بررسی رفتار تبلور در الیاف نانو کامپوزیت پلی‌پروپیلن/نانو صفحات گرافن بخش اول- سینتیک تبلور همدما

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه پژوهشی نساجی و چرم، پژوهشکده شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، ایران

2 دانشجوی دکتری، دانشده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، رفتار تبلور الیاف نانو کامپوزیت پلی‌پروپیلن/نانو صفحات گرافن (PP/GnPs) با استفاده از گرماسنج پویشی تفاضلی مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs حاوی مقادیر مختلفی از GnPs با و بدون سازگارکننده تولید شده و سپس رفتار تبلور همدمای الیاف PP و الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs در دماهای تبلور مختلف ارزیابی شد. نتایج نشان می‌دهد که با افزودن GnPs به ماتریس PP، هسته‌زایی ناهمگن حتی در دماهای بالاتر به آسانی روی داده و کل فرآیند تبلور سریع‌تر رخ می‌دهد. همچنین استفاده از سازگارکننده PP-g-MA منجر به انتقال منحنی‌های تبلور به زمان‌های کوتاه‌تر شده است. آنالیز آورامی نشان می‌دهد که حضور GnPs در کنار سازگارکننده علی‌رغم هسته‌زایی موثر، می‌تواند مانع رشد بلورهای PP شده و زمان نیمه عمر تبلور را افزایش دهد. توان آورامی به‌دست آمده برای PP (نزدیک به 3) نشان‌دهنده ساختار سه بعدی بلورها بوده در حالی‌که توان آورامی الیاف نانو کامپوزیت (نزدیک به 2) نشان‌ دهنده آن است که رشد بلورها دو بعدی می‌باشد. همچنین پایین‌تر بودن مقادیر ثابت سرعت هسته‌زایی به‌دست آمده از تئوری Lauritzen-Hoffman در الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs در مقایسه با الیاف PP نشان می‌دهد که GnPs به‌عنوان مواد هسته‌زای موثر برای تبلور PP عمل می‌کنند. علاوه بر این، مقادیر پایین‌تر انرژی آزاد تاخوردگی زنجیر بلورهای لاملا در الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs نشان می‌دهد که GnPs تبلور PP را تسهیل می‌کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] H. Kim, A.A. Abdala, C.W. Macosko. Graphene/Polymer Nanocomposites, Macromolecules, 43 (2010), 6515-6530.

[2] V.B. Mohan, K.-t. Lau, D. Hui, D. Bhattacharyya. Graphene-based materials and their composites: A review on production, applications and product limitations, Compos. Part B- Eng., 142 (2018), 200-220.

[3] V.B. Mohan, D. Liu, K. Jayaraman, M. Stamm, D. Bhattacharyya. Improvements in electronic structure and properties of graphene derivatives, Adv. Mater. Lett., 7 (2016), 421-429.

[4] M.D. Via, J.A. King, J.M. Keith, I. Miskioglu, M.J. Cieslinski, J.J. Anderson, G.R. Bogucki. Tensile modulus modeling of carbon black/polycarbonate, carbon nanotube/polycarbonate, and exfoliated graphite nanoplatelet/polycarbonate composites, J. Appl. Polym. Sci., 124 (2012), 2269-2277.

[5] B. Mayoral, E. Harkin-Jones, P.N. Khanam, M. AlMaadeed, M. Ouederni, A. Hamilton, D. Sun. Melt processing and characterisation of polyamide 6/graphene nanoplatelet composites, RSC Adv., 5 (2015), 52395-52409.

[6] B. Ahmadi-Moghadam, F. Taheri. Effect of processing parameters on the structure and multi-functional performance of epoxy/GNP-nanocomposites, J. Mater. Sci., 49 (2014), 6180-6190.

[7] J. Liang, J. Wang, G.C. Tsui, C. Tang. Thermal properties and thermal stability of polypropylene composites filled with graphene nanoplatelets, J. Thermoplast. Compos., 31 (2018), 246-264.

[8] K. Kalaitzidou, H. Fukushima, L.T. Drzal. Mechanical properties and morphological characterization of exfoliated graphite–polypropylene nanocomposites, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 38 (2007), 1675-1682.

