SUPERVISOR
Mahmood Masoomi,Roohollah Bagheri
محمود معصومی (استاد راهنما) روح اله باقری (استاد راهنما)
STUDENT
Mahin Golshirazi
مهین گل شیرازی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Effect of Nanoclay on Morphology, Mechanical Performance and Permeability of Polymeric Films Based on LDPE/LLDPE/PA6 Blends
The demands for polymeric materials with a unique combination of properties are ever growing. A cost efficient solution to meet the demands is the use of polymer blends. By blending different polymers, new materials with a desirable combination of properties can be developed. Engineering plastics are blended with polyolefins in order to improve the performance of them (rigidity, thermal stability, mechanical and barrier properties to oxygen and solvents). Besides mixing different polymers, organomodified clay has been added to polymers to form nanocomposite polymers and attain better properties. Recently, several research groups have tried to use simultaneously the two previous approaches in order to produce nanocomposite polymer blends with improved performances. The relationship between morphology and properties of nanocomposite blends is very important for designing new materials. In this work, the relationship between morphology and mechanical and barrier properties of LDPE/LLDPE/PA6/nanoclay nanocomposite films was studied. At first, the impact of feeding order of compatibilizer on the morphology and mechanical properties of the films was investigated. Then, the effect of type (cloisite 15A, cloisite 30B) and concentration of nanoclay(3,4,5 phr) was studied. Finally, the effect of temperature on film processing, morphology, and properties was investigated. The blends were prepared by melt mixing of component, using a co-rotating twin-screw extruder, and then melt-drawn in to films by casting method. The composition of the PE/PA6 was 70/30 wt; in all cases, a mixture of LDPE/LLDPE with weight ratio of 70/30, a common ratio in the film industry, was used as the PE matrix. The nanocomposites blends were characterized by means of FTIR, X-ray diffraction (XRD), and Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM). Final properties of the produced films were investigated using tensile test (TS), and Oxygen Transmission Rate (OTR). In situ compatibilization of components in PE/PA/PEgMA blends performed better in simultaneous mixing. This can be generally attributed to the production of more graft copolymer at interface, which enhanced the adhesion between the polymer phases. The results showed that the nanocomposite structure depended on the type of nanoclay and the presence of a compatibilizer. The presence of the Cloisite 30B promoted the formation of a co-continuous morphology for the LDPE/LLDPE/PA6 blends. As the concentration of this nanoclay was increased up to 4 and 5 phr, the co-continuous morphology was formed and their tensile modulus was also enhanced as much as 19.43% and 30.36%, respectively. Oxygen transmission rate was declined around 37.58% for nanocomposites with 4 phr Cloisite 30B and 45.47% for 5 phr Cloisite 30B. Moreover, improved morphology and better properties were attributed to the decrease of temperature profile in film processing. The mechanical properties were increased (3.9% increase in modulus, 12.83% increase in tensile strength and 24.21% decrease in elongation at break) and oxygen transmission rate was decreased to about 7.22%. By comparing the morphology of samples after mixing and also after film processing, it was found that the Orientation of PA6 particles was occurred in film processing, leading to the improved morphology. Keywords: nanocomposite, blends, co-continuouse, mechanical properties, barrier
