SUPERVISOR
حسین نازکدست (استاد راهنما) محمود معصومی (استاد راهنما)
STUDENT
Armin Hajaibaba
آرمین حاجی بابا
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
The Effect of Nanoclay on Morphology and Rheology of Poly(butylene terephthalate)/Polypropylene Blend
The effect of concentration and modifier nature of nanoclay and using of compatibilizer on morphology and rheological behavior of poly (butylene terephthalate)/polypropylene immiscible blend has been investigated, in this research. Accordingly, various samples containing 1, 3 and 5 phr of nanoclay with hydrophilic (Cloisite 30B) and hydrophobic modifier (Cloisite 15A) were prepared via melt blending. In the first phase of this research, the microstructure and morphology of different specimens were analyzed by X-ray diffraction, transmission and scanning electron microscopy. Additionally, the viscoelastic behavior of samples was studied by rheological measurements. The XRD patterns showed that the level of intercalation structure in nanocomposites filled by Cloisite 30B is significantly higher than nanocomposites containing Cloisite 15A. Moreover, nanocomposites filled by Cloisite 30B show more homogenous morphology with smaller droplet size compare to nanocomposites filled by Cloisite 15A. According to transmission electron microscopy, Cloisite 30B nanoclays are mainly localized in PBT matrix and at the interface, whereas Cloisite 15A nano particles are confined in PP dispersed-phase and at the interface. The outcomes of rheological tests illustrated that Cloisite 30B nanoclays enhance the viscosity and elasticity of PBT/PP blend more than Cloisite 15A. Satisfactory agreement between experimental data and De Kee model in nanocomposites containing 3 and 5 phr of Cloisite 30B and 5 phr of Cloisite 15A is the indication of yield stress in these nanocomposites. In addition, the transition of rheological behavior from liquid-like to solid-like is due to formation of physical networks, in these nanocomposites. The mechanisms of morphology development in PBT/PP/Cloisite 30B nanocomposites were investigated in the second phase of this research. Accordingly, the effect of Cloisite 30B on rheological parameters and interfacial features of PBT/PP blend was studied. The results of linear and non-linear rheological measurements revealed that the formation of three dimensional physical networks in PBT by Cloisite 30B nanoclays plays an important role in enhancement of matrix viscosity and elasticity. It was demonstrated that elasticity ratio affects droplet size and capillary number. With increment of Cloisite 30B concentration up to 5 phr, the elasticity of PBT matrix increases and elasticity ratio decreases which causes to enhancement of capillary number. On the other hand, the non-homogenous distribution of Cloisite 30B organoclays at the interface results in decreasing of interfacial tension and suppression of coalescence. The comparison between compatibilization efficiency of Cloisite 30B and PP-g-MA as compatibilizer was investigated in the third phase. In addition, the effect of compatibilizer on morphology and rheology of PBT/PP/Cloisite 30B nanocomposite was studied. According to SEM micrographs, Cloisite 30B organoclays are more efficient than PP-g-MA in compatibilization of PBT/PP blend. The addition of compatibilizer to PBT/PP/Cloisite 30B nanocomposites results in increasing of droplet diameter and decreasing of viscosity, elasticity and yield stress. The present subject can be relied on the role of compatibilizer in transfer of a part of Cloisite 30B nanoclays from PBT to PP where don’t have affinity to it.
