بخشی از مقاله
چکیده
الیاف تک فیلامنتی پلیپروپیلن خالص و الیاف نانو کامپوزیت پلیپروپیلن/نانو صفحات گرافن - GnPs - حاوي درصدهاي متفاوتی از GnPs تولید شدند و رفتار تبلور همدماي آنها با استفاده از گرماسنج پویشی تفاضلی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان میدهد که براي همه نمونههاي مورد بررسی، پیکهاي جریان حرارتی در دماهاي تبلور بالاتر پهنتر بوده و زمانهاي طولانیتري را نشان دادهاند. همچنین با افزایش دماي تبلور، سرعت هستهزایی و در نهایت سرعت کلی تبلور کاهش مییابد. تلاش گردید تا با بررسی مراحل اولیه و ثانویه تبلور، این مشاهدات شرح داده شوند.
مقدمه
نانو کامپوزیتهايپلیمري گروه نسبتاً جدیدي از مواد کامپوزیتی میباشند که داراي ویژگیهاي متعددي بوده و توجه محافل علمی و تجاري حوزه مواد پیشرفته را به خود جلب نمودهاند. در سالهاي اخیر نانو صفحات گرافن - GnPs - بدلیل خصوصیات فیزیکی منحصربفرد و پتانسیل تولید به صرفه در مقیاس بالا، به عنوان افزودنی مناسب جهت تولید نانو کامپوزیتهاي پلیمري مورد توجه قرار گرفتهاند.[1] مطالعات نشان میدهد که خواص پلیمرهاي نیمه بلوري مانند خواص مکانیکی و حرارتی، وابستگی زیادي به رفتار بلوري شدن و ریختشناسی بلور مواد دارد. بنابراین، براي حصول بهترین شرایط فرآورش در یک فرآیند صنعتی و نیز تولید محصولات با بهترین عملکرد، لازمست رفتار بلوري شدن پلیمر نیمه بلوري مورد بررسی قرار گیرد.[2-4] در این مقاله، سینتیک بلوري شدن همدما الیاف پلیپروپیلن خالص و الیاف پلیپروپیلن/ نانو صفحات گرافن با استفاده از گرماسنج پویشی تفاضلی مورد بررسی قرار میگیرد.
مواد و روشها
ماتریس پلیمري مورد استفاده در این پروژه پلیپروپیلن نوع الیاف با نام تجاري 512P و شاخص جریان مذاب 25 g/10min ساخت شرکت سابیک عربستان میباشد. آمیزه PP/GnPs حاوي 10 درصد وزنی ازGnPs از شرکت Oviation Polymers آمریکا تهیه شد. نانو صفحات گرافن مورد استفاده بعنوان افزودنی در آمیزه توسط شرکت XG Sciences آمریکا تولید شده و با نوعMنامگذاري شدهاند. طبق اظهارات تولید کننده، نوع M حاوي نانو صفحات گرافن است که بر روي یکدیگر قرار گرفتهاند و ضخامت وقطر آن بترتیب 6-8 نانومتر و 5 میکرون میباشد.
جهت پخش بهتر GnPs در ماتریس PP و تهیه آمیزه نهایی حاوي مقادیر مختلفGnPsبراي ذوب ریسی، فرآیند اختلاط گرانولهاي PP و آمیزه PP/GnPs و در حقیقت رقیق سازي این آمیزه در اکسترودر دو مارپیچه در اکسترودر دو مارپیچه همسانگرد - Coperion Werner &Pfleiderer - با ماردون مدل ZSK-25 و نسبت طول به قطر 40 انجام شد. رشتههاي اکسترود شده در آب خنک شده و سپس جهت انجام فرآیند ذوبریسی توسط خردکن به گرانول تبدیل شدند. گرانولهاي PP خالص نیز جهت داشتن تاریخچه حرارتی یکسان با آمیزههاي آماده شده با شرایط مشابه اکسترود شدند.
