تبلیغات
وبلاگ تخصصی شیمی - تغییر شکل پلاستیک شدید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
تغییر شکل پلاستیک شدید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
بهبود خواص نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری که درصد بالایی از نانوکامپوزیت ها را شامل می شود، همواره یکی از اهداف اصلی پژوهشگران این حوزه می باشد. مشاهده خواص منحصر به فرد فلزات پس از تغییر شکل پلاستیک شدید، ایده استفاده از این روش را برای بهبود هرچه بیشتر خواص نانوکامپوزیت ها به خصوص نوع زمینه فلزی گسترش داده است. فعالیت های انجام گرفته بر روی تغییر شکل پلاستیک شدید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری نیز نشان از تغییراتی در ماده از جمله انیزوتروپی و جهت گیری مولکولی، بهبود توزیع فاز تقویت کننده و نیز تغییر در میزان بلورینگی زمینه پلیمری دارد. تغییر شکل شدید هم به منظور بهبود خواص فیزیکی مانند چگالی و نفوذپذیری استفاده می شود و هم بهبود خواص مکانیکی همانند مدول الاستیک و تنش تسلیم را سبب می شود. بهبود خواص نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری که درصد بالایی از نانوکامپوزیت ها را شامل می شود، همواره یکی از اهداف اصلی پژوهشگران این حوزه می باشد. مشاهده خواص منحصر به فرد فلزات پس از تغییر شکل پلاستیک شدید، ایده استفاده از این روش را برای بهبود هرچه بیشتر خواص نانوکامپوزیت ها به خصوص نوع زمینه فلزی گسترش داده است. فعالیت های انجام گرفته بر روی تغییر شکل پلاستیک شدید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری نیز نشان از تغییراتی در ماده از جمله انیزوتروپی و جهت گیری مولکولی، بهبود توزیع فاز تقویت کننده و نیز تغییر در میزان بلورینگی زمینه پلیمری دارد. تغییر شکل شدید هم به منظور بهبود خواص فیزیکی مانند چگالی و نفوذپذیری استفاده می شود و هم بهبود خواص مکانیکی همانند مدول الاستیک و تنش تسلیم را سبب می شود.

۱- مقدمه
۱-۱- تعریف نانوکامپوزیت
نانوکامپوزیت به مواد چندفازی گفته می شود که حداقل یکی از فازهای آن در یک بعد، ابعادی کمتر از ۱۰۰ نانومتر داشته باشد.نانوکامپوزیت ها می تواند ساختارهای جامد با ابعاد نانومتری در نظر گرفته شوند که بین فازهای مختلف تشکیل دهنده ساختار، تکرار می شوند[۱].

۲-۱- نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری، یک سیستم دوفازی شامل زمینه پلیمری و فازهای تقویت کننده که عمدتا سرامیکی (مانند نانو کامپوزیت های تقویت شده با صفحات نانومتری خاک رس)، کربنی (مانند نانوکامپوزیت های تقویت شده با نانولوله‌های کربنی) و بعضاً پلیمری (مانند نانوکامپوزیت های تقویت شده با نانوذرات لاستیک) است. این نوع نانوکامپوزیت ها، به دلیل سهولت تولید بیشتر نسبت به نانوکامپوزیت های زمینه فلزی و همچنین کاربردهای خاص، مورد توجه بیشتری نسبت به سایر نانوکامپوزیت ها قرار گرفته است.

۲- تغییر شکل کامپوزیت ها و نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
در این بخش، ابتدا به طور کلی اشاره ای به تغییر شکل کامپوزیت ها و نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری خواهد شد، سپس تغییر شکل شدید در پلیمرها بررسی شده و سپس تغییر شکل شدید در نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری مورد مطالعه قرار می گیرد.

