رفتار حرارتی و مکانیکی نانوکامپوزیت PU

دسته: مقالات منتشر شده در 24 مهر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 328

اثر ارگانورس بر رفتار حرارتی و مکانیکی نانوکامپوزیت های پلی یورتان ترموپلاستیک

در این مطالعه، توانستیم با موفقیت فیلم های نانوکامپوزیت پلی یورتان را با روش ریخته گری محلول و با استفاده از ارگانورس اصلاح شدۀ تجاری با نام Cloisite 25A (C25A) سنتز کنیم. این نانوکامپوزیت در نسبت های مختلف خاک رس تهیه شده و بعنوان یک فیلم سخت تولید شد. همچنین بعنوان نانوکامپوزیت های حاوی 1، 3، 5 و 7 درصد رس پلی یورتان (PUC) برچسب گذاری شده اند. نانوکامپوزیت های PUC و خالص با استفاده از اسپکتروسکوپی مادون قرمز (FT-IR)، پراش اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و آزمایشات تحلیل حرارتی گرانشی (TGA) بررسی شدند. نتایج حاصل از آنالیز XRD نشان داد که خاک رس با ناپدید شدن پیک مشخصۀ فاصله d ارگانورس، نانوکامپوزیت لایه برداری شده را ایجاد می کند. مورفولوژی نانوکامپوزیت PUC با روش SEM بررسی شد و شکل گیری ساختار لایه برداری شده و برهمکنش خوب ماتریس پلیمری با فیلرها را نشان می دهد. علاوه براین، تحلیل FT-IR تایید می کند که C25A سازگاری خوبی با پلی یورتان دارد. خواص مکانیکی نانوکامپوزیت نیز بعنوان تابعی از افزودن خاک رس و بهبود خواص کششی-کرنشی مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت، استحکام کششی و مدول یانگ در نانوکامپوزیت های پلی یورتان با افزایش درصد خاک رس افزایش یافت.

 

نانوکامپوزیت های مشتق شده از مواد آلی و معدنی که در سطح نانومتر برهمکنش دارند، علم مواد را توسعه می دهند. اخیرا از آنجا که خواص حرارتی، مانع، مکانیکی و بازدارندگی شعله در محتوای خاک رس نانوکامپوزیت های پلیمر رس در مقایسه با پلیمر خالص و کامپوزیت های پرشده معمولی بهبود یافته است، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. دلیل اصلی بهبود این خواص را می توان در نسبت های بسیار بالا (1000-10)، مساحت زیاد ذرات لایه برداری شدۀ خاک رس، برهمکنش سطحی قوی بین پلاکت های سیلیکات با ضخامت لایه ای 1 نانومتر و ماتریس پلیمری دانست. مونت موریلونیت (MMT) به دلیل دارا بودن ظرفیت بسیار بالای تبادل کاتیونی (120-80 mequiv/100 گرم)، پرمصرف ترین سیلیکات لایه ای برای تهیه نانوکامپوزیت های پلیمری است. مونت موریلونیت از لایه هایی تشکیل شده است که توسط شکاف های واندر والسی به نام گالری از هم جدا شده اند. این لایه ها توسط کاتیون های فلزی احاطه شده اند که پراکندگی MMT را در ماتریس پلیمری دشوار می کنند. جایگزینی کاتیون های فلزی با کاتیون آلیکل آمونیوم روشی شناخته شده برای بهبود پراکندگی MMT در ماتریس پلیمری است. از بین نانوفیلرهایی که می تواند به ماتریس های پلیمری اضافه کرد، ارگانورس به دلیل هزینه نسبتا پایین و اثربخشی بالا بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. پلی یورتان ها (PUs) مواد پلیمری با خواص شیمیایی و فیزیکی منحصر به فردی هستند. PU ها با ترکیب مناسب مواد مونومر می توانند متناسب با نیازهای متنوع کاربردهای مختلفی من جمله ساخت پوشش ها، چسب ها، الیاف، الاستومرهای ترموپلاستیک و فوم ها داشته باشند. اما این مواد معایبی همچون پایداری حرارتی کم، مقاومت مکانیکی پایین وغیره نیز دارند. به منظور برطرف کردن این نواقص، برای توسعه پلی یورتان های نانوساختار (PU)/ مونت موریلونیت تلاش شده است. در چند سال اخیر تلاش های زیادی برای بهبود خواص ترمومکانیکی پلی یورتان های الاستومری با مقادیر کم مواد معدنی نانوساختار صورت گرفته است. در اینجا به منظور ارزیابی اثرات ترکیب خاک رس و برهمکنش پلیمر-فیلر بر خواص میکروساختاری و ترمومکانیکی کامپوزیت های حاصل شده، با توجه به مقاومت آنها در برابر تجزیه حرارتی و پاسخ مکانیکی کششی آنها ما سنتز و خواص نانوکامپوزیت های پلی یورتان/ خاک رس را با مقادیر مختلف C25A بررسی می کنیم.

