ج) ساختار ورقهای شده
در شکل ۲-۱۴ این سه ساختار همراه با نمودارهایXRD و تصاویرTEM آنها نشان دادهشده است.
شکل ۲‑۱۴ سه مورفولوژی مختلف نانو کامپوریت های شامل سیلیکات های لایه ای. از سمت چپ : امتزاج ناپذیر، درهم رفته و ورقهای [۲۶].
در حالت امتزاج ناپذیر هیچ جدایشی بین صفحات خاک رس رخ نمیدهد و به صورت کلوخه ای دیده میشوند. بنابراین XRD دقیقاً همان پیکی رانشان میدهد که برای نانو خاک رس آلی دیده شده است و هیچ شیفتی برای آن اتفاق نمیافتد.
در نمونه ورقهای شده هیچ پیکی دیده نمیشود. زیرا هیچ فاصله منظم و مشخصی برای صفحات خاک رس وجود ندارد. همچنین فاصله صفحات در این کامپوزیتها بیشتر از چیزی است که توسط X-ray قابل مشاهده باشد.
در بعضی مواقع در نمودار X-ray مربوط به کامپوزیت، پیکی در زوایای کمتر نسبت به خاک رس خالص دیده میشود که نشان میدهد نمونه کاملاً ورقهای نشده است. شیفت پیک نشان میدهد که شکاف وان در والس[۴۰] بین سیلیکاتهای لایه ای که به آن گالری[۴۱] میگویند [۲۵].گسترشیافته است و زنجیرهای پلیمر در بین آنها نفوذ کرده اند. در این صورت گسترش گالری به وسیله نفوذ الیگومرها و یا زنجیرهای پلیمر با جرم مولکولی کم در بین صفحات خاک رس رخ میدهد و ساختار درهم رفته ایجاد میشود [۲۶].
آرایش فضایی ورقهای شده به دلیل ماکسیمم کردن برهمکنش پلیمر-خاک رس و در دسترس قرار دادن تمام سطح صفحات آن بسیار حائز اهمیت است. این مسئله منجر به تغییرات چشمگیری در خواص فیزیکی و مکانیکی شده است. در حقیقت این موضوع پذیرفته شده است که سیستمهای ورقهای دارای خواص مکانیکی بالاتری نسبت به سیستمهای درهم رفته هستند [۲۷,۲۸]. پخش کامل لایه های خاک رس در پلیمر، تعداد عناصر تقویتکننده،که موجب انتقال بار اعمالشده میشوند را بهینه میکنند.
روش تهیه نانو کامپوزیتهای پلیمر-نانورس
نانو کامپوزیتهای تشکیلشده از نانو رسها میتوانند به روشهای مختلفی تهیه شوند که این روشها شامل پلیمریزاسیون درجا[۴۲] ، روش محلولی و پلیمریزاسیون مذاب است.
الف) پلیمریزاسیون درجا
در این روش ابتدا نانو رس اصلاحشده با ترکیبات آلی در مونومر مایع یا محلول مونومر متورم میشود. سپس واکنش پلیمریزاسیون می تواند برای مونومرهای قرارگرفته در فاصلهی بین صفحات رخ دهد. به دلیل کم بودن قطبیت زنجیرهای پلیمر در مقایسه با مونومرها بر اساس قوانین ترمودینامیکی زنجیرها از داخل لایه های سیلیکاتی خارجشده و مونومرها جایگزین آنها میشوند تا در نهایت مولکولهای مونومر، لایه های سیلیکاتی را از هم جدا کنند و زنجیرهای پلیمری ما بین این لایه ها قرار گیرند. شروع واکنش ممکن است از طریق حرارت یا تابش، نفوذ یک شروعکنندهی مناسب و یا به وسیله کاتالیزوری که در مرحله تبادل یونی در فاصله بین صفحات قرار گرفته است انجام شود. پلیمریزاسیون بستر پلیمری در حضور نانو ذرات انجام میشود و منومر در حین رشد، ذرات پر کننده را در بر میگیرد. نکتهی کلیدی در این روش نحوه توزیع نانو ذرات در منومر است. با کنترل پیوند بین نانو ذرات و ماده زمینه، میتوان توزیع مورد نظر را به دست آورد. بسیاری از نانو کامپوزیتها با زمینه پلیمری را میتوان با این روش تولید کرد [۲۹–۳۱]. شماتیکی از این روش در شکل ۲-۱۵ آورده شده است.
شکل ۲‑۱۵ شماتیکی از نانو کامپوزیت بدست آمده با روش پلیمریزاسیون درجا.
ب) روش محلول
این روش بر پایه حلالی است که پلیمر یا پیش پلیمر در آن قابل حل بوده و لایه های سیلیکات در آن متورم میشوند. غلظتهای کم خاک رس آلی ابتدا در یک حلال مانند آب، کلروفورم و یا تولوئن پخش میشوند. به علت برهمکنش ضعیف بین لایه های سیلیکاتی در این سیستم سوسپانسیون، زنجیرهای پلیمری بر روی سطح صفحات سیلیکات جذب سطحی شده و جایگزین مولکولهای حلال موجود بین صفحات میشوند. با جداسازی حلال از طریق تقطیر، ساختار درهم رفتهی نانو کامپوزیت پلیمری باقی میماند [۳۰].
شماتیکی از این روش در شکل ۲-۱۶ نشان داده شده است.
شکل ۲‑۱۶ شماتیکی از نانوکامپوزیت بدست آمده از روش جا دهی حلال [۳۲].
د) روش اختلاط مذاب
روش اختلاط مذاب به علت اقتصادی بودن و انعطافپذیری خوب در فرمولاسیون بیشترین روش مورد استفاده در تهیه نانو کامپوزیتها است که معمولاً در مخلوط کن و اکسترودر انجام میشود.ذرات پودری خاک رس آلی تقریباً دارای اندازه ۸ میلی متر هستند که شامل کلوخه ها یا صفحات به هم چسبیده میباشند. تنشی که در طول پلیمریزاسیون مذاب اعمال میشود باعث شکستن کلوخهها و پخش کردن لایهها میشود. در شکل ۲-۱۷ مکانیسم این روش به صورت شماتیک نشان داده شده است[۲۶,۳۰].
شکل ۲‑۱۷- قرارگیری زنجیرهای پلیمر در بین صفحات نانو رس اصلاح شده به روش اختلاط مذاب [۲۶].
اگر پلیمر وخاک رس برهمکنش خوبی داشته باشند با زمان دادن در دستگاه مخلوط کن همه صفحات از هم جدا میشوند . البته میزان پخش به عوامل دیگری مانند نوع اکسترودر و زمان اقامت مواد در آن هم بستگی دارد.
بررسی مورفولوژی و برخی خواص نانو کامپوزیت پلیاتیلن- نانو خاک رس
به طور کلی عواملی که بر ساختار نهایی کامپوزیت و خواص فیزیکی آن اثرگذار هستند عبارتاند از:
نسبت گرافت شدن و وزن مولکولی سازگار کننده
میزان سازگاری ذرات خاک رس با پلیمر پایه
نسبت وزنی سازگار کننده به نانو فیلر(α)
شرایط واکنش
نسبت گرافت شدن بالا و یا درصد زیاد سازگار کننده مشکلات امتزاج پذیری را به وجود می آورد. بهترین α برابر ۳ گزارش شده است که یک توزیع خوب از نانو ذرات و بهبود خواص فیزیکی کامپوزیت را میدهد [۲۳].
در ادامه به بررسی برخی از خواص نانو کامپوزیتهای پلیاتیلنی که تا کنون مورد مطالعه قرار گرفتهاند پرداخته میشود.
الف) مورفولوژی نانو کامپوزیت پلیاتیلن-نانو خاک رس
برای مشاهده میزان جدایش صفحات نانو خاک رس و چگونگی توزیع آنها در ماتریس پلیمری به ترتیب از آزمونهای XRD وTEM استفاده میشود. نتیجه آزمون XRD که توسط ژای[۴۳] و همکارانش برای سه نمونه نانوکامپوزیت پلی اتیلن انجام شده است در شکل ۲-۱۸ آورده شده است.