۱-۲- تغییر شکل کامپوزیت های زمینه پلیمری
به طور کلی، شاید این طور به ذهن بیاید که تغییر شکل، بیشتر مخصوص فلزات است، در حالی که تغییر شکل در پلیمر ها و به دنبال آن کامپوزیت های زمینه پلیمری نیز به چشم می خورد. همانند تغییر شکل در کامپوزیت های زمینه فلزی که بیشترین توجه و دقت های مهندسی به تغییر شکل در زمینه فلزی آن است، در کامپوزیت های زمینه پلیمری نیز توجه بیشتر به تغییرات زمینه پلیمری، می تواند به سادگی تغییر شکل در کامپوزیت های پلیمری را توجیه و تفسیر کند. لذا بررسی تاثیر تغییر شکل در پلیمرها نیز یکی از مباحث علمی جالب توجه است.
به طور مثال، در فرآیند نورد پلیمر پلی پروپیلن، برخی از تغییرات در پلیمر از جمله تغییر در ریزساختار، جهت گیری های مولکولی و میزان بلورینگی (crystallinity) مشاهده شده است. همچنین، تغییر شکل باعث شده است که انیزوتروپی (Anisotropy) قوی تری نسبت به حالت قبل از تغییر شکل، در ماده پلیمری ایجاد شود [۲]. بررسی فعالیت های انجام گرفته نشان می دهد که تغییراتی مشابه موارد ذکر شده در ماده پلیمری، در کامپوزیت های زمینه پلیمری نیز اتفاق می افتد و این تغییرات، جزء اهداف اصلی تغییر شکل می باشد.
تغییرشکل به خصوص تغییر شکل شدید بر روی کامپوزیتهای زمینه پلیمری با اهداف مختلفی از جمله ایجاد انیزوتروپی (ناهمسانگردی) و جهتگیری مولکولی (Molecular Orientation) از [۳], [۴]، بهبود توزیع فاز تقویت کننده و نیز تغییر در میزان بلورینگی زمینه پلیمری[۵] انجام گرفته است که منجر به بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی کامپوزیت زمینه پلیمری می شود.

۲-۲- تغییر شکل نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
انجام تغییر شکل دومحوری (Biaxial Deformation) بر روی نانوکامپوزیت پلی پروپلین تقویت شده با خاک رس نانومتری (Nanocaly) تاثیر به سزائی بر تنش تسلیم، ازدیاد طول شکست و همچنین بر روی تورّق (Exfoliation) و جهتگیری صفحات خاک رس داشته است [۴]. شکل ۱جهتگیری صفحات خاک رس را قبل و بعد از این تغییر شکل نشان می دهد. پژوهشگران، علت افزایش تنش تسلیم را حاصل تورقلایه های خاک رس و در نتیجه افزایش درجه تورق در اثر تغییر شکل دو محوری دانسته اند. لازم به ذکر است که نرخ کرنش نیز در این فرآیند تأثیر گذار است. نمونه کشیده شده در نرخ کرنش بالاتر دارای مدول و تنش تسلیم بیشتری بوده است.

1

شکل ۱- تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از نانوکامپوزیت PP/Nanocaly. (الف) قبل از تغییر شکل، (ب) بعد از تغییر شکل در نرخ کرنش ۳٫۵s-1 از [۴]

تغییر شکل همچنین بر روی میزان بلورینگی زمینه پلیمری نانوکامپوزیت تأثیرگذار است. شکل ۲ این تاثیر را برای نانوکامپوزیت i-PP/EPDM/organoclay که تحت فشار تک محوری قرارگرفته است بر حسب تغییر غلظت خاک رس نشان می دهد.
2

شکل ۲- تغییرات درصد بلورینگی (Xc) بر حسب غلظت Nanocaly در فشارهای مختلف تک محوری [۵].

همانطور که مشاهده می شود، افزایش فشار تغییرشکل باعث کاهش درصد بلورینگیدر زمینه پلیمری نانوکامپوزیت می شود[۵].از دیگر مواردی که می توان از تغییر شکل نانوکامپوزیت ها بهره جست، در مبحث سنسورها می‌باشد که سال هاست بسیار مورد توجه قرار گرفته است. تغییر شکل نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری رسانای جریان الکتریکی، می تواند باعث تغییر در جریان الکتریکی عبوری از این نانوکامپوزیت شود.این ویژگی، استفاده از این نوع نانوکامپوزیت ها را به عنوان سنسور تغییر شکل ممکن کرده است [۶].

۳-۲- تغییر شکل شدید در پلیمرها
آنچه بیشتر در مورد تغییر شکل پلاستیک شدید در مقالات و فعالیت های پژوهشی مختلف بیان می شود، این فرآیند را بیشتر متختص مواد فلزی می دانند. ولی اخیراً و با توجه به نتایج جالب به دست آمده از تغییر شکل شدید بر روی فلزات، مواد پلیمری تحت تغییر شکل شدید نیز مورد توجه و بررسی های پژوهشی قرار گرفته است.موفقیت های به دست آمده از فرآیندهای تغییر شکل پلاستیک شدید از جمله ECAP در بهبود خواص فلزات، منجر به بررسی امکان پذیر بودن این فرآیندها در بهبود خواص پلیمرها گردید. فرآیندهایی مانند ECAP، یک تغییرشکل برشی یکنواخت را در حالت جامد بر روی ماده تحت فرآیند اعمال می کند و از آنجایی که ماده پلیمری در حالت جامد تحت چنین تغییر شکلی قرار می گیرد، میزان قابل توجهی جهت گیری مولکولی در اثر این درجه بالا از تغییر شکل پلاستیک به وسیله برش ساده ایجاد می شود که بسیار بیشتر از میزان قابل اعمال توسط اکستروژن مذاب است [۳].تغییرات قابل توجهی در مدول الاستیک و تنش تسلیم و استحکام نهایی پلیمر در اثر تغییر شکل شدید ایجاد شده است. افزایش چگالی نیز به علت فشار هیدرواستاتیک اعمالی در حین فرآیند است[۷].باید توجه داشت که تغییر شکل پلاستیک شدید در پلیمرها در مقایسه با فلزات، نیاز به اعمال تنش بالایی ندارد، به همین خاطر روش های جدیدتری نیز برای اعمال بیشتر تغییر شکل پلاستیک در یک پاس مورد بررسی قرار گرفته است، به خصوص اگر این روش ها، قابلیت پیوسته بودن فرآیند را فراهم کند که به روش صنعتی نزدیک تر است. به طور مثال می توان به روش (ECMAE=Equal-channel multiple-angle extrusion) اشاره نمود که تصویر شماتیک آن در شکل ۳ آمده است. این روش، مدول الاستیک و استحکام بالاتری نسبت به روش ECAP دارد، در حالی که همان داکتیلیتی را حفظ کرده است[۷], [۸].

3

شکل ۳- شمای کلی فرآیند ECMAE از مرجع[۷،۸].

4-2- تغییر شکل شدید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
پس از موفقیت های به دست آمده و نتایج جالب توجه تغییر شکل شدید پلیمرها، تحقیقات مختلف بر روی بررسی تغییر شکل شدید کامپوزیت های زمینه پلیمری به خصوص نانوکامپوزیت ها انجام گرفت. در پژوهشی که توسط یک تیم تحقیقاتی انجام شد[۳]، پلیمرNylon-6 و نانوکامپوزیت با زمینه همین پلیمر و تقویت شده با Nanocalyتوسط فرآیند ECAP تحت تغییر شکل قرار گرفت.شکل ۴ شمایی از این فرآیند و جهت گیری های صفحات را در اثر اعمال آن نشان می دهد.
4

شکل ۴- (الف) شکل شماتیک فرآیند ECAP و نحوه تغییرات صفحات ماده نسبت به جهت اعمال نیرو.(ب) مشخص کردن جهات روی ماده ECAP شده برای بررسی های بعدی[۳].

برای داشتن بیشترین مقدار تنش برشی دائمی برای قالب ECAP با زاویه ۹۰ درجه، فرآیند در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد انجام گرفت. وجود صفحات Nanocaly در زمینه پلیمریNylon-6 و تغییرات جهتگیری آنها حین فرآیند ECAP باعث دستیابی به تنش برشی بیشتری در نانوکامپوزیت نسبت به ماده پلیمری بدون فیلر گردید. مکانیزم لغزش لایه های خاک رس نشان داد که نیروی برشی در حین فرآیند ECAP باعث لغزش و چرخش لایه های خاک رس در مناطق کریستالی می شود؛ این مسئله سبب ایجاد لغزش پیوسته و صاف شدن زنجیره های پلیمری می شود (شکل ۵) که نسبت به حالت بدون خاک رس، جهت گیری بیشتری دارد.
5

شکل ۵- تصویر شماتیک مکانیزم لغزش و جهتگیری صفحات خاک رس در حین فرآیند ECAP.(الف) پلیمرNylon-6، (ب) نانوکامپوزیت Nylon-6/Nanoclay از مرجع [۳].

