بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله، ذرات لاستیک اتیلن-پروپیلن-دیان رابر و نانو ذرات دی اکسید تیتانییم به صورت همزمان برای بهبود خواص مکانیکی و رئولوژی پروپیلن به کار گرفته شدند. هدف بررسی توزیع و کنترل ذرات اتیلن-پروپیلن-دی ان و نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم درماتریس پروپیلن بوسیله یک روش فرایندی مناسب بود.به این منظور از سه ترکیب درصد 7،5،3 نانو دی اکسید تیتانییم و مقدار 10 درصد لاستیک اتیلن-پروپیلن -دی ان که در تمام آمیزه ها ثابت است استفاده شدهمچنین از دو روش فرایندی - تک مرحله ای و دو مرحله ای - برای تهیه نانو کامپوزیت های سه تایی PP/EPDM/TiO2 مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج نشان داد که افزایش میزان نانو دی اکسید تیتانییم تا 7 درصد خواص مکانیکی ورئولوژی نانو کامپوزیت های سه تایی PP/EPDM/TiO2 را نسبت به حالت بدون نانو افزایش قابل توجهی داشته است و همچنین روش فرایندی دو مرحله ای نسبت به روش فرایندی تک مرحله ای خواص بهتری را نشان داده است که این به دلیل ساختار هسته-پوسته و فیلر-شبکه نانو ذرات TiO2 در روش فرایندی دو مرحله ای نسبت به تک مرحله ای است که در عکس های گرفته شده از SEM کاملا مشهود می باشد.
مقدمه
در چند دهه اخیر نانو کامپوزیت های آلی- معدنی در عرصه علم و صنعت توجه بسیاری را به خود جلب کرده اند. با افزودن مقدار بسیار کم از افزودنی ها و پرکننده ها در مقیاس نانو، مانند دی اکسید تیتانیم به جای کامپوزیت های عادی، خواص مکانیکی، حرارتی آنها بهبود می یابد.
بهبود این خواص، زمانی است که ذرات پراکندگی مناسبی در بستر پلیمر داشته باشند، به حداکثر ممکن می رسد زیرا این مواد با هم خواص هم افزایی غیر قابل انتظاری نشان می دهند.
پلیپروپیلن - PP - ، پلیمری ارزان و در دسترس با خواص مکانیکی خوب از قبیل ضربهپذیری و مقاومت عالی در مقابل خستگی است. اما عیب اصلی این پلیمراُفت خواص ضربه ای آن در دماهای پایین می باشد که جهت برطرف نمودن این نقیصه آن را با یک الاستومر مانند اتیلن - پروپیلن - دیاِن مونومر - EPDM - آلیاژ میکنند .[1] درست است که استفاده از لاستیک EPDM باعث افزایش چقرمگی آلیاژ شده ولی ازآنرو باعث افت مدول و مقاومت حرارتی آن شده و برای رفع این نقیصه می توان از فیلرهایی که در ابعاد نانو هستند استفاده کرد
از این رو بر روی سیستم های سه تایی پلیمر/الاستومر/فیلر کارهای زیادی صورت گرفته است که استفاده با هم الاستومر وفیلر به طور همزمان چقرمگی و سختی را افزایش می دهد[11-2] وبرای رسیدن به بهترین ترکیبی از خواص مکانیکی کامپوزیت های سه تایی ،کنترل پراکندگی و مورفولوژی فازی کلیدی می باشد.
با توجه به مورفولوژی کامپوزیت های سه تایی که شامل الاستومر و فیلر پراکنده شده در ماتریس پلیمر می باشد ساختار پراکنشی که در آن الاستومر و فیلر در ماتریس پلیمر به صورت تفکیک پذیر پراکنده شده اند و ساختار هسته-پوسته که در آن ذرات فیلر همانند یک پوسته الاستومر را احاطه کرده اند ساختار فیلر-شبکه که درآن اجتمعات فیلر به صورت کلوخه اطراف را فراگرفته اند وجود هر یک ازاین سه ساختار الاستومر در کامپوزیت های سه تایی باعث بهبود خواص مکانیکی می شوند.
