضارب المصالح: یقر المؤلفون أنه لیس لدیهم تضارب فی المصالح.

الموافقة الأخلاقیة: لم یتم نشر المخطوط أو تقدیمها لمجلة أخرى، کما أنها لیس قید المراجعة.

References

[1] N. Tousignant Mathieu, A. Rice Nicole, Alexander Peltekoff, Chithiravel Sundaresan, Chuanwei Miao, Y. Hamad Wadood, and H. Lessard Benoˆıt. Improving thin-film properties of poly(vinyl alcohol) by the addition of low-weight percentages of cellulose nanocrystals. American Chemical Society, 36(13):3550–3557, 2020.

[2] A. Elgheryani Najla. Comparison of the change in viscosity of a polyvinyl alcohol solution by adding polyethylene glycol and polyvinyl pyrrolidone to solutions of polyvinyl alcohol. Kirkuk University Journal-Scientific Studies, 17(1):1–6, 2022.

[3] Naveed Ahmed Khan, Muhammad Bilal Khan Niazi, Farooq Sher, Zaib Jahan, Tayyaba Noor, Ofaira Azhar, Tazien Rashid, and Naseem Iqbal. Metal organic frameworks derived sustainable polyvinyl alcohol/starch nanocomposite films as robust materials for packaging applications. Polymers, 13(2307):1–16, 2021.

[4] Marwa Marza Salman Ohood Hmaizah Sabr, Hanna J Kadhim. Studying the effect of silica nanoparticles on optical properties of polyvinyl alcohol thin films for semi- conductors applications. TEST Engineering Management, 83:11014–11019, 2020.

[5] MG. Alzahawi Hala. characterization and biohydrolysis drug release studies of polymer carrier with naproxen. Kirkuk University Journal Scientific Studies, 13(1):1–11, 2018.

[6] Salha Mustafa. Engineering Chemistry. Arab Society Library for Publishing and Distribution, Jordan, 2008.

[7] Z. hadi Reham and S. Salih Ail. A studing of the optical properties of zno thin film doped (zno)1-x(seo2)x by (solgel spin coating). Kirkuk University Journal-Scientific Studies, 12(1):69–80, 2017.

[8] Briham Saad Abdul-Samad Al-Moaidy. Cultivation and study of electrical properties of doped polymers. Master’s thesis, University of Basra, College of Education for Pure Sciences, 2019.

[9] Chiad S Sami Duha M A Latif Jandow N Nidhal A Ismaeel Al Baidhany Nadir F Habubi, Khalid H Abass. Dispersion parameters of polyvinyl alcohol films doped with fe. Journal of Physics: Conf. Series, 1003:012094, 2018.

[10] M.A Morsi, A. Raheh, and A. A. Menazea. Nanosecond laser-irradiation assisted the improvement of structural, optical and thermal properties of polyvinyl pyrrolidone/ carboxymethyl cellulose blend filled with gold. Materials Science: Materials in Electronics, 30(3):2693–2705, 2019.

[11] effect of x ray and laser on the etching properties of nuclear track detectors CR-39. Preparation and properties of monodisperse magnetic fluids. Kirkuk University Journal-Scientific Studies, 15:101–115, 2020.

[12] K.E. Strawhecker and E. Manias. Structure and properties of poly(vinyl alcohol)/na+ montmorillonite nanocomposites. Chemistry of materials, 12(10):2943–2949, 2000.

[13] Eman Kamal Mohammed Tawfik. Radiation effect on characterization and physical properties of polymer nanocomposites. Ms.C thesis, Zagazig University College Science Physics Department, 2013.

[14] Ibrahim Fahad Waheed. Synthesis of Nanoparticles of Graphene Ferrite and Study of Some Characteristics. PhD thesis, College of Science University of Tikrit, Iraq, 2016.

[15] Ameer Khalil Ibrhim ali aljiboory. effect of co2 laser on structural and optical properties of thin films for different polymers. Master’s thesis, College of Science, Tikrit University, Iraq, 2018.

[16] S. A. Nouh, H. A. El-Nabarawy, M. M. Abutalib, and R. A. Bahareth. effect of x-ray irradiation on the structure¸ thermal and mechanical properties of polyester. The European Physical Journal Applied Physics, 62(3):30201, 2013.

[17] Abdo. M Meftah, Elham Gharibshahi, Nayereh Soltani, W Yunus, and Elias Saion. Structural, optical and electrical properties of pva/pani/nickel nanocomposites synthesized by gamma radiolytic method. Polymers, 6(9):2435– 2450, 2014.

Statistics

Article View: 663

PDF Download: 467