بخشی از مقاله
چکیده
نانوکامپوزیت آلیاژ پلیمری با خواص بهینهسازی شده به روش اختلاط مذاب پیوسته و به وسیله تزریق سوسپانسیون نانوکلی به درون اکسترودر دوپیچه همسوگرد تولید شد. به منظور تهیه این نانوکامپوزیت با خواص مکانیکی و ضد نفوذپذیری گاز بالا، از آلیاژ پلی اتیلن سبک و پلی اتیلن سبک خطی با نسبت وزنی 60 به 40، سوسپانسیون نانوکلی اصلاح نشده در آب مقطر، انواع مختلف نمکهای آلکیل آمونیومی و سازگارکننده پلی اتیلن مالئیک انیدرید استفاده شد. نمکهای اصلاح کننده استفاده شده در این کار اکتادسیل تری متیل آمونیوم کلراید - OTAC - ، دودسیل تری متیل آمونیوم کلراید - DTAC - و دودسیل تری متیل آمونیوم برماید - DTAB - بودند.
علاوه بر نوع نمک اثر دو پارامتر دیگرشامل درصد نانوکلی و سرعت خوراکدهی نیز با روش سطح پاسخ بررسی شد. نانوکامپوزیت های تهیه شده به صورت گرانول درآمدند و تحت آزمونهای مورفولوژیکی، مکانیکی و نفوذپذیری گاز قرار گرفتند. عکسهای حاصل از میکروسکوپ نیرویی اتمی نشان داد که پراکنش نانوذرات کلی در نانوکامپوزیت تهیه شده با OTAC بهتر از نانوکامپوزیت تهیه شده با شرایط مشابه ولی نمک متفاوت است. آزمون استحکام کشش نشان داد که حتی افزودن مقادیر کم نانوذرات به ماتریس پلیمری، خواص مکانیکی آن را در اکثر موارد افزایش میدهد. این افزایش در نانوکامپوزیتهای تهیه شده با OTAC بسیار چشمگیرتر بود. همچنین نتایج نشان داد که نانوکامپوزیت تهیه شده با OTAC دارای مقاومت بیشتری در برابر نفوذپذیری گاز اکسیژن میباشد.
واژههای کلیدی: پراکنش نانوذرات، پلی اتیلن، میکروسکوپ نیرویی اتمی، نانوکامپوزیت، نمک آلکیل آمونیومی.
-1 مقدمه
آلیاژ پلی اتیلن سبک - LDPE - و پلی اتیلن سبک خطی - LLDPE - به علت دارا بودن خواص مکانیکی نسبتاً مناسب، وزن کم، هزینه تولید پایین، ثابت دی الکتریک کم، فرایند پذیری خوب، مقاومت شیمیایی عالی یکی از پرمصرفترین گروه از پلیمرها است. با این حال برخی از ضعفهای این آلیاژ از قبیل استحکام کششی و سختی پایین، نفوذپذیری بالا در برابر گازها، اشتعالپذیری و مقاومت حرارتی پایین لزوم اصلاح خواص این آلیاژ را نشان میدهد .[1] در سالهای اخیر، استفاده از نانوذرات کلی برای بهبود خواص پلیمرها مورد توجه بودهاست. بهبود چشمگیر خواص پلیمرها با اضافه کردن مقادیر کم این نانوذرات میتواند توجیهگر این توجه گسترده به این گروه از نانوکامپوزیتها در محیطهای صنعتی و آکادمیک باشد .[5-2]
روشهای متفاوتی برای تهیه نانوکامپوزیتهای پلیمر/کلی وجود دارد. در این میان، پراستفادهترین روش برای تهیه این نانوکامپوزیتها روش اختلاط مذاب است. این عمل توسط ذوب کردن پلیمر یا آلیاژ پلیمری در اثر حرارت و برش و سپس اختلاط ذرات نانوکلی با آن در حالت مذاب و تحت میدانهای برشی انجام می شود .[8-6] روش های اختلاط مذاب پیوسته - اکستروژن - برای تهیه نانوکامپوزیت های پلیمری از نظر صنعتی اهمیت بالاتری نسبت به روش های غیر پیوسته - اختلاطگر داخلی - دارند.