پراکنش نانوذرات روی اکسید در ماتریس پلی‌استیرن: مقایسه خواص رئولوژی و الکتریکی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 111-14115

چکیده

ارزیابی پراکنش نانوذرات در نانوکامپوزیت‌ها مسئله چالش‌برانگیزی است. ارزیابی پراکنش نانوذرات، تنها به‌کمک خواص رئولوژی و مکانیکی امکان‌پذیر نیست. زیرا، تنش اعمال شده موجب گسسته‌شدن کلوخه‌ها و تغییر در ریزساختار می‌شود. روش‌های میکروسکوپی نیز فقط قابلیت ارزیابی بخش بسیار کوچکی از نمونه را دارند. بنابراین، تعمیم نتایج آن به کل نمونه معقول نیست. اما، از آنجا که خواص ‌الکتریکی از نوع غیرتخریبی است، امکان بررسی دقیق‌تر ریزساختار و نحوه تجمع ذرات از این راه وجود دارد. از این‌رو در پژوهش حاضر، ریزساختارهای مختلفی از نانوکامپوزیت‌های پلی‌استیرن-روی اکسید با تغییر در شرایط اختلاط و برهم‌کنش بین اجزا ایجاد شده و سپس مقدار پراکنش یا درجه تجمع نانوذرات با اندازه‌گیری خواص رئولوژی و ‌الکتریکی بررسی شده است. نتایج نشان داد، به‌طور کلی افزودن ذرات روی اکسید به ماتریس پلیمری باعث افزایش مدول ذخیره، رسانایی الکتریکی و ضریب دی‌الکتریک می‌شود. بهبود حالت پراکنش نانوذرات در کسر حجمی ثابت از ذرات روی اکسید موجب افزایش مدول ذخیره شد که می‌توان آن را به افزایش کسر حجمی لایه میانی در اثر افزایش برهم‌کنش ذره-پلیمر مرتبط دانست. از طرفی، بهبود حالت پراکنش در کسر حجمی ثابت از نانوذرات روی اکسید موجب کاهش رسانندگی الکتریکی و ضریب دی‌الکتریک شد که دلیل آن به ترتیب کاهش تماس و برهم‌کنش بین ذرات است. طبق نتایج حاصل از بررسی خواص الکتریکی و رئولوژی و نیز تصاویر میکروسکوپی الکترونی پویشی، مشخص شد، اعمال اختلاط پراکنشی و اصلاح سطحی ذرات موجب بهبود بیشتر پراکنش ذرات می‌شود. بنابراین، امکان ارزیابی دقیق‌تر پراکنش نانوذرات با بررسی خواص رئولوژی و الکتریکی نانوکامپوزیت‌ها وجود دارد.


کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Dispersion of Zinc Oxide Nanoparticles in Polystyrene Matrix: Comparison of Rheological and Electrical Properties

نویسندگان [English]