[9] Y.S. Jun, J.G. Um, G. Jiang, A. Yu. A study on the effects of graphene nano-platelets (GnPs) sheet sizes from a few to hundred microns on the thermal, mechanical, and electrical properties of polypropylene (PP)/GnPs composites, Express Polym. Lett., 12 (2018), 885-897.

[10] K. Kalaitzidou, H. Fukushima, H. Miyagawa, L.T. Drzal. Flexural and tensile moduli of polypropylene nanocomposites and comparison of experimental data to Halpin-Tsai and Tandon-Weng models, Polym. Eng. Sci., 47 (2007), 1796-1803.

[11] S. He, J. Zhang, X. Xiao, Y. Lai, A. Chen, Z. Zhang. Study on the morphology development and dispersion mechanism of polypropylene/graphene nanoplatelets composites for different shear field, Compos. Sci. Technol., 153 (2017), 209-221.

[12] K. Kalaitzidou, H. Fukushima, L.T. Drzal. Multifunctional polypropylene composites produced by incorporation of exfoliated graphite nanoplatelets, Carbon, 45 (2007), 1446-1452.

[13] L. Altay, M. Atagur, K. Sever, I. Sen, T. Uysalman, Y. Seki, M. Sarikanat. Synergistic effects of graphene nanoplatelets in thermally conductive synthetic graphite filled polypropylene composite, Polym. Compos., 40 (2019), 277-287.

[14] S. He, J. Zhang, X. Xiao, X. Hong, Y. Lai. Investigation of the conductive network formation of polypropylene/graphene nanoplatelets composites for different platelet sizes, J. Mater. Sci., 52 (2017), 13103-13119.

[15] K. Kalaitzidou, H. Fukushima, L.T. Drzal. A new compounding method for exfoliated graphite–polypropylene nanocomposites with enhanced flexural properties and lower percolation threshold, Compos. Sci. Technol., 67 (2007), 2045-2051.

[16] E.V. Kuvardina, L.A. Novokshonova, S.M. Lomakin, S.A. Timan, I.A. Tchmutin. Effect of the graphite nanoplatelet size on the mechanical, thermal, and electrical properties of polypropylene/exfoliated graphite nanocomposites, J. Appl. Polym. Sci., 128 (2013), 1417-1424.

[17] A.J. Duguay, A. Kiziltas, J.W. Nader, D.J. Gardner, H.J. Dagher. Impact properties and rheological behavior of exfoliated graphite nanoplatelet-filled impact modified polypropylene nanocomposites, J. Nanopart. Res., 16 (2014), 2307.

[18] A.J. Duguay, J.W. Nader, A. Kiziltas, D.J. Gardner, H.J. Dagher. Exfoliated graphite nanoplatelet-filled impact modified polypropylene nanocomposites: influence of particle diameter, filler loading, and coupling agent on the mechanical properties, Appl. Nanosci., 4 (2014), 279-291.

[19] B. Kalantari, M.R. Mohaddes Mojtahedi, F. Sharif, R. Semnani Rahbar. Flow-induced crystallization of polypropylene in the presence of graphene nanoplatelets and relevant mechanical properties in nanocompsoite fibres, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 76 (2015), 203-214.

[20] B. Kalantari, M.R. Mohaddes Mojtahedi, F. Sharif, R. Semnani Rahbar. Effect of graphene nanoplatelets presence on the morphology, structure, and thermal properties of polypropylene in fiber melt-spinning process, Polym. Compos., 36 (2015), 367-375.

[21] E. Nilsson, H. Oxfall, W. Wandelt, R. Rychwalski, B. Hagström. Melt spinning of conductive textile fibers with hybridized graphite nanoplatelets and carbon black filler, J. Appl. Polym. Sci., 130 (2013), 2579-2587.

[22] C. Dal Castel, T. Pelegrini, R.V. Barbosa, S.A. Liberman, R.S. Mauler. Properties of silane grafted polypropylene/montmorillonite nanocomposites, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 41 (2010), 185-191.

[23] K.S. Santos, C.D. Castel, S.A. Liberman, M.A.S. Oviedo, R.S. Mauler. Polyolefin-based nanocomposite: The effects of processing aids, J. Appl. Polym. Sci., 119 (2011), 1567-1575.

