نانو کامپوزیت­ های پلی (وینیل کلرید کلرینه شده) (CPVC)/ نانوذرات کربنات کلسیم با موفقیت با ترکیب نانوذرات کربنات کلسیم CaCO₃ در ماتریس CPVC تهیه گردید. سازگاری بین دو فاز با استفاده از اصلاح­ سطح نانوذرات CaCO₃ با اسید استئاریک به دست آمد، که منجر به بهبود عملکرد مواد ­شد. اثرات افزودن مقادیر مختلف نانوذرات CaCO₃   به CPVC بر روی خواص حرارتی، مکانیکی و مورفولوژیکی نانوکامپوزیت­ های CPVC / CaCO₃ مورد بررسی قرار گرفت. ثبات حرارتی نانوکامپوزیت ­های CPVC / CaCO₃ با استفاده از دستگاه DSC سنجیده شد. علاوه بر این، بافت سطح CPVC و پراکنش CaCO₃ با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. افزایش در خصوصیات حرارتی و مکانیکی نانوکامپوزیت­ های اصلاح شده  /CaCO₃ CPVC   با ترکیب درصدهای مختلف نانو ذرات  CaCo3 اصلاح سطحی شده با ماتریس پلیمر CPVC بدست آمد. نتایج نشان می­ دهند 3/75%  از CaCO₃ مقدار بهینه است بدین صورت که بیشترین مقاومت در برابر ضربه، بیشترین استحکام کششی، بیشترین پایداری حرارتی و کمترین درصد ازدیاد طول در نقطه پارگی، را نشان می­دهد. جایگزینی تجاری اصلاح­ کنند ه­های ضربه مورد استفاده در صنعت با نانوذرات اصلاح­کننده سطح CaCO₃ برای توسعه CPVC با موفقیت به دست آمد.

مقدمه

نانوکامپوزیت های پلیمری به دلیل خاصیت­های خاص و فوق­العاده­ای که دارند یک موضوع تحقیقاتی بسیار جالب، برای امکان سنجی طراحی بر روی پلیمرهای طبیعی (بکر ـ تازه)، محسوب می­شوند. خواص پلیمرهای مبتنی بر نانوکامپوزیت­ها به پارامترهای بسیاری من جمله؛ شکل، خواص شیمیایی و فیزیکی، مقدار مواد تشکیل­دهنده (پرکننده) و برهمکنش­های سطحی بستگی دارد. نانوکامپوزیت­ها اغلب خواصی را که تفاوت قابل توجهی با کامپوزیت_­های سنتی که در آن یک جزء معدنی در سطح میکرومتر وجود دارد، نشان می­دهند. با اصلاح خواص فیلر، چسبندگی بین ماتریس پلیمری و فیلر افزایش قابل توجهی خواهد داشت. کربنات کلسیم یک ماده معدنی بسیار پرکاربرد است و به عنوان یک ماده اصلی در تولید کاغذ، رنگ­ها، پوشش­ها، لاستیک، چسب، درزگیر و صنایع پلاستیک، مورد استفاده قرار می­گیرد. ذرات کربنات کلسیم برای کاهش قیمت به پلاستیک افزوده می­شوند. برخی از خصوصیات مانند خواص حرارتی، مکانیکی و رئولوژیکی پلاستیک­ ها با افزودن CaCO₃ بهبود می­یابد. پیش از این از نانوذرات CaCO₃ به عنوان پرکننده در گرمانرم ها و به خصوص در پلی (وینیل کلراید) (PVC) به عنوان بهبود دهنده برخی از خواص از جمله پایداری ابعادی و مکانیکی، جلوگیری از عبور گاز، مقاومت در برابر حرارت و مقاومت در برابر آتش استفاده می­شده است.  نانو ذرات اصلاح سطحی شده CaCO₃ به عنوان یک روش پردازش مفید برای اصلاح ضربه PVC سخت شناخته شده است. نانو ذرات اصلاح سطحی شده CaCO₃ ، به راحتی در یک ماتریس پلیمری به طور یکنواخت پراکنده می­شوند و مزایای مختلفی را به ماتریس PVC ارائه می­دهند. ترکیب PVC با نانوذرات اصلاح­ سطحی شده CaCO₃ به طور قابل توجهی براقیت سطح و فرایند پذیری PVC در طول قالب تزریق را بهبود می­بخشد. علاوه بر این، اگر نانوذرات CaCO₃ با یک اسید چرب کوت شوند آسیب به اکسترودر، سیلندر و مارپیچ­ها به حداقل می­رسد. همچنین، نانوذرات اصلاحی شده CaCO₃ زمان ژلینگی PVC را کاهش می­دهند، زیرا سازگاری بهتری با ذرات اولیه PVC دارند. همچنین، نانوذرات اصلاح سطحی شده CaCO₃  می­توانند پراکنندگی اجزاء PVC را برای از بین بردن مشکل پلیت اوت، تثبیت کنند. مهمترین مزیت این نانوذرات بهبود هر دو خاصیت مقاومت در برابر ضربه و استحکام سفتی پلیمر است.

CPVC دارای ثبات حرارتی و شیمیایی بالایی است که مانند پلی­اتیلن با دانسیته بالا (HDPE) در ساخت لوله مورد استفاده قرار می­گیرد. در یک مطالعه مقایسه­ای که بین لوله های CPVC و لوله های HDPE انجام شد، نتایج نشان دادند که HDPE یک ماده داکتیل است، اما CPVC با وجود شکننده بودن ، یک ماده بسیار سخت و محکم است که می­تواند فشار و دمای خیلی بالا را تحمل می­کند. به علاوه، می­توان از CPVC در کاربردهای مختلفی مانند؛ سیستم توزیع لوله­کشی آب گرم و سرد، حافظت در برابر آتش در ساختمان­ها و مشاغل خطرناک، لوله­های آب بازیافتی، خنک­کننده­ها، محافظ کابل­های فشار قوی و رادیاتورها استفاده کرد.

در این تحقیق، اثر نانوذرات CaCO₃  با سایز ذره مشخص  با ترکیب درصدهای مختلف در ماتریس پلیمری CPVC در بهبود خواص نانوکامپوزیت بر پایه CPVC بررسی شده است. اهداف مدنظر این مطالعه، شامل این موارد بود؛ (1) جایگزینی اصلاح کننده­های ضربه تجاری مورد استفاده در صنایع با نانو ذرات اصلاح سطحی شده CaCO₃ برای توسعه نانوکامپوزیت پلی وینیل کلرید کلرینه شده /CaCO₃ CPVC و (2) بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و مورفولوژیکی  نوکامپوزیتCPVC/ CaCO₃  .بنابراین، مقادیر مختلف نانوذرات کربنات کلسیم بر پایه آنالیز EDX) به ماتریس پلیمری CPVC افزوده شدند و سپس خواص مکانیکی، حرارتی و مورفولوژیکی مورد بررسی قرار گرفتند.

2،1 . خواص مکانیکی

شکل 1 داده های مقاومت به ضربه نانوکامپوزیت های CPVC / CaCO₃ را نشان می دهد. مشاهده می شود وقتیکه مقادیر مختلفی از نانو ذرات اصلاح سطحی شده CaCO₃ به جای اصلاح کننده ضربه تجاری (PMMA) به ماتریس CPVC اضافه می شود مقدار مقاومت به ضربه افزایش پیدا می کند. علاوه بر این ، مقدار مقاومت به ضربه بهینه تقریبا (160 kJ/m2) برای نانوکامپوزیت با ترکیب  % PMMA92/ CaCO₃3.75%مشاهده شد. با افزایش بیشتر محتوای CaCO₃  (%(5.75 مقدار مقاومت ضربه کاهش یافت. تصور می شد این امر به دلیل تشکیل انباشت CaCO₃ باشد که بر توزیع همگن نانوذرات CaCO₃ در ماتریس CPVC تأثیر داشته است.

شکل 1. تغییر در مقاومت ضربه نانوکامپوزیت CPVC/CaCO₃ با تغییر مقدار CaCO₃.

برای محاسبه درصد بهبود خواص پلیمر با افزودن نانو ذره CaCO₃، حالت بهینه یعنی حداکثر میزان افزایش را نسبت به پلیمر فاقد نانوذره در نظر می گیریم. براساس شکل 1 مقاومت ضربه پلیمر فاقد نانو ذره CaCO3 برابر با 116 kJ/m2)) و در حالت بهینه پس از افزایش نانو ذره CaCO₃ مقاومت ضربه به 160 kJ/m2)) افزایش پیدا می کند. یعنی 44 واحد بهبود خواص مشاهده می شود که معادل 37.9% می باشد.

شکل 2 تأثیر افزودن مقادیر مختلف بارگذاری نانوذرات ( CaCO₃ (2.00%, 3.75%, 5.75% به CPVC را در مقایسه با PMMA 100% بر مقاومت کششی نانوکامپوزیت آماده نشان می دهد. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است ، با افزایش محتوای  CaCO₃ تا  3.75%مقاومت کششی کمی افزایش یافته تا تقریبا به مقدار بهینه  kg/m2 577 برسد. سپس مقدار مقاومت کششی در مقادیر بالاتر CaCO₃ به دلیل تشکیل انباشت CaCO₃در ماتریس پلیمر CPVC کاهش یافته است. علاوه بر این، استحکام کششی به دست آمده برای 5.75% CaCO₃  kg/m²  549بود که بیشتر از مقدار به دست آمده از کامپوزیت CPVC با اصلاح کننده ضربه آکریلیک است. می توان نتیجه گرفت که افزودن نانو ذرات اصلاح سطحی شده CaCO3 به پلیمر CPVC مقاومت ضربه و استحکام کششی را در مقایسه با اصلاح کننده های ضربه تجاری بهبود می بخشد. این پیشرفت ها با سختی و سفتی نانوکامپوزیت ها در ارتباط است.

