بررسی تجربی خواص مکانیکی، سازوکار شکست و رشد ترک نانوکامپوزیت‌های PA6-NBR-خاک رس

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده مکانیک و انرژی، صندوق پستی 53571-16589

2 تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند، گروه لاستیک، صندوق پستی 112-14975

10.22063/jipst.2020.1732

چکیده

فرضیه: الاستومر گرمانرم پلی‌آمید6 (PA6)-آکریلونیتریل بوتادی‌ان (NBR) تقویت‌شده با نانوذرات در صنایع مختلف کاربرد دارند. افزودن نانوذرات به الاستومرهای گرمانرم بر استحکام کششی و ضربه‌ای، سازوکار شکست و خواص گرمایی نانوکامپوزیت‌ها مؤثر است. برای ساخت این نانوکامپوزیت‌ها فرایندهای مختلفی مانند اکسترودر، مخلوط‌کن داخلی و اصطکاکی اغتشاشی وجود دارد.
روش‌ها: نانوکامپوزیت‌های‌ PA6-NBR– خاک‌رس با استفاده از مخلوط‌ کن داخلی و فرایند اصطکاکی اغتشاشی ساخته شدند. خواص مکانیکی و سازوکار شکست این نانوکامپوزیت‌ها با آزمون‌های مکانیکی (کشش، ضربه و سختی) و روش کار ضروری شکست (EWF) بررسی شد. پراش پرتو X  و میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM) برای بررسی شکل‌شناسی نمونه‌ها به‌کار گرفته شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد، استحکام کششی نمونه حاصل از مخلوط‌ کن داخلی با افزودن نانوخاک‌رس تا %5 وزنی، افزایش و در بیش از %5 وزنی کاهش یافت. نمونه حاصل از فرایند اصطکاکی اغتشاشی با %7 وزنی نانوذرات خاک‌رس بیشترین استحکام کششی (35.4MPa) را نشان داد. در نمونه حاصل از فرایند اصطکاکی اغتشاشی با %7 وزنی نانوخاک‌رس، مدول کششی و کار کلی شکست به‌ترتیب 75 و %56 فزایش یافت، درحالی که در نمونه مخلوط‌ کن داخلی، مدول %50 افزایش و کار کلی شکست %5 کاهش یافت. با افزودن %7 وزنی نانوذرات به آمیخته PA6/NBR، استحکام ضربه‌ای نمونه‌های حاصل از فرایندهای اصطکاکی اغتشاشی و مخلوط‌کن داخلی به‌ترتیب 4 و %18 کاهش یافت. افزودن %7 وزنی نانوخاک‌رس به آمیخته PA6/NBR با فرایند اصطکاکی اغتشاشی، موجب بهبود خواص گرمایی همچون افزایش دماهای تبلور و ذوب به‌ترتیب از 195.3 به 197.1 و 221.31 به 222.5 درجه سلسیوس شد.  

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of Mechanical Properties, Fracture Mechanism and Crack Propagation of PA6/NBR/Clay Nanocomposites

