بررسی اثر نانوصفحه‌های گرافن اکسید بر خواص سدی پلی‌اتیلن پرچگالی پوشش‌یافته با روش هم‌گذاری لایه‌به‌لایه

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند، گروه پلاستیک، صندوق پستی 112-14975

2 تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، دانشکده شیمی، صندوق پستی 936-19585

چکیده

فرضیه: برای افزایش خواص سدی پلی‌اتیلن پرچگالی می‌توان از لایه نانوکامپوزیتی شامل نانوذرات صفحه‌ای گرافن و روش هم‌گذاری لایه‌به‌‌لایه استفاده کرد. نانوذرات صفحه‌ای به‌دلیل ایجاد مسیر پیچ در پیچ موجب کاهش نفوذ گازها از زیرآیند پلی‌اتیلن می‌شوند. 
روش‌ها: در این پژوهش از دو روش برای افزایش خواص سدی استفاده شده و نتایج با یکدیگر مقایسه شدند. در روش اول، لایه‌ نازک نانوکامپوزیتی متشکل از نانوذرات گرافن اکسید و پلی(وینیل الکل) روی سطح فیلم پلی‌اتیلنی به‌وسیله فیلم‌کش پوشش داده شد. متغیرهای مؤثر در این روش درصد جرمی ذرات گرافن اکسید در پلی(وینیل الکل) و نیز ضخامت لایه‌ نانوکامپوزیتی بود. در روش دوم، هم‌گذاری لایه‌به‌لایه به‌کار گرفته شد. از محلول کیتوسان به‌دلیل بار مثبت و سامانه تعلیقی گرافن اکسید داخل آب به‌عنوان بار منفی استفاده شد.
یافته‌ها: در نمونه‌های با پوشش نانوکامپوزیت از پلی(وینیل الکل) ( 10µm) مقدار عبور اکسیژن به‌شدت کاهش یافت و به cm3m2bar 3 رسید. این کاهش با توجه به ساختار پلی(وینیل الکل) و سدگری ذاتی آن مورد انتظار بود. با اضافه‌کردن گرافن اکسید به پلی(وینیل الکل)، مقادیر تراوایی کمی کاهش را نشان داده و به حدود 0.8cm3m2bar رسید. تحلیل‌های آماری بر اساس پاسخ سطح برای روش لایه‌گذاری نشان داد که تراوایی تابع pH، تعداد دولایه‌ها و غلظت گرافن است. در pHهای زیاد صفحه‌های گرافن اکسید شکل صاف و کشیده‌تری به خود گرفته و احتمال کلوخگی بیشتر است که این موضوع موجب افزایش تراوایی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of graphene oxide nanosheets on the barrier properties of high density polyethylene coated by layer-by-layer assembly method

نویسندگان [English]

  • Ehsan Sharghi 1
  • Parvin Ehsani Namin 2
  • Mahsa Javid 1
  • Ismaeil Ghasemi 1
1 Department of Plastics, Faculty of Processing, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box 14975-112, Tehran, Iran
2 Department of Chemistry, Tehran North Branch, Islamic Azad University, P.O. Box 19585-936, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: A nanocomposite layer including graphene nanosheets could be used to enhance the barrier properties of high density polyethylene through a layer-by-layer assembly method. Planar graphene nanoparticles help to decrease the gas permeability of polyethylene substrates by making a tortuous pathway for gas molecules transmittance.
Methods: Two different methods were used to increase the barrier properties of high density polyethylene and the results were compared with each other. In the first method, a thin film of polymer nanocomposite including graphene oxide nanoparticles and polyvinyl alcohol was coated on the surface of high density polyethylene film using a film applicator. The effective variables in this method were the weight fraction of graphene oxide particles in polyvinyl alcohol and thickness of the nanocomposite layer. In the second method, a layer-by-layer assembly was used. Chitosan solution acted as a positive charge and graphene oxide suspension in water was utilized as a negative charge.
Findings: In high density polyethylene samples coated by polyvinyl alcohol nanocomposite (10 micrometers), the oxygen transmittance rate decreased drastically to 3 cm3m2 bar. This decrease was expected due to the structure of polyvinyl alcohol and its inherent barrier properties. By adding graphene oxide into polyvinyl alcohol, the permeability values showed a slight decrease and reached 0.8 cm3 m2 bar.
Statistical analysis based on the surface response method for the layer-by-layer method showed that permeability depends on pH, number of bilayers and graphene concentration. At high pH, the graphene oxide sheets take on a smoother and more stretched shape and are more likely to aggregate, which increases permeability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • High density polyethylene
  • Layer-by-Layer assembly
  • Graphene nanosheets
  • Chitosan
  • Oxygen transmittance rate

