اثر نانوذرات تری‌فلوئوروپروپیل-سیلسسکویی‌اکسان اولیگومری چندوجهی بر شکل‌شناسی، رفتار بلورش و خواص رئولوژیکی و مکانیکی آمیخته‌های PLA/PBAT

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

قم، دانشگاه صنعتی قم، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 1519-37195

چکیده

فرضیه: پلی‌(لاکتیک اسید) (PLA) به‌دلیل زیست‌تخریب‌پذیری، استحکام و سختی مناسب، یکی از امیدوارکننده‌ترین پلیمرهای زیست‌پایه به‌شمار می‌رود، اما تُردی ذاتی آن کاربردهای مهندسی این پلیمر را محدود کرده است. اگرچه آمیخته‌سازی PLA با پلی(بوتیلن آدیپات-کو-ترفتالات) (PBAT) موجب افزایش چقرمگی می‌شود، ناسازگاری بین‌فازی و شکل‌شناسی نامناسب، دستیابی هم‌زمان به استحکام و چقرمگی مطلوب را با محدودیت مواجه می‌کند. در این پژوهش فرض شد، نانوذرات تری‌فلوئوروپروپیل سیلسسکویی‌اکسان اولیگومری چندوجهی (F-POSS) با بهبود شکل‌شناسی و افزایش چسبندگی بین‌فازی، بتوانند خواص مکانیکی آمیخته PLA/PBAT را بهبود بخشند.
روش‌ها: آمیخته PLA/PBAT با نسبت وزنی 25/75 و نمونه‌های دارای 1، 3 و %5 وزنی نانوذرات F-POSS با روش اختلاط مذاب تهیه شدند. شکل‌شناسی و محل استقرار نانوذرات به‌ترتیب با میکروسکوپ‌های الکترونی پویشی و عبوری بررسی شد. رفتار رئولوژیکی با رئومتر نوسانی، رفتار بلورش با گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC) و خواص مکانیکی با آزمون کشش ارزیابی شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد، نانوذرات F-POSS به‌طور عمده در فاز PLA و بخشی نیز در فصل مشترک دو فاز استقرار یافته‌اند. وجود این نانوذرات موجب کاهش اندازه و یکنواخت‌ترشدن توزیع قطره‌های PBAT، افزایش چسبندگی بین‌فازی و کاهش ضخامت بند ماتریس (t) شد؛ به‌طوری‌که نمونه دارای %3 وزنی F-POSS کمترین مقدار  tرا نشان داد. آزمون‌ رئولوژی بیانگر اثر روان‌کنندگی  F-POSSدر غلظت‌های کم و تشکیل انبوهه نانوذرات در غلظت‌های بیشتر بود. نتایج DSC نشان داد، افزودن مقادیر کم  F-POSSدمای بلورش سرد PLA را کاهش داده، در حالی که درجه بلورینگی تغییر محسوسی نداشت. بیشترین بهبود خواص مکانیکی در نمونه دارای %3 وزنی F-POSS مشاهده شد؛ به‌طوری‌که ازدیاد طول تا شکست و چقرمگی به‌طور شایان توجهی افزایش یافت. مشاهده شد، تسهیل تسلیم برشی گسترده در ماتریس PLA، مهم‌ترین سازوکار افزایش چقرمگی آمیخته به‌شمار می‌رود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Trifluoropropyl-POSS Nanoparticles on the Morphology, Crystallization Behavior, Rheological and Mechanical Properties of PLA/PBAT Blends

نویسندگان [English]

  • Masoumeh Beig Mohammadi
  • Jafar Khademzadeh Yeganeh
Department of Polymer Engineering, Faculty of Engineering, Qom University of Technology, Qom, 37195-1519, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Poly(lactic acid) (PLA) is one of the most promising biodegradable polymers owing to its renewability, high mechanical strength, stiffness, and biocompatibility. However, its inherent brittleness considerably limits its engineering applications. Although blending PLA with poly(butylene adipate-coterephthalate) (PBAT) is an effective strategy for improving toughness, the poor interfacial compatibility between the two polymers results in an unfavorable phase morphology and restricts the simultaneous enhancement of strength and toughness. It was hypothesized that trifluoropropyl polyhedral oligomeric silsesquioxane (F-POSS) nanoparticles by improving the blend morphology and interfacial adhesion, could enhance mechanical properties of PLA/PBAT blends
Methods: PLA/PBAT blends with a weight ratio of 75/25 and nanocomposites containing 1, 3, and 5% (by wt) F-POSS nanoparticles were prepared by melt mixing. The phase morphology and nanoparticle localization were characterized by SEM and TEM, respectively. The rheological behavior was investigated by oscillatory rheometry, while crystallization behavior was studied using DSC. Tensile tests were performed to evaluate mechanical performance of the blends
Findings: TEM observations revealed that F-POSS nanoparticles were predominantly localized in the PLA matrix, while a portion of the nanoparticles was also distributed at the PLA/PBAT interface. The incorporation of F-POSS significantly refined the PBAT dispersed phase, narrowed the particle size distribution, enhanced interfacial adhesion, and reduced the matrix ligament thickness (τ), with the lowest τ being obtained for the blend containing 3% (by wt) F-POSS. Rheological analysis indicated a lubrication effect of F-POSS at low nanoparticle loading, whereas nanoparticle aggregation became dominant at higher concentrations. The DSC results showed that low F-POSS contents shifted the cold crystallization temperature of PLA to lower values without significantly affecting its crystallinity. The blend containing 3% (by wt) F-POSS exhibited the most pronounced improvement in ductility and tensile toughness. It was observed that extensive shear yielding of the PLA matrix was primarily responsible for the remarkable toughening of the blend.

کلیدواژه‌ها [English]

  • PLA
  • PBAT
  • Trifluoropropyl polyhedral oligomeric silsesquioxane
  • morphology
  • toughening