عامل‌دارکردن نانوصفحه‌های گرافن و خواص حافظه شکلی نانوکامپوزیت‌های برپایه الاستومر گرمانرم پلی‌یورتان-پلی‌وینیل کلرید- نانوصفحه‌های گرافن (TPU/PVC/GNP)

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 ماهشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد ماهشهر، صندوق پستی 6351977439

2 تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، دانشکده شیمی، صندوق پستی 936-19585

3 تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند، گروه پلاستیک، صندوق پستی 112 -14975

چکیده

در این پژوهش، پلیمرهای حافظه شکلی برپایه الاستومر گرمانرم پلی‌یورتان-پلی‌وینیل کلرید-نانوصفحه‌های گرافن (TPU/PVC/GNP) به روش محلولی با استفاده از حلال تتراهیدروفوران تهیه شدند. نسبت وزنی آمیخته در تمام نمونه‌ها برابر 40/60 بوده و نمونه‌های نانوکامپوزیت دارای 0.5، 1 و %2 وزنی از نانوذرات خالص و عامل‌دار بودند. برای جلوگیری از کلوخه‌شدن نانوذرات و پراکنش بهتر آن‌ها در ماتریس، عامل‌دارکردن این ذرات با پلی‌کاپرولاکتام از راه اکسایش با اسید مدنظر قرار گرفت. ابتدا، سطح نانوذرات با نیتریک اسید - سولفوریک اسید عمل‌آوری شده و سپس با تیونیل کلرید واکنش داده شد. در نهایت، پلی‌کاپرولاکتام روی آن قرار گرفت. انجام این واکنش با آزمون‌های طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR)، گرماوزن سنجی (TGA) و طیف‌سنجی فرابنفش (UV) تأیید شد. وجود پیک‌های جدید 1165 و cm-1 1720 در طیف FTIR و کاهش 10 و %30 در بازه دمایی 500-250 درجه سلسیوس برای نانوذرات اصلاح‌شده در مقایسه با نمونه خالص، واکنش‌های اصلاح را تأیید کرد. بررسی شکل‌شناسی نمونه‌ها با میکروسکوپ الکترونی پویشی نشان داد، پراکنش خوبی از نمونه‌های دارای نانوذرات عامل‌دار شده به‌دست آمده است. القای حافظه شکلی و اندازه‌گیری خواص مربوط به آن (تثبیت شکلی و بازگشت‌پذیری) با آزمون تجزیه گرمایی-مکانیکی انجام شد. نتایج نشان داد، بر اثر وجود نانوصفحه‌های گرافن عامل‌دار شده مقدار ثبات شکلی از % 76.8 به %81/5 و بازیابی شکلی از 83% به %86.7  افزایش یافت که دلیل اصلی آن پراکنش بهتر این ذرات بر اثر اصلاح بوده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Functionalization of Graphene Nanoplatelet and the Shape Memory Properties of Nanocomposite Based on Thermoplastic Elastomer Polyurethane/Poly(vinyl chloride)/Graphene Nanoplateletes

نویسندگان [English]

  • Milad karimtehrani 1
  • Parvin Ehsani Namin 2
  • Ismail Ghasemi 3
1 Branch Mahshahr, Islamic Azad Universtiy, P.O. Box: 6351977439, Mahshahr, Iran
2 Department of Chemistry, Tehran North Branch, Islamic Azad University, P.O. Box: 19585-936, Tehran, Iran
3 Department of Plastics, Faculty of Processing, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box: 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, shape memory polymers (SMPs) based on thermoplastic polyurethane/ poly(vinylchloride)/ graphen nanoplatelet  (TPU/PVC/GNP) were produced via solution method using tetrahydrofuran(THF) solvent. Blend ratio of the all samples was 60/40 (w/w) and GNP concentration were 0.5, 1 and 2 W.t% from neat and functionalized GNP. In order to get better dispersion of GNP and inhibit from their agglomeration, functionalization with polycaprolactam was accomplished. At first, nanoparticles were treated with nitric acid and in the next step acylation was done using tionylcholride and finally polycaprolactam was grafted on the surface of nano platelet graphen. The functionaliztion reactions were tracked using fourier transfer infra red (FTIR), thermal gravimetric analysis (TGA) and ultraviolet chromatography.The results of these tests showed the successful reaction has been occurred and polycaprolactam was grafted on the surface of GNP. The presence of new peaks in FTIR spectra at 1165 and cm-1 and the loss weight in TGA by 10 and 30wt. % for modified nanoparticles in comparison to pristine one revealed the successful occurrence of modifications reaction reactions.Morphology of the samples was studied using scanning electron microscopy (SEM) and the results depicted that a fine dispersion of graphen nanoplatelet  was obtained in comparison to samples including unfunctionalized nanoparticles.  Shape memory induction and the measurement of shape fixity and shape recovery were done using thermal-mechanical analyzer (TMA). The results showed that the shape fixity was increased from 76.8 to 83% and shape recovery was increased from 81.5 to 86.7% for the sample containing modified GNp due to better dispersion of the nanoparticles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanocomposite
  • graphen
  • thermoplastic elastomer polyurethane
  • Poly (vinyl chloride)
  • shape memory properties

