بررسی رفتار تبلور در الیاف نانو کامپوزیت پلی‌پروپیلن/نانو صفحات گرافن بخش دوم- سینتیک تبلور غیرهمدما

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

2 دکتری، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

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

چکیده

خواص مکانیکی و گرمایی پلیمرها وابستگی زیادی به رفتار بلوری شدن و ریخت‌شناسی بلور آنها دارد. در این تحقیق، رفتار بلورینگی غیر همدمای الیاف نانو کامپوزیت پلی‌پروپیلن/نانو صفحات گرافن (PP/GnPs) حاوی 1/0، 5/0 و 1% GnPs با استفاده از گرماسنج پویشی تفاضلی مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، از مدل‌های اوزاوا و Mo برای برازش مرحله ابتدای تبلور غیر همدما استفاده شد. همچنین فعالیت هسته‌زایی و انرژی فعال‌سازی موثر ماده افزودنی به‌ترتیب به‌وسیله روش‌های Dobreva و فریدمن مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش سرعت سرمایش، پیک تبلور در منحنی‌های گرمازای همه نمونه‌ها به دماهای پایین‌تر انتقال یافته و پهن‌تر شده‌‌اند. علاوه بر این، مشاهده شد که برخلاف مدل اوزاوا، مدل Mo به خوبی می‌تواند تبلور غیر هم‌دمای الیاف PP و الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs را توصیف کند. براساس نتایج حاصله، نمونه‌های PP/G-0.1 و PP/G-1 به‌ترتیب کمترین و بیشترین کارآیی هسته‌زایی را در همه سرعت-های سرمایش نشان می‌دهند. علاوه بر این، با افزودن GnPs به ماتریس PP انرژی فعال‌سازی تبلور کاهش یافته است که نمایانگر قابلیت تبلور بالاتر سیستم پلیمری PP/GnPs می‌باشد. نتایج حاصله نشان می‌دهد که اگرچه نانو صفحات دو بعدی GnPs هسته‌زایی ناهمگن را تسهیل می‌کنند ولی حضور نانو صفحات با اندازه بزرگ به‌عنوان موانع فیزیکی عمل کرده و از فرآیند رشد بلور ممانعت می‌کند و بنابراین سرعت تبلور الیاف نانو کامپوزیت PP/GnPs کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


