اثر اصلاح‌کننده نانوخاک‌رس و سازگارکننده بر توسعه شکل‌شناسی و سینتیک بلوری‌شدن سرد نانوکامپوزیت‌های پلی‌لاکتید-پلی‌اتیلن-مونت‌موریلونیت

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 ارومیه، دانشگاه ارومیه، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی: 165

2 بندرعباس، دانشگاه هرمزگان، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی صنایع، صندوق پستی: ۳۹۹۵

3 گرگان، دانشگاه گلستان، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی: 155

چکیده

اثر انواع اصلاح‌کننده نانوخاک‌رس مونت‌موریلونیت (MT2EtOH و 2M2HT) و سازگارکننده (PE-g-MA) بر توسعه ساختار، شکل‌شناسی و سینتیک بلورینگی سرد آمیخته‌های نانوکامپوزیتی پلی‌لاکتید-پلی‌اتیلن دارای 4phr مونت‌موریلونیت اصلاح‌شده تجاری (کلویزیت 20A و 30B) بررسی شد. توسعه ساختار شکل‌شناسی و سینتیک بلورینگی سرد آمیخته‌های پلیمری نانوکامپوزیتی با روش‌های پراش پرتو X، میکروسکوپی الکترونی پویشی، گرماسنجی پویشی تفاضلی و اندازه‌گیری‌های گرانروکشسانی حالت مذاب خطی و غیرخطی بررسی شد. نتایج پراش پرتو X  ساختار میان‌لایه‌ای‌شده در آمیخته‌های نانوکامپوزیتی پلی‌لاکتید-پلی‌اتیلن دارای نانوخاک‌رس کلویزیت 20A یا کلویزیت 30B را نشان داد. همچنین نتایج نشان داد، بیشینه مشخصه اصلی کلویزیت 30B در آمیخته نانوکامپوزیتی پلی‌لاکتید-پلی‌اتیلن-کلویزیت 30B در مقایسه با بیشینه مشخصه کلویزیت 20A در آمیخته نانوکامپوزیتی پلی‌لاکتید-پلی‌اتیلن-کلویزیت 20A به زاویه‌های کوچک‌تر منتقل شده‌اند. نتایج رئولوژی و ثابت‌های ترشوندگی نشان داد، مشارکت کلویزیت 20A در آمیخته پلی‌لاکتید-پلی‌اتیلن، طبق سه سازوکار شامل قرارگیری نانوخاک‌رس در فصل‌ مشترک آمیخته، افزایش گرانروی فاز ماتریس پلی‌‌لاکتید و کاهش فرایند به‌هم‌پیوستگی، به کاهش اندازه قطره‌های پلی‌اتیلن منجر می‌شود. تصاویر میکروسکوپی الکترونی پویشی نشان داد، شکل‌شناسی کروی آمیخته پلی‌لاکتید-پلی‌اتیلن دارای کلویزیت 30B به شکل‌شناسی غیرکروی در آمیخته دارای کلویزیت 20A تغییر می‌کند. نتایج گرانروکشسانی مذاب خطی و غیرخطی نشان داد، ساختار سه‌بعدی تشکیل شده در آمیخته نانوکامپوزیتی پلی‌لاکتید-پلی‌اتیلن-کلویزیت 20A در مقایسه با پلی‌لاکتید-پلی‌اتیلن-کلویزیت 30B قوی‌تر است. سرعت بلوری‌شدن آمیخته‌های نانوکامپوزیتی از معادله Avrami با ثابت 2 پیروی کرد. افزودن سازگارکننده به آمیخته‌های نانوکامپوزیتی پلی‌لاکتید-پلی‌اتیلن، به کاهش ثابت سرعت بلوری‌شدن اصلاح‌شده (Zc) منجر شد. سازگار‌کننده در آمیخته‌های نانوکامپوزیتی با انتقال بخشی از نانوخاک‌رس به فاز قطره موجب کاهش فرایند هسته‌گذاری و در نتیجه کاهش سرعت بلوری‌شدن سرد، نسبت به آمیخته‌های نانوکامپوزیتی بدون سازگارکننده شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Organo-clay Modifier and Compatibilizer on the Morphological Development and Cold Crystallization Kinetics of Polylactide/Polyethylene/Montmorillonite Nanocomposites

نویسندگان [English]

