تمامی خواص نانوکامپوزیت پلی اتیلن - رُس

دسته: مقالات منتشر شده در 02 شهریور 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 721

خواص مکانیکی، حرارتی و اشتعال پذیری در نانوکامپوزیت های پلی اتیلن/ رس

کامپوزیت های پلی اتیلن/ رس با ترکیب ذوب پلی اتیلن و رس مونت موریلونت که با عوامل بینابینی مختلف اصلاح شدۀ آلی بودند، تهیه شدند. پراش اشعه ایکس با زاویۀ وسیع (WAXD) و میکروسکوپی الکترون عبوری (TEM) نشان دادند که نانوکامپوزیت های PE/ رس در حین استفاده از یک عامل واسطۀ واکنشی شکل می گیرند؛ در حالی که فقط میکروکامپوزیت های معمولی از رس ادغام شده با آلکیل آلومینیوم به دست می آیند. آزمایشات مکانیکی نشان داد که تقویت نانوکامپوزیت ها از موارد معمولی شان مؤثرتر بوده است. پایداری حرارتی و اشتعال پذیری نانوکامپوزیت های PE/ رس با تحلیل ترموگراویمتریک (TGA) و کالریمتری مخروط ارزیابی شدند. با افزودن فقط 2 phr ارگانوکلای، سرعت انتشار پیک حرارتی در نانوکامپوزیت 54 درصد کاهش یافت. مطالعات بیشتر نشان داد که بهبود قابلیت اشتعال پذیری به دلیل تشکیل زغال محافظ غنی شده با رس در هنگام احتراق است.

 

از آنجا که افزودن مقدار کمی رس به ماتریس پلیمر میتواند افزایش چشمگیری در خواص فیزیکی، حرارتی و مکانیکی نانوکامپوزیت های پلیمر/ رس به همراه داشته باشد، در دهه های گذشته بسیار مورد توجه بوده اند. اخیرآ، آزمایشات حرارتی مخروطی نشان داده است که خواص ضد اشتعال دربسیاری از این نانوکامپوزیت ها من جمله پلی آمید 6 (PA6)، پلی آمید 66 (PA66)، پلی پروپیلن (PP)، پلی استایرن (PS) و پلی اتیلن کووینیل استات (EVA) بهبود یافته بود؛ بطوری که سرعت انتشار پیک حرارتی در حین احتراق بطور قابل توجهی کاهش می یابد. PE پرکاربردترین پلیمری است که دارای ترکیبات تصادفی بسیاری از خواص مفید همچون وزن سبک، هزینه کم، مقاومت شیمیایی بالا، ثبات دی الکتریک پایین، ضایعات کم، قابلیت فرآوری بالا و غیره است. اما به دلیل ماهیت شیمیایی اش، از استحکام کافی برخوردار نیست و به راحتی مشتعل می شود. نانوکامپوزیت های PE/ رس با الهام از خواص کلی شان مورد بررسی قرار گرفتند. از آنجا که پلی اتیلن یک پلیمر غیرقطبی است، تهیه نانوکامپوزیت های PE/ رس بسیار دشوار است. در کل، دو روش مؤثر برای ساخت این نانوکامپوزیت ها وجود دارد: پلیمریزاسیون درجا و واسطۀ ذوب. واسطۀ ذوب مطلوب ترین روش برای پلیمرهای ترموپلاستیک است که با کمک آن لایه های رس بطور مستقیم در پلیمرهای مذاب با استفاده از تکنیک های متداول فرآوری مذاب پراکنده می شوند. همچنین این روش برای تهیه نانوکامپوزیت های غیر قطبی پلی الفین/ رس براساس معرفی عامل سازگاری برای مطابقت با قطبیت بین سطح خاک آبدوست و پلیمرهای آبگریز محسوب می شود. در PE، پراکندگی همگن در لایه های رس با استفاده از PE پیوندی با انیدرید مالئیک انجام شد. با این حال، معرفی انیدرید مالئیک باعث تضعیف برخی از خواص مانند ثبات محیطی می شود.

