مدل امولسیونی اصلاح‌شده جدید برای آمیخته‌های پلیمری دوتایی امتزاج‌ناپذیر دارای نانوذرات توزیع‌شده در قطره‌ها

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

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

2 بوشهر، دانشگاه خلیج فارس، دانشکده نفت، گاز و پتروشیمی، گروه مهندسی شیمی، کد پستی 751613817

10.22063/jipst.2021.1795

چکیده

فرضیه: مدل امولسیونی Palierne معمولاً برای بررسی ارتباط رئولوژی-شکل‌شناسی آمیخته‌های پلیمری امتزاج‌ناپذیر با شکل‌شناسی قطره-ماتریس استفاده می‌شود. مدل Palierne رفتار گرانروکشسان خطی را برای امولسیون‌ها و تعلیق‌ها فقط زمانی‌که کسر حجمی فاز پراکنده زیاد نباشد، به‌خوبی پیش‌بینی می‌کند. از منظر نانوکامپوزیت‌ها، مدل Palierne به‌دلیل برهم‌کنش‌های میان نانوذرات قابلیت پیش‌بینی نتایج تجربی را ندارد. بنابراین، پژوهشگران مدل امولسیونی Palierne را با درنظرگرفتن اثرهای مقدار تقویت برش و مقدار تقویت تنش اصلاح کردند. با وجود این، مدل‌های Palierne اصلاح‌شده نتوانستند مدول مختلط آمیخته‌های پلیمری دوتایی دارای نانوذرات را به‌دلیل پیچیدگی این نوع سامانه‌ها پیش‌بینی کنند.
روش‌ها: مدل جدیدی به‌کمک روش تلفیقی مناسب برای پیش‌بینی مدول مختلط آمیخته‌های پلیمری دارای نانوذرات جاداده‌شده درون فاز قطره‌ها پیشنهاد شده است. مدل پیشنهاد‌شده، برهم‌کنش ذره-ذره، ذره-پلیمر و اثر ازدحام قطره‌ها را درنظر می‌گیرد. از طرف دیگر، برای صحت‌سنجی مدل پیشنهادی، آمیخته پلیمری پلی‌استیرن-پلی(متیل متاکریلات) در مجاورت %1 وزنی نانولوله کربن با روش اختلاط مذاب تهیه شد.
یافته‌ها: شکل‌شناسی به‌صورت قطره‌های پلی‌استیرن پراکنده‌شده درون ماتریس پلی(متیل متاکریلات) مشخص شد و نتایج میکروسکوپی الکترون عبوری نشان داد، نانولوله‌های کربن درون فاز قطره قرار گرفتند. نتایج صحت‌سنجی مدل پیشنهادی با داده‌های تجربی در مقایسه با سایر مدل‌های Palierne اصلاح‌شده انطباق بهتری داشت و پارامترهای به‌دست‌آمده از مدل پیشنهادی، جزئیات بیشتری از خواص گرانروکشسان نظیر کشش بین‌سطحی نانوذرات-فاز قطره، اثر ازدحام قطره‌های پراکنده، مقدار تقویت‌کنندگی نانوذرات و کشش بین‌سطحی نانوکامپوزیت را مشخص کردند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A New Modified Emulsion Model for Immiscible Binary Polymeric Blends Containing Nanoparticles Distributed in Droplets

نویسندگان [English]

  • Parsa Dadashi 1
  • Amir Babaei 1
  • Amir Rostami 2
1 Department of Polymer Engineering, Faculty of Engineering, Golestan University, P.O. Box 155, Gorgan, Iran
2 Department of Chemical Engineering, Faculty of Petroleum, Gas, and Petrochemical Engineering, Persian Gulf University, , Postal Code 75169-13817, Bushehr, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Palierne emulsion model is usually used to investigate the rheology-morphology correlation for immiscible polymer blends by droplet-matrix morphology. The Palierne model describes the linear viscoelastic behavior of emulsions and suspensions properly only when the dispersed phase volume fraction is not high. In the case of nanocomposites, the Palierne model cannot predict the experimental data due to the interactions between the nanoparticles. Therefore, researchers modified Palierne emulsion model by considering the shear amplification rate effect and stress amplification rate effect for nanocomposites. However, modified Palierne models could not predict the complex modulus of binary polymeric blends containing nanoparticles due to the complexity of these systems.
Methods: A new model is proposed using a suitable combinative method to predict the complex modulus of binary polymer blends with nanoparticles localized in the droplets phase. The proposed model considers particle-particle interaction, polymer-particle interaction and droplets crowding effect. On the other hand, for the validation of the proposed model, a poly(styrene)/poly(methyl methacrylate) polymer blend was prepared in the presence of 1 wt% CNT by melt mixing method.
Findings: The morphology was characterized as dispersed PS droplets within the PMMA matrix, and the transmission electron microscopy results indicated that the CNT was localized in the droplet phase. The validation results of the proposed model were more consistent with the experimental data compared to other modified Palierne models, and the parameters obtained from the proposed model provided more details on viscoelastic properties such as droplet phase-nanoparticles interfacial tension, disperse droplets crowding effect, nanoparticles amplification rate, and nanocomposite interfacial tension.