نکته قابل توجه دیگر این است که ECAP این قابلیت را دارد که در قسمت خروجی دستگاه های اکستروژن رایج نصب شود و به عنوان یک فرآیند پیوسته به کار گرفته شود.

۳- جمع بندی
تغییر شکل شدید پلاستیک، به خاطر ماهیت فشاری بالا و نیز ایجاد برش های شدید در ساختار ماده، باعث تغییرات عمده ای در ریزساختار مواد و به دنبال آن خواص فیزیکی و مکانیکی مواد می کند. پلیمرها پلیمری هنگامی که تحت تغییر شکل شدید قرار می گیرند، در میزان بلورینگی و چگالی فاز پلیمری، دچار تغییرات عمده می شوند. در کامپوزیت ها و به خصوص نانوکامپوزیت ها نیز علاوه بر تغییرات ذکر شده در زمینه پلیمری، در جهتگیری و توزیع فاز زمینه نیز تغییرات قابل توجهی ایجاد می شود که منجر به تغییر و غالباً بهبود خواص مکانیکی نیز می شود. افزایش مدول الاستیک، استحکام تسلیم و استحکام نهایی از جمله مواردی است که در نانوکامپوزیت زمینه پلیمریِ تغییر شکل شدید یافته مشاهده شده است.

نویسندگان :
۱ – محمد علی مصطفایی (نویسنده اول) – دکتری تخصصی – مهندسی مواد – دانشگاه صنعتی شریف
۲ – محمد هادی مقیم* (نویسنده مسئول) – دانشجوی دکتری تخصصی – مهندسی مواد – دانشگاه شیراز دانشکده مهندسی بخش مهندسی مواد

منابـــــع :
۱٫ P. M. Ajayan, L. S. Schadler, and P. V. Braun, Nanocomposite Science and Technology. WILEY-VCH Verlag, 2003.
2. J. Qiu, T. Murata, X. Wu, M. Kudo, and E. Sakai, “Plastic deformation mechanism of crystalline polymer materials during the rolling process,” Journal of Materials Science, vol. 48, no. 5, pp. 1920–۱۹۳۱, Oct. 2012.
3. J. Ma, G. P. Simon, and G. H. Edward, “The Effect of Shear Deformation on Nylon-6 and Two Types of Nylon-6/Clay Nanocomposite,” Macromolecules, vol. 41, pp. 409–۴۲۰, ۲۰۰۸٫
۴٫ R. Abu-zurayk, E. Harkin-jones, T. Mcnally, G. Menary, P. Martin, and C. Armstrong, “Biaxial deformation behavior and mechanical properties of a polypropylene / clay nanocomposite,” Composites Science and Technology, vol. 69, no. 10, pp. 1644–۱۶۵۲, ۲۰۰۹٫
۵٫ A. Thompson, O. Bianchi, C. L. G. Amorim, C. Lemos, S. R. Teixeira, D. Samios, C. Giacomelli, J. S. Crespo, and G. Machado, “Uniaxial compression and stretching deformation of an i-PP / EPDM / organoclay nanocomposite,” Polymer, vol. 52, no. 4, pp. 1037–۱۰۴۴, ۲۰۱۱٫
۶٫ L. Flandin, Y. Brechet, and J. Cavaille, “Electrically conductive polymer nanocomposites as deformation sensors,” composite science and technology, vol. 61, pp. 895–۹۰۱, ۲۰۰۱٫
۷٫ V. A. Beloshenko, V. N. Varyukhin, A. V. Voznyak, and Y. V. Voznyak, “Equal-channel multiangular extrusion of semicrystalline polymers,” Polymer Engineering & Science, vol. 50, no. 5, pp. 1000–۱۰۰۶, ۲۰۱۰٫
۸٫ V. A. Beloshenko, A. V. Voznyak, Y. V. Voznyak, and G. V. Dudarenko, “Equal-channel multiple angular extrusion of polyethylene,” Journal of Applied Polymer Science, vol. 127, no. 2, pp. 1377–۱۳۸۶, ۲۰۱۳



طبقه بندی: نانو شیمی،
برچسب ها: نانوکامپوزیت، تغییر شکل پلاستیک شدید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری، دانشگاه آزاد لاهیجان،

تاریخ : پنجشنبه 16 آبان 1392 | 04:31 ب.ظ | نویسنده : علی ناطقی | نظرات
.: Weblog Themes By SlideTheme :.


  • زرفان