نانو کامپوزیت PP تقویت شده با خاک رس

دسته: مقالات منتشر شده در 03 مرداد 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 449

بررسی جذب آب در نانوکامپوزیت های پلی پروپیلن تقویت شده با خاک رس

در این مقاله، رفتار نانوکامپوزیت های پلی پروپیلن حاوی مقادیر مختلفی از نانو کلی تجاری در مواجهه با آب مقطر و آب دریا در دماهای متفاوت مورد بررسی قرار گرفته و با پلی پروپیلن تمیز مقایسه شده است. در مراحل اولیه، افزایش وزن (جذب رطوبت) از قانون دوم فیک پیروی می کند اما در زمان های طولانی تر، انحرافات به دلیل تجزیه فیزیکی و در برخی موارد کاهش جرم مشاهده می شود. آب مقطر سریع تر از آب دریا پخش می شود. با افزایش محتوای نانورس، هم سرعت جذب رطوبت و هم حداکثر میزان رطوبت بالا می رود که علت آن را بایستی به ماهیت آبدوستی نانورس و عامل سازگارکننده نسبت داد. اگرچه رطوبت خواص خمشی نانوکامپوزیت ها و پلی پروپیلن تمیز را کاهش می دهد؛ چون نانوکامپوزیت های unexposed (به صورت قالب گیری شده) به طور قابل ملاحظه ای برتر از پلی پروپیلن تمیز هستند، حتی پس از قرار گرفتن طولانی مدت نیز چنین باقی می مانند.

 

نانوکامپوزیت های پلیمری پلیمرهایی هستند که با مقادیر کمی از نانو ذرات (نانو فیلرها) تقویت شده اند. این مواد جایگزینی آزادی برای پلیمرهای پرشدۀ معمولی یا مخلوط های پلیمری محسوب می شوند. برخلاف کامپوزیت های معمولی، که در آنها تقویت کننده ها در حد میکرومتر هستند، نانوکامپوزیت های پلیمری با ترکیب مجزای چند نانومتری نمونه سازی می شوند. مهم ترین دسته بندی نانوفیلرها شامل نانورس های متعلق به گروه اسمکتیت ها مانند مونت موریلونیت ها می شود. مونت موریلونیت از خانواده سیلیکات های لایه ای 2:1 است و ساختار آن شامل لایه هایی با ضخامت حدود یک نانومتر می شود که هرکدام از دو ورق سیلیس چهار وجهی تشکیل شده اند که آنها هم به یک ورق هشت وجهی مشترک از آلومینیوم/ اکسید منیزیم/ هیدروکسید ذوب شده اند. برای تولید مواد نانوکامپوزیتی با خواص و عملکرد بهینه، این نانورس ها باید با ماتریس پلیمری ترکیب شده و کاملآ لایه برداری شوند. با این حال، از آنجایی که این نانورس ها ذاتآ آبدوست هستند، لایه برداری آنها در مواد پلیمری آبگریز مانند پلی پروپیلن (PP) چندان آسان نیست. اگر خاک رس با یک عنصر آلی مانند نمک یونیوم که جایگزین کاتیون های فلزی واقع در بین لایه ها شده و فاصله بین لایه ها را افزایش می دهد ترکیب شود، می توان این فرایند را تسهیل کرد. این روند زمانی به جداسازی بیشتر و لایه برداری نهایی کمک می کند که خاک رس تیمار شده با پلیمر مذاب در یک فرایند فرآوری مذاب مخلوط شود. در اصل، هدف از این فرایند ترکیب یک عامل سازگار کننده (CA) در ماتریس پلیمری آبگریز که شبیه به ماتریس بوده و دارای گروه های قطبی است که به تعامل بهتر با خاک رس کمک می کند.

 

مشخص است که مواد نانوکامپوزیت را می توان با روش های سنتی فرآوری مذاب پردازش کرد. پردازش این مواد در نحوۀ تعیین خواص مورفولوژیکی نهایی آنها مهم است. این اختلاط پراکندگی در مقیاس نانو را تسهیل کرده و منجر به هم ترازی خاک رس و یا پلیمر می شود. نحوۀ برش در فرایند قالب گیری نه تنها میزان هم ترازی خاک رس را تعیین می کند، بلکه در جهت گیری پلیمر نیز نقش مهمی ایفا می کند. برای مثال، همان طور که انتظار می رفت، ورق نایلون اکسترود شده با نسبت کششی 1:4 در مقایسه با ورق پردازش شده با قالب گیری تزریقی، دارای مدول بالاتری است. علت این کار ممکن است جهت گیری بالای پلاکتی و پلیمری باشد که بعنوان یک پدیدۀ رایج در طراحی نایلون مطرح است. در قالب گیری تزریقی، پلاکت های رسی می توانند هم ترازی زنجیره های پلیمری را افزایش دهند. براساس یافته های کوجیما و همکاران، دامنۀ چنین هم ترازی توسط درجه برشی کنترل می شود که می تواند در ضخامت قطعات به کار رفته در قالب گیری تزریقی متفاوت باشد.

 

این مقاله که به بررسی فرایند جذب رطوبت و تأثیر آن بر خواص خمشی پلی پروپیلن تقویت شده با خاک رس پرداخته است، نتایج زیر را ارائه می دهد:

خواص خمشی مواد قالب گیری شده، یعنی مدول الاستیک و حداکثر تنش، با ورود ذرات نانورس به ماتریس پلی پروپیلن افزایش می یابد. این امر نه تنها به اثر تقویت کنندۀ رایج در خاک رس نسبت داده می شود، بلکه به این واقعیت نیز مرتبط می شود که نانوذرات موجود تحرک زنجیره های پلیمری را در سطح محدود کرده و بهبود خواص مکانیکی هیبرید پلیمر/ رس را تسریع می کنند. فرایند جذب رطوبت که پس از غوطه وری در آب مقطر و دریا اتفاق می افتد، به دمای غوطه وری بستگی دارد. در تمام موارد، این فرایند در ابتدا فیکی است و در دمای 25 درجه سانتیگراد برای بیش از 3 ماه به همین شکل باقی می ماند. در دماهای بالاتر، جذب به دنبال اشباع از مدل فیکی منحرف می شود. در آب مقطر، انحراف به شکل افزایش وزن بیشتر دیده می شود اما در آب دریا، به شکل کاهش وزن یا افزایش آن به دنبال کاهش وزن است. این روند را می توان به تجزیه فیزیکی و یا شیمیایی مواد نسبت داد. حضور ذرات نانو رس و عامل سازگار کننده در ماتریس پلی پروپیلن فرایند جذب آب را در تمام دماهای غوطه وری مورد استفاده در این مطالعه ارتقا می دهد.

 

این مطلب با توجه به اینکه هم خاک رس و هم عامل سازگار کننده آبدوست تر از ماتریس پلی پروپیلن هستند، تعجب آور نیست. همچنین، ذرات رس می توانند باعث ایجاد ریز منافذ در ماتریس پلی پروپیلن شده و در نتیجه، انتشار مولکول های آب در مواد نانوکامپوزیت را تسهیل کنند. در مواد معین، وابستگی دمایی ضرایب انتشار در قانون فیک از قانون آرنیوس تبعیت می کند. انرژی فعال سازی ظاهری با مقدار خاک رس کاهش می یابد و در آب دریا نسبتآ بیشتر از آب مقطر است. رطوبت جذب شده به طور کلی هم مدول الاستیک و هم حداکثر تنش را به حداقل می رساند. چنین کاهشی هم به دلیل تجزیه رابط نانورس پلی پروپیلن و هم به دلیل نرم شدن ماتریس اتفاق می افتد. اگرچه کامپوزیت ها آب را سریع تر و به میزان بیشتری نسبت به پلی پروپیلن تمیز جذب می کنند، اما خواص اولیه منحصر به فرد آنها به این معنی است که حتی پس از تیمار طولانی، همچنان می توانند عملکرد بهتری نسبت به پلی پروپیلن تیمار نشده داشته باشند. در قانون فیک، به نظر می رسد درصد کاهش خواص خمشی بیشتر از اینکه به محیط غوطه وری (آب دریا یا آب مقطر) یا دمای غوطه وری وابسته باشد، عمدتآ به مقدار رطوبت جذب شده بستگی دارد.