خواص مکانیکی و عملکرد حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی در اسفنج‌ میکروسلولی پلی‌پروپیلن-نانولوله کربن-الیاف شیشه

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه افسری امام علی (ع)، دانشکده علوم پایه، گروه شیمی و فیزیک، صندوق پستی 1317893471

2 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی پلیمر و رنگ، صندوق پستی 4413-1587514115

چکیده

فرضیه: در این پژوهش، با استفاده از اسفنج‌سازی میکروسلولی فرایند حالت جامد و گاز کربن دی‌اکسید در حالت ابربحرانی، اسفنج‌های نانوکامپوزیتی و هیبریدی بر پایه پلی‌پروپیلن تقویت‌شده با نانولوله‌های کربن و الیاف شیشه تولید شدند. فرضیه اصلی در این پژوهش، بررسی اثر ریزساختار و مقدار هر یک از اجزای کامپوزیت بر خواص الکتریکی، جذب امواج الکترومغناطیس و خواص مکانیکی است.
روش‌ها: ابتدا، ریزساختار نانوکامپوزیت‌ها، هیبریدها و نیز اسفنج‌های تولیدشده، با میکروسکوپی الکترونی پویشی بررسی شد. در ادامه، خواص الکتریکی و حفاظت از تداخل امواج الکترومغناطیس نمونه‌های نانوکامپوزیتی به‌ترتیب با روش چهارنقطه‌ای و دستگاه تحلیل‌گر برداری ارزیابی شد. در نهایت، اثر افزودن الیاف شیشه و نانولوله کربن بر خواص مکانیکی کششی، فشاری و ضربه نیز بررسی شد. 
یافته‌ها: نانولوله‌ها در ماتریس پلی‌پروپیلنی به روش آمیزه‌سازی مذاب پراکنده شدند. با افزودن نانولوله‌های کربن اندازه متوسط سلول‌ اسفنج از 49µm به  22.5µm کاهش و چگالی سلولی نیز افزایش یافت. ریزنگارهای SEM اسفنج‌های هیبریدی نشان داد، به‌طور کلی اندازه سلول‌ با افزودن الیاف به‌دلیل هسته‌گذاری ناهمگن به دور الیاف افزایش یافت، اما اندازه سلول‌هایی که در مجاورت الیاف نبودند، کاهش یافت. با افزودن %3 وزنی نانولوله‌های کربن رسانندگی الکتریکی در نمونه‌های جامد از 16-10×1.7 به 4-10×4.7 و در نمونه‌های اسفنجی از 18-10×1.6 به 5-10×3.36 افزایش یافت. همچنین، بازده حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی در نمونه‌ جامد PP/CNT3 به 11dB و در نمونه اسفنجی PP/CNT3-F به 9.5dB رسید. نتایج آزمون‌های مکانیکی نشان داد، با افزودن نانوذرات کربن خواص مکانیکی کششی فشاری و ضربه بهبود می‌یابد. همچنین، افزودن الیاف شیشه به نمونه‌های جامد باعث بهبود مدول و استحکام کششی می‌شود. اما، به‌دلیل برهم‌کنش ضعیف با پلی‌پروپیلن خواص کششی در نمونه‌های اسفنجی کاهش می‌یابد. نتایج استحکام فشاری و استحکام ضربه‌ای اسفنج‌ها نشان داد، با افزودن الیاف و نانوذرات این خواص نیز بهبود می‌یابند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Mechanical Properties and Electromagnetic Interference (EMI) Shielding Performance of PP/CNT/Glass Fiber Microcellular Foam

نویسندگان [English]

  • Mahdi Gholampour 1
  • Mohammad Hassan Aghvami-Panah 2
  • S.Reza Ghaffarian Anbaran 2
1 Physics and Chemistry Group, Faculty of Basic Sciences, Imam Ali University, P.O. Box: 1317893471, Tehran, Iran.
2 Department of Polymer Engineering and Color Technology, Amir Kabir University of Technology, P.O. Box: 15875-4413, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Nowadays, lightening of polymer composites for specific applications and engineering purposes, especially electromagnetic wave absorber materials, has attracted research studies. In this work, polypropylene nanocomposite and hybrid foams incorporated with carbon nanotubes and glass fibers were produced through solid-state microcellular foaming using supercritical carbon dioxide.
Methods: First, the microstructure of nanocomposites, hybrids, and produced foams were examined by scanning electron microscopy. The electrical properties and electromagnetic interference shielding performance of the solid and foamed nanocomposites were investigated using a four-point probe method and a vector analyzer, respectively. The effect of glass fiber and CNT incorporation on tensile, compressive, and impact mechanical properties was also investigated.
Findings:Nanotubes were finely dispersed in the polypropylene matrix through melt compounding. By incorporation of CNTs, the average cell size reduced (from 49 to 22.5 μm), and cell density increased. Also, the SEM micrographs of the hybrid foams revealed that, in general, cell size increased by incorporating fiber due to nearby heterogeneous nucleation, and the size of cells that were not adjacent to the fiber decreased. As a result, a bimodal microstructure with two different cell sizes was
obtained. With the incorporation of 3 wt% CNTs, electrical conductivity increased
from 1.7×10-16 S/cm to 4.7×10-4 S/cm for unfoamed PS/CNT3 and from 1.6×10-18 S/cm
to 3.36×10-5 S/cm for foamed PP/CNT3-F. Also, EMI shielding effectiveness increased to 11 dB and 9.5 dB for unfoamed and foamed PP/CNT3 samples, respectively. The mechanical test results showed that the addition of nanoparticles help to improve mechanical properties, including tensile, compression and impact. In solid samples, the addition of glass fiber improves the modulus and tensile strength, but due to poor interaction with polypropylene, it reduces the tensile properties of the foams. The results of both compression and impact resistance tests of foams showed that these properties are enhanced with the addition of fibers and nanoparticles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Microcellular Foams
  • Nanocomposite
  • Hybrid
  • Electromagnetic Interference (EMI) shielding
  • Mechanical Properties