بخشی از مقاله
چکیده
تولید فوم با ساختار میکروسلولی با اندازه سلولی 1100 میکرون و دانسیته سلولی بالاتر از 109 cell.cm-3 از پلی کربنات به منظور بهبود خواص مکانیکی فوم به این علت میباشد که کنترل اندازه سلول و چگالی سلولی فوم های میکروسلولی ، تأثیر مهمی در خواص فوم های پلیمری داردکه مهمترین هدف در پژوهش حاضر بوده است. چون تهیه فوم میکروسلولی از پلی کربنات به دلیل هستهگذاری ضعیف ناشی ازچقرمگی بالا به راحتی امکانپذیر نمیباشد،از اینرو با تنظیم شرایط - دما، فشار، نوع و میزان عامل فوم زا - SCCO2 - و با استفاده از عامل هستهزای نانولوله های کربن - MWNTs - به مقدار 0/5 -5 Phr، امکان ساخت فوم میکروسلولی از این پلیمر تهیه و بررسی شد.
عملیات اختلاط به کمک همزن فراصوت در محیط حلال انجام شد؛ که به منظور پراکنش بهتر نانو تیوبها در ماتریس پلیمری و همچنین برای جلوگیری از جدا شدن عوامل نانوکامپوزیت پس از اختلاط، در حین عملیات اختلاط، برای هر آمیزه فوم از شرایط فرایندی به ترتیب دور همزن مغناطیسی 1000 rpm، قدرت اولتراسونیک 60KHz و دور همگن کننده 12000rpm استفاده شد. در نهایت آمیزههایی از طریق رسوب با ضدحلال در مقادیر 0/5-5 Phr ساخته شده و با استفاده از سیال فوقبحرانی CO2 به فوم تبدیل شدند. مقایسه نتایج حاصل از بررسی مورفولوژی نانوذرات در ماتریس پلی کربنات به کمک TEM نشان میدهد که کامپوزیتهای حاوی نانوتیوب کربن اصلاح شده تجمع کمتر وپراکنش بهتری را در ماتریس پلی کربنات داشتند. همچنین نتایج حاصل از تست SEM نمونههای فوم شده حاکی از هستهگذاری بیشتر - ناشی از بیشترین پراکنش نانوذرات - در نمونه حاوی 5 Phr نانوتیوبکربن است، که منجر به تولید فوم فوم با اندازه سلولی 11 میکرومتر و دانسیته سلولی 1013×68/1 را به همراه داشت.
واژگان کلیدی : فوم میکروسلولی، فوم پلی کربنات، نانو لوله کربن ، فوم نانوکامپوزیتی، هسته گذاری، سیال فوق بحرانی
مقدمه
با توجه به اینکه فوم های پلیمری با چگالی سلول زیاد و توزیع یکنواخت اندازه سلول دارای خواص فیزیکی و مکانیکی خوبی من جمله ؛ عایق گرمایی و صوتی خوب ، عمر خستگی ، استحکام شکست ، استحکام ضربه پذیری مناسب و انعطاف پذیری می باشند ، در سال های اخیر در مقایسه با جامدات پلاستیکی به طور گسترده تری استفاده می شوند . [3-1] از سوی دیگر به دلیل کاربرد روزافزون پلیمرها در صنایع مختلف و از آنجایی که همواره استفاده از مواد اولیه کمتر، ایدهآلتر میباشد، برای صنعت بسیار بااهمیت است که روشی برای کاهش مقدار ماده مصرفی در فرآیند تولید قطعه ابداع کند، لذا در سالیان اخیر استفاده از فومهای پلیمری در بخشهای مختلف زندگی گسترش فراوانی پیدا کرده است .[4]
فومها که پلیمر اسفنجی یامنبسط شده نیز خوانده میشوند، موادی هستند که حجم آنها به دلیل حضور سلولهای زیاد در تودهشان افزایش و چگالی ظاهری آنها نیز کاهش یافته است.معمولاً پلاستیکهای فوم شده به روشهای متداول، خواص مکانیکی بسیار ضعیفتری نسبت به پلاستیکهای فوم نشده دارند. [4] لازم به توضیح است فومهای ساختاری ، موادی هستند که ابداع آن ها به دلیل تلاش هایی است که در جهت تولید اقتصادی قطعات بزرگ ، محکم ، سبک و اغلب پیچیده صورت پذیرفته است. [5] به طور کلی فوم ساختاری شامل پلیمر به عنوان فاز زمینه و حباب ها یا سلول ها به عنوان فاز پرکننده می باشند .[4]
فوم های پلیمری به دلیل ماهیّت پیچیده ای که دارند به روش های گوناگون تقسیم بندی می شوند.متداول ترین تقسیم بندی ها بر اساس شکل شناسی سلول ها ، رفتار مکانیکی و ترکیب درصد می باشد. [5] از نظر ساختاری سلول ها ممکن است به صورت باز - - open یا بسته - closed - باشند,6] .[7 این ترکیبات با توجه به چگالی سلولی و اندازه سلول نیز در سه گروه درشت سلولی، میکروسلولی و نانوسلولی قرارمی گیرند .فوم های گرمانرم با روش های مختلفی تولید می شوند که از آن جمله می توان تولید به روش نیمه پیوسته قالب گیری تزریقی [9 , 8] تولید ناپیوسته با استفاده از مخزن فشار بالا [10 ,7 ,6] و روش تولید پیوسته با استفاده از اکستروژن [13-11] اشاره کرد.