 

ژانگ و ویلکی قابلیت اشتعال پذیری نانوکامپوزیت های PE/ رس را بررسی کردند که با استفاده از واسطۀ ذوب در چندین ارگانوکلای تهیه شده بودند؛ به این نتیجه رسیدند که کاهش نرخ انتشار پیک حرارتی با افزودن 3 درصد وزنی ارگانوکلای، 30-40 درصد بود اما خواص مکانیکی گزارش نشده است. در مطالعات قبلی مان مونت موریلونیت های اصلاح شده با کلروسیلان را بررسی کرده و به این نتیجه رسیدیم که گروه های هیدروکسیل در حاشیۀ لایه های رس قابلیت واکنش دارند. بسیاری از مطالعات نشان دادند که کاهش این گروه ها در حاشیۀ لایه های رس میتواند باعث افزایش PE بین لایه ای شود و نانوکامپوزیت های PE با واسطه ازطریق واسطۀ ذوب حاوی رس معمولی آلکیل آمونیوم پیش تیمارشده با کلروسیلان بدست آمدند. با این حال، اصلاح کلروسیلان یک فرایند زمان بر است و دفع مشکل حلال را نیز شامل می شود. در این مقاله از یک عامل واسطۀ واکنش مستقیم برای اصلاح رس مونت موریلونیت استفاده شد؛ بطوری که واکنش شیمیایی با گروه های هیدروکسیل در حاشیۀ لایه های رس و تبادل یونی بین لایه ای در یک مرحله انجام شد. سپس نانوکامپوزیت های PE/ رس بطور مستقیم توسط PE ذوب و رس اصلاح شدۀ بالا تهیه شدند. این نانوسازه با کمک پراش اشعه ایکس با زاویۀ وسیع (WAXD) تأیید شد و همچنین خواص مکانیکی، حرارتی و اشتعال پذیری آنها نیز مورد ارزیابی قرار گرفت.

 

ساختار کامپوزیت های  PE/رس:

قطبیت خاک رس اساسآ در سطح بین لایه ای آن تشکیل شده است. ازطریق تبادل یونی با آلکیل آمونیوم معمولی، سطح آبدوست رس به آبگریز تبدیل می شود و بنابراین میتوان از آن برای ساخت بسیاری از نانوکامپوزیت های پلیمر/ رس استفاده کرد. اما برای PE غیرقطبی، گروه های هیدروکسیل در حاشیۀ لایه های رس باعث ایجاد نانوکامپوزیت ها می شوند. فقط میکروکامپوزیت های معمولی را میتوان با ذوب مستقیم ترکیب PE و رس اصلاح شده با آلکیل آمونیوم معمولی تهیه کرد؛ با این حال، یک عامل واسطۀ واکنشی را برای اصلاح سطح رس انتخاب کردیم که مولکول های آن، JSAc، شامل هر دو کاتیون تبادل پذیر هستند که بعنوان کاتیون آمونیوم برای جایگزینی Na⁺ بین لایه ای و همچنین گروه های متوکسیل سیلان واکنشی عمل می کنند که می توانند با گروه های هیدروکسیل در حاشیۀ لایه های رس واکنش نشان دهند. واکنش اخیر می تواند میزان جذب بین لایه ای را کاهش داده و قابلیت نم پذیری در pe/ ارگانوکلای را بهبود بخشد؛ در نهایت، باعث افزایش تداخل PE در لایه های داخلی رس می شود. در شکل زیر الگوهای WAXD برای کامپوزیت های رس/ PE و ارگانوکلای ارائه شده است.

 

شکل 1: الگوهای WAXD برای کامپوزیت های رس/ PE و ارگانوکلای

 WAXD patterns of organoclays and PE-clay composites

 

پیک متمایز در PE/DM5 تقریبآ با DM مشابه است و ثابت می کند که سازگاری DM و PE ضعیف بوده و برای تشکیل نانوکامپوزیت ها نامناسب است. بنابراین، کامپوزیت های PE/DM میکروکامپوزیت های معمولی هستند. برای JS، تبادل یونی و واکنش شیمیایی با گروه های هیدروکسیل در حاشیۀ لایه های رس بطور همزمان انجام شد. سپس، گروه های واکنش پذیر متوکسیل سیلان بین مولکول های JSA متصل به سطح یکسان رس می توانند ازطریق هیدرولیز با یکدیگر واکنش نشان دهند؛ که توسط آن گروه های قطبی در سطح رس کاملآ پوشانده شده و درجۀ (001) رس کاهش می یابد. این تأثیرات باعث کاهش نانوکامپوزیت ها می شوند. نتایج بدست آمده نشان داد که نانوکامپوزیت های PE/ رس را میتوان با استفاده از عامل بینابینی واکنش پذیر تهیه کرد اما استفاده از عامل بینابینی معمولی میکروکامپوزیت های معمولی را ایجاد می کند. در شکل زیر تصویر TEM از PE/JS5 حاوی 5 phr ارگانوکلای JSارائه شده است.