امروزه تقاضا برای تولید محصولات پلیمری با هزینه کمتر، کارایی مطلوب و خواص بهتر افزایش یافته است. آلیاژهای پلیمری راه حل خوبی را برای این نیاز برآورده کرده اند. دلیل آلیاژ پلی الفین ها با پلاستیک های مهندسی بهبود کارایی پلی الفین ها (سختی، پایداری حرارتی، خواص مکانیکی، ممانعت پذیری در برابر اکسیژن و حلال ها ) می باشد. در سال های اخیر علاوه بر آلیاژ کردن پلیمرهای مختلف با یکدیگر، افزودن نانورس اصلاح شده با مواد آلی و تشکیل نانوکامپوزیت های پلیمری نیز به منظور دستیابی به خواص بهتر مطرح شده اند. اخیراً این دو دیدگاه، در اصلاح پلیمرها در کنار هم استفاده می شوند تا پلیمری حاصل شود که از مزیت های آلیاژها و نانوکامپوزیت ها برخوردار باشد. شناخت ارتباط بین ریزساختار و خواص در نانوکامپوزیت آلیاژها، در طراحی مواد جدید با خواص مطلوب از اهمیت بالایی برخوردار است. هدف از پژوهش حاضر، بررسی ارتباط بین ریزساختار، خواص مکانیکی و عبورپذیری آلیاژ LDPE/LLDPE/PA با افزودن نانورس می باشد. در این پژوهش ابتدا اثر ترتیب افزودن سازگارکننده به آلیاژ بر ریزساختار و خواص مکانیکی مطالعه شد. سپس به بررسی اثر دو نوع نانورس قطبی cloisite 30B و غیرقطبی Cloisite 15A و مقدار آن بر ریزساختار و خواص پرداخته شد. در نهایت نیز اثر تغییر شرایط دمایی بر ریزساختار، خواص مکانیکی و عبورپذیری نانوکامپوزیت آلیاژها مطالعه شده است. آلیاژها با اختلاط مذاب اجزاء در اکسترودر دوپیچه همسوگرد تهیه شده و سپس با استفاده از فرآیند غلتک سرد به صورت فیلم، شکل دهی شدند. ترکیب درصد پلی اتیلن/پلی آمید در تمام نمونه ها 70/30 و ماتریس پلی اتیلن مخلوطی از دو گرید پلی اتیلن سبک و سبک خطی با نسبت 70/30 که نسبتی متداول در فرآیند تهیه فیلم است، انتخاب شده است. به منظور بررسی مشخصه نمونه ها آزمون هایFTIR ، پراش اشعه X و میکروسکوپ الکترونی روبشی و به منظور تعیین خواص از آزمون های کشش و عبورپذیری استفاده شد. به طور کلی می توان گفت که سه عامل سازگارکننده، نانورس و جهت گیری در فرآیند کشش منجر به بهبود ریز ساختار شده است. با مشاهده ریزساختار و بررسی خواص مکانیکی نمونه های آلیاژی این نتیجه حاصل می شود که خواص مکانیکی در آلیاژها با ریزساختار قطره- ماتریس وابسته به اندازه ذرات فاز پراکنده و میزان چسبندگی بین دو فاز است. علاوه برآن، ترتیب افزودن سازگارکننده به آلیاژ نیز بر ریزساختار نهایی تاثیرگذار است. در روش اختلاط همزمان، امکان انجام واکنش سازگارسازی درجا و تشکیل کوپلیمر پیوندی در فصل مشترک افزایش یافته و اندازه ذرات فاز پراکنده ریزتر، توزیع آن یکنواخت تر شده و خواص مکانیکی مطلوب تری حاصل شده است. در مقایسه دو نوع نانورس استفاده شده،Cloisite 30B نقش موثرتری در بهبود خواص کششی و عبورپذیری داشته است. در نمونه های نانوکامپوزیت آلیاژهای حاوی phr3 نانورس Cloisite 30B، فاز پلی آمید به خوبی پراکنده شده به طوری که به صورت سلول های به هم چسبیده درآمده و پتانسیل تبدیل به ریزساختار هردوپیوسته را دارد. کاهش چیدمان دمایی در اکسترودر تهیه فیلم که منجر به افزایش نسبت ویسکوزیته اجزاء در حالت مذاب می شود، باعث بهبود ریزساختار و افزایش خواص مکانیکی (9/3% افزایش مدول، 83/12% افزایش استحکام کششی و 21/24% کاهش درصد ازدیاد طول) و کاهش میزان عبورپذیری به میزان 22/7% شده است. افزایش مقدار نانورس به میزان 4و5phr ، منجر به ایجاد ریزساختار هردوپیوسته شده و مدول کششی آن ها نسبت به نمونه آلیاژی بدون حضور نانورس به ترتیب به میزان 43/19% و 36/30% افزایش و میزان عبورپذیری به ترتیب به میزان 58/37% و 47/45% کاهش یافته است. مقایسه بین ریزساختار نمونه ها بعد از اختلاط و بعد از فرآیند شکل دهی نشان دهنده تاثیر فرآیند کشش بر بهبود ریزساختار در نمونه های نانوکامپوزیتی و پراکنش بهتر نانورس در اثر اعمال تنش در فرآیند کشش می باشد. کلیدواژه ها: آلیاژ، خواص مکانیکی، ممانعت پذیری، نانوکامپوزیت، هردوپیوسته