کنترل سینتیک تجزیه اسپینودال در آمیخته‌های PS/PVME با رفتار LCST با استفاده از نانوذرات کروی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 قم، دانشگاه صنعتی قم، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 1519-37195

2 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی پلیمر، صندوق پستی 4413-15875

3 آمریکا، ایالت نیومکزیکو، دانشگاه ایالتی نیومکزیکو، دانشکده مهندسی مواد و شیمی

چکیده

در پژوهش حاضر، اثر نانوذرات کروی بر سینتیک جدایی فاز اسپینودال در آمیخته پلی‌استیرن(PS)-پلی­‌وینیل متیل اتر (PVME) مطالعه شد. برای مشاهده تغییرات شکل­‌شناسی حین جدایی در پژوهش حاضر، اثر نانوذرات کروی بر سینتیک جدایی فاز اسپینودال در آمیخته پلی­‌استیرن(PS)-پلی‌­وینیل متیل اتر (PVME) مطالعه شد. برای مشاهده تغییرات شکل­‌شناسی حین جدایی فاز نمونه­‌ها از تصاویر میکروسکوپ نوری (TEM) و الکترونی پویشی (SEM) استفاده شده است. برای آمیخته 70/30 PS/PVME در دمای 110 درجه سلسیوس در زمان­‌های اولیه جدایی فاز ساختاری هر دو فاز پیوسته القا می‌­شود که حاکی از سازوکار جدایی فاز اسپینودال است. به دلیل انرژی آزاد زیادی که در سطح مشترک دو فاز در ساختار هر دو فاز پیوسته وجود دارد، این ساختار پایدار نبوده و به شکل‌­شناسی قطره ماتریس شکسته می­‌شود. با ادامه جدایی فاز اندازه قطره‌­ها به‌­طور قابل توجهی بزرگ‌­تر شده و توزیع پهنی از اندازه قطره‌­ها مشاهده می­‌شود. برای مطالعه سینتیک جدایی فاز افزون بر تصاویر میکروسکوپ نوری از آزمون پویش بسامد مدل کشسان در ناحیه گرانروکشسان خطی در زمان­‌های مختلف جدایی فاز استفاده شده است. تصاویرTEM نشان می‌­دهد، نانوذرات آبدوست حین جدایی فاز به‌­طور کامل جذب ترجیحی فازی غنی از PVME می‌­شود که سازگار با پیش ­بینی رابطه ترمودینامیکی پارامتر خیس‌­شوندگی است. نانوذرات سینتیک جدایی فازی را در کسر حجمی کم %0.5 به مقدار قابل­ توجهی کاهش داده که با افزایش مقدار نانوذرات به %1 شدت کاهش به‌طور چشمگیری افزایش می‌­یابد. در کسر حجمی%2، نانوذرات به­‌طور کامل جدایی فاز را متوقف کرده و شکل­‌شناسی کاملاً پایدار هر دو فاز پیوسته القا شده با سازوکار اسپینودال تشکیل می­‌شود. تصاویر TEM نشان می­‌دهد، ساختاری فراگیر دوگانه با وجود %2 نانوذرات A200 تشکیل می­‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Controlling the Kinetics of Spinodal Decomposition in LCST PS/PVME Blends in Presence of Spherical Nanoparticles

نویسندگان [English]

  • Jafar Khademzadeh Yeganeh 1
  • Fatemeh Goharpey 2
  • Reza Foudazi 3
1 Polymer Engineering Group, Faculty of Engineering, Qom University of Technology, P.O. Box:37195-1519, Qom, Iran
2 Department of Polymer Engineering, Amirkabir University of Technology, P.O. Box: 15875-4413,Tehran, Iran
3 Department of Chemical and Material Engineering, New Mexico State University, Las Cruces, New Mexico, 88003, USA
چکیده [English]

The influence of hydrophilic spherical nanoparticles on the kinetics of spinodal decomposition (SD) in PS/PVME (polystyrene/polyvinyl methyl ether) blend was studied. For the PS/PVME 30/70 blend at 110oC a highly interconnected structure was developed in the early stages of phase separation as a characteristic of spinodal decomposition. Due to the presence of highly curved interface between the phases in a co-continuous morphology, a considerable free energy was stored at the interface. Thus, interconnected structure was not in thermodynamic equilibrium and broke up into droplet-matrix morphology. At later stages, droplets grew dramatically and a broad size distribution of droplets was observed. Phase contrast optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM) were employed to investigate the morphological evolution of PS/PVME blends during the phase separation. In order to investigate the kinetics of phase separation in the presence of nanoparticles, OM observations and rheological analysis were employed. Nanosilica particles were strongly driven by the thermodynamic forces into the bulk of PVME-rich phase to reduce the free energy of the system during the phase separation, as verified by TEM micrographs and thermodynamic equation. Nanoparticles considerably slowed down phase separation kinetics of SD at a low volume fraction of 0.5% which was intensified as the volume fraction was increased to 1%. Surprisingly, at 2% nanoparticle loading phase separation was arrested and a stable co-continuous structure induced by SD was formed. TEM images indicated that double percolated structure was induced in the presence of 2% A200 nanoparticles: a network of nanoparticles was induced in the network of PVME-rich phase.

کلیدواژه‌ها [English]

  • spinodal decomposition
  • kinetics
  • Rheology
  • spherical nanoparticles
  • pinning