براي تولید الیاف تک فیلامنتی از یک واحد ذوبریسی آزمایشگاهی - FourneSpintester - استفاده شد که قطر روزنه رشتهساز آن 1000 میکرون میباشد. آمیزههاي تولید شده به دستگاه ذوبریسی تغذیه شده و الیاف تک فیلامنتی با درصدهاي مشخص GnPs تولید شدند. براي بررسی خواص حرارتی کلیه نمونهها از دستگاه گرماسنج پویشی تفاضلی - DSC - مدل 2010 ساخت شرکت TA Instrument آمریکا استفاده شد.
براي بررسی سینتیک تبلور همدما، نمونههایی با وزن 5-7 mg از الیاف ریز شده در محدوده دماي محیط تا دماي 200 C و با سرعت 10 C /min حرارت داده شده و به منظور از بین بردن تاریخچه حرارتی به مدت 5 دقیقه در این دما نگه داشته شدند. سپس مذاب پلیمري با سرعت سرمایش بالا تا دماهاي تبلور متفاوت - محدوده 130-140 C براي نمونههاي مختلف - سرد شد. سیکلهاي حرارتدهی و سرد کردن تحت جریان نیتروژن انجام شد.
نتایج و بحث
شکل 1 منحنیهاي جریان حرارتی در برابر زمان تبلور را براي الیاف PP خالص و الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs در دماهاي تبلور متفاوت نشان میدهد. در سیستم مورد بررسی، تبلور الیاف پلیپروپیلن خالص در دماهاي بالا بسیار آهسته بوده است بنابراین محدوده دمایی پایینتري براي مطالعات تبلور همدماي الیاف PP نسبت به الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs انتخاب شده است. براي همه نمونههاي مورد بررسی، پیکهاي جریان حرارتی در دماهاي تبلور بالاتر پهنتر بوده و زمانهاي طولانیتري را نشان دادهاند.
این موضوع بیانگر آنست که در دماهاي بالاتر، فرآیند تبلور طولانیتر بوده و سرعت تبلور پایینتر است. در دماهاي تبلور بالا، زمان القاء براي هستهزایی در مورد الیاف PP خالص طولانیتر بوده و نرخ رشد بلور آهستهتر است که این امر منجر به طولانیتر شدن فرآیند تبلور میشود؛ در حالیکه در مورد الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs، نرخ هستهزایی و رشد بلور براي آنالیز در دماهاي پایین خیلی سریع بود. بنابراین دماهاي تبلور انتخاب شده براي الیاف PP و الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs تا حدودي متفاوت انتخاب شدند.
تاثیر دماي تبلور و حضور GnPs بر سرعت تبلور در منحنیهاي تبلور نسبی مشهودتر است. این منحنیها از طریق انتگرالگیري از پیک گرمازا در زمانهاي مختلف تقسیم بر انتگرال کل پیک گرمازا بدست میآیند. تبلور نسبیXt با معادله - 1 - بیان میشود: در این معادله dH/dt نشاندهنده جریان حرارتی در طی فرآیند تبلور، - Xt - t و Xt - ∞ - بترتیب نمایانگر تبلور در زمان t و زمان انتهاي فرآیند تبلور میباشد. شکل 2 تاثیر دماي تبلور را بر سینتیک تبلور الیاف PP، PP/G0.01 و PP/G0.5 نشان میدهد.
همانطور که مشاهده میشود همه منحنیها بصورت S شکل میباشند. فرآیند تبلور شامل دو مرحله تبلور اولیه و تبلور ثانویه میباشد. تبلور اولیه مراحل هستهزایی اولیه و رشد بلورها را در بر میگیرد و تبلور ثانویه شامل تغییرات داخلی و تکامل گویچهها است. مقایسه شیب منحنی تبلور نسبی نمونهها در برابر زمان نشان میدهد که سرعت تبلور در دماهاي بالاتر کاهش مییابد. با افزایش دماي تبلور منحنیهاي تبلور نسبی به سمت راست - زمانهاي طولانیتر - انتقال یافتهاند که نمایانگر این نکته است که زمان بیشتري براي بلورینگی کلی مورد نیاز میباشد. میتوان گفت در دماي بالا سرعت هستهزایی عامل کنترل کننده سرعت تبلور میباشد.