 

شکل 1:TEM از PE/JS5 حاوی 5 phr ارگانوکلای JS

 TEM image of PE-clay nanocomposite containing 5 phr of JS

 

در همین حال، باوجود لایه های رس لایه برداری شده، برخی از سنگدانه های لایۀ رس همچنان در ماتریس PE وجود دارند. بنابراین کامپوزیت های PE/JS بدست آمده را میتوان نانوکامپوزیت هایی دانست که نسبتآ لایه برداری شده اند.

 

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی کامپوزیت های به عوامل مختلفی من جمله نسبت ابعاد فیلر، میزان پراکندگی فیلر در رزین ماتریسی و چسبندگی در تداخل فیلر/ ماتریس بستگی دارد. در جدول زیر فهرستی از خواص مکانیکی در نانوکامپوزیت های PE/ رس ارائه شده است.

 

جدول 1: خواص مکانیکی PE در نانوکامپوزیت های PE/ رس

 Mechanical properties of PE and PE-clay composites

 

با افزایش بار رس، مقاومت و مدول کامپوزیت های PE/ رس نیز افزایش می یابد؛ در حالی که مقاومت ضربه ای کاهش می یابد. بدیهی است که مقاومت و مدول در کامپوزیت های PE/ رس از همتایان PE/DM نسبی شان بیشتر است. پراکندگی ارگانوکلای در نانوکامپوزیت های PE/JS بهتر از کامپوزیت های PE/DM است؛ بنابراین، نانوکامپوزیت های PE/JS مقاوم تر از میکروکامپوزیت های PE/DM نیز هستند. علاوه براین، دارای خواص مکانیکی منحصر به فردی هستند.

 

خواص حرارتی

لایه های رس دارای مانع خوبی هستند که می توانند پایداری حرارتی نانوکامپوزیت های رس/ پلیمر را بهبود بخشد. ازطرفی، کاتیون های آلکیل آمونیوم موجود در ارگانوکلای میتوانند پس از واکنش حذف هافمن تجزیه شوند و محصول حاصل از آنها نیز باعث تخریب ماتریس پلیمری می شود. همچنین رس نیز می تواند تجزیۀ ماتریس های پلیمری را کاتالیز کند. دو اقدام اخیر باعث کاهش پایداری حرارتی نانوکامپوزیت های رس/ پلیمر می شود. پایداری حرارتی PE و نانوکامپوزیت های PE/ رس توسط GTA بررسی شده اند و منحنی های TGA و DTG آنها نیز در اتمسفر نیتروژن در شکل زیر ارائه شده است.

 

شکل 2: منحنی های TGA و DTG آنها نیز در نانوکامپوزیت های PE/ رس اتمسفر نیتروژن

 TGA and DTG curves of PE and PE-clay nanocomposites

 

در دمای بالاتر از 400 درجه سلسیوس، نانوکامپوزیت های PE/ رس پایداری بیشتری از PE خالص دارند. همچنین، شروع درجه حرارت در این نانوکامپوزیت ها همگی بالاتر از PE خالص هستند. با افزایش بار رس، شروع حرارت در آنها کاهش می یابد. از منحنی های DTG، حداکثر دمای ترکیب (Tmax) بدست می آید که برای PE خالص، PE/JS2، PE/JS5، PE/JS10 و PE/JS15 به ترتیب 484، 492، 491، 484 و 497 درجه است. بطور خلاصه، ارگانوکلای دارای دو عملکرد متضاد در پایداری حرارتی نانوکامپوزیت های پلیمر/ رس است: اول، اثر مانع آن است که بایستی پایداری حرارتی را بهبود بخشد و دوم، تأثیر کاتالیستی بر تخریب ماتریس پلیمری است که باعث تجزیۀ ماتریس پلیمری می شود که آن نیز پایداری حرارتی را کاهش خواهد داد. با افزودن کسری کم به ماتریس پلیمر، لایه های رس بایستی بخوبی پراکنده شوند؛ اثر مانع غالب است اما با افزایش بار، اثر کاتالیستی نیز به سرعت افزایش یافته و غالب می شود؛ به طوری که ثبات حرارتی نانوکامپوزیت ها کاهش می یابد. ثبات حرارتی PE/JS2 در نانوکامپوزیت های PE/JS بهترین است؛ با افزایش بار رس به 10 phr، Tmax آن نیز تقریبآ کمتر از PE خالص است.