شکل ۲‑۱۸- نمودار XRD مربوط به نانو کامپوزیت پلیاتیلن-نانوذرات خاک رس با درصد نانو ذره:a)1%،b)3% و(c 5% و
d)خاک رس اصلاح شده خالص( org-MMT) [33].
با توجه به شکل ۲-۱۸ برای نمونه a هیچ پیکی دیده نمیشودکه نشان میدهد ساختار این نانو کامپوزیت به صورت کاملاً ورقهای در آمده است. برای نمونه b وc پیک کوچکی در زاویه کمتر از پیک اصلی مربوط به خاک رس دیده شده است که بیانگر ساختار درهم رفته این نانو کامپوزیتها است. در واقع مشاهده شده است که با افزایش درصد خاک رس ساختار نانو کامپوزیت از ورقهای به درهم رفته تغییر مییابد که در اثر کاهش توانایی زنجیرهای پلیاتیلن در نفوذ بین صفحات خاک رس است.
توزیع بهتر خاک رس در نمونه ۳% نسبت به نمونه ۵% در تصاویرTEM شکل ۲-۱۹ نیز مشخص است [۳۳].
شکل ۲‑۱۹ تصاویر TEM نانو کامپوزیت PE-g-MAH/Org-MMT با درصد نانو خاک رس: a) 3% و b ) 5% [33].
ب) رفتار حرارتی
در تحقیقاتی که توسط ژای و همکارانش در بررسی رفتار حرارتی نانو کامپوزیت پلیاتیلن مالئیک شده و نانو خاک رس اصلاحشده در درصدهای متفاوت صورت گرفت، نتایج زیر به دست آمده است [۳۳].
در آزمون TGA که در شکل ۲-۲۰ نشان دادهشده است مشخص است که با افزایش ذرات خاک رس دمای تخریب نانو کامپوزیت نسبت به پلیاتیلن خالص افزایشیافته است.
شکل ۲‑۲۰ نمودارTGAمربوط به PE-g-MAH/Org-MMT [33].
علت این افزایش برهمکنش خوب بین ذرات خاک رس و پلیمر گزارش شده است.
از نمودار به دست آمده در آزمون DSC که در شکل ۲-۲۳ آورده شده است، مشخص می شود که با افزایش ذرات خاک رس دمای بلورینگی نانو کامپوزیت افزایشیافته است. علت این افزایش، عمل کردن لایه های سیلیکاتی به عنوان عامل هسته زا بیان شده است که باعث افزایش بلورینگی نیز میشود. برای پلیاتیلن مالئیک شده هم این افزایش دیده میشود که به علت گروههای آویزانی است که باعث افزایش هسته سازی هتروژن و افزایش سرعت رشد بلورها شدهاند.
شکل ۲‑۲۱- نمودار DSC نانو کامپوزیتPE-g-MAH/Org-MMT [۳۳].
.
ج) رفتار مکانیکی
لی[۴۴] و همکارانش اثر نانو ذرات خاک رس را بر خواص مکانیکی نانو کامپوزیت پلی اتیلنی مطالعه و گزارش کردند. مشاهده شدکه افزایش درصد خاک رس تا ۱۰ درصد وزنی موجب افزایش استحکام در نقطهی شکست و کاهش تغییر شکل در نقطهی شکست نانو کامپوزیت میشود [۳۴]. در پژوهشی دیگر که توسط آشورو[۴۵] و همکارانش انجام گرفت، مشاهده شد که افزایش درصد خاک رس موجب کاهش استحکام شکست نانو کامپوزیت پلی اتیلن خطی میشود که این کاهش را به کاهش درصد تبلور نمونهها با افزایش درصد ذرات خاک رس نسبت دادهاند [۳۵].
عایقهای الکتریکی پلیمری
موضوعات: بدون موضوع
لینک ثابت
