بخشی از مقاله
چکیده
امروزه، نانو کامپوزیتهاي پلیمر/ خاك رس نسبت به پلیمرهاي خالص، به دلیل خواص حرارتی، مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی مطلوب تر، بیشتر مورداستفاده قرار میگیرند. در این پژوهش، نانو کامپوزیتهاي پلیاستایرن/ خاك رس اصلاحشده به روش اختلاط مذاب تهیه و اثر اضافه شدن پرکننده بر روي خواص ساختاري و حرارتی نانو کامپوزیتها بررسی شد. نتایج حاصل از آزمون XRD نشان داد که فاصله صفحات خاك رس در نانو کامپوزیتهاي تهیهشده افزایشیافته و صفحات بهصورت میان لایهاي درزمینهي پلیاستایرن قرارگرفتهاند. نتایج حاصل از آزمون DSC نشان داد که دماي انتقال شیشهاي نانو کامپوزیتها در مقایسه با پلیاستایرن خالص افزایش یافته و رابطه مستقیمی میان افزایش دماي انتقال شیشهاي و میزان بارگذاري خاك رس در نمونه هاي نانوکامپوزیت وجود دارد.
کلمات کلیدي نانو کامپوزیت، پلیاستایرن، خاك رس، خواص حرارتی، دماي انتقال شیشهاي.
مقدمه
کامپوزیت به مادهاي مرکب اطلاق میشود که از دو یا چند فاز مشخص تشکیلشده، بهنحويکه فازها بهصورت مجزا، خواصکاملاً متفاوتی با یکدیگر داشته باشند. هدف از تهیهي مواد کامپوزیتی، تقویت یکی از فازهاي تشکیلدهندهي آنها است. به فاز تقویت شونده اصطلاحاً فاز ماتریس - فاز زمینه یا پیوسته - و به فاز تقویتکننده، فاز ناپیوسته گفته میشود.کامپوزیتهاي پلیمري که فاز زمینه آنها ماده پلیمري است، یکی از مهمترین دستههاي مواد کامپوزیتی به شمار میآید. کامپوزیتهاي پلیمري ازنظر نوع فاز تقویتکننده به دو گروه کامپوزیتهاي لیفی و پودري تقسیمبندي میشوند. در کامپوزیتهاي لیفی، فاز تقویتکننده از رشتههاي کوتاه یا بلند الیاف تشکیلشده و در کامپوزیتهاي پودري، این فاز بهصورت پودر یا ذرات ریز است.
علیرغم کار آیی مطلوب فناوري کامپوزیتها در تهیهي مواد با خلوص مطلوب، در اغلب موارد، مواد کامپوزیت پاسخگوي نیاز صنعتی نبوده است. در سال هاي اخیر، محققان به این نتیجه رسیدهاند که چنانچه بتوان مواد را در مقیاسهاي کوچکتر تهیه کرد، پیوندهایی که ماده با ابعاد کوچک با فازهاي اطراف خود برقرار میکند، بهمراتب قويتر از مقیاسهاي بزرگتر است. بر این اساس، شاخهي جدیدي از مواد کامپوزیتی تحت عنوان نانو کامپوزیتها، با ترکیبی از فناوري نانو و فناوري مواد کامپوزیت، ارائه و توسعهیافته است.بر اساس تعریف، نانو کامپوزیت به مادهاي گفته میشود که حداقل یکی از فازهاي تشکیلدهندهي آن داراي ابعاد نانو - بین 1 تا 100 نانومتر - باشد.
در تهیهي مواد نانو کامپوزیت، اغلب از پودر-هایی که حداقل دریکی از ابعاد سهگانهي خویش داراي مقیاس نانو هستند، بهعنوان فاز تقویتکننده استفاده میشود. خاك رس یک نمونه معروف از این قبیل پودرها است که با توجه به خاصیت بینظیر آن در به هم آمیختگی با فازهاي ماتریس - بهویژه در صورت اصلاح شیمیایی آن - موردتوجه و استفاده قرارگرفته است. نانو کامپوزیتها در مقایسه با سایر مواد کامپوزیت، به دلیل داشتن خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی برتر، کاربردهاي وسیع-تري دارند.