 

همان طور که در شکل زیر مشخص شده است، ساختار نانوکامپوزیت های PUC با روش ATR-FTIR آنالیز شد.

 

شکل 1:

 IR spectras of PolyUrethane PUC-1 nanocomposite

 

پیک های جذب مشخصه گروه عامل در حین آماده سازی شناسایی شدند. در طیف IR پلی یورتان، پیک جذب NH به دلیل پیوند هیدروژنی NH در پیوند یورتان تا 3330 سانتیمتر مربع بود و همچنین، پیک کششی C=O کربونیل هم 1730 و 1700 سانتیمتر مربع بود که به ترتیب برای کربونیل های پیوند هیدروژنی و آزاد در نظر گرفته شدند. کشش CH از 2975 تا 2888 سانتیمتر مربع در حضور ذرات نانورس، تقریبا بدون تغییر ماند که نشان می دهد ذرات رس با تشکیل پیوند هیدروژنی توسط گروه های یورتان NH تداخل ایجاد نمی کنند. کشش نامتقارن Si-O در 1091 سانتیمتر مربع مشاهده شد و پیک 1223 سانتیمتری وجود یونومر (S₀₃₋K₊) در نانوکامپوزیت ها را تایید می کند. ساختار کریستالی MMT از لایه های دو بعدی تشکیل شده است که از همچوشی دو ورق چهار وجهی سیلیس به ورق های هشت وجهی هیدروکسید آلومینیوم به وجود آمده اند. انباشته شدن لایه های ذرات رس با کمک نیروهای ضعیف دوقطبی یا واندروالسی حفظ می شود. XRD یک تکنیک قدرتمند برای مشاهده میزان پراکندگی سیلیکات، ساختار منظم یا نامنظم در نانوکامپوزیت های PUC است. شکل زیر منحنی های XRD معمولی در ارگانورس و نانوکامپوزیت های PUC را نشان می دهد.

 

شکل 2:

 X-ray diffraction angle patterns for Cloisite 25A PUC-1 PUC-3

 

فاصله d₀₀₁ با استفاده از معادله براگ محاسبه شد:

d=nλ/2 sinθ

 

نانورس پیک 4.88 درجه (فاصله d برابر با 1.94 نانومتر) را نشان داد اما برای نانوکامپوزیت های پلیمری تقریبا هیچ پیکی در نقاط 2θ مشاهده نمی شود. این امر ممکن است نشان دهنده پراکندگی مناسب لایه های سیلیکات C25A در ماتریس PU باشد که آن را می توان بعنوان شاخصی از نانوکامپوزیت لایه برداری شده تفسیر کرد. این نکته تا حدودی غیرمنتظره است زیرا C25A گروه های عامل مهم در برهمکنش با PU ندارد. پراکندگی بهتر رس (C25A) ممکن است در حالت ترمودینامیکی توضیح داده شود که تعادل بین فاصله پلاکتی ناشی از اصلاح کننده، سطح دسترسی به مواجهه سطح سیلیکات و تعداد برهمکنش های نامطلوب بین واحدهای پلیمر و آلکیل در اصلاح کننده نقش مهمی تولید نانوکامپوزیت های لایه ای پلیمر دارند. این یافته ها با گزارشات فورنز و همکارانش مطابقت دارد. تعامل بین خاک رس و پلیمر می تواند مهم تر از تعامل بین اصلاح کننده و پلیمر در پراکندگی خاک رس باشد؛ اصلاح کننده ارتفاع گالری را افزایش داده و با تضعیف نیروی الکترواستاتیک بین لایه های سیلیکات، در مقایسه با MMT بکر، جداسازی لایه ها را بسیار آسان تر می کند.

 

نتیجه گیری

در این مقاله یک سری از نانوکامپوزیت های رس پلی یورتان از طریق تکنیک های پلیمریزاسیون محلول با موفقیت تهیه شدند. نانوکامپوزیت های PUC سنتز شده با روش های FTIR، XRD و SEM بررسی شدند. نتایج به دست آمده از IR پلیمریزاسیون پلی اتیلن گلیکول و TDI را تایید کرد. XRD و تحلیل SEM ثابت کرد که نانوکامپوزیت سنتز شده دارای ساختار لایه برداری شده بوده و به طور همگن در زنجیره پلیمری پراکنده شده است. براساس نتایج حاصل از TGA می توان گفت که تمام نانوکامپوزیت ها، در مقایسه با پلیمر PU از پایداری حرارتی بالاتری برخوردار هستند. بررسی های مکانیکی نشان داد که استحکام کششی و ازدیاد طول در حین شکست همزمان با افزایش محتوای رس افزایش می یابد، در حالی که مدول یانگ نیز افزایش می یابد. این نانوکامپوزیت PUC ممکن است بیشتر در مانع گاز و بازدارندگی شعله کاربرد داشته باشند.