خواص نانوکامپوزیت‌های پلی‌اولفین‌ الاستومر تقویت‌شده با نانوذرات سیلیکون ‌کاربید و نانوذرات خاک‌رس

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند، تهران، صندوق پستی 112-14975؛

چکیده

نانوکامپوزیت‌های پلیمری به دلیل خواص فیزیکی و مکانیکی بهتر (مدول، استحکام و رفتار سدگری) کاربردهای گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. مزیت نانوکامپوزیت‌ها در مقایسه با کامپوزیت‌های دارای ذرات با اندازه میکرو، چگالی کمتر و فرایندپذیری آسان‌تر است. در این پژوهش، نانوکامپوزیت پلی‌اولفین الاستومر-نانوذرات سیلیکون کاربید و پلی‌اولفین الاستومر-نانوذرات خاک‌رس با درصدهای مختلف از نانوذرات به روش اختلاط مذاب تهیه شد. سپس، اثر نوع نانوذرات بر خواص مکانیکی، رئولوژی و گرمایی پلی‌اولفین الاستومر بررسی و مقایسه شد. از سازگارکننده‌ سیلانی وینیل‌تری‌اتوکسی‌ سیلان برای اصلاح فصل مشترک نانوذرات و پلی‌اولفین الاستومر استفاده شد. اختلاط درون مخلوط‌کن داخلی با ضریب پرشدگی 0.75، در دمای 120 درجه سلسیوس و سرعت 60rpm انجام شد. روی نانوکامپوزیت‌های تهیه شده آزمون‌های فیزیکی، مکانیکی و رئولوژی انجام شد. با وجود بیشتربودن نسبت منظر نانوذرات خاک‌رس (هندسه صفحه‌ای‌شکل) نسبت به  نانوذرات سیلیکون کاربید (هندسه کروی‌شکل)، نمونه‌های دارای نانوسیلیکون کاربید به دلیل برهم‌کنش‌های قوی‌تر میان نانوذرات و ماتریس پلی‌اولفین الاستومر دارای استحکام کششی و کرنش در شکست بیشتری بودند، اما مقدار مدول جدا از نوع نانوذرات در ترکیب درصدهای مشابه یکسان بود. پلی‌اولفین الاستومر دارای نانوذرات خاک‌رس خواص رئولوژی بهتری را نشان داد. اما، این تغییرات در مقایسه با سایر پژوهش‌های انجام شده با نانوخاک‌رس کمتر بود. بررسی شکل‌شناسی نمونه‌ها با آزمون SEM نشان داد، پراکنش نانوذرات درون ماتریس پلیمری جدا از نوع آن تقریباً یکسان بود. بررسی خواص گرمایی نانوکامپوزیت‌ها نشانگر کاهش دمای ذوب و مقدار بلورینگی با افزایش مقدار نانوذرات بود که مقدار این تغییرات در نانوکامپوزیت‌های دارای سیلیکون کاربید بیشتر بود. در نهایت، بررسی نتایج آزمون گرماوزن‌سنجی نانوکامپوزیت‌ها نشان داد، نانوکامپوزیت‌های دارای نانوذرات خاک‌رس پایداری گرمایی بیشتری دارند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Elastomer Nanocomposites Reinforcements with Nanosilicon Carbide and Nanoclay Particles

نویسندگان [English]

  • Mohadeseh Latifi
  • Jalil Morshedian
  • Foroud Abbassi-Sourki
Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box: 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Polymer nanocomposites have found enormous applications owing to superior physical and mechanical properties such as modulus, strength and barrier behaviour, etc. Contrary to polymer microcomposites, polymer nanocomposites benefit from lower density and being less problematic in processing. In this study, nanocomposites of polyolefin elastomer (POE)/nanosilicon carbide (SiC) and polyolefin elastomer/nanoclay with different percentages of nanoparticles were prepared using melt mixing method in the presence of vinyltriethoxy silane as interfacial modifier.
Methods: Nanocomposite samples were prepared in a Brabender internal mixer using a roller mixing equipment. The fill factor was selected as 0.75. The mixing was carried out at a speed of 60 rpm at 120°C. The resulting nanocomposites were then subjected to various tests to investigate their physical, mechanical and rheological properties.
Findings: Sheet-like nanoclay particles have higher aspect ratio compared to spherical nanoSiC particles. Nevertheless, the results indicated that POE/SiC nanocomposites had higher tensile strength and elongation-at-break compared to nanoclay-reinforced composites. This was attributed to higher interactive efficiency between SiC nanoparticles and POE matrix. The moduli of nanocomposites at similar content of nanoparticles showed the same values regardless of the type of nanoparticles. Higher rheological properties were observed for nanoclay nanocomposites, though; the amount of increase was lower than those reported in literature. Morphology investigations of SiC and clay nanocomposites exhibited a comparable degree of dispersion of nanoparticles for both types of nanocomposites at similar compositions. Thermal properties of nanocomposites were studied by thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry. The results showed that the melting temperature and degree of crystallinity of both types of nanocomposites decreased with increasing nanoparticles content; however, the observed decrement was higher for POE/SiC nanocomposites. Thermal stability of POE/clay nanocomposites was higher, which could be attributed to the nanoparticle geometry.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nanocomposites
  • polyolefin elastomer silicon carbide
  • clay
  • Properties
  1. Abraham R., Thomas.S.P., and Kuryan S.,  Mechanical Properties of Ceramic-Polymer Nanocomposites, Express Polym. Lett., 3, 177-189, 2009.
  2. Palza H., Vergara R., and Zapata P.,  Improving the Thermal Behavior of Poly(propylene) by Addition of Spherical Silica Nanoparticles, Macromol. Mater. Eng., 295, 899-905, 2010.
  3. http://www.exxonmobilchemical.com/Chem-English/brands/exact- plastomers .aspx ?ln=  productsservices.
  4. Wu C., Synthesis of Polyethylene-Octene Elastomer/IO2-TiO2 Nnanocomposites via In Situ Polymerization: Properties and Characterization of the Hybrid, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 43, 1690-1701, 2005.
  5. Liao H.T. and Wu C.H., Organic Inorganic Polymeric Nanocomposites Involving Novel Titanium Tetraisopropylate in Polyethylene–Octene Elastomer, J.  Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 42, 4272-4280, 2004.
  6. Chang Y. and Lee D., Preparation of Polyethylene-Octene Elastomer/Clay Nanocomposite and Microcellular Foam Processed in Supercritical Carbon Dioxide, Polym. Int., 55, 184-189, 2006.
  7. Hadj Hmida E. and Abderrazak H., Silicon Carbide: Synthesis and Properties, in Properties and Application of Silicon Carbide, InTech,  Croatia, 361-388, 2011.
  8. Alhuthali A.M. and Low I.M., Characterization of Mechanical and Fracture Behaviour in Nano-Silicon Carbide-Reinforced Vinyl-Ester Nanocomposites, Polym. Plast. Technol. Eng., 52, 921-930, 2013.
  9. Rodgers R.M., Mahfuz H., Rangari V.K., Chisholm N., and Jilani S., Infusion of SiC Nanoparticles Into SC-15 Epoxy: An Investigation of Thermal and Mechanical Response, Macromol. Mater. Eng., 290, 423-429-2005.
  10. Benderly D., Osorio F., and Ijdo W.L., PVC Nanocomposites-Nanoclay Chemistry and Performance, J. Vinyl Addit. Technol., 14, 155-162, 2008.
  11. Pramanik M., Srivastava S.K., Samantaray B.K., and Bhowmick A.K., Synthesis and Characterization of Organosoluble, Thermoplastic Elastomer/Clay Nanocomposites, J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 40, 2065-2072, 2002.