  • Atefeh Golbang
  • Mohammad Hoessein Navid Famili
  • Mozaffar Mokhtari Motameni Shirvan
Polymer Engineering Group, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-111, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: The dispersion state of nanoparticles cannot be evaluated accurately by rheological and mechanical testes because their agglomerates break down under applied stress leading to changes in their microstructure. Additionally, the contribution of interparticle interactions to macroscopic properties such as rheological and mechanical properties is still unclear. This is mainly due to the combined effects of interparticle interactions and the particle-polymer interactions. Microscopic measurements which can only provide information on a very small section of a sample are not reliable for this purpose. However, electrical tests as nondestructive methods can be used to assess the microstructure and cluster formation in nanocomposite structures. In addition, it is possible to detect separately the effect of filler-filler interactions using dielectric properties and with a proper choice of materials.
Methods: In this study, ZnO/polystyrene (PS) nanocomposites were prepared through conventional mixing, dispersive mixing and surface particle treatment to control the particle dispersion states. The dispersion state of nanoparticles has been analyzed using their optical, electrical and rheological properties.
Findings: The results showed that storage modulus increased with increasing filler dispersion, which could be attributed to the increase in interfacial layer and the higher modulus of nanocomposite relative to that of the bulk polymer matrix. The SEM images showed that the dispersive mixing and surface treatment of ZnO nanoparticles with oleic acid improved the dispersion of ZnO particles inside the PS matrix. On the other hand, increase in dispersion decreases the electrical conductivity and dielectric constant due to greater interparticle distance and reduction of dipole-dipole interactions, respectively. Hence, it is possible to detect the particle dispersion state by rheological and electrical properties.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanocomposite
  • dispersion
  • electrical properties
  • rheological properties
  • ZnO/PS
  1. Torquato S., Random Heterogeneous Materials: Microstructure and Macroscopic Properties, Springer, USA, 2013.
  2. Vermogen A., Varlot K.M., and Séguéla R., Evaluation of the Structure and Dispersion in Polymer-Layered Silicate Nanocomposites, Macromolecules, 38, 9661-9669, 2005.
  3. Nan C.W., Shen Y., and Ma J., Physical Properties of Composites Near Percolation, Annual Rev. Mater. Res., 40, 131-151, 2010.
  4. Pegel S., Potschke P., Petzold G., Alig I., Dudkin S.M., and Lellinger D., Dispersion, Agglomeration, and Network Formation of Multiwalled Carbon Nanotubes in Polycarbonate Melts, Polymer, 49, 974-984, 2008.
  5. Pourhosseiny M.R. and Razzaghi-Kashani M., Nanocomposite of SBR/Hydroxy-Terminated Polybutadiene Grafted- Fumed Silica, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 25, 103-112, 2012.
  6. Saheb N., Ul Qadir N., Siddiqui M.U., Arif A.F.M., Akhtar S.S., and Al-Aqeeli N., Characterization of Nanoreinforcement Dispersion in Inorganic Nanocomposites: A Review, Materials, 7, 4148-4181, 2014.
  7. Jayaraman A. and Schweizer K. S., Effective Interactions, Structure, and Phase Behavior of Lightly Tethered Nanoparticles in Polymer Melts, Macromolecules, 41, 9430-9438, 2008.
  8. Otsuki A. and Bryant G., Characterization of the Interactions within Fine Particle Mixtures in Highly Concentrated Suspensions for Advanced Particle Processing, Adv. Colloid Interface Sci., 226, 37-43, 2015.
  9. Pluta M., Jeszka J.K., and Boiteux G., Polylactide/Montmorillonite Nanocomposites: Structure, Dielectric, Viscoelastic and Thermal Properties, Eur. Polym. J., 43, 2819-2835, 2007.
  10. Jancar J., Douglas J.F., Starr F.W., Kumar S.K., Cassagnau P., Lesser A.J., Sternstein S.S., and Buehler M.J., Current Issues in Research on Structure–Property Relationships in Polymer Nanocomposites, Polymer, 51, 3321–3343, 2010.
  11. Bai J.B. and Allaoui A., Effect of the Length and the Aggregate Size of MWNTs on the Improvement Efficiency of the Mechanical and Electrical Properties of Nanocomposites-Experimental Investigation, Composites Part A: Appl. Sci. Manufact.,  34, 689-694, 2003.
  12. Barber P., Balasubramanian S., Anguchamy Y., Gong S., Wibowo A., Gao H., Ploehn H.J., and Loye H.C., Polymer Composite and Nanocomposite Dielectric Materials for Pulse Power Energy Storage, Materials, 2, 1697-1733, 2009.
  13. Guo Z., Sautereau H., and Kranbueh D.E., Evidence for Spatial Heterogeneities Observed by Frequency Dependent Dielectric and Mechanical Measurements in Vinyl/Dimethacrylate Systems, Polymer 46, 12452-12459, 2005.
  14. Cassagnau Ph., Melt Rheology of Organoclay and Fumed Silica Nanocomposites, Polymer, 49, 2183-2196, 2008.
  15. Voet A. and Suriani L.R., Dielectrics and Rheology of Dispersed Magnetized Particles I, Research Department, Huber J.M. Corporation, New York, 1950.
  16. Tan D., Cao Y., Tuncer E., and Irwin P., Nanofiller Dispersion in Polymer Dielectrics, Mater. Sci. Appl., 4, 6-15, 2013.
  17. Calebrese C., Hui L., Schadler L.S., and Nelson J.K., A Review on the Importance of Nanocomposite Processing to Enhance Electrical Insulation, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 18, 938-945, 2011.
  18. Kurimoto M. and Okubo H., Dielectric Properties of Epoxy/Alumina Nanocomposite Influenced by Control of Micrometric Agglomerates, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 17, 662-670, 2010.
  19. Tjong S.C. and Liang G.D., Electrical Properties of Low-Density Polyethylene/ZnO Nanocomposites, Mater. Chem. Phys, 100, 1-5, 2006.
  20. Golbang A., Famili M.H.N., and Mokhtari Motameni Shirvan M., A Method for Quantitative Characterization of Agglomeration Degree in Nanocomposites, Compos. Sci. Technol., 145, 181-186, 2017.
  21. Farzi G.A., Tayebee R., and Naghibinasab S., Surface Modification of ZnO Nano-Particles with Trimetoxyvinyl Silane and Oleic Acid and Studying their Dispersion in Organic Media, Nano Dimensions, 6, 67-75, 2015.
  22. Javadi S., Sadroddini M., Razzaghi-Kashani M., Reis P.N.B., and Balado A.A., Interfacial Effects on Dielectric Properties of Ethylene Propylene Rubber–Titania Nano- and Micro-composites, Polym. Res., 22, 1-9, 2015.
  23. Bai J.B. and  Allaoui A., Effect of the Length and the Aggregate Size of MWNTs on the Improvement Efficiency of the Mechanical and Electrical Properties of Nanocomposites-Experimental Investigation, Composites Part A: Appl. Sci. Manufact.,  34,  689-694, 2003.