بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر هدایت حرارتی سامانه های پلی پروپیلن/اتیلن -پروپیلن-دی إن -مونومر [PP/EPDM: 70/30] به همراه 10phr کوپلیمر اتیلن-پروپیلن در حضور مقادیر مختلف 0, 1, 3 , 5 - phr - از نانوذرات اکسید روی که به شیوه اختلاط مذاب با سه روش مختلف خوراکدهی تهیه شدند، مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات مورفولوژیکی نشان داد ائتلاف نانوذرات به ویژه در غلظت های بالا اجتناب ناپذیر بود به طوری که بسیاری از ذرات بزرگ تر از اندازه اولیه شان بودند.
بیش ترین میزان ائتلاف برای سامانه محتوی 5phr از nano-ZnO مشاهده شد. همچنین این آزمون پراکندگی بهتر نانوذرات اکسید روی توسط روش M3، - حالتی که ابتد EPDM، EPC و nano-ZnO مخلوط و در آخر PP افزوده شد - ، را نشان داد.
بیشترین هدایت حرارتی در حضور 3phr از نانوذرات حاصل شد. چرا که نانو اکسید روی هدایت حرارتی بالاتری از کامپوزیت پلیمری داشته و هنگامی که مقدار آن در آلیاژ پلیمری به 3phr می رسد، با یکدیگر تماس بیش تری برقرار کرده و کلوخه ایجاد میکنند، - کلوخههای نانوذرات به عنوان مناطق هادی گرما عمل میکنند - ، در نتیجه زنجیرههای - مسیرهای - هادی حرارت تشکیل شده و انتقال فونون راحت تر صورت گرفته و در نتیجه میزان هدایت حرارتی بالا می رود.
همچنین تغییرات نمودار هدایت حرارتی در مقابل دما برای سامانه های تهیه شده به روش M1 - حالتی که تمامی اجزا به صورت همزمان به مخلوطکن داخلی افزوده شدند - بیان گر این است که در حضور 1phr از نانوذرات این تغییرات به صورت خطی افزایش مییابد. در مقادیر بیشتری از نانوذرات، این روند کاهش خطی از خود نشان داد. زیرا با افزایش دما، فاصله میان ذرات به واسطه انبساط حرارتی پلیمر افزایش می یابد. در نتیجه زنجیره های هادی حرارت کوتاه شده و سبب کاهش میزان هدایت حرارتی سامانه می گردد. نمونه تهیه شده به روش M3، به دلیل کاهش تجمع نانوذرات، پخش و پراکندگی بهتر آنها، پایینترین میزان هدایت حرارتی را بر حسب دما ارائه داد.
• مقدمه
مواد پلیمری به دلیل هدایت حرارتی و الکتریکی پایین اغلب به عنوان مواد عایق مورد استفاده قرار میگیرند [1]، ولی در بسیاری از کاربردها نیاز به افزایش رسانایی حرارتی آنها می باشد. از این رو مواد پلیمری رسانای حرارت با مقاومت حرارتی کم مورد توجه فراوان قرار گرفتهاند. از آنجا که هدف از این تحقیق تهیه سامانه پلیمری هادی حرارت است، به این منظور از اکسید روی نانومتری جهت تأمین این امر استفاده گردید. نانوذرات اکسید روی یک ماده منحصر به فرد با رسانش حرارتی بالا میباشد.
عنصر روی دارای چندین خاصیت است؛ اول آنکه نیمههادی با شکاف انرژی عریض است و هدایت حرارتی خوبی را از خود به نمایش می گذارد. دوم آنکه به علت عدم تقارن مرکزی آن به عنوان یک پیزوالکتریک شناخته شده است که ویژگی اصلی در ساخت حسگرهای کوپلشده یا الکترومکانیکی و ترانسفورماتورها به شمار میرود
از ساز و کارهای انتقال حرارت هدایتی میتوان به الکترون آزاد، انتقال انرژی فوتون و انتقال فونون اشاره کرد. در جامدات، حاملهای انرژی، الکترونها، فوتونها و فونونها هستند. فونونها که از طریق بروز حالت تدریجی ارتعاش در یک شبکه بلوری سفت و سخت ایجاد میشوند؛ در صورتی که حرکت آزاد الکترونها امکانپذیر نباشد، اولین ساز و کار انتقال حرارت در اکثر پلیمرها هستند. فونونها انرژی گرمایی را از طریق برهمکنش با یکدیگر و با ذرات درون اتمی انتقال میدهند
عیوب شبکه بلوری مانند جابه جاییها، حفرات و ناخالصیها میتوانند ناهمگونیهایی را نشان دهند که سبب تفرق فونون میشود. در سامانههای چند فازی از قبیل کامپوزیتهای پلیمری، تفرق زمانی اتفاق میافتد که فونونها از میان مرز انتشار یابند که این امر سبب جدایی فازها از یکدیگر می شود.
از عوامل مؤثر بر میزان هدایت حرارتی میتوان به قابلیت هدایت حرارتی ذرات، اندازه و شکل ذرات، کلوخه شدن ذرات، مقاومت فصل مشترک، اصلاح سطحی ذرات، حجم ذرات و آرایشیافتگی آنها اشاره کرد.