برخی از کاربردهاي این مواد عبارتاند از: صنایع هوانوردي، اتومبیلسازي، لاستیک، ارتباطات، صنایع شیمیایی، متالوژي، داروسازي، بهداشت و علوم بیولوژیکی، فناوريهاي انرژي و ... . نانو کامپوزیتهاي پلیمر خاك رس ازجمله مواد نانو کامپوزیتی هستند که به دلیل خواص قابلملاحظهي آنها در مقایسه با پلیمرهاي خالص، بهعنوان تحولی در عرصهي تولید مواد پلیمري به شمار میآیند. آنها از دو فاز زمینه و تقویتکننده تشکیل می-شوند که فاز زمینه را مواد پلیمري و فاز تقویتکننده را صفحات نانومتري سیلیکا تشکیل میدهد.
با توجه به ابعاد نانومتري فاز تقویتکننده، نانو کامپوزیت حاصل داراي خواص منحصربهفردي است و خواص بسیار بهتري؛ ازجمله خواص مکانیکی و حرارتی، نسبت به کامپوزیتهاي معمولی و پلیمر خالص مشاهده میشود. عملکرد این قبیل نانو کامپوزیتها به میزان بسیار زیادي به نحوه اختلاط دو فاز، ساختار کامپوزیت حاصل و چگونگی آرایش فاز تقویتکننده در آن بستگی دارد .
مورفولوژي نانو کامپوزیتهاي پلیمر/ خاك رس با توجه به نحوه پخش خاك رس درزمینهي پلیمر در سه دسته مخلوط نشده، میان لایه و ورقه ورقه دستهبندي میشود. پارامترهاي گوناگونی همچون نوع خاك رس، نوع اصلاحکننده، ماتریس پلیمر و روش تهیه نانو کامپوزیت میتواند بر میزان ساختار مخلوط نشده، میان لایه و ورقه ورقه تأثیر گذارد.در سالهاي اخیر، نانو کامپوزیتهاي پلیمر/ سیلیکاتهاي لایهاي به این دلیل که درقیاس با پلیمرهاي خالص یا میکرو کامپوزیتهاي متعارف، بهبود چشمگیري را در خواص مواد نشان دادند. این بهبود میتواند شامل افزایش مدول الاستیک، استحکام کششی و مقاومت حرارتی و کاهش نفوذپذیري گاز و اشتعالپذیري باشد.
در این پژوهش، نانو کامپوزیتهاي پلیمر / خاك رس بر پایه پلیاستایرن بهعنوان یکی از پلیمرهاي پرمصرف در صنایع پزشکی، نظامی، بستهبندي و ... براي مصرف در موارد عملی و با پایداري حرارتی بالا در مقایسه با پلیاستایرن خالص تهیه شد. براي تهیهي نانو کامپوزیتها از عامل تقویتکننده خاك رس مونت موریلونیت اصلاحشده استفاده شد و نمونه ها به روش اختلاط مذاب تهیه شدند.
تهیهي نانو کامپوزیتهاي PS-C20
بهمنظور تهیه نانو کامپوزیتهاي از روش اختلاط مذاب استفاده شد. براي این منظور مقادیر موردنیاز از پلیاستایرن به همراه مقادیر متفاوتی از 0 - C20، 1 و 3 درصد وزنی بر مبناي جرم پلیاستایرن - در دستگاه برابندر با دور و دماي 190 oC مخلوط شد. عملیات اختلاط بهصورت پیوسته و به مدت 10 دقیقه انجام گرفت. در نهایت نمونههاي پلیاستایرن خالص و نانو کامپوزیتهاي حاوي 1 و 3 درصد وزنی از تهیه شد و در آزمونهاي موردنظر استفاده شد.
آزمون تفرق اشعهي ایکس
بهمنظور بررسی مشخصههاي ساختاري و تعیین فاصلهي بین صفحات سیلیکاتی در C20 و همچنین تعیین نحوهي آرایش لایه-هاي سیلیکاتی در نانو کامپوزیتهاي تهیهشده از آزمون XRD استفاده شد. این آزمون براي پلیاستایرن خالص، نانو کامپوزیتهاي تهیهشده و خاك رس C20 در دو بازه مختلف انجام پذیرفت. بازهي اول در محدوده روبش 1 تا 10 درجه و با سرعت اسکن معادل 1/2o /min انجام گرفت. بازهي دوم نیز در محدوده روبش 10 تا 90 درجه و با سرعت 1/2 o/ min روبش شد.