matonis و همکارانش 3]،[2به این نتیجه رسیده اند که ساختار هسته-پوسته می تواند چقرمگی را افزایش دهد همچنین کوچکتر شدن اندازه الاستومر و چسبندگی قوی بین فیلر وماتریس چقرمگی را تا حد زیادی افزایش می دهد. Jancar و همکارانش[7] نشان دادند که ساختار پراکنشی باعث افزایش مدول و ساختار هسته- پوسته باعث بهبود چقرمگی خواهد شد در حالیکه ساختار فیلر- شبکه به طور همزمان استحکام و چقرمگی را افزایش می دهد.
Yong و همکارانش نیز نشان دادند که ساختار فیلر- شبکه خواص رئولوژی و مکانیکی نانو کامپوزیت سه تایی PP/EPDM/SiO2 راافزایش می دهد
خواص نانو کامپوزیت های پلیمر- نانو به عواملی چون برهم کنش بین نانو و ماتریس پلیمری،روش تهیه نانوکامپوزیت ،نوع ودرصد نانو مورد استفاده وپخش خوب نانو درماتریس پلیمری بستگی دارد
wang و همکارانش از نانو ذرات CaCO3 - تا 20% وزنی - که یک اسید چرب اصلاح شده اند برای تقویت ترموپلاستیک الاستومر PP/EPDM با ترکیب درصد 90/10 استفاده کردند.آنها نحوه پراکنش نانو ذرات CaCO3 در کامپوزیت را کیسه شنی نام گذاری کردند. ذرات نانو کلسیم به صورت توده های شنی در ماتریس دیده می شود که یک پیوسته EPDM مانند یک کیسه شنی مخصوص آنها را احاطه کرده است. اندازه ذرات EPDM با این روش به 450-600 نانومتر می رسد. .
Wacharawichanant و همکارانش مشاهده کردند که مقادیر استحکام کششی برای دو کامپوزیت بر پایه پلی پروپیلن و پرکننده دی اکسید تیتانیم با دو اندازه متفاوت 130 و 42/3 نانو متر بسیار نزدیک به هم است، و با افزایش مقدار پرکننده تغییر چندانی در مقادیر آن در مقایسه با نمونه بدون پرکننده مشاهده نمی-شود در واقع اگر اتصال بین پرکننده و زمینه پایین باشد چون تنش به خوبی به پرکننده منتقل نمی شود، بنابراین استحکام کششی زمینه خالص با زمینه تقویت شده فرقی ندارد.
در این مقاله به تهیه و مقایسه ی خواص نانو کامپوزیت های PP/EPDM تقویت شده با نانو ذرات TiO2 و همچنین کنترل وتوزیع پراکندگی ذرات EPDM و نانو ذرات درماتریس PP بوسیله یک روش فرایندی مناسب پرداخته شده است. در این خصوص فرمولاسیون نانو کامپوزیت ها با انتخاب یک گرید خاص از PPو EPDM به ترتیب با ترکیب درصدهای وزنی 90، 10و ترکیب درصدهای مختلف 3،5 ،7درصد نانو ذراتTiO2 به صورت تک مرحله ای ودو مرحله ای طراحی شده وخواص مکانیکی از قبیل مدول کششی،استحکام کششی وکرنش در شکست وهمچنین خواص رئولوژی و مورفولوژی این نانو کامپوزیت ها وارتباط آنها با یک دیگر مورد ارزیابی قرار می گیرد.
کارهای آزمایشگاهی
پلی پروپیلن - PP - مورد استفاده در این تحقیق گرید R60 با شاخص جریان مذاب MFI=0.4 gr/10 min که از پتروشیمی اراک کشور ایران تهیه شده است. لاستیک EPDM با گرید Kep 270 با میزان 68 درصد اتیلن از شرکت KumboPolychemical کره جنوبی تهیه شد. نانو دی اکسید تیتانیوم مصرف شده در این پژوهش از شرکت Evonik محصول کشور آلمان تهیه گردیده است.