در روش اختلاط مذاب عوامل موادی متعددی نظیر نوع نمک اصلاح کننده، مقدار نمک اصلاح کننده، نسبت نانوذرات به اصلاح کننده، نوع سازگارکننده، نسبت پیوند خوردگی سازگارکننده، وزن مولکولی سازگارکننده، امتزاج پذیری سازگارکننده با پلیمر، نسبت وزنی نانوذرات به سازگارکننده و عوامل فرایندی بسیاری ازقبیل شکل پیچ، سرعت پیچ، پروفایل دمایی پیچ، نرخ خوراکدهی مواد، ترتیب خوراکدهی مواد همگی پارامترهایی تاثیرگذار بر این فرایند هستند .[9]
با انتخاب درست این پارامترها امکان پراکنش ذرات نانوکلی در بستر پلیمری بیشتر می شود و در نتیجه خواص مکانیکی، مقاومت در برابر نفوذ گاز، مقاومت حرارتی و غیره افزایش می یابد. تلاشهای زیادی در این راستا برای سیستمهای پلی اتیلنی انجام شده است که تعدادی از آنها موفقیت آمیز بوده اند .[12-10] در واقع برای رسیدن به این هدف باید برهمکنش بین پلیمر و نانوکلی افزایش یابد تا از این طریق بتوان بر نیروهای جاذبه ون در والسی بین نانوذرات که باعث جمع شدن آنها در کنار هم می شود غلبه کرده، آنها را از یکدیگر جدا کرد و در بستر پلیمری پخش نمود.در این میان ابتکاری در فرایند اختلاط مذاب نیز رخ داده است که در آن از آب برای پراکنش بهتر نانوذرات کلی در ماتریس پلیمری استفاده می شود [13]
به طور کلی روش تزریق به سه نوع مختلفِ تزریق سوسپانسیون، تزریق آب و تزریق محلول اصلاح کننده انجام میشود. شکل - 1 - نحوه اضافه کردن مواد در هر روش را نشان میدهد. هر یک از این روش ها معایب و مزایای خود را دارند. برای مثال در روش تزریق سوسپانسیون آب بسیار زیادی به درون اکسترودر اضافه میشود که فرایند تولید را پیچیده تر میکند. روش تزریق محلول فقط برای نمکهایی که محلول در آب باشند قابل استفاده است. نانوکامپوزیتهای تولید شده به روش تزریق آب نیز خواص نسبتا ضعیفتری را در مقایسه با دو روش دیگر نشان میدهند. در نهایت بررسیها نشان میدهد نانوکامپوزیتهای تهیه شده به روش تزریق سوسپانسیون میتوانند به خواص بهتری در مقایسه با دو روش دیگر دست یابند .[14]
مطالعات نشان می دهند که مولکولهای آب می توانند به درون لایههای صفحات نانوکلی اصلاح نشده نفوذ کرده و نیروی جاذبه بین صفحات را ضعیف نمایند. این پدیده می تواند نفوذ زنجیرهای پلیمری به درون صفحات نانوکلی را تسهیل کند .[15] این روش برای اولین بار در سال 2003 در بخش تحقیق و توسعه شرکت اتومبیل سازی تویوتا برای ساخت نانوکامپوزیت نایلون 6 و نانوکلی - مونتموریلونیت اصلاح نشده - به کار گرفته شد. از سال 2003 تاکنون استفاده از آب برای بهبود پراکنش نانوذرات کلی، به شکلهای مختلف، در ساخت نانوکامپوزیت پلیمرهایی از قبیل نایلون، پلی پروپیلن و پلی اتیلن سنگین به کار گرفته شده است .[17-15] با این حال، در زمینه تولید نانوکامپوزیت های آلیاژ پلی اتیلن سبک و پلی اتیلن سبک خطی که موارد استفاده زیادی را در صنایع بسته بندی دارند کاری انجام نشده بود.