Nakayama K., Properties and Application of Shape-Memory Polymers, Nippon Gomu Kyokaishi, Soc. Rubber Ind. Jpn., 63, 529-534, 1990.
Yang B., Li C., Huang W.M., and Li L. , Effects of Moisture on the Thermomechanical Properties of a Polyurethane Shape Memory Polymer, Polymer, 47,1348-1356, 2006.
Ehteramian M., Ghasemi I., Karrabi M., and Azizi H., Shape-Memory Polymers Containing Nanoparticles: Recent Advances,  Polymerization, 3, 59-68, 2013.
Xie T., Recent Advances in Polymer Shape Memory, Polymer, 52, 4985-5000, 2011.
Behl M. and Lendlein A., Shape-Memory Polymers, Mater. Today, 10, 20-28, 2007.
Lendlein A. and Langer R.,  Biodegradable, Elastic Shape-Memory Polymers for Potential Biomedical Applications, Science, 296,1673-1676, 2002.
Lendlein A. and Kelch S., Shape‐Memory Polymers, Angewandte Chemie Int. Ed., 41, 2034-2057, 2002.
Ajili S.H., Ebrahimi N.G., and Soleimani M., Polyurethane/Polycaprolactane Blend with Shape Memory Effect as a Proposed Material for Cardiovascular Implants, Acta Biomaterialia, 5,1519-1526, 2009.
Behl M., Ridder U., Feng Y., Kelch S., and Lendlein A., shape Memory Capability of Binary Multiblock Copolymer with Hard and Switching Domain with Differents Component, Soft Matter, 5, 676-684, 2009.
Jeong H.M., Song J.H., Lee S.Y., and Kim B.K., Miscibility and Shape Memory Property of Poly(vinyl chloride)/Thermoplastic Polyurethane Blends, J. Mater. Sci.,  22, 5457-5462, 2001.
 Gunes I.S., Cao F., and Jana S C., Evaluation of Nanoparticulate Fillers for Development of Shape Memory Polyurethane Nanocomposites, Polymer, 49, 2223-2231, 2008.
 Aram E., Ehsani M., Khonakdar H.A., Jafari S.H., and Nouri N.R., Functionalization of Graphene Nanosheets and Its Dispersion in PMMA/PEO Blend: Thermal, Electrical, Morphological and Rheological Analyses, Fiber Polym., 17, 174-182, 2016.
 Meng Q., Hu J., and Mondal S., Thermal Sensitive Shape Recovery and Mass Transfer Properties of Polyurethane/Modified MWNT Composite Membranes Synthesized via In Situ Solution Pre-polymerization, J. Membr. Sci., 319,102-112, 2008.
 Kim M.S., Jun J.K., and Jeong H.M., Shape Memory and Physical Properties of Poly(ethyl methacrylate)/Na-MMT Nanocomposites Prepared by Macroazoinitiator Intercalated in Na-MMT, Compos. Sci. Technol., 68, 1919-1927, 2008.
 Cho J.W. and Lee S.H., A Review of Shape Memory Polymer Composites and Blends, Eur. Polym. J., 40, 1343-1352, 2004.
 Gomari S., Ghasemi I., and Esfandeh M., Effect of Polyethylene Glycol-Grafted Graphene on the Non-Isothermal Crystallization Kinetics of Poly(ethylene oxide) and Poly(ethylene oxide): Lithium Perchlorate Electrolyte Systems, Mater. Res. Bull., 83, 24-34, 2016.
 Manafi P., Ghasemi I., Azizi H., and Karrabi M., Effect of Graphene Nanoplatelets Crystallization Kinetics of Poly(lactic acid), Soft Mater., 12, 433-444, 2014.
Keramati M., Ghasemi I., Karrabi M., Azizi H., and Sabzi M., Incorporation of Surface Modified Graphene Nanoplatelets for Development of Shape Memory PLA Nanocomposite, Fibers Polym.,17, 1062-1068, 2016.
 Lashgari S., Karrabi M., Ghasemi I., Azizi H., Messori M., and Paderni K., Shape Memory Nanocomposite of Poly(L-lactic acid)/Graphene Nanoplatelets Triggered by Infrared Light and Thermal Heating, eXPRESS Polym. Lett., 10, 349-359, 2016.
 Martínez M., Sensitivity of Single Wall Carbon Nanotubes to Oxidative Processing: Structural Modification, Intercalation and Functionalisation, Carbon,  41, 2247-2256, 2003
Sahoo G., Jung Y.C., Yoo H.J., Cho J.W., and Sahoo J.W., Effect of Functionalized Carbon Nanotubes on Molecular Interaction and Properties of Polyurethane Composites, Macromol. Chem. Phys., 207, 1773-1780, 2006.
 Datsyuk  V.,  Kalyva  M.,  Papagelis  K.,  Parthenios  J.,  Tasis  D.,  Siokou A., Kallitsis I., and Galiotis C., Chemical Oxidation of Multiwalled Carbon Nanotubes, Carbon, 46, 833-840, 2008.
 Li D., Müller M.B., Gilje S., Kaner R.B., and Wallace G.G., Processable Aqueous Dispersions of Graphene Nanosheets,  Nat. Nanotechnol., 3, 101-105, 2008.