  12. Acharya H., Pramanik M., and Bhowmick A.K, Synthesis and Evaluation of High-Performance Ethylene Propylene Diene Terpolymer/Organoclay Nanoscale Composites, J. Appl. Polym. Sci., 93, 2429-2436, 2004.
  13. Zhang J., Jiang D.D., and Wilkie C.A., Thermal and Flame Properties of Polyethylene and Polypropylene Nanocomposites Based on an Oligomerically-Modified Clay, Polym. Degrad. Stab., 91, 298-304, 2005.
  14. Zhao C., Qin H., Gong F., Feng M., and Yang M.,  Mechanical, Thermal and Flammability Properties of Polyethylene/Clay Nanocomposites, Polym. Degrad. Stab., 87, 183-189, 2005.
  15. Fu S.Y., Feng X.Q., Lauke B., and Mai.Y.W., Effects of Particle Size, Particle/Matrix Interface Adhesion and Particle Loading on Mechanical Properties of Particulate Polymer Composite, Composites Part B, 39, 933-961-2008.
  16. Tian Q., Qin S., Zhou R., Zhou R., Jiang.Y, He W., and Xu G., Effect of Compatibilizer and Organoclay Content on Structure, Thermal, and Mechanical Properties of Poly(butylene succinate)/(Ethylene Acrylic Acid)/Organoclay Nanocomposites, J. Vinyl Addit. Technol., 23, 219-227, 2017.
  17. Opelt C., Becker D., Lepienski C.M., and Coelhoa L., Reinforcement and Toughening Mechanisms in Polymer Nanocomposites-Carbon Nanotubes and Aluminum Oxide,  Composites Part B, 75, 119-126, 2015.
  18. Mi H.Y., Li Z., Turng L.S., Sun Y., and Gong S., Silver Nanowire/Thermoplastic Polyurethane Elastomer Nanocomposites: Thermal, Mechanical, and Dielectric Properties, Mater.Design, 56, 398-404, 2014.
  19. Mishra J.K., Hwang K.J., and Ha C.S., Preparation, Mechanical and Rheological Properties of a Thermoplastic Polyolefin (TPO)/Organoclay Nanocomposite with Reference to the Effect of Maleic Anhydride Modified Polypropylene as a Compatibilizer, Polymer, 46, 1995-2002, 2005.
  20. Papageorgiou G.Z., Achilias.D.S., and Nianias N.P., Trikalitis P., and Brikiaris D.N., Effect of the Type of Nano-Filler on the Crystallization and Mechanical Properties of Syndiotactic Polystyrene Based Nanocomposites, Thermochim. Acta, 565, 82-94, 2013.
  21. Fornes T.D. and Paul D.R., Formation and Properties of Nylon 6 Nanocomposites, Polímeros: Ciência e Tecnologia, 13, 212-217, 2003.
  22. Gaur M.S., Indolia A.P., Rogachev A.A., and Rahachou A.V., Influence of SiO2 Nanoparticles on Morphological, Thermal, and Dielectric Properties of PVDF, J. Therm. Anal. Calorim., 122, 1403-1416, 2015.
  23. Babaei A., Ghaffarian S.R., and Khorasani M.M., Thermal and Mechanical Properties of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Fiber Reinforced High-Density Polyethylene Homocomposites: Effect of Processing Condition and Nanoclay Addition, J. Macromol. Sci., Part B: Phys., 53, 829-847, 2014.
  24. Zhang Y., Yu C., Hu P., Tong W., Lv F., Chu P.K., and Wang F., Mechanical and Thermal Properties of Palygorskite Poly(butylene succinate) Nanocomposite, Appl. Clay Sci., 119, 96-102, 2016.
  25. Barick A.K. and Tripathy D.K., Preparation and Characterization of Thermoplastic Polyurethane/Organoclay Nanocomposites by Melt Intercalation Technique: Effect of Nanoclay on Morphology, Mechanical, Thermal, and Rheological Properties, J. Appl. Polym. Sci., 117, 639-654, 2010.
  26. Alamri H. and Low I.M., Characterization of Epoxy Hybrid Composites Filled with Cellulose Fibers and Nano-SiC, J. Appl. Polym. Sci., 126, 222-232, 2012.
  27. Wang Y., Wu K.C., and Wang J.Z., Effect of Maleated Propylene on Rheology of Polypropylene Nanocomposites,  J. Cent. South Univ. T., 14, 160-164, 2014.
  28. Tuteja A., Duxbury P.M., and Mackay M.E., Multifunctional Nanocomposites with Reduced Viscosity, Macromolecules, 40, 9427-9434, 2007.
  29. Bailly M., Kontopoulou M., El Mabrouk K. Effect of Polymer/Filler Interactions on the Structure and Rheological Properties of Ethylene-Octene Copolymer/Nanosilica Composites, Polymer, 51, 5506-5515, 2010.
  30. Kim J.Y., Poly(butylene terephthalate) Nanocomposites Containing Carbon Nanotube, in Advances in Nanocomposites-Synthesis, Characterization and Industrial Applications, InTech, 707-726.
  31. Austin J. and Kontopoulou M., Effect of Organoclay Content on the Rheology, Morphology, and Physical Properties of Polyolefin Elastomers and Their Blends with Polypropylene, Polym. Eng. Sci., 46, 1491-1501, 2006.
  32. Abdel-Goad M. and Potschke P., Rheological Characterization of Melt Processed Polycarbonate Multiwalled Carbon Nanotube Composites, J. Non-Newtonian Fluid, 128, 2-6, 2005.
  33. Solomon M.J., Almusallam A.S., Seefeldt K.F., Somwangthanaroj A., and Varadan P., Rheology of Polypropylene/Clay Hybrid Materials,  Macromolecules, 34, 1864-1872, 2001.