بهینه سازی خواص مکانیکی و ساختاری پلی پروپیلن تقویت شده با ترکیب لاستیک طبیعی- نانوذرات پرلیت با استفاده از روش سطح پاسخ

مهندسی متالورژی و مواد

دوره 34، شماره 2 - شماره پیاپی 30، تیر 1402، صفحه 1-18   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2023.80165.1092

نویسندگان

هادی سلیمانی¹؛ عبدالحسین فریدون^{* 1}؛ علیرضا آلبویه²؛ محمدرضا نخعی³

¹گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

²گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه دامغان، دامغان، ایران

³دانشکده مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش، خواص کششی ترکیب نانوکامپوزیت پلی پروپیلن/ لاستیک طبیعی تقویت شده با نانوذرات پرلیت تولید شده به کمک دستگاه مخلوط کن داخلی دو محوره، مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین، از مدلسازی ریاضی آنالیز واریانس با استفاده از روش سطح پاسخ برای مقایسه و تصدیق نتایج آزمون کشش تجربی استفاده شد. نقش هر یک از متغیر‌های موادی درصد وزنی لاستیک طبیعی و نانوذرات پرلیت بر خصوصیات مکانیکی ترکیبات جدید تولید شده بررسی شد. طبق این بررسی‌ها، مشاهده شد که مقادیر استحکام کششی و تغییر طول تا شکست در اثر افزایش مقدار لاستیک طبیعی از 20 به 40 درصد وزنی و ثابت بودن مقدار نانوذرات پرلیت در 3 درصد وزنی، به ترتیب 68/14 درصد کاهش (از 92/8 تا 61/7 مگاپاسکال) و 72 درصد افزایش (از 05/51 تا 81/87 درصد) یافت. نتایج بدست آمده از بهینه سازی متغیرها نشان داد، در صورت استفاده از 268/3 درصد وزنی از لاستیک طبیعی و 046/4 درصد وزنی از نانوذرات پرلیت، ماکزیمم مقادیر استحکام کششی و تغییر طول تا شکست به ترتیب 332/8 مگاپاسکال و 38/74 درصد حاصل شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی بیانگر تاثیر مثبت افزودن نانوذرات به فاز پایه به واسطه کوچک شدن اندازه فاز الاستومری و در نتیجه افزایش استحکام کششی ماده بود. همچنین، پخش مناسب نانوذرات در زمینه پلیمری در نمونه ساخته شده با 5 درصد وزنی پرلیت و 30 درصد وزنی لاستیک طبیعی اتفاق افتاد. اما، با افزایش نانوذرات به 9 درصد وزنی، تراکم و کلوخگی نانوذرات پرلیت در فاز ترموپلاستیکی مشاهده شد.

کلیدواژه‌ها

پلی پروپیلن؛ لاستیک طبیعی؛ نانوذرات پرلیت؛ نانوکامپوزیت؛ ریزساختار؛ روش پاسخ سطح

مراجع

[1]   V. Selvakumar, K. Palanikumar, K. Palanivelu, “Studies of Mechanical Characterization of Polypropylene/Na+-MMT Nanocomposites,” Journal of Minerals & Materials characterization & Engineering, vol. 9, no. 8, pp. 671-681, (2010).

[2] A.R. Albooyeh, A. Fereidoon, “The Effect of Mesoporous Silica and Carbon Nanotube on the Vibration Properties of Polypropylene,” Modares Mechanical Engineering, vol. 14, no. 1, pp. 67-73, (2014). (In Persian)

[3] S. Daneshpayeh, F. Ashenai Ghasemi, I. Ghasemi, “Mechanical Properties of Nanocomposites Based on Polypropylene-Linear Low Density Polyethylene-Titanium Dioxide Nano Particles by Response Surface Methodology,” journal of Tabriz mechanical engineering, vol. 77, pp. 903-101, (2017). (In Persian)

[4] A.R. Albooyeh, A. Fereidoon, “Effect of Mesoporous Silica and Hydroxyapatite Nanoparticles on the Tensile and Dynamic Mechanical Thermal Properties of Polypropylene and Polypropylene Foam,” Iranian Journal of Polymer Science Technoogyl, vol. 27, no. 5, pp. 423-439, (2014). (In Persian)

[5]   R. Sahraeian, S. A. Hashemi, M. Esfandeh, I. Ghasemi, “Preparation of Nanocomposites Based on LDPE/Perlite: Mechanical and Morphological Studies,” Polymers and Polymer Composites, vol. 20, no. 7, pp. 639–646, (2012).

[6] K. Bicy, D. Rouxel, M. Poncot, I. Royaud, P. Bourson, D. Chapron, N. Kalarikkal, S. Thomas, “Interfacial Tuning and Designer Morphologies of Microporous Membranes Based on Polypropylene/Natural Rubber Nanocomposites,” Journal of Applied Polymer Science, vol. 138, no. 41, 51208, (2021).

[7] N. Lopattananon, S. Tanglakwaraskul, A. Kaesaman, M. Seadan, T. Sakai, “Effect of Nanoclay Addition on Morphology and Elastomeric Properties of Dynamically Vulcanized Natural Rubber/ Polypropylene Nanocomposites,” International Polymer Processing, vol. 29, no. 3, (2014).

[8] N. Chandran, C. Sarathchandran, S. Jose, S. Thankappan, S. Thomas, “Organic Modifier Induced Interfacial Transformation, Morphology and Physico-Mechanical Properties of PP/NR Based Blend Nanocomposites,” Composites Part B, vol. 194, no. 108045 (2020).

[9] A. Forughfard, A. A. Pourkamali, E. Ghasemi, “Comparison of Mechanical Properties of PP/ NANOCLAY and LLDPE/ NANOCLAY Nanocomposites,” Polymer Composites, vol. 39, no. s1, E1-E646, (2013).

[10] A. Elloumi, S. Pimbert, C. Bradai, “Phase Structure and Mechanical Properties of PP/EPR/CaCO₃ Nanocomposites: Effect of Particle's Size and Treatment,” Polymer Engineering & Science, vol. 55, no. 12, pp. 2859-2868, (2015).

[11] M. Saheb, P. Tambe, M. Malathi, “Influence of Hybrid Fillers on Morphological, Mechanical and Thermal Properties of ABS/PP Blend,” International journal of chemical science, vol. 15, no. 1, pp. 111, (2017).

[12] A.R. Albooyeh, P. Soleymani, H. Taghipoor, “Evaluation of the Mechanical Properties of Hydroxyapatite-silica aerogel/ epoxy Nanocomposites: Optimizing by Response Surface Approach,” Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, vol. 136, no. 105513, (2022).

[13] A. Bakhtiari, F. Ashenai Ghasemi, G. Naderi, M. R. Nakhaei, “An Approach to the Optimization of Mechanical Properties of Polypropylene/Nitrile Butadiene Rubber/Halloysite Nanotube/Polypropylene-g-maleic Anhydride Nanocomposites Using Response Surface Methodology,” journal of Polymer Composites, vol. 41, no. 6, pp. 2330-2343, (2020).

[14] F. Ashenai Ghasemi, S. Daneshpayeh, I. Ghasemi, M. Ayaz, “An Investigation on the Young’s Modulus and Impact Strength of Nanocomposites Based on Polypropylene/linear low-density Polyethylene/titan Dioxide (PP/LLDPE/TiO₂) Using Response Surface Methodology,” Polymer Bulletin, vol. 73, no. 6, pp. 1741-1760, (2016).

[15] M. N. Niyaraki, J. Mirzaei, H. Taghipoor, “Evaluation of the Effect of Nanomaterials and Fibers on the Mechanical Behavior of Polymer-Based Nanocomposites Using Box–Behnken Response Surface Fethodology,” Polymer Bulletin, pp.1-23, (2022).

[16] N. Chandran, S. Chandran, H. J. Maria, S. Thomas, “Compatibilizing Action and Localization of Clay in A Polypropylene/Natural Rubber (PP/NR) Blend,” RSC advances, vol. 5, no. 105, pp. 86265-86273, (2015).

[17] T. Sharika, J. Abraham, S. C. George, N. Kalarikkal, S. Thomas, “Excellent Electromagnetic Shield Derived from MWCNT Reinforced NR/PP Blend Nanocomposites with Tailored Microstructural Properties,” Composites Part B: Engineering, vol. 173, pp. 106798, (2019).