• بخش تجربی
در این پژوهش سامانههای ترموپلاستیک/الاستومر پلیپروپیلن/اتیلن-پروپیلن-دیإن-مونومر - PP/EPDM - به نسبت 70/30 - phr - در حضور 10 - phr - از سازگارکننده کوپلیمر اتیلن-پروپیلن - EPC - - به منظور کاهش تنش سطحی میان اجزاء آلیاژ، توزیع و پخش مناسب نانوذرات - و اکسید روی نانومتری در چهار سطح 0, 1, 3, 5 - phr - به شیوه اختلاط مذاب و با روش M1 - حالتی که تمامی اجزا به صورت همزمان داخل مخلوطکن داخلی افزوده شدند - در دمای 180 درجه سانتیگراد و دور 60rpm و زمان 15 دقیقه توسط یک مخلوطکن داخلی تهیه شدند. پس از بهینه کردن میزان هدایت حرراتی، روشهای M2 - حالتی که ابتد PP، EPC و nano-ZnO مخلوط و در آخر EPDM افزوده شد - و M3 - حالتی که ابتد EPDM، EPC و nano-ZnO مخلوط و در آخر PP افزوده شد - ، در همان ترکیب درصد بهینه نیز تهیه گردیدند.
آزمونهای انجام شده بر روی سامانههای پلیمری در جدول - 1 - ذکر شدهاند.
جدول -1 آزمونهای انجام شده
• نتایج و بحث
پیش بینی ها بر اساس ترمودینامیک کلاسیک و مقادیر ضریب خیسشوندگی نشان داد تمرکز نانوذرات در فاز PP، با قطعیت بالا بود.
نتایج آزمون مورفولوژی، با استفاده از نرم افزار آنالیز محاسبه اندازه قطرات Image Jبه منظور کمّی کردن اندازه آنها، نشان داد ائتلاف نانوذرات به خصوص در غلظتهای بالا اجتنابناپذیر بود به طوری که بسیاری از ذرات بزرگتر از اندازه اولیهشان بودند.
بیشترین ائتلاف برای سامانه محتوی 5phr از n-ZnO مشاهده شد. همچنین این آزمون پراکندگی بهتر نانوذرات اکسید روی توسط روش M3 را نشان داد.
نتایج آزمون هدایت حرارتی نشان داد با افزایش میزان نانو اکسید روی، میزان هدایت حرارتی نیز افزایش یافته و در 3phr از غلظت تقویتکننده، هدایت حرارتی به بالاترین میزان خود رسیده است. بیش از این مقدار، میزان هدایت حرارتی رفتار کاهشی از خود نشان داد.
در میزان 1phr از نانوذرات، به دلیل آنکه n-ZnO هادی حرارت است؛ میزان هدایت حرارتی - K - نسبت به PP/EPDM/EPC افزایش نشان داده ولی تغییرات آن اندک بود. زیرا میزان ذرات برای تشکیل زنجیرههای رسانای حرارتی کم است .
با افزایش میزان نانوذرات به 3phr، در اثر نیروهای جذب واندروالس، نانوذرات، خوشه تشکیل میدهند.
نمودار : - 1 - هدایت حرارتی سامانههای PP/EPDM/EPC پرشده با غلظت های متفاوت از nano-ZnO
در نتیجه با یکدیگر تماس بیش تری برقرار کرده و کلوخهها را تشکیل داده که این کلوخهها به عنوان مناطق هادی گرما عمل میکنند. در اثر این پدیده، محل عبوری با مقاومت گرمایی کمتر برای انتقال گرما به وجود میآید .
نانوذرات اکسید روی، هدایت حرارتی بالاتری نسبت به کامپوزیت پلیمری دارند که انتقال فونون میتواند به طور بهتری از میان آنها انجام شود
زنجیرههای - شبکههای - هادی حرارت از طریق فشردگی مناسب تشکیل می گردند و در پی آن فاصله میان نانوذرات - نسبت به میزان 1phr از نانوذرات - کمتر میشود که این فاصله کاهش یافته میان ذرات، میتواند دلیلی بر هدایت حرارتی مؤثر باشد . این میزان افزایش به طور عمده به علت بزرگشدن اندازه زنجیره اصلی است که هدایت سریع در سراسر خوشه را افزایش میدهد.
زمانی که خوشهها شروع به همپوشانی کردن میکنند، هدایت حرارتی به میزان بیشینه خود میرسد که این موضوع بیانگر وجود شبکه به هم پیوسته خوشههای نانوذرات است .در 5phr از n-ZnO، میزان کلوخهها نسبت به 3phr از نانوذرات، بیشتر است اما زنجیرههای هادی ایجاد شده از این کلوخهها ضعیفتر میباشد و شبکههای رسانای مؤثر تشکیل نمیگردند و در نتیجه میزان هدایت حرارتی کاهش مییابد.این اثر به پراکنش فونون روی مساحت سطحی خیلی بزرگتر از نانوذرات مربوط میشود
