۱۶۳۸۸پ
per
مطالعه و بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت‌های PP/EPDM/Clay تولید شده به روش فرایند اصطکاکی اغتشاشی حرارتی و بهینه سازی پارامترها
/محمد رضا نخعی امرودی
: فنی مهندسی مکانیک
، ۱۳۹۵
، افشاری
چاپی
دکتری
مهندسی مکانیک - ساخت وتولید
۱۳۹۵/۰۷/۱۹
دانشگاه تبریز
در سال‌های اخیر یکی از پیشرفت‌های صورت گرفته در صنعت پلاستیک و کامپوزیت‌ها توسعه و تجاری‌سازی نانو کامپوزیت‌های پایه پلیمری می‌باشد .نانوکامپوزیت‌های پلیمری بر پایه ترموپلاستیک‌های پلی‌الفین، الاستومر و فیلرهای معدنی و غیر معدنی در کاربردهای مهندسی از جمله صنایع خودروسازی، هوافضا، ساختمان و تجهیزات پزشکی مورد توجه قرار گرفته است .پلی پروپیلن به دلیل چگالی و قیمت پایین، پایداری حرارتی بالا، کارایی و فرایند پذیری بالا یکی از پرکاربردترین ترموپلاستیک‌ها می‌باشد .مقاومت ضربه کم در دماهای پایین و نرخ کرنش بالا، باعث محدودیت استفاده از پلی پروپیلن شده است .آلیاژ سازی پلی پروپیلن (PP) با لاستیک‌هائی مثل اتیلن پروپیلن دی ان مونومر (EPDM) منجر به افزایش چقرمگی آن می‌شود که به عنوان ترموپلاستیک الاستومر پلی الفینی (TPO) نامیده می‌شوند .اگرچه آلیاژسازی پلی پروپیلن با لاستیک باعث بهبود ضربه‌پذیری این ماده می‌شود ولی از طرفی بعضی خواص مکانیکی مثل مدول و سختی را کاهش می‌دهد .افزودن درصد بسیار کم تقویت کننده‌هائی مثل نانو ذرات خاک‌رس خواص مکانیکی و حرارتی را می‌تواند به طور شگفت‌انگیزی بهبود دهد .فرایندهای مختلفی برای ساخت نانوکامپوزیت‌های پلیمری استفاده می‌شود که اخیرا ساخت کامپوزیت‌ها و نانوکامپوزیت‌های پلیمری با استفاده از روش اصطکاکی اغتشاشی مورد بررسی قرار گرفته است .در این رساله در ابتدا امکان‌سنجی تهیه نانوکامپوزیت های بر پایه PP/EPDM با درصد وزنی (۲۰/۸۰) تقویت شده با۳ ،۵ ، ۷ و ۹ درصد نانو ذرات رس با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی معمولی و حرارتی بررسی گردید .مطابق نتایج بدست آمده نمونه تهیه شده با فرایند اصطکاکی اغتشاشی حرارتی خواص مکانیکی بهتری نسبت به نمونه تهیه شده با فرایند اصطکاکی اغتشاشی معمولی را دارا می‌باشند .نحوه اختلاط و پخش‌شوندگی نانوذرات و مورفولوژی این نانو کامپوزیت‌ها با استفاده از آزمون پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی عبوری و روبشی و آزمون‌های مکانیکی بررسی شد .تاثیر پروفیل ابزار بر روی پخش نانوذرات و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت‌های PP/EPDM با ۵ ذرات خاک رس مورد بررسی قرار گرفت .پین استوانه‌ای رزوه‌دار به عنوان بهترین پروفیل ابزار برای تولید نانوکامپوزیت‌ها با درصدهای مختلف نانو ذرات خاک‌رس مورد استفاده قرار گرفت .با استفاده از روش پاسخ سطح و طراحی Behnken - Boxتاثیر پارامترهای سرعت دورانی، سرعت خطی و دمای شولدر و تعداد پاس برروی خواص مکانیکی این مواد مثل استحکام کششی، مدول کششی، مقاومت ضربه، ازدیاد طول در هنگام شکست و کار کلی شکست بررسی گردید .بهینه‌سازی چند متغیره برای ماکزیمم شدن خواص استحکام و مدول کششی، مقاومت به ضربه و درصد ازدیاد طول نشان می‌دهد که در صورت انتخاب پارامترهای سرعت دورانی، سرعت خطی، دمای شولدر و تعداد پاس به ترتیبrpm ۱۲۰۰ ،mm/min۵۰ ،۱۳۲ C و ۳ پاس مقادیر استحکام کششیMPa۴/۱۷ ، مقاومت ضربهJ/m۳/۵۰ ، مدول کششیMPa۶۵۱ ، ازدیاد طول در هنگام شکست ۵۰ و کار کلی شکست N/mm ۴۵ بدست خواهد آمد .همچنین برای بررسی کارائی روش اصطکاکی اغتشاشی نسبت به روش‌های معمول مثل اکستررودر، نمونه‌های با ۵ نانو ذرات خاک رس با دو روش اصطکاکی اغتشاشی (FSP) و اکسترودر (TSE) تهیه شد .مقایسه بین دو نمونه تهیه شده با فرایند اصطکاکی اغتشاشی و اکسترودر نشان داد که پخش شدن نانو ذرات درون ماده پایه و نفوذ زنجیره‌های پلیمری درون صفحات خاک رس در نمونه تهیه شده با فرایند اصطکاکی اغتشاشی حرارتی بهتر صورت گرفته است به طوری که فاصله صفحات رس در نمونه TSE و FSP به ترتیب نسبت به ذرات خاک رس ۳ و ۱۵ افزایش یافته است .اندازه ذرات لاستیک در نمونه های تولید شده PP/EPDM/Clay در فرایند FSP و TSE به ترتیب برابر ۶۸/۰ و ۰۵/۲ mخواهد بود که پخش بهتر نانو ذرات و اندازه کوچک ذرات لاستیک در نمونه FSP نسبت به نمونه