به منظور اختلاط مواد از مخلوط کن داخلی برابندر ساخت کشور آلمان تحت شرایط عملیاتی 12 دقیقه و در دمای 190 درجه سانتیگراد با دور 60 rpm و همچنین از غلطک آزمایشگاهی Polymix 200 L ساخت کشور انگلستان با فاصله بین دو غلطک 1-4 mm تحت شرایط عملیاتی 20 دقیقه و در دمای محیط استفاده شده است و آمیزه ها به صورت تک مرحله ای و دو مرحله ای تهیه شدند.
روش اختلاط به این ترتیب بود که در روش تک مرحله ای ابتدا PP را وارد مخلوط کن داخلی کرده و بعد از 2 دقیقه لاستیک EPDM و نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم را به طور همزمان وارده مذاب PP کرده و اختلاط تا 10 دقیقه ادامه پیدا می کند و در روش دو مرحله ای ابتدا لاستیک EPDM با نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم به مدت 20 دقیقه در دمای محیط در آسیاب دوغلتکی آزمایشگاهی مخلوط شدند وبعد مستربچ تهیه شده دراین مرحله را وارد مذاب PP در مخلوط کن داخلی کرده که اختلاط تا 10 دقیقه ادامه پیدا می کند. فرمول بندی آمیزه های تهیه شده در جدول - 1 - آورده شده است.
بعد از تهیه آمیزه ، به منظور تهیه نمونه جهت انجام آزمون های مختلف، از پرس دستی Toyosiki ساخت ژاپن تحت فشار 25 Mpaو در دمای 210 درجه سانتی گراد در مدت زمان 5 دقیقه استفاده شد.
دستگاه کشش مورد استفاده در این پژوهش، دستگاه Gothech ساخت کشور تایوان با لودسل 20 کیلونیوتن می باشد. سرعت کشش آن مطابق با استاندارد ASTM D638، 50 mm/min می باشد. آمیزه ها به شکل صفحات پلاستیکی با ضخامت حدود 1 mm تهیه و از روی آن نمونه های دمبلی شکل تهیه و تحت آزمون کشش قرار گرفتند. برای هرآمیزه 3 نمونه دمبلی مورد آزمایش قرارگرفتند.
جدول -1 فرمولاسیون نمونه های تهیه شده
جهت اندازهگیری خواص رئولوژیکی از دستگاه طیفسنجی رئولوژیکی مکانیکی سری RMS 800 ساخت شرکت
Paar Physica Co. با دو صفحه موازی در دمای 190œC استفاده شد.بدین منظور، ابتدا نمونههای تولید شده به شکل قرصهای با ضخامت 2 mm تهیه شد. سپس خواص رئولوژیکی نمونه ها در دمای 190œC و بازه فرکانسی 0/01-100 Hz در کرنش %1 - ناحیه خطی ویسکوالاستیک - با استفاده از آزمون فرکانس سنجی اندازه گرفته شد.
برای بررسی ساختار نمونه ها ، میکروسکوپ الکترونی مدل XL30 ساخت شرکت Philips کشور هلند مورد استفاده قرار گرفت. بدین منظور ابتدا نمونه ها را به مدت 2 دقیقه در نیتروژن مایع غوطه ور کرده و آنرا شکسته و سپس برای استخراج فاز لاستیک ، سطح نمونه ها درنرمال هگزان به مدت یک روز قرار گرفتند.نمونه ها بعد از پوشش دهی طلا بر روی پایه های مورد نظر دستگاه قرار گرفته و عملیات اسکن الکترونی جهت بررسی مورفولوژی سطح آغاز شد.
-2نتایج و بحث
تصاویر SEM درک بهتر از مورفولوژی نانوکامپوزیت ها را به ما می دهد. تصاویرSEM سطوح شکسته شده نمونه های PP/EPDM با ترکیب درصد 90/10 بدون نانو TiO2 در شکل - -1الف - دیده می شودکه در آن ذرات رابر بصورت حفرات سیاه با اندازههای تقریبی بین 3-5 m مشخص است که توزیع وپراکندگی خوبی در ماتریس PP ندارد.