[1] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science, 306 (2004), 666-669.
[2] C. Lee, X. Wei, J.W. Kysar, J. Hone. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, Science, 321 (2008), 385-388.
[3] A. Hussein, B. Kim. Graphene/polymer nanocomposites: The active role of the matrix in stiffening mechanics, Compos. Struct., 202 (2018), 170-181.
[4] K. Hu, D.D. Kulkarni, I. Choi, V.V. Tsukruk. Graphene-polymer nanocomposites for structural and functional applications, Prog. Polym. Sci., 39 (2014), 1934-1972.
[5] Y. Cui, S.I. Kundalwal, S. Kumar. Gas barrier performance of graphene/polymer nanocomposites, Carbon, 98 (2016), 313-333.
[6] M. Silva, N.M. Alves, M.C. Paiva. Graphene-polymer nanocomposites for biomedical applications, Polym. Adv. Technol., 29 (2018), 687-700.
[7] M. Giulio. Graphene-based Polymer Nanocomposites: Recent Advances and Still Open Challenges, Current Graphene Science, 1 (2017), 16-25.
[8] H. Kim, A.A. Abdala, C.W. Macosko. Graphene/Polymer Nanocomposites, Macromolecules, 43 (2010), 6515-6530.
[9] J.R. Potts, D.R. Dreyer, C.W. Bielawski, R.S. Ruoff. Graphene-based polymer nanocomposites, Polymer, 52 (2011), 5-25.
[10] E. Erbas Kiziltas, A.J. Duguay, A. Kiziltas, B. Nazari, J.W. Nader, D.J. Gardner, T.S. Rushing. Rheological and thermal properties of exfoliated graphite nanoplatelets-filled impact modified polypropylene nanocomposites, Polym. Compos., 39 (2018), E1512-E1519.
[11] F. Wang, L.T. Drzal, Y. Qin, Z. Huang. Mechanical properties and thermal conductivity of graphene nanoplatelet/epoxy composites, J. Mater. Sci., 50 (2015), 1082-1093.
[12] J. Xing, Z. Xu, F. Ruan, B. Deng. Nonisothermal crystallization kinetics, morphology, and tensile properties of polyphenylene sulfide/functionalized graphite nanoplatelets composites, High Perform. Polym., 31 (2019), 282-293.
[13] R.J. Young, M. Liu, I.A. Kinloch, S. Li, X. Zhao, C. Vallés, D.G. Papageorgiou. The mechanics of reinforcement of polymers by graphene nanoplatelets, Compos. Sci. Technol., 154 (2018), 110-116.
[14] A. Hussein, B. Kim. Micromechanics based FEM study on the mechanical properties and damage of epoxy reinforced with graphene based nanoplatelets, Compos. Struc., 215 (2019), 266-277.
[15] S.M. Hamidinejad, R.K.M. Chu, B. Zhao, C.B. Park, T. Filleter. Enhanced Thermal Conductivity of Graphene Nanoplatelet–Polymer Nanocomposites Fabricated via Supercritical Fluid-Assisted in Situ Exfoliation, ACS Appl. Mater. Interfaces, 10 (2018), 1225-1236.
[16] U. Kilic, S.M. Daghash, O.E. Ozbulut, Mechanical Characterization of Polymer Nanocomposites Reinforced with Graphene Nanoplatelets. Springer International Publishing, Cham, 2018, 689-695.
[17] T. Xia, D. Zeng, Z. Li, R.J. Young, C. Vallés, I.A. Kinloch. Electrically conductive GNP/epoxy composites for out-of-autoclave thermoset curing through Joule heating, Compos. Sci. Technol., 164 (2018), 304-312.
[18] B. Mayoral, E. Harkin-Jones, P.N. Khanam, M.A. AlMaadeed, M. Ouederni, A.R. Hamilton, D. Sun. Melt processing and characterisation of polyamide 6/graphene nanoplatelet composites, RSC Adv., 5 (2015), 52395-52409.
[19] S.V. Polschikov, P.M. Nedorezova, A.N. Klyamkina, A.A. Kovalchuk, A.M. Aladyshev, A.N. Shchegolikhin, V.G. Shevchenko, V.E. Muradyan. Composite materials of graphene nanoplatelets and polypropylene, prepared by in situ polymerization, J. Appl. Polym. Sci., 127 (2013), 904-911.
[20] M.C. Mistretta, L. Botta, A.D. Vinci, M. Ceraulo, F.P. La Mantia. Photo-oxidation of polypropylene/graphene nanoplatelets composites, Polym. Degrad. Stab., 160 (2019), 35-43.
[21] A.P. Bafana, X. Yan, X. Wei, M. Patel, Z. Guo, S. Wei, E.K. Wujcik. Polypropylene nanocomposites reinforced with low weight percent graphene nanoplatelets, Compos. Part B Eng., 109 (2017), 101-107.
[22] J.-Z. Liang. Effects of tension rates and filler size on tensile properties of polypropylene/graphene nano-platelets composites, Compos Part B Eng., 167 (2019), 241-249.
[23] J.-Z. Liang. Effects of graphene nano-platelets size and content on tensile properties of polypropylene composites at higher tension rate, J. Compos. Mater., 52 (2018), 2443-2450.