در فوم های سلول بسته ، گاز به صورت حباب های جدا از هم در ماتریس پلیمری که فاز پیوسته را تشکیل می دهد پخش شده است.در فوم های سلول باز حباب ها یا حفره های گاز به هم راه دارند ، به گونه ای که هر دو فاز گاز و جامد به صورت پیوسته می باشند[5] .برای ایجاد ساختار سلول باز لازم است منافذی بین حباب ها تشکیل شود که وجود چنین منافذی ، باعث افت شدید در خواص مکانیکی اسفنج می شود.کاهش ابعاد حباب ها تا حد میکرو و حتی نانو می تواند مانع افت خواص مکانیکی فوم شود.این امر به دلیل ساختار سلولی متراکم در واحد حجم فوم است[6] .در این میان ، فرایند تولید فوم های میکروسلولی به وسیله عوامل پف زای فیزیکی بی اثر مثل دی اکسید کربن یا نیتروژن ، در دو دهه اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته است.
هنوز تعریف دقیقی برای فوم میکروسلولی ارائه نشده است.در بعضی موارد به فوم هایی با اندازه حباب هایی بین 0?1 تا 10 میکرون و چگالی سلولی بیشتر از 109 cm.cell-3 ، فوم میکروسلولی گفته می شود. از رفی نیز به فوم هایی با اندازه سلول بین 1 میلی متر تا 1 میکرون، 25 میکرون تا 100 میکرون و حتی 1 تا 300 میکرون نیز فوم میکرو سلولی گفته شده است. [6] گفتنی است دلیل آن که فوم های میکرو سلولی را فوم های بهتری نسبت به فوم های معمولی می دانیم همین اندازه سلول های آن می باشد.با این فومها میتوان به عنوان مثال حدود 100 سلول در یک ضخامت 1 میلیمتری ایجاد کرد و انتظار استحکام معقولی داشت. با ایجاد این حبابها درون پلیمر ضمن کاهش مقدار ماده مصرفی بهدلیل اینکه این حبابها از نقصهای موجود در ساختار پلیمر کوچکتر است، میتوان به یک سری خواص منحصربهفرد دست یافت.
با تهیه فومهای میکروسلولی علاوه بر اینکه وزن و مقدار ماده مصرفی کاهش مییابد، مقاومت ضربه نسبت به پلاستیک فوم نشده تا پنج برابر افزایش مییابد، در چغرمگی پلیمر نیز افزایشی تا 5 برابر مشاهده میشود، عمر خستگی پلیمر نسبت به پلاستیک فوم نشده تا 13 برابر میتواند افزایش یابد و همچنین پایداری حرارتی پلیمر نیز بهبود بخشیده میشود. [14]در این پژوهش هدف ،تهیه فوم میکروسلولی و بررسی قابلیت فوم شدن و مورفولوژی نانوکامپوزیت بر پایه پلیکربنات/ نانولوله های کربنی به روش ناپیوسته است. از دی اکسید کربن فوق بحرانی به عنوان عامل پفزای فیزیکی و از نانو لوله های کربنی به عنوان نانوذرات برای بهبود فرآیند هستهگذاری در این تحقیق استفاده شده است.در این پژوهش برای تهیه نانوکامپوزیت مورد نظر از روش محلولی استفاده گردیده است هم چنین کوشیده ایم عوامل مختلفی از جمله : غلظت نانو لوله کربنی 0/5% - ، 1% ، 3% و% - 5 و تأثیر دمای فوم شدن را در دو دمای 120 و 140 درجه سانتی گراد مورد ارزیابی قرار دهیم.
تجربی
پلی کربنات مورد استفاده در این پژوهش تولید شرکت پتروشیمی خوزستان، گرید PGPC0104 میباشد. با توجه به برگه اطلاعات فنی، دانسیته معادل1/2 g.cm-3 می باشد.نانو ذره مورد استفاده در این پژوهش ساخت پژوهشکده صنعت نفت ایران می باشد، با توجه به اطلاعات تولید کننده نانو لوله های کربنی موجود دارای متوسط قطر درونی به اندازه 5 تا 10 میکرون و قطر بیرونی 10 تا 20 میکرون و میانگین طول 30 میکرون می باشد.یخ خشک مورد نیاز برای این پژوهش از واحد تولید CO2 کارخانه نوشابه سازی زمزم شیراز تهیه شد.در این واحد یخ خشک مورد نیاز خود را در مخازن تحت فشار 19 بار نگهداری میشوند. مشخصات یخ خشک مورد استفاده در جدول 1 مشخص شده است.
عامل دار کردن سطح نانولوله کربنی
برای عاملدار کردن نانو لوله های کربنی با گروه عاملی کربوکسیلیک ابتدا اسید سولفوریک و اسید نیتیریک را به نسبت 3 به 1 با هم مخلوط میکنیم ، سپس باتوجه به میزان درصد وزنی های مختلف، نانو مورد نیاز را در درون دستگاه سونیکاتور تحت دمای 80 درجه سانتی گراد و فرکانس 60 هرتز به مدت 2 ساعت قرار میدهیم. سپس سوسپانسیون پایدار به دست آمده را به مدت 30 دقیقه بر روی همزن مغناطیسی قرار دادیم . نهایتا سوسپانسیون مذکور تحت سانتریفیوژ با دور 3500 به مدت 20 دقیقه قرار دادیم ،پس از ته نشین شدن و جدا کردن مخلوط اسیدی، نانو ذره ها را با آب مقطر تحت شستشو قرار دادیم و مجددا عمل سانتریفیوژ را تکرار کردیم و این عمل را تا انجا تکرار کردیم که به یک محدوده خنثی از 3+ از آب مقطر پس از