در این پژوهش که در سه فاز ترتیب داده شده است، اثر نوع اصلاح‌کننده و غلظت نانوذرات‌رس و استفاده از سازگارکننده بر مورفولوژی و رئولوژی آمیزه غیرقابل‌امتزاج پلی(بوتیلن‌ترفتالات)/پلی‌پروپیلن مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور نمونه‌های مختلف شامل 1، 3 و phr 5 نانوذرات‌رس با اصلاح‌کننده آب‌دوست (Cloisite 30B) و اصلاح‌کننده آب‌گریز (Cloisite 15A)، توسط روش اختلاط مذاب فرآوری شدند. در فاز اول به منظور بررسی ریزساختار و مورفولوژی آمیزه‌های حاصله از آنالیزهای پراکنش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده شد. همچنین رفتار ویسکوالاستیک نمونه‌های مختلف توسط آزمون‌های رئولوژیکی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج آنالیز پراکنش اشعه ایکس نشان داد که ایجاد ساختار جایگذاری‌شده (Intercalation) در نانوکامپوزیت‌های حاوی نانورس با اصلاح‌کننده آب‌دوست بیشتر از نمونه‌های حاوی نانورس با اصلاح‌کننده آب‌گریز می‌باشد. همچنین نانوکامپوزیت‌های شامل نانورس با اصلاح‌کننده آب‌دوست نسبت به نانورس با اصلاح‌کننده آب‌گریز، مورفولوژی یکنواخت‌تر با اندازه قطرات ریزتری را از خود نشان می‌دهند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری مشخص ساختند که نانوذرات‌رس با اصلاح‌کننده آب‌دوست عمدتا در فاز پلی(بوتیلن‌ترفتالات) و فصل مشترک قرار گرفته، در حالیکه نانوذرات‌رس با اصلاح‌کننده آب‌گریز در فاز پلی‌پروپیلن و فصل مشترک قرار می‌گیرند. مطالعات رئولوژیکی نشان دادند که نانوذرات‌رس شامل اصلاح‌کننده آب‌دوست در مقایسه با آب‌گریز، ویسکوزیته و الاستیسیته آمیزه پلی(بوتیلن‌ترفتالات)/پلی‌پروپیلن را به نسبت بیشتری افزایش می‌دهند. تطابق بسیار خوب بین نتایج تجربی و مدل De Kee بهبودیافته در نمونه‌های شامل 3 و phr 5 نانورس با اصلاح‌کننده آب‌دوست و phr 5 نانورس با اصلاح‌کننده آب‌گریز، نشان از وجود تنش تسلیم در اثر ایجاد شبکه فیزیکی سه بعدی، در این نانوکامپوزیت‌ها دارد. همچنین تغییر رفتار رئولوژیکی از حالت شبه- مایع به شبه- جامد در این نانوکامپوزیت‌ها نیز ایجاد شبکه فیزیکی از نانوذرات را اثبات می‌کند. به دلیل تاثیر بهتر نانورس شامل اصلاح‌کننده آب‌دوست بر مورفولوژی و رئولوژی آمیزه مذکور، در فاز دوم این پروژه، سازوکار های بهبود مورفولوژی آمیزه پلی(بوتیلن‌ترفتالات)/پلی‌پروپیلن توسط این نانوذره مورد مطالعه قرار گرفت. بدین ترتیب تاثیر فصل مشترک و پارامترهای رئولوژیکی در بهبود مورفولوژی فازی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج رئولوژیکی در دو ناحیه خطی و غیرخطی نشان دادند که ایجاد شبکه فیزیکی سه بعدی توسط نانوذرات‌رس با اصلاح‌کننده آب‌دوست در فاز پلی(بوتیلن ترفتالات)، دلیل اصلی افزایش الاستیسیته و ویسکوزیته فاز ماتریس می باشد. در این پژوهش نشان داده شد که نسبت الاستیسیته فازها تاثیر قابل توجهی بر اندازه قطرات و عدد کاپیلاری دارد. با افزایش غلظت نانوذرات‌رس شامل اصلاح‌کننده آب‌دوست تا phr 5، الاستیسیته فاز پلی(بوتیلن‌ترفتالات) افزایش می‌یابد. در نتیجه، افزایش غلظت این نانوذرات سبب کاهش نسبت الاستیسیته فاز پراکنده به ماتریس و افزایش عدد کاپیلاری می‌گردد. از طرف دیگر به نظر می‌رسد توزیع غیریکنواخت این نانوذرات در فصل مشترک سبب کاهش تنش بین سطحی و توقف برخورد و ائتلاف قطرات می گردد. در فاز سوم این پروژه، میزان سازگارسازی نانوذرات‌رس شامل اصلاح‌کننده آب‌دوست با سازگارکننده پلی‌پروپیلن مالئیکه مقایسه شد. همچنین تاثیر استفاده از سازگارکننده بر مورفولوژی و رئولوژی نانوکامپوزیت پر شده با phr 5 نانورس با اصلاح‌کننده آب‌دوست مورد بررسی قرار گرفت. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی مشخص کردند که تاثیر phr 5 نانورس شامل اصلاح‌کننده آب‌دوست در سازگارسازی آمیزه پلی(بوتیلن‌ترفتالات)/پلی‌پروپیلن بیشتر از سازگارکننده پلی‌پروپیلن مالئیکه است. افزودن سازگارکننده پلی‌پروپیلن مالئیکه به نانوکامپوزیت حاوی phr 5 از این نانورس، سبب افزایش اندازه قطرات، کاهش ویسکوزیته، الاستیسیته و تنش تسلیم این نانوکامپوزیت شده است. این موضوع احتمالا به دلیل نقش سازگارکننده پلی‌پروپیلن مالئیکه در انتقال بخشی از نانوذرات رس با اصلاح‌کننده آب‌دوست از فاز پلی(بوتیلن‌ترفتالات) به پلی‌پروپیلن است. آنالیز پراکنش اشعه ایکس نشان می‌دهد که فاز پلی‌پروپیلن قادر به ایجاد ساختار جایگذاری‌شده از نانوذرات‌رس شامل اصلاح‌کننده آب‌دوست نمی‌باشد.