کلیدواژه‌ها [English]

  • palierne emulsion model
  • shear amplification rate
  • stress amplification rate
  • polymer immiscible blend
  • morphology
  1. Kong Y., and Hay J.N., Miscibility and Crystallisation Behaviour of Poly(ethylene terephthalate)/Polycarbonate Blends, Polymer, 43, 1805-1811, 2002.
  2. Aravind I., Albert P., Ranganathaiah C., Kurian J.V., and Thomas S., Compatibilizing Effect of EPM-g-MA in EPDM/Poly(trimethylene terephthalate) Incompatible Blends, Polymer, 45, 4925-4937, 2004.
  3. Supaphol P., Dangseeyun N., Thanomkiat P., and Nithitanakul M., Thermal, Crystallization, Mechanical, and Rheological Characteristics of Poly(trimethylene terephthalate)/Poly(ethylene terephthalate) Blends, J. Polymer. Sci. B. Polymer. Phys., 42, 676-686, 2004.
  4. Moan M., Huitric J., and Médéric P., Rheological Properties and Reactive Compatibilization of Immiscible Polymer Blends, J. Rheol., 44, 1227-1245, 2000.
  5. Minale M., Moldenaers P., and Mewis J., Effect of Shear History on the Morphology of Immiscible Polymer Blends, Macromolecules, 30, 5470-5475, 1997.
  6. Palierne J.F., Linear Rheology of Viscoelastic Emulsions with Interfacial Tension, Rheol. Acta, 29, 204-214, 1990.
  7. Graebling D., Muller R., and Palierne J.F., Linear Viscoelastic Behavior of some Incompatible Polymer Blends in the Melt. Interpretation of Data with a Model of Emulsion of Viscoelastic Liquids, Macromolecules, 26, 320-329, 1993.
  8. Jacobs U., Fahrla Nder M., Winterhalter J., and Friedrich C., Analysis of Palierne’s Emulsion Model in the Case of Viscoelastic Interfacial Properties, J.. Rheol., 43, 1495-1509,1999.
  9. Bousmina M. and Muller R., Linear Viscoelasticity in the Melt of Impact PMMA. Influence of Concentration and Aggregation of Dispersed Rubber Particles, J. Rheol., 37, 663-679, 1993.
  10. Bardollet P., Bousmina M., and Muller R., Relationship between Structure and Rheological Properties in the Melt of Polymers Containing Spherical Inclusions, Polym. Adv. Technol., 6, 301-308, 1995.
  11. Becher P., Encyclopedia of Emulsion Technology, Marcel Dekker, 4, New York, 1996.
  12. Pal R., A New Linear Viscoelastic Model for Emulsions and Suspensions, Polym. Eng. Sci., 48, 1250-1253, 2008.
  13. UtrackiL A., Clay-Containing Polymeric Nanocomposites, iSmithers Rapra, London, 1, 1-9, 2004.
  14. Koo J.H., Polymer Nanocomposites, McGraw-Hill Professional, New York, 95-122, 2006.
  15. Alexandre M. and Dubois P., Polymer-Layered Silicate Nanocomposites: Preparation, Properties and Uses of a New Class of Materials, Mater. Sci. Eng. R: Reports., 28, 1-63, 2000.
  16. Wang J., Guo Y., Yu W., Zhou C.X., and Steeman P., Linear and Nonlinear Viscoelasticity of Polymer/Silica Nanocomposites: an Understanding from Modulus Decomposition, Rheol. Acta. 55, 37-50, 2016.
  17. Domurath J., Saphiannikova M., Ausias G., and Heinrich G., Modelling of Stress and Strain Amplification Effects in Filled Polymer Melts, J. Newt. Fluid Mech., 171, 8-16, 2012.
  18. Wei Y., Wang J., and Wei Y., Structure and Linear Viscoelasticity of Polymer Nanocomposites with Agglomerated Particles, Polymer, 98, 190-200, 2016.
  19. 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.
  20. Wu S., Polymer Interface and Adhesion, Marcel Dekker, New York, 67-132, 1982.
  21. Rostami A., Vahdati M., and Nazockdast H., Unraveling the Localization Behavior of MWCNTs in Binary Polymer Blends Using Thermodynamics and Viscoelastic Approaches, Polym. Compos., 39, 1-12, 2016.
  22. Krieger I.M. and Dougherty T.J., A Mechanism for Non-Newtonian Flow in Suspensions of Rigid Spheres, T. Soc. Rheol., 3, 137-152, 1959.
  23. Carriere C., Biresaw G., and Sammler R., Temperature Dependence of the Interfacial Tension of PS/PMMA, PS/PE, and PMMA/PE Blends, Rheol. Acta39, 476-482, 2000.
  24. Jeddi J., Yousefzadeh O., Babaei A., Ghanbar S., and Rostami A., Morphology, Microstructure and Rheological Properties of SAN (Atyrene-Acrylonitrile)/EPDM (Ethylene-Propylene-Diene Monomer) Nanocomposites: Investigating the Role of Organoclay Type and Order of Mixing, Mater. Chem. Phys., 187, 191-202, 2017.
  25. Babaei A. and Arefazar A., Structural, Rheological, and Mechanical Properties of PA6/SAN/SEBS Ternary Blend/Organoclay Nanocomposites, J. Appl. Polym. Sci., 132, 41969, 2015.
  26. Babaei A. and Arefazar A., Phase Structure of Polyamide 6/Poly(styrene-co-acrylonitrile) and Poly(styrene-b-(ethylene-co-butylene)-b-styrene) or Poly(maleated Styrene/Ethylene-co-butylene/styrene) Ternary Blends, J. Macromol. Sci. B, 53, 1377-1393, 2014.
  1. Abdolrasouli M.H., Sadeghi G.M.M., Nazockdast H., and Babaei A., Polylactide/Polyethylene/Organoclay Blend Nanocomposites: Structure, Mechanical and Thermal Properties, Polym. Plast. Technol. Eng., 53, 1417-1424, 2014.