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Nakhaei 1
  • Ghasem Naderi 2
  • Mir Hamid Reza Ghoreishy 2
1 Facility of Mechanics and Energy, Shahid Beheshti University, P.O. Box 16589-5357, Tehran, Iran
2 Department of Rubber Processing and Engineering, Faculty of Processing, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Polyamide 6 (PA6)/nitrile butadiene rubber (NBR) thermoplastic elastomer reinforced by nanoparticles has several applications in various industries. The addition of nanoparticles to thermoplastic elastomers will affect the tensile strength, impact strength, fracture mechanism and thermal properties of nanocomposites. There are different processes to fabricate these nanocomposites such as extruder, internal mixer, and friction stir process.
Methods: PA6/NBR/clay nanocomposites were fabricated by internal mixer (IM) and friction stir process (FSP). The mechanical properties and fracture mechanisms of these nanocomposites were investigated by mechanical testing (tensile, impact, and hardness) and essential work of fracture (EWF) methodology. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were used to investigate the morphology of samples.
Finding: The results indicated that with addition of nanoclay up to 5% in an elastomer containing internal mixer, the tensile strength increased, and beyond 5%, the tensile strength decreased. The friction stir process sample with 7% nanoclay showed a maximum tensile strength of 35.4 MPa. In the friction stir process sample with 7% nanoclay, the tensile modulus and total work of fracture, respectively, increased by 75% and 56%, while in the internal mixer sample, the modulus increased by 50% and total work of fracture decreased by 5%. With the addition of 7% nanoclay to PA6/NBR blend, the impact strength of friction stir process and internal mixer samples decreased by 4 and 18%, respectively. The addition of 7% nanoclay to PA6/NBR blend with friction stir process improved the thermal behavior as the crystallization temperature and melting temperature increased from 195.3 to 197.1°C and 221.3 to 222.5°C, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanocomposite
  • polyamide 6/nitrile butadiene rubber
  • fracture mechanism
  • tensile strength
  • impact strength
  1. Ghoreishy M.H.R., Naderi G., and Mansour M., Numerical Modeling and Experimental Study of Elastic-Plastic Behavior of Carbon Nanotubes Reinforced Nanocompsites of PA6/NBR Using a Microfinite Element Model, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian)., 27, 409-421, 2014.
  2. Mahallati P., Arefazar A., and Naderi G., Thermoplastic Elastomer Nanocomposites Based on PA6/NBR, Int. Polym. Proc.25, 132-138, 2010.
  3. Faramarzi T., Razzaghi M., and Mehranpour M., Mechanism of Improvement in Tribological Properties of Polyamide 6 by Addition of Irradiated Polytetrafluoroethylene Powder, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian)., 28, 403-12, 2015.
  4. Mahallati P., Arefazar A., and Naderi G., Thermal and Morphological Properties of Thermoplastic Elastomer Nanocomposites Based on PA6/NBR, Iran. J. Chem. Eng., 8, 56-65, 2011.
  5. Mostafapour A., Akbari A., and Nakhaei M., Application of Response Surface Methodology for Optimization of Pulsating Blank Holder Parameters in Deep Drawing Process of Al 1050 Rectangular Parts, Int. J. Adv. Manuf. Tech., 91,731-7, 2017.
  6. Barmouz M., Seyfi J., Givi MKB., Hejazi I., and Davachi S.M., A Novel Approach for Producing Polymer Nanocomposites by In-Situ Dispersion of Clay Particles via Friction Stir Processing, Mat. Sci. Eng. A., 528,3003-3006, 2011.
  7. Zahedi M., Malekimoghadam R., Rafiee R., and Icardi U., A Study on Fracture Behavior of Semi-Elliptical 3D Crack in Clay-Polymer Nanocomposites Considering Interfacial Debonding, Eng. Fract. Mech., 209, 245-259, 2019.
  8. Akherati Sany S.R., Mortezaei M., and Amiri Amraei I., Improving Fracture Toughness of Epoxy Nanocomposites by Silica Nanoparticles, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 30, 3-17, 2017.
  9. Bárány T., Czigány T., and Karger-Kocsis J., Application of the Essential Work of Fracture (EWF) Concept for Polymers, Related Blends and Composites: A Review, Prog. Polym. Sci., 35,1257-87, 2010.
  10. Mohsenzadeh  M. S., Mazinani M., and Zebarjad S.M., Evaluation of Fracture Behavior of Polyethylene/CaCO3 Nanocomposite Using Essential Work of Fracture (EWF) Approach, Nanocomposites., 1, 27-35, 2015.
  11. Karger-Kocsis J. and Lendvai L., Polymer/Boehmite Nanocomposites: A Review, J. Appl. Polym. Sci., 135, 1-32, 2018.
  12. Khodabandelou M., Aghjeh M.K.R., and Mazidi M.M., Fracture Toughness and Failure Mechanisms in Un-Vulcanized and Dynamically Vulcanized PP/EPDM/MWCNT Blend-Nanocomposites, RSC. Adv., 5, 70817-70831, 2015.
  13. Mostafapour A., Naderi G., and Nakhaei M.R., Effect of Process Parameters on Fracture Toughness of PP/EPDM/Nanoclay Nanocomposite Fabricated by Novel Method of Heat Assisted Friction Stir Processing, Polym. Compos., 39,2336-2346, 2018.
  14. Mazidi M.M., Aghjeh M.K.R., and Hasanpour M., Fracture Resistance and Micromechanical Deformations in PP/PA6/EPDM Ternary Blends: Effect of Rubber Functionality, Dispersion State and Loading Conditions, Eng. Fract. Mech., 191, 65-81, 2018.
  15. Kumar S., Maiti S.N., and Satapathy B.K., Halloysite Nanotubes Filled in Asymmetric Blend of Polyamide 6, 12/Poly(ethylene-octene) Elastomer: Tough-to-Brittle Transition in Nanocomposites. Macromol. Symp. 373,1-18, 2017.
  16. Lim S.H., Dasari A., Yu Z.Z., Mai Y.W., Liu S., and Yong M.S., Fracture Toughness of Nylon 6/Organoclay/Elastomer Nanocomposites, Compos. Sci. Technol., 67,2914-2923, 2007.
  17. Khodabandelou M., Aghjeh M.K.R., Khonakdar H.A., and Mazidi M.M., Effect of Localization of Carbon Nanotubes on Fracture Behavior of Un-vulcanized and Dynamically Vulcanized PP/EPDM/MWCNT Blend-Nanocomposites, Compos. Sci. Technol., 149,134-48, 2017.
  18. Zoghi S., Naderi G., Bakhshandeh G., Ehsani M., and Shokoohi S., Elastomer Nanocomposite Based on Btadiene Rubber Nanoclay and Epoxy: Polyester-Hybrid:  Microstructure and Mechanical Properties, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 26, 233-242, 2013.
  19. Mehrabzadeh M., Morshediyan J., and Naderpour N., A Study on Calcium Carbonate Filled PP: The Effect of Particle Size and Surface Modification of CaCO3 on Impact Strength of the PP/CaCO3 Composite, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 2, 85-94, 1998.
  20. Haghnegahdar M., Naderi G., and Ghoreishy M., Fracture Toughness and Deformation Mechanism of Un-vulcanized and Dynamically Vulcanized Polypropylene/Ethylene Propylene Diene Monomer/Graphene Nanocomposites, Compos. Sci. Technol., 141, 83-98, 2017.
  21. Mazidi M.M., Aghjeh M.R., and Abbasi F., Evaluation of Fracture Toughness of ABS Polymers via the Essential Work of Fracture (EWF) Method, J. Mater. Sci., 47, 6375-6386, 2012.
  22. Das D. and Satapathy B.K., Designing Tough and Fracture Resistant Polypropylene/Multi Wall Carbon Nanotubes Nanocomposites by Controlling Stereo-complexity and Dispersion Morphology, Mater. Des., 54, 712-726, 2014.
  23. Paran S.M.R., Naderi G., Ghoreishy M.H.R., and Dubois, C., Essential Work of Fracture and Failure Mechanisms in Dynamically Vulcanized Thermoplastic Elastomer Nanocomposites Based on PA6/NBR/XNBR-grafted HNTs, Eng. Fract. Mech.200, 251-262, 2018.