مراجع

  1. Stephens R.D., Williams R.L., Keoleian G.A., Spatari S., and Beal R., Comparative Life Cycle Assessment of Plastic and Steel Vehicle Fuel Tanks, SAE Technical Papers, 1998.
  2. Pomogailo A.D., Hybrid Polymer-Inorganic Nanocomposites, Chem. Rev., 69, 53-80, 2000.
  3. Keoleian G.A., Spatari S., Beal R.T., Stephens R.D., and Williams R.L., Application of Life Cycle Inventory Analysis to Fuel Tank System Design, J. Life Cycle Assess, 3, 18-28, 1998.
  4. Cui Y., Kundalwal S.I., and Kumar S., Gas Barrier Performance of Graphene/Polymer Nanocomposites, Carbon, 98, 313-333, 2016.
  5. Wang H.T., Pan B.R., Du Q.G., and. Li Y.Q, The Strain in the Test Environmental Stress Cracking of Plastics, Test, 22, 125-128, 2003.
  6. Choudalakis G. and Gotsis A.D., Permeability of Polymer/Clay Nanocomposites: A Review, Polym. J., 45, 967-984, 2009.
  7. Ellis T.S., Structural and Material Features that Influence Emissions from Thermoplastic Multilayer Fuel Tanks, SAE Technical Papers, 2003.
  8. Maes C., Luyten W., Herremans G., Peeters R., Carleer R., and Buntinx M., Recent Updates on the Barrier Properties of Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer (EVOH): A Review, Rev., 58, 209-246, 2018.
  9. Zhao J., Kanaan C., Clément R., Brulé B., Lenda H., and Jonquières A., Permeability of EVOH Barrier Material Used in Automotive Applications: Metrology Development for Model Fuel Mixtures, Oil Gas Sci. Technol. Rev. d’IFP Energies Nouv., 70, 353-366, 2015.
  10. Arora A. and Padua G.W., Review: Nanocomposites in Food Packaging, Food Sci., 75, R43-R49, 2010.
  11. Lertwimolnun W. and Vergnes B., Influence of Compatibilizer and Processing Conditions on the Dispersion of Nanoclay in a Polypropylene Matrix, Polymer (Guildf), 46, 3462-3471, 2005.
  12. Joshi M., Adak B., and Butola B.S., Polyurethane Nanocomposite Based Gas Barrier Films, Membranes and Coatings: A Review on Synthesis, Characterization and Potential Applications, Mater. Sci., 97, 230-282, 2018.
  13. Li X., Bandyopadhyay P., Nguyen T.T., kyung Park O., and Lee J.H., Fabrication of Functionalized Graphene Oxide/Maleic Anhydride Grafted Polypropylene Composite Film with Excellent Gas Barrier and Anticorrosion Properties, Membr. Sci, 547, 80-92, 2018.
  14. Ozcalik O. and Tihminlioglu F., Barrier Properties of Corn Zein Nanocomposite Coated Polypropylene Films for Food Packaging Applications, Food Eng., 114, 505-513, 2013.
  15. Bandyopadhyay P., Woong B.P., Layek R.K., and Uddin M.E., Hexylamine Functionalized Reduced Graphene Oxide/Polyurethane Nanocomposite-Coated Nylon for Enhanced Hydrogen Gas Barrier Film, Membr. Sci., 500, 106-114, 2016.
  16. Heo J., Choi M., and Hong J., Facile Surface Modification of Polyethylene Film via Spray-Assisted Layer-by-Layer Self-Assembly of Graphene Oxide for Oxygen Barrier Properties, Rep, 9, 2754, 2019.
  17. Chen J., Fu Y.J., An F., Lo S.C., Huang S.H., Hung W.S., Hu C.C., Lee K.R., and La J.Y., Tuning Nanostructure of Graphene Oxide/Polyelectrolyte LbL Assemblies by Controlling pH of GO Suspension to Fabricate Transparent and Super Gas Barrier Films, Nanoscale, 5, 9081, 2013.
  18. Ben Dhieb F., Dil E.J., Tabatabaei S.H., Mighri F., and Ajji A., Effect of Nanoclay Orientation on Oxygen Barrier Properties of LbL Nanocomposite Coated Films, RSC Adv, 9, 1632-1641, 2019.
  19. Gulin-Sarfraz T., Grøvlen S., Rosqvist E., Pettersen M., Peltonen J., and Sarfraz J., Optimized Multilayer Coating Using Layer-by-Layer Assembly Method for Excellent Oxygen  Barrier of Poly(lactic acid) Based Film,   Surf. A: Physicochem. Eng. Asp., 664, 131-155, 2023.
  20. Yang J., Bai L., Feng G., Yang X., Lv M., Zhang C., Hu H., and Wang X., Thermal Reduced Graphene Based Poly(ethylene vinyl alcohol) Nanocomposites: Enhanced Mechanical Properties, Gas Barrier, Water Resistance, and Thermal Stability, Eng. Chem. Res., 52, 16745-16754, 2013.

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 35، شماره 6 - شماره پیاپی 182
بهمن و اسفند 1401
صفحه 581-594

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار