SUPERVISOR
حسینعلی خنکدار سنگدهی (استاد راهنما) الناز اسمی زاده (استاد مشاور) سعید نوری خراسانی (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Vahidifar
علی وحیدی فر
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
Production of closed-cell foams based on NR/ENR/Clay nanocomposites: study of formulation on physical, mechanical, sound absorption and reflection behaviour
Closed cell rubber foams, based on natural rubber (NR)/ epoxidized natural rubber (ENR)/ nanoclay nanocomposite, were produced by using Azodicarbonamide (ADC) as chemical blowing agent. Effect of temperature, foam density and formulation parameters such as ENR type and content, carbon black content, nanoclay type and content and ADC content on curing behavior, morphology (cell size and cell distribution), mechanical properties as(compression behavior, resilience and hardness), absorption and reflection behavior of sound waves were examined. A novel one-step compression molding was proposed and successfully employed for preparation of the foams. The uniqueness of this new method was that both the foam density and expansion ratio became independent of the CB, nanoclay and ADC content. Results showed that increase in the CB content from 0 to 20 phr yielded a 0.91 and 3.51 Nm increase in the initial and the final torque, respectively. The SEM results demonstrated that the prepared foam had three different layers including the skin, transition and core layers. Almost fourteen-fold enhancement of the cell density (from 8 to 117 cells/cm 3 ) was obtained by increasing the CB content in a constant foam density. Although, curing properties, cell morphology and mechanical properties of the foam improved by increasing the CB content, the gradual deterioration was observed for sound absorption properties. The effects of three different nanoclays were examined. XRD and TEM results showed that the Cloisite Na + agglomerated in the matrix while an intercalated-exfoliated/exfoliated morphology was seen in the Cloisite 30B and the Cloisite 20A, respectively. The rheometer results showed that the organo-modified nanoclays, which were the ammonium-salt modified nanoclays (Cloisite30B and Cloisite 20A), improved the foams’ curing behavior more than the pristine Cloisite NA + . Meanwhile, the SEM results showed that the nanoclay increased the cell density and decreased the cell size, depending on the nanoclay type. The mechanical properties of NR nanocomposite foams including the hardness and the modulus were improved by incorporating the nanoclays. The increase in the ADC content from 1 to 10 phr yielded in a 94%, 55% and 70% increase of the Hardness, Elastic modulus and resilience, respectively. The gas pressure inside the bubbles increased by increasing ADC content. The simultaneously improvement in the modulus and hardness with resilience in rubber materials is reported for first time. The rheometer results indicated that ADC acted as inhibitor of curing process and decreased as 75%, 32% and 17% of the curing rate, the initial and the final torque, respectively. The scanning electron microscopy results demonstrated that all the foams had uniform structure and the maximum and minimum cell size (550 and 330 µm) was occurred in the sample with 3 phr and 10 phr of ADC respectively. Keywords : Rubber foam, Azodicarbonamide, Natural Rubber, Epoxidized Natural Rubber
در این پژوهش فوم های سلول بسته لاستیکی بر پایه لاستیک طبیعی/ لاستیک طبیعی اپوکسیده شده/ نانو ذرات خاک رس(NR/ENR/nanoclay) با استفاده از عامل فوم زای شیمیایی آزودی کربن آمید (ADC) به روش قالبگیری فشاری یک مرحله ای ساخته شد. اثر دمای فرایند، دانسیته فوم و متغیر های فرمولاسیونی نوع و درصد ENR، درصد دوده، نوع و درصد نانوذرات خاک رس، درصد عامل فوم زا بر رفتار پخت، ریزساختار فوم(اندازه و پخش سلولی)، خواص مکانیکی (خواص فشاری، جهندگی، سختی)، ضریب جذب و انعکاس امواج صدا بررسی شد. فوم های تولید شده در این پژوهش از نوع فوم های خود پوست بوده و دانسیته آنها مستقل از درصد عامل فوم زا، دوده، نانوذرات خاک رس بدست آمد که بدلیل یکسان بودن وزن آمیزه و حجم قالب در تمام نمونه ها می باشد. برای مطالعه اثر ENR، از دو کائوچوی ENR25 و ENR50 استفاده شد. آمیزه و فوم NR/ENR25 در درصدهای کمتر از 10% وزنی کائوچوی ENR25 یک فاز بوده است. درحالی که آمیزه NR/ENR50 دو فاز شده و به همین دلیل فوم لاستیکی ساختار غیر یکنواخت داشته و فاز ENR دانسیته سلولی بیشتر و اندازه سلولی کوچکتری نسبت به فاز NR دارد. برای مطالعه اثر درصد دوده، مقدار دوده در آمیزه از phr0 تا phr30 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد افزایش phr30 دوده، اندازه سلولی را از 584 میکرون تا 228 میکرون کاهش و دانسیته سلولی را از 15 به 180 (سلول بر میلی متر مکعب) افزایش داده است. بررسی خواص فیزیکی مکانیکی نشان داد افزایش دوده باعث افزایش مدول از kPa370 تا kPa800، افزایش سختی و کاهش جهندگی از 85% تا 57% شده است. اثر سه نوع نانوذرات خاک رس بر خواص فوم های NR/ENR/nanoclay مطالعه شد. نتایج میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داد نانوذرات خاک رس کلویزیت + NA، کلویزیت B30 و کلویزیت A20 بترتیب دارای ریزساختار کلوخه ای، ورقه ای شده و صفحات میان افزوده/ ورقه ای شده می باشند. نمونه دارای نانوذرات کلویزیت B30، سرعت پخت بالاتر، دانسیته سلولی بیشتر و اندازه سلولی کوچکتر، مدول و سختی بالاتری نسبت به سایر نمونه ها دارد. اثر مقدار عامل فوم زای ADC از phr1 تا phr12 بررسی شد. نتایج نشان داد ADC با ZnO کمپلکس فعال تشکیل داده و باعث کاهش سرعت پخت آمیزه NR/ENR/nanoclay شده است. افزایش ADC از phr 3 تا phr 10 باعث افزایش دانسیته سلولی و کاهش اندازه سلول ها و همچنین باعث افزایش فشار گاز درون سلول ها شده است. نتایج حاصل از آزمون های فشاری، جهندگی و سختی نشان داد با افزایش عامل فوم زا، مدول فوم از kPa440 به kPa680، جهندگی فوم ( از 55% به 93%.) و سختی فوم ( از shore A 13 به shore A 25) بصورت همزمان افزایش یافت. نتایج میکروسکوپی نشان داد در فوم هایی که مقدار ADC بیشتر از phr13 می باشد، بدلیل فشار بالای گازهای آزاد شده، دیواره سلولی شکسته که باعث خروج گاز و افت خواص شده است. مدول فوم ها توسط مدل های توانی، وایگوت، کرنر، نیلسون، هالپین تسای، گیبسون، مور و گیبسون-آشبی بررسی شد که مدل گیبسون-آشبی مدول فوم را دقیقتر پیش بینی کرد. همچنین، رفتار تنش کرنش فوم ها توسط مدل های ابر کشسان (هایپر الاستیک) مطالعه شد که مدل مارلو و مدل چند جمله ای رفتار فوم ها را بدرستی پیش بینی کردند.