 

خواص اشتعال پذیری

کالریمتری مخروط یک روش مؤثر در اندازه گیری میزان اشتعال پذیری مواد در شرایط مشابه محسوب می شود. منحنی های سرعت انتشار حرارت (HRR) در نانوکامپوزیت های PE و PE/ رس در شکل زیر ارائه شده است.

 

شکل 3: منحنی های سرعت انتشار حرارت (HRR) در نانوکامپوزیت های PE و  PE/ رس

 Heat release rate for PE and PE-clay nanocomposites

 

در مقایسه با PE خالص، مقادیر پیک HRR در نانوکامپوزیت های PE/ رس بطرز چشمگیری کاهش می یابد و با افزایش بار رس که بهبود قابل توجهی در میزان اشتعال پذیری آنها را نشان می دهد، نیز مجددآ کاهش می یابد. باتوجه به شکل بالا، میتوان مشاهده کرد که افزودن JS زمان القای سوختن (tᵢ) را تغییر می دهد و منحنی های HRR در نانوکامپوزیت های PE/ رس نیز پس از احتراق دو مرحلۀ اساسی را نشان می دهند: مرحله افزایش سریع و مرحلۀ پلاتو بعنوان تابعی از زمان. tᵢ در PE، PE/JS2، PE/JS5، PE/JS10 و PE/JS15 به ترتیب 113، 184، 157.5، 114 و 103 است. با ترکیب تحلیل فوق برای پایداری حرارتی، ارگانوکلای همچنین دارای دو اثر متضاد بر روی نانوکامپوزیت های PE/ رس است: اثر مانع برای بهبود tᵢ و کاتالیست برای کاهش آن. نتیجۀ این ادغام این است که PE/JS2 بزرگترین است؛ با افزایش بار رس، tᵢ نیز کاهش یافت. در مرحله اولیه پس از اشتعال، HRR در نانوکامپوزیت های PE/ رس بعنوان تابعی از زمان به دلیل کاتالیست توسط ارگانوکلای، سریع تر از PEافزایش می یابد و سپس این نانوکامپوزیت ها به دلیل افزایش پایداری شعله به مرحلۀ پلاتو باز میگردند. در جدول زیر برخی از داده های این نانوکامپوزیت ها در آزمایشات کالریمتری مخروط ارائه شده است.

 

جدول 2: داده ثبت شده در آزمایشات کالریمتری مخروط

 Heat release rate for PE and PE-clay nanocomposite

 

همچنین در این نانوکامپوزیت ها با افزایش بار رس، میزان MLR کاهش می یابد اما تفاوت معناداری در انتشار کلی حرارت و میانگین حرارت مؤثر احتراق (EHC) بین آنها و PE خالص وجود ندارد. علاوه براین، آنها افزایش در CO و CO₂ را نشان نمی دهند.

 

نتیجه گیری

از عامل بینابینی واکنش برای اصلاح رس مونت موریلونیت استفاده شد و نانوکامپوزیت های PE/ رس با واسطه ذوب آماده شدند. در صورت استفاده از عامل متداخل معمولی، فقط میکروکامپوزیت های معمولی ایجاد می شوند. نانوکامپوزیت ها در مقایسه با کامپوزیت های معمولی مقاوم تر هستند. ارگانوکلای دارای دو عملکرد متضاد در پایداری حرارتی نانوکامپوزیت های PE/ رس است: اول، اثر مانع است که بایستی پایداری حرارتی را بهبود دهد  و دوم، کاتالیست است که منجر به کاهش پایداری حرارتی می شود. به دلیل تشکیل زغال محافظ غنی شده با رس، قابلیت اشتعال پذیری در این نانوکامپوزیت ها در حین احتراق بطور قابل توجهی بهبود یافت.