SUPERVISOR
Roohollah Bagheri,Mahmood Masoomi
روح اله باقری (استاد راهنما) محمود معصومی (استاد راهنما)
STUDENT
Maryam Sabetzadeh
مریم ثابت زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Investigation of Relationship between Morphology and Rheological Properties of Low-density Polyethylene / Linear Low-density Polyethylene / Starch Blend
In this work, relationship between morphology and rheological properties of low-density polyethylene / linear low-density polyethylene / thermoplastic starch (LDPE/LLDPE/TPS) blends with the aim of controlling the rheological properties and morphology improvement is studied both experimentally and theoretically. Such relationship paves the way to develop packaging film with desired physical and mechanical performance. Considering the effects of starch modification, the change of processing method to modify starch and nanoclay addition; on the morphology and rheological properties of the blends, four different blends based on LDPE/LLDPE (70/30) (which is common in film packaging applications) containing various amounts of TPS, in the presence of maleic anhydride grafted polyethylene (PE-g-MA) as a compatibilizer are prepared in a twin screw extruder and then converted to the appropriate thin films using a film blowing machine. The morphological studies indicate that in the blends containing 5-20 wt. % TPS (prepared with addition of 35 wt. % glycerol in an internal mixer, TPS1), there is a relative good dispersion of starch particles in LDPE/LLDPE matrix which is attributed to the chemical interactions between MA groups in PE-g-MA and hydroxyl groups of TPS1. However, as the TPS1 content increases, the starch particle size increases too. On the basis of rheological analyses, high elastic nature of TPS1 and the large difference between viscosities of TPS1 and LDPE/LLDPE cause increasing the starch particle sizes. This results in increasing the stress concentration sites and consequently decreasing the tensile strength of the final films, as TPS1 content increases. Considering the viscosity and elasticity ratios of dispersed phase to matrix as the effective factors on the controlling rheological properties and morphology improvement and in order to suppress coalescence of starch particles in PE matrices, the effect of thermoplastic oxidized starch (TPS2, with higher fluidity and lower viscosity) and containing the same amount of glycerol is evaluated. According to the results, despite the lower viscosity and elasticity ratios due to weakening interfacial interactions, morphology improvement and achieving the blends with better physical and mechanical performances is unsuccessful. In this study, using the twin screw extruder to prepare thermoplastic starch (TPS3, with similar amount of glycerol) leads to desired viscosity and elasticity ratios in the respective blends. As a result, significant decreasing in starch particle sizes with increasing the TPS3 content and also elongated shapes in higher TPS3 content (40 wt. %) are observed. In addition, the results show that simultaneous addition of PE-g-MA and 5 wt. % nanoclay with partial exfoliated structure is one of the effective approaches to improve the morphology of LDPE/LLDPE/TPS blend and produce the material with superior physical and mechanical properties. In this work, emulsion rheological models explain the relationship between morphology and rheological properties of the LDPE/LLDPE/TPS blends well.
در این پژوهش، ارتباط ریزساختار و خواص رئولوژیکی آلیاژهای پلی اتیلن سبک / پلی اتیلن سبک خطی / نشاسته گرمانرم (LDPE/LLDPE/TPS) با هدف کنترل خواص رئولوژیکی و بهبود ریزساختار فازی به صورت تجربی و نظری بررسی شده است. چنین ارتباطی راهکارهایی را فراهم می کند که بتوان فیلم های بسته بندی با خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب را تهیه نمود. بر این اساس، با در نظر گرفتن تأثیر عواملی مانند اصلاح نشاسته، تغییر روش تهیه TPS و افزودن نانوذرات خاک رس بر ریزساختار و خواص رئولوژیکی آلیاژها، چهار دسته آلیاژهای مختلف برپایه نسبت 30/70 از LDPE/LLDPE (که در صنعت فیلم های بسته بندی بسیار متداول است) و حاوی مقادیر مختلف نشاسته گرمانرم، در حضور مقدار ثابتی از پلی اتیلن پیوند خورده با مالئیک انیدرید (PE-g-MA) به عنوان سازگارکننده در یک اکسترودر دومارپیچه تهیه شده و سپس با استفاده از اکسترودر فیلم دمشی به فیلم هایی با ضخامت مشخص تبدیل شده اند. بررسی های ریزساختاری نشان داد که در آلیاژهای حاوی 5-20% وزنی TPS تهیه شده با 35% وزنی گلیسیرول در یک مخلوط کن داخلی، پراکنش نسبتاً مطلوبی از ذرات نشاسته در ماتریس LDPE/LLDPE وجود دارد که به دلیل ایجاد سازگاری در اثر برهمکنش شیمیایی بین گروه های مالئیک انیدرید در PE-g-MA و گروه های هیدروکسیل TPS می باشد. با این وجود، با افزایش مقدار TPS، اندازه ذرات نشاسته در ماتریس افزایش یافته است. بر اساس نتایج حاصل از اندازه گیری های خواص رئولوژیکی، ماهیت بسیار الاستیک این نوع نشاسته گرمانرم و همچنین اختلاف زیاد ویسکوزیته آن با ماتریس LDPE/LLDPE، منجر به افزایش اندازه ذرات نشاسته شده است. این نتیجه به نوبه خود باعث افزایش مناطق تمرکز تنش و در نتیجه کاهش استحکام کششی فیلم های برپایه این دسته از آلیاژ ها با افزایش مقدار نشاسته شده است. با در نظر گرفتن نسبت های الاستیسیته و ویسکوزیته فاز پراکنده به ماتریس به عنوان عوامل موثر بر کنترل خواص رئولوژیکی و بهبود ریزساختار فازی و به منظور جلوگیری از بهم آمیختگی ذرات نشاسته، تأثیر نشاسته گرمانرم تهیه شده برپایه نشاسته اکسید (با سیالیت بالاتر و ویسکوزیته پایین تر) و حاوی مقدار مشابه گلیسیرول، بر کنترل خواص رئولوژیکی و بهبود ریزساختار آلیاژها ارزیابی شده است. بر طبق نتایج، با وجود کاهش نسبت های الاستیسیته و ویسکوزیته فازها به دلیل کاهش ویژگی های بین سطحی، بهبود ریزساختار فازی و در نتیجه تهیه موادی با عملکرد فیزیکی و مکانیکی بالاتر ناموفق بوده است. در این پژوهش، استفاده از فرآیند اکستروژن برای تهیه TPS (با مقدار مشابه 35% گلیسیرول) باعث بدست آمدن نسبت های الاستیسیته و ویسکوزیته مطلوب تر در آلیاژهای حاوی این نوع TPS شده است. در نتیجه، کاهش چشمگیر اندازه ذرات نشاسته با افزایش مقدار TPS و حتی تغییر شکل ذرات آن در مقادیر بالای TPS (40%) مشاهده شده است. علاوه بر این، نتایج بدست آمده در این پژوهش حاکی از آن است که افزودن همزمان PE-g-MA و مقدار 5% وزنی نانوذره خاک رس با ساختار پراکنش ورقه ای جزئی، یکی دیگر از رویکردهای موثر برای بهبود ریزساختار فازی آلیاژهای LDPE/LLDPE/TPS به منظور دستیابی به موادی با خواص فیزیکی و مکانیکی برتر است. در این پژوهش، مدل های رئولوژیکی امولسیونی ارتباط ریزساختار و خواص رئولوژیکی آلیاژها را به خوبی توجیه می کنند.