  • Ali Samadi 1
  • Mehdi Haji Abdolrasouli 2
  • Amir Babaei 3
1 Department of Polymer Engineering, Faculty of Engineering, Urmia University, P.O. Box: 165, Urmia, Iran
2 Department of Industrial Engineering, Faculty of Engineering, University of Hormozagn, P.O. Box: 3995, Bandar-Abbas, Iran
3 Department of Polymer Engineering, Faculty of Engineering, Golestan University, P.O. Box: 155, Gorgan, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Among available bioplastics, polylactide exhibits superior properties, including high modulus, good processability, and compostability. However, some disadvantages, such as brittleness and low thermal resistance limit its application in some fields. In order to overcome the limitations of polylactide, it is usually modified by addition of nanoparticles or by blending with other thermoplastics.
Methods: Polylactide/polyethylene (PLA/PE)-based nanocomposites were prepared using 4 phr commercially modified montmorillonite (Cloisite 30B or Cloisite 20A) and polyethylene-g-maleic anhydride compatibilizer (PE-g-MA) by melt blending technique. The structure and morphology development and also the cold crystallization kinetics of the samples were investigated using X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), differential scanning calorimetry (DSC) techniques and melt linear and non-linear viscoelastic measurements.
Findings: The XRD results showed that polymer intercalation into the clay galleries in PLA/PE/Cloisite 30B was higher than that in PLA/PE/Cloisite 20A. The rheological results along with the calculated data of wetting parameter showed that Cloisite 20A in blend nanocomposite could reduce the droplet size through three different mechanisms a: localization of the organoclay in the interface b: increasing the viscosity of PLA matrix and c: decreasing the extent of coalescence process. The FE-SEM micrographs showed that the nodular morphology of PLA/PE/Cloisite 30B changed to a non-nodular morphology in PLA/PE/Cloisite20A. The melt linear and non-linear viscoelastic measurements showed that a stronger 3D-network structure was formed in PLA/PE/Cloisite 20A compared to that in PLA/PE/Cloisite 30B. It was implied that the crystallization rate followed the Avrami equation with the exponent n of around 2. The results also showed that the addition of compatibilizer (PE-g-MA) into PLA/PE/Cloisite 20A or PLA/PE/Cloisite30B decreased modified crystallization rate constant (Zc), because the cold crystallization rates of compatibilized blend nanocomposites were lower than those of uncompatibilized blend nanocomposites and the role of compatibilizer in the transfer of partial organoclays from PLA matrix into the droplets.

کلیدواژه‌ها [English]

  • polylactide
  • Nanoclay
  • blend
  • morphology
  • clod crystallization
    1. Farah S., Anderson D.G., and Langer R., Physical and Mechanical Properties of PLA, and Their Functions in Widespread Applications-A Comprehensive Review, Adv. Drug Deliv. Rev., 107, 367-392, 2016.
    2. Abdolrasouli M.H., Nazockdast H., Sadeghi G.M.M., and Kaschta J., Morphology Development, Melt Linear Viscoelastic Properties and Crystallinity of Polylactide/Polyethylene/Organoclay Blend Nanocomposites, J. Appl. Polym. Sci., 132, 2015.
    3. Aghjeh M.R., Asadi V., Mehdijabbar P., Khonakdar H.A., and Jafari S.H., Application of Linear Rheology in Determination of Nanoclay Localization in PLA/EVA/Clay Nanocomposites: Correlation with Microstructure and Thermal Properties, Compos. Part B Eng., 86, 273-284, 2016.
    4. Anderson K.S., Schreck K.M., and Hillmyer M.A., Toughening Polylactide, Polym. Rev., 48, 85-108, 2008.
    5. Wu D., Yuan L., Laredo E., Zhang M., and Zhou W., Interfacial Properties, Viscoelasticity, and Thermal Behaviors of Poly(butylene succinate)/Polylactide Blend, Ind. Eng. Chem. Res., 51, 2290-2298, 2012.
    6. Ho C.H., Wang C.H., Lin C.I., and Lee Y.D., Synthesis and Characterization of TPO-g-PLA Copolymer and Its Behavior as Compatibilizer for PLA/TPO Blends, Polym., 49, 3902-3910, 2008.
    7. Ma P., Hristova-Bogaerds D.G., Goossens J.G.P., Spoelstra A.B., Zhang Y., and Lemstra P.J., Toughening of Poly(lactic acid) by Ethylene-co-Vinyl Acetate Copolymer with Different Vinyl Acetate Contents, Eur. Polym. J., 48, 146-154, 2012.
    8. Jaratrotkamjorn R., Khaokong C., and Tanrattanakul V., Toughness Enhancement of Poly(lactic acid) by Melt Blending with Natural Rubber, J. Appl. Polym. Sci., 124, 5027-5036, 2011.
    9. Utracki L.A. and Shi G.Z.H., Compounding Polymer Blends, Kluwer Academic, Netherlands, 2002.
    10. Anderson K.S. and Hillmyer M.A., The Influence of Block Copolymer Microstructure on the Toughness of Compatibilized Polylactide/Polyethylene Blends, Polym., 45, 8809-8823, 2004.
    11. ZhangG., Wu T., Lin W., Tan Y., Chen R., Huang Z., Yin X., and Qu J., Preparation of Polymer/Clay Nanocomposites via Melt Intercalation under Continuous Elongation Flow, Comp. Sci. Technol., 145, 157-164, 2017.
    12. Hassan M., Nour M., AbdelmonemY., Makhlouf G., and Abdelkhalik A., Synergistic Effect of Chitosan-Based Flame Retardant and Modified Clay on the Flammability Properties of LLDPE, Polym. Degrad. Stabil., 133, 8-15, 2016.
    13. Dabbaghianamiri M., Das S., and Beall G.W., Improvement Approach for Gas Barrier Behavior of Polymer/Clay Nanocomposite Films, MRS Adv., 2, 3547-3552, 2017.
    14. Nazockdast E., Nazockdast H., and Goharpey F., Linear and Nonlinear Melt-state Viscoelastic Properties of Polypropylene/Organoclay Nanocomposites, Polym. Eng. Sci., 48, 1240-1249, 2008.
    15. Chiu C.W., Huang T.K., Wang Y.C., Alamani B.G., and Lin J.J., Intercalation Strategies in Clay/Polymer Hybrids, Prog. Polym. Sci., 39, 443-485, 2014.
    16. Százdi L., Ábrányi Á., PukánszkyB., Vancso J.G., and Pukánszky B., Morphology Characterization of PP/Clay Nanocomposites Across the Length Scales of the Structural Architecture, Macromol. Mater. Eng., 291, 858-868, 2006.
    17. Kotal M. and Bhowmick A.K., Polymer Nanocomposites from Modified Clays: Recent Advances and Challenges, Prog. Polym. Sci., 51, 127-187, 2015.
    18. Yousefi A.A. and Salarian M.M., Effect of Polyamide 6 on Crystalline Structure of Polymer in PVDF-Nanoclay Nanocomposite, Iran. J. Sci. Technol., 25, 41-51, 2012.
    19. Fortunati E., Armentano I., Zhou Q., Puglia D., Terenzi A., Berglund L.A., and Kenny J.M., Microstructure and nonisothermal Cold crystallization of PLA Composites Based on Silver Nanoparticles and Nanocrystalline Cellulose, Polym. Degrad. Stabil., 97, 2027-2036, 2012.
    20. Krikorian V., and Pochan D.J., Unusual Crystallization Behavior of Organoclay Reinforced Poly(l-lactic acid) Nanocomposites, Macromol., 37, 6480-6491, 2004.
    21. Suksut B. and Deeprasertkul C., Effect of Nucleating Agents on Physical Properties of Poly(lactic acid) and Its Blend with Natural Rubber, J. Polym. Environ., 19, 288-296, 2011.
    22. Ebadi-Dehaghani H., Khonakdar H.A., Barikani M., Jafari S.H., Wagenknecht U., and Heinrich G., On Localization of Clay Nanoparticles in Polypropylene/poly(Lactic Acid) Blend Nanocomposites: Correlation with Mechanical Properties, J. Macromol. Sci. Phy., 55, 344-360, 2016.
    23. Wu D., Lin D., Zhang J., Zhou W., Zhang M., Zhang Y., Wang D., and Lin B., Selective localization of Nanofillers: Effect on morphology and crystallization of PLA/PCL Blends, Macromol. Chem. Phys., 212, 613-626, 2011.
    24. Carrino L., Ciliberto S., Giorleo G., and Prisco U., Effect of Filler Content and Temperature on Steady-State Shear Flow of Wood/High Density Polyethylene Composites, Polym. Compos., 32, 796-809, 2011.
    25. Biresaw G. and Carriere C.J., Correlation between Mechanical Adhesion and Interfacial Properties of Starch/Biodegradable Polyester Blends, J. Polym. Sci. Polym. Phys., 39, 920-930, 2001.
    26. Iza M., Bousmina M., and Jorme R., Rheology of Compatibilized Immiscible Viscoelastic Polymer Blends, Rheol. Acta., 40, 10-22, 2001.
    27. Avrami M. and Kinetics of Phase Change. I General Theory, J. Chem. Phys., 7, 1103-1112, 1939.
    28. Vasanthan N., Ly H., and Ghosh S., Impact of Nanoclay on Isothermal Cold Crystallization Kinetics and Polymorphism of Poly(l-Lactic Acid) Nanocomposites, J. Phys. Chem. Biophys., 115, 9556-9563, 2011.