شکل 2. تغییر در استحکام کششی نانوکامپوزیت های CPVC / CaCO₃ با تغییر مقدار CaCO₃.

با توجه به شکل 2 استحکام کششی برای پلیمر فاقد نانو ذره CaCO₃، برابر با kg/m2)  518) است که با افزایش نانو ذره CaCO₃در حالت بهینه این مقدار به kg/m2) 577) افزایش پیدا می کند. در نتیجه با افزایش نانو ذره استحکام کششی پلیمر به میزان 11.4% افزایش یافته است.

شکل 3 تأثیر بارگذاری مقادیرنانو ذرات CaCO₃اصلاح شده بر ازدیاد طول (٪) در نانو کامپوزیت CPVC / CaCO₃را نشان می دهد. با افزایش مقدار نانو ذرات اصلاح شده CaCO3 در مقایسه با اصلاح کننده ضربه آکریلیک، ازدیاد طول  کاهش یافته است. این نشان می دهد که وجود اصلاح کننده های ضربه آکریلیکی (PMMA %100) ازدیاد طول  بیشتری را در مقایسه با CPVC بدون اصلاح کننده و نانو کامپوزیت CPVC / CaCO3 با مقادیر مختلف نانو ذرات CaCO₃ارائه می دهد. دلیل این امر ممکن است به شرح زیر باشد: با افزایش مقادیر CaCO₃، سختی نانوکامپوزیت های آماده شده افزایش می یابد. و در پی آن ازدیاد طول کاهش می یابد، برعکس آنچه نسبت به سایر خصوصیات مکانیکی (مقاومت در برابر ضربه و استحکام کششی) که در بالا اشاره شد اتفاق افتاده است. این امر به دلیل گسستگی فازی یا حذف شدن و تغییرشکل ماتریس ناشی از نانوذرات CaCO₃است که به عنوان متمرکز کننده تنش عمل می کند. بعلاوه ، نانوذرات CaCO₃دارای سطح آبدوست با انرژی سطحی بالایی هستند ، که سازگاری کمی با ماتریس پلیمر آبگریز ایجاد می کنند. گزارش شده است که برخی از خصوصیات مکانیکی کامپوزیت مانند ازدیاد طول در نقطه پارگی به خاطر افزایش مقادیر CaCO₃، نسبتاً ضعیف بوده است.

شکل 3. تغییر در ازدیاد طول نانوکامپوزیت های CPVC / CaCO₃با مقادیر مختلف CaCO₃

با توجه به شکل 3 افزودن نانو ذره CaCO₃به ماتریس پلیمر باعث کاهش ازدیاد طول در نقطه پارگی می شود حتی در حالت بهینه که با افزایش 2% نانو ذره CaCO₃به پلیمر حاصل می شود به اندازه 1% بهبود ازدیاد طول مشاهده می شود در نتیجه برای افزایش خاصیت ازدیاد طول پلیمر در نقطه پارگی، اصلاح کننده ضربه آکریلیکی ( (PMMA با افزایش 11.65% بهتر از نانو ذره CaCO₃عمل می کند.

نقطه نرمی ویکات (VSP) یک اندازه گیری نقطه نرم شدن مواد است که هیچ نقطه ذوب مشخصی ندارد. در اینجا از نتایج ویکات برای مقایسه خصوصیات گرمایی نانوکامپوزیتهای آماده شده CPVC / CaCO₃استفاده شده است. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده، وجود اصلاح کننده ضربه آکریلیکی باعث شده مقدار VSP کمی بالاتر از مقدار (CPVC بکر) بدون اصلاح کننده باشد. با این حال ، VSP از نانوکامپوزیت CPVC / CaCO₃در مقایسه با CPVC خالی، از  111به 112.5 درجه سانتی گراد افزایش یافته است. مشخص شد که VSP با افزایش مقدار CaCO₃به عنوان اصلاح کننده ضربه تا مقدار 3.75% افزایش یافته است ، و به دنبال آن در مقادیر بالاتر بارگذاری، VSP کاهش می یابد.

شکل 4. تغییر در دمای نرمی ویکات نانوکامپوزیت های CPVC / CaCO₃  با مقادیر مختلف CaCO₃

با توجه به شکل 4 مشاهده می شود نقطه نرمی ویکات پلیمر بدون نانو ذره CaCO₃111°C  است که با افزایش مقدار نانو ذره افزایش می یابد تا در حالت بهینه به مقدار112.5°C  می رسد که برابر با 1.35% افزایش VSP نسبت به پلیمر بدون نانو ذره می باشد.

مترجمین: اسرین مرادیان( مدیر کنترل کیفیت شرکت نیک پلیمر کردستان) و

 سمیه صلاحی ( مدیر کنترل کیفیت شرکت پارس پولیکا)