[24] S.M. Park, D.S. Kim. Preparation and physical properties of polypropylene nanocomposites with dodecylated graphene nanoplatelets, Compos. Interface., 24 (2017), 1-11.
[25] M.-Y. Shen, T.-Y. Chang, T.-H. Hsieh, Y.-L. Li, C.-L. Chiang, H. Yang, M.-C. Yip. Mechanical Properties and Tensile Fatigue of Graphene Nanoplatelets Reinforced Polymer Nanocomposites, J. Nanomater., 2013 (2013), 1-9.
[26] P. Song, Z. Cao, Y. Cai, L. Zhao, Z. Fang, S. Fu. Fabrication of exfoliated graphene-based polypropylene nanocomposites with enhanced mechanical and thermal properties, Polymer, 52 (2011), 4001-4010.
[27] M. El Achaby, F.-E. Arrakhiz, S. Vaudreuil, A. el Kacem Qaiss, M. Bousmina, O. Fassi-Fehri. Mechanical, thermal, and rheological properties of graphene-based polypropylene nanocomposites prepared by melt mixing, Polym. Compos., 33 (2012), 733-744.
[28] 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, 553 (2013), 40-48.
[29] J.-Z. Xu, Y.-Y. Liang, H.-D. Huang, G.-J. Zhong, J. Lei, C. Chen, Z.-M. Li. Isothermal and nonisothermal crystallization of isotactic polypropylene/graphene oxide nanosheet nanocomposites, J. Polym. Res., 19 (2012), 9975.
[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] S. Chen, Y. Liu, C. He, X. Yin, L. Wang, H. Wang, C. Xu, J. Kang, Y. Zhang. Non-Isothermal Crystallization Behavior of β-Nucleated Isotactic Polypropylene/Multi-Walled Carbon Nanotube Composites with Different Melt Structures, Polym. Sci. Series A, 60 (2018), 81-89.
[32] 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.
[33] 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.
[34] F. Shehzad, S.P. Thomas, M.A. Al-Harthi. Non-isothermal crystallization kinetics of high density polyethylene/graphene nanocomposites prepared by in-situ polymerization, Thermochim. Acta, 589 (2014), 226-234.
[35] M. Kodal, H. Sirin, G. Ozkoc. Non-isothermal crystallization kinetics of PEG plasticized PLA/G-POSS nanocomposites, Polym. Compos., 38 (2017), 1378-1389.
[36] M. Run, H. Song, C. Yao, Y. Wang. Crystal morphology and nonisothermal crystallization kinetics of short carbon fiber/poly(trimethylene terephthalate) composites, J. Appl. Polym. Sci., 106 (2007), 868-877.
[37] M. He, S. Zong, Y. Zhou, H. Guo, Q. Fan. Non-isothermal crystallization kinetics of reactive microgel/nylon 6 blends, Chin. J. Chem. Eng., 23 (2015), 1403-1407.
[38] Y.N. Gupta, S.M. Abbas, R.B. Sharma, D.K. Setua. Crystallization kinetics of polyurethane nanocomposites, J. Therm. Anal. Calorim., 119 (2015), 1393-1405.
[39] W. Hao, W. Yang, H. Cai, Y. Huang. Non-isothermal crystallization kinetics of polypropylene/silicon nitride nanocomposites, Polym. Testing, 29 (2010), 527-533.
[40] Q. Yuan, S. Awate, R.D.K. Misra. Nonisothermal crystallization behavior of polypropylene–clay nanocomposites, Eur. Polym. J., 42 (2006), 1994-2003.
[41] T. Liu, Z. Mo, H. Zhang. Nonisothermal crystallization behavior of a novel poly(aryl ether ketone): PEDEKmK, J. Appl. Polym. Sci., 67 (1998), 815-821.
[42] A. Dobreva, I. Gutzow, Activity of substrates in the catalyzed nucleation of glass-forming melts. I. Theory, J. Non-Cryst. Solids, 162 (1993), 1-12.
[43] G.Z. Papageorgiou, D.S. Achilias, D.N. Bikiaris, G.P. Karayannidis. Crystallization kinetics and nucleation activity of filler in polypropylene/surface-treated SiO2 nanocomposites, Thermochim. Acta, 427 (2005), 117-128.
[44] B. Fillon, J.C. Wittmann, B. Lotz, A. Thierry. Self-nucleation and recrystallization of isotactic polypropylene (α phase) investigated by differential scanning calorimetry, J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys., 31 (1993), 1383-1393.
[45] C. Marco, G. Ellis, M.A. Gómez, J.M. Arribas. Comparative study of the nucleation activity of third-generation sorbitol-based nucleating agents for isotactic polypropylene, J. Appl. Polym. Sci., 84 (2002), 2440-2450.
[46] H.L. Friedman. Kinetics of thermal degradation of char-forming plastics from thermogravimetry. Application to a phenolic plastic, J. Polym. Sci. Part C Polym. Sympos., 6 (1964), 183-195.