[24] C.I. Ferreira, C. Dal Castel, M.A.S. Oviedo, R.S. Mauler. Isothermal and non-isothermal crystallization kinetics of polypropylene/exfoliated graphite nanocomposites, Thermochim. Acta, 55 (2013), 40-48.

[25] K. Kalaitzidou, H. Fukushima, P. Askeland, L.T. Drzal. The nucleating effect of exfoliated graphite nanoplatelets and their influence on the crystal structure and electrical conductivity of polypropylene nanocomposites, J. Mater. Sci., 43 (2008), 2895-2907.

[26] J.-Z. Xu, C. Chen, Y. Wang, H. Tang, Z.-M. Li, B.S. Hsiao. Graphene Nanosheets and Shear Flow Induced Crystallization in Isotactic Polypropylene Nanocomposites, Macromolecules, 44 (2011), 2808-2818.

[27] Q. Beuguel, S.A.E. Boyer, D. Settipani, G. Monge, J.-M. Haudin, B. Vergnes, E. Peuvrel-Disdier. Crystallization behavior of polypropylene/graphene nanoplatelets composites, Polym. Crystal., 1 (2018), e10024.

[28] A. Rodrigues, B.d.M. Carvalho, L.A. Pinheiro, R.E.S. Bretãs, S.V. Canevarolo, J. Marini. Effect of compatibilization and reprocessing on the isothermal crystallization kinetics of polypropylene/wood flour composites, Polímeros, 23 (2013), 312-319.

[29] J.-B. Chen, J.-Z. Xu, H. Pang, G.-J. Zhong, L. Xu, H. Tang, J.-H. Tang, Z.-M. Li. Crystallization of isotactic polypropylene inside dense networks of carbon nanofillers, J. Appl. Polym. Sci., 131(2014) , doi: 10.1002/app.39505.

[30] S. Zhao, F. Chen, Y. Huang, J.-Y. Dong, C.C. Han. Crystallization behaviors in the isotactic polypropylene/graphene composites, Polymer, 55 (2014), 4125-4135.

[31] D. Tang, S. Li, J. Yang, J. Su, Q. Yang, M. Kong, Y. Huang, X. Liao. Nonisothermal and isothermal crystallization behavior of isotactic polypropylene/chemically reduced graphene nanocomposites, Polym. Compos., 38 (2017), E342-E350.

[32] G. Xu, W. Shi, P. Hu, S. Mo. Crystallization kinetics of polypropylene with hyperbranched polyurethane acrylate being used as a toughening agent, Eur. Polym. J., 41 (2005), 1828-1837.

[33] X. Shi, J. Wang, B. Jiang, Y. Yang. Influence of nanofiller dimensionality on the crystallization behavior of HDPE/carbon nanocomposites, J. Appl. Polym. Sci., 128 (2013), 3609-3618.

[34] W.Y. Zhou, B. Duan, M. Wang, W.L. Cheung. Crystallization kinetics of poly(L-lactide)/carbonated hydroxyapatite nanocomposite microspheres, J. Appl. Polym. Sci., 113 (2009), 4100-4115.

[35] A.T. Lorenzo, M.L. Arnal, J. Albuerne, A.J. Müller. DSC isothermal polymer crystallization kinetics measurements and the use of the Avrami equation to fit the data: Guidelines to avoid common problems, Polym. Test., 26 (2007), 222-231.

[36] S. Deng, Z. Lin, B. Xu, W. Qiu, K. Liang, W. Li. Isothermal crystallization kinetics, morphology, and thermal conductivity of graphene nanoplatelets/polyphenylene sulfide composites, J. Therm. Anal. Calorim., 118 (2014), 197-203.

[37] J. Qin, S. Guo, Z. Li. Melting behavior and isothermal crystallization kinetics of PP/mLLDPE blends, J. Polym. Res., 15 (2008), 413-420.

[38] S. Gupta, X. Yuan, T.C.M. Chung, M. Cakmak, R.A. Weiss. Isothermal and non-isothermal crystallization kinetics of hydroxyl-functionalized polypropylene, Polymer, 55 (2014), 924-935.

[39] Z.-f. Bai, Q. Dou. Non-isothermal crystallization kinetics of polypropylene/poly(lactic acid)/maleic anhydride-grafted polypropylene blends, J. Therm. Anal. Calorim., 126 (2016), 785-794.