[18] A.R. Albooyeh, S. Tarahomi, A. Fereidoon, Z. Taherian, “The Effect of Processing Conditions on the Mechanical Properties of Polypropylene/Mesoporous Silica-Hydroxyapatite Hybrid Nanocomposites,” Mechanics of Advanced Composite Structures, vol. 3, no. 2, pp. 73-82, (2016).

[19] S. Daneshpayeh, F. A. Ghasemi, I. Ghasemi, M. Ayaz, “Predicting of Mechanical Properties of PP/LLDPE/TiO₂ Nanocomposites by Response Surface Methodology,” Composites Part B: Engineering, vol. 84, pp. 109-120, (2016).

[20] H. Soleymani, M. R. Nakhaei, G. Naderi, “Experimental and Mathematical Investigation of Mechanical and Microstructural Properties of PA6/NBR Nanocomposite Reinforced with Silicon Carbide Nanoparticles,” Journal of Science and Technology of Composites, vol. 8, no. 4, pp. 1789-1796. (2022). (In Persian)

[21] M. R. Nakhaei, A. Ghorbankhan, “Experimental Investigation on Mechanical Properties of PA6/NBR/Graphene Nanocomposite by Response Surface Methodology,” Karafan Quarterly Scientific Journal, vol. 18, no. 3, pp. 327-341, (2021). (In Persian)

[22] M. Haghnegahdar, G. Naderi, M. Ghoreishy, “Fracture Toughness and Deformation Mechanism of Un-Vulcanized and Dynamically Vulcanized Polypropylene/Ethylene Propylene Diene Monomer/Graphene Nanocomposites,” Composites Science and Technology, vol. 141, pp. 83-98, (2017).

[23] M. Nakhaei, G. Naderi, A. Mostafapour, “Effect of Processing Parameters on Morphology and Tensile Properties of PP/EPDM/Organoclay Nanocomposites Fabricated by Friction Stir Processing,” Iranian Polymer Journal, vol. 25, no. 2, pp. 179-191, (2016).

[24] A. Ghorbankhan, M. R. Nakhaei, P. Safarpour, “Modeling and Optimization of Mechanical Properties of PA6/NBR Nanocomposite Reinforced with Perlite Nanoparticle,” Journal of Science and Technology of Composites, vol. 8, no. 1, pp. 1421-1430, (2021). (In Persian)

[25] A. Fereidoon, S. Memarian, A.R. Albooyeh, S. Tarahomi, “Influence of Mesoporous Silica and Hydroxyapatite Nanoparticles on the Mechanical and Morphological Properties of Polypropylene,” Materials & Design, vol. 57, pp. 201-210, (2014).

[26] P. Mahallati, A. Arefazar, G. Naderi, “Thermal and Morphological Properties of Thermoplastic Elastomer Nanocomposites Based on PA6/NBR,” Iranian Journal of Chemical Engineering, vol. 8, no. 1, pp. 56-65, (2011).

[27] H. Yaghoobi, A. Fereidoon, “An Experimental Investigation and Optimization on the Impact Strength of Kenaf Fiber Biocomposite: Application of Response Surface Methodology,” Polymer Bulletin, vol. 75, no. 8, pp. 3283-3309, (2018).

[28] G. Naderi, P. G. Lafleur, C. Dubois, “Microstructure-Properties Correlation in Dynamically Vulcanized Nanocomposite Thermoplastic Elastomers Based on PP/EPDM,” Polymer Engineering and Science, vol. 47, no. 3, pp. 207-217, (2007).

[29] M. Nakhaei, N. B. Arab, G. Naderi, H. Gollo, “Experimental Study on Optimization of CO₂ Laser Welding Parameters for Polypropylene-Clay Nanocomposite Welds,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 27, no. 3, pp. 843-848, (2013).

[30] A. Mostafapour, G. Naderi, M. R. Nakhaei, “Effect of Process Parameters on Fracture Toughness of PP/EPDM/Nanoclay Nanocomposite Fabricated by Novel Method of Heat Assisted Friction Stir Processing,” Polymer Composites. vol. 39, no. 7, pp. 2336-2346, (2018).

[31] A.R. Albooyeh, “The Effect of Addition of Multiwall Carbon Nanotubes on the Vibration Properties of Short Glass Fiber Reinforced Polypropylene and Polypropylene Foam Composites,” Polymer Testing, nol. 74, pp. 86-98, (2019).