بخشی از مقاله
چکیده
نخ چند فیلامنتی پلیپروپیلن خالص - PP - و الیاف نانو کامپوزیت پلیپروپیلن/نانو صفحات گرافن - GnPs - حاوي %0/1 GnPs در سرعتهاي 1000 تا 2000 متر بر دقیقه تولید شدند و ساختار بلوري آنها با استفاده از پراش اشعه ایکس با زاویه پهن - WAXD - و گرماسنج پویشی تفاضلی - DSC - مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج WAXD نشان دهنده عدم تاثیر GnPs بر ساختار بلوري آلفا مونوکلینیک PP در الیاف PP/GnPs میباشد. همچنین تفاوت قابل ملاحظهاي در شدت نسبی پیک پراش صفحات - 040 - / - 110 - در الیاف PP خالص و الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs در سرعتهاي مختلف وجود ندارد. مطالعه رفتار حرارتی الیاف PP/GnPs نشاندهنده عدم تغییر دماي ذوب و بلورینگی و افزایش دماي شروع تبلور و دماي پیک تبلور الیاف PP در حضور GnPs میباشد.
مقدمه
فناوري نانو یک فناوري نوظهور و بین رشتهاي است که کاربردهاي زیادي در زمینههاي مختلف از جمله طراحی و تولید مواد نانو کامپوزیت دارد. نانو کامپوزیتهاي پلیمري از طریق افزودن نانو مواد مختلف در ماتریس پلیمرها تولید میشوند. استفاده از مواد پلیمري در صنعت نساجی بدلیل خصوصیات منحصربفرد از قبیل انعطافپذیري و قابلیت کششپذیري مطلوب بوده و کاربردهاي زیادي یافتهاند.
مفهوم دانش نانو کامپوزیتهاي پلیمري در صنعت نساجی و تکنولوژي الیاف، نسل جدیدي از الیاف را بعنوان الیاف نانو کامپوزیت ایجاد نموده است. در این راستا از نانو مواد متفاوتی جهت کاربردهاي مختلف استفاده شده استیکی. از این مواد که اخیراً مورد توجه محققان قرار گرفته است نانو صفحات گرافن میباشد که بدلیل خصوصیات منحصر بفرد و کشف روشهاي متفاوت براي تولید آن،محققان در سراسر دنیا به تحقیق در این زمینه روي آوردهاند.
علیرغم افزایش مطالعات بر روي نانو کامپوزیتهاي بر پایه گرافن، بیشتر مطالعات بر روي فیلم و قالبهاي پلاستیکی انجام شده و تحقیقات منتشر شده محدودي در مورد تولید و بررسی ویژگیهاي الیاف نانو کامپوزیت بر پایه گرافن وجود دارد.
ذوبریسی فرآیند پیچیدهاي است که در آن ظهور ساختار الیاف از طریق برهمکنش زنجیرهاي پلیمري با دما، تنش برشی و کششی در خط ریسندگی و تغییر فاز تعیین میشود. تغییرات ایجاد شده در رئولوژي مذاب پلیمري بدلیل افزودن مواد نانو ممکن است مکانیزم شکلگیري الیاف را تغییر داده و منجر به تغییرات در ساختار و خصوصیات الیاف شود. از آنجاییکه شرایط تولید الیاف عموماً متفاوت از تولید فیلم و فرآیندهاي دیگر تولید پلیمر میباشد، کامپوزیتهاي پلیمري به شکل الیاف ممکن است خصوصیات ساختاري متفاوتی را نسبت به مواد قالب گیري شده نشان دهند.
در این تحقیق، الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs از طریق افزودن نانو صفحات گرافن - GnPs - به پلیمر PP در سرعتهاي بالا تولید شده و تاثیر حضور افزودنی بر روي ساختار بلوري الیاف مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد و روشها
پلیپروپیلن مورد استفاده از نوع الیاف با نام تجاري 512P میباشد که داراي وزن مولکولی 186000g/mol - Mw - و شاخص جریان مذاب 25 g/10min است.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 شرکتXG Sciences آمریکا تولید شده و با نوعMنامگذاري شدهاند. طبق اظهارات تولیدکننده، 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. مساحت سطحی این نانو صفحات120-150m2/g میباشد.
جهت پخش بهتر GnPs در ماتریس PP و تهیه آمیزه نهایی حاوي GnPs%0/1براي ذوبریسی، فرآیند اختلاط گرانولهاي PP و آمیزه PP/GnPs 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. دماي نواحی حرارتی اکسترودر از بخش تغذیه تا انتهاي اکسترودر بترتیب175، 185، 195و 200 درجه سانتیگراد و سرعت مارپیچ 250 دور بر دقیقه انتخاب شد.گرانولهاي PP خالص نیز جهت داشتن تاریخچه حرارتی یکسان با آمیزههاي آماده شده با شرایط مشابه اکسترود شدند.
تولید نخهاي چند فیلامنتی با استفاده از یک واحد ذوبریسی نیمه صنعتی - Pilot Plant - ساخت شرکت Fourne-Automatic آلمان انجام شد. جهت بررسی تاثیر سرعت برداشت بر ساختار بلوري الیاف نانو کامپوزیتPP/GnPs نمونههایی با سرعتهاي برداشت 1000، 1500 و 2000 متر بر دقیقه تولید شدند.
الگوهاي پراش اشعه ایکس با زاویه پهن با استفاده از دستگاه EQUINOX 1000 X-ray - Inel, France - ساخت کشور فرانسه بدست آمد. آزمایش پراش اشعه ایکس در ولتاژ 40 kV و جریان 40 mA انجام و طول موج پرتو Cu Kα - Å - انتخاب شد. اندازه بلور با استفاده از رابطه شرر محاسبه شد.
در این رابطه ACS اندازه ظاهري بلور، K فاکتور تصحیح و داراي مقدار 0/9، λ طول موج اشعه ایکس، β عرض در نصف شدت بیشینه بر حسب رادیان و θ زاویه پراش میباشد.
براي بررسی خواص حرارتی کلیه نمونهها از دستگاه گرماسنج پویشی تفاضلی - DSC - مدل 2010 ساخت
شرکت آمریکا استفاده شد. نمونههاي با وزن 5-7 mg از الیاف ریز شده در محدوده دماي محیط تا دماي 200 C حرارت داده شده و به منظور از بین بردن تاریخچه حرارتی به مدت 5 دقیقه در این دما نگه داشته شدند. سپس نمونهها تا دماي محیط خنک شدند. سیکلهاي حرارتدهی و سرد کردن در سرعت 10 C /min و تحت جریان نیتروژن انجام شد. درصد تبلور نمونهها - Xc - براساس رابطه - 2 - محاسبه شد.
نتایج و بحث
در شکل 1 الگوي پراش اشعه ایکس با زاویه پهن براي الیاف چند فیلامنتی ذوبریسی شده در سرعتهاي برداشت مختلف نشان داده شده است. جدول 1 دادههاي بدست آمده از این الگوها را براي صفحات - 110 - و - 040 - نشان میدهد. در الگوي پراش PP خالص، چهار پیک مربوط به صفحات - 110 - ، - 040 - ، - 130 - و - 041 - ، - - 111 ظاهر شده است که نمایانگر ساختار بلوري آلفا مونوکلینیک است.
ساختار بلوري آلفا مونوکلینیک PP در هر سه سرعت برداشت و نیز در حضور GnPs در الیاف نانو کامپوزیت حفظ شده است. در سرعت برداشت 2000 متر بر دقیقه، پیک پراش صفحات - 111 - - 041 - به خوبی قابل رویت نیست در حالیکه پیک پراش صفحه - 060 - ظاهر شده است که این موضوع در مورد الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs نیز صادق است.
دادههاي جدول 1 نشان میدهد که با افزایش سرعت برداشت، شدت نسبی پیک پراش صفحات - 040 - / - 110 - کاهش مییابد که این کاهش در حضور GnPs در الیاف نانو کامپوزیت نیز رخ میدهد. ولی تفاوت قابل ملاحظهاي در شدت نسبی پیک پراش صفحات یاد شده در الیاف PP خالص و الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs در سرعتهاي مختلف وجود ندارد. بطور کلی میتوان گفت در سرعتهاي بالاتر از 1000 متر بر دقیقه، نقش هستهزاییGnPs در حال کمرنگ شدن است و بیشتر خود زنجیرهايPP تحت تاثیر تنش وارده از سوي غلتک برداشت، نقش اصلی را در شکلدهی ساختار بلوري ایفا میکنند.