آزمون گرماسنجی پویشی تفاضلی
بهمنظور تعیین دماي انتقال شیشهاي از آزمون DSC استفاده شد. میزان افزایش دماي انتقال شیشهاي نانو کامپوزیتهاي تهیهشده در مقایسه با پلیاستایرن خالص سنجیده شد. این آزمون در بازهي دمایی 50 تا 225 درجهي سانتیگراد، با نرخ 5 oC/min تحت جو گاز نیتروژن انجام گرفت.
تفرق اشعهي ایکس
مشخصههاي ساختاري خاك رس اصلاحشده و همچنین نانو کامپوزیتهاي تهیهشده، به روشی که در بخش تجربی به آن اشاره شد، تعیین شد. منحنیهاي XRD نمونههاي موردنظر را نشان میدهد. قسمت - الف - از این شکل در زاویهي 1 تا 10 درجه و قسمت - ب - در بازهي 10 تا 90 ترسیم شده است. همانطور که در قسمت - الف - مشاهده میشود، منحنی XRD مربوط به C20 داراي یک نقطهي بیشینه شدت جذب در نقطهي 2Ө معادل با 7/24 o است.
این نقطه در نانو کامپوزیتهاي تهیهشده به زاویهي حدود 2/4 o منتقلشده است. با توجه به این موضوع که همواره رابطهي معکوس بین زاویهي بیشینه جذب و فاصلهي بین صفحات لایهاي خاك رس وجود دارد، این امر به این معنی است که فاصلهي بین صفحات سیلیکاتهاي لایهاي در نانو کامپوزیتهاي تهیهشده، افزایشیافته است. اگر این فاصله براي و نانو کامپوزیتها طبق رابطهي براگ محاسبه شود، افزایش فاصلهي 1/3 nm مشاهده میشود.
نتیجهي حاصل بیانگر آن است که فرآیند تهیهي نانو کامپوزیتها موفقیتآمیز بوده است و طی آن زنجیرههاي پلیمري پلیاستایرن در فواصل بین لایهاي C20 نفوذ کرده و به واسطه ي آن فاصلهي بین لایهاي C20 افزایشیافته است. این امر نشاندهندهي تشکیل ساختار میان لایهاي است. لازم به توضیح است که فرآیند اصلاح خاك رس با بازدهی مشخصی همراه است، یعنی مقداري از خاك رس به هنگام عملیات اصلاح، دستنخورده باقی میمانند و اصلاحکننده بر آنها اثر نمیکند.
از اینرو، براي C20 یک نقطهي بیشینهي دیگر در زاویهي 7/24 o مشاهده میشود. این نقطه مربوط به خاك رس اصلاحنشده است. این نقطهي بیشینه در نانو کامپوزیتهاي تهیهشده در دو بخش دیده میشود. بخشی در زاویهي و قسمتی وجود دارد. نقطهي بیشینه-ي مربوط به زاویهي 4/91 o نشاندهندهي افزایش فاصلهي صفحات بخشی از خاك رس اصلاحنشده است که به تشکیل نانو کامپوزیت و ایجاد ساختار میان لایهاي کمک کرده است، نقطهي بیشینه در زاویهي 7/24 o در نانو کامپوزیتها هم نشاندهندهي بخشی از خاك رس اصلاحنشده است که به حالت توده در نانو کامپوزیتهاي تهیهشده باقیمانده است.
همچنین با بررسی الگوي XRD در قسمت - ب - که مربوط به بازهي 10 تا 90 درجه است، مشاهده شد که اغلب نقاط بیشینه شاخص مربوط به C20 در نانو کامپوزیتهاي تهیهشده نیز وجود دارد. در تشکیل نانو کامپوزیت ممکن است هر سه ساختار مخلوط نشده، میان لایهاي و ورقه ورقه حضورداشته باشند، اما معمولاً جزء غالب براي ساختار گزارش میشود. درمجموع میتوان عنوان کرد که نانو کامپوزیتهاي تهیهشدهي PS-C20، بدون توجه به میزان خاك رس اصلاحشدهي موجود در آنها، داراي ساختار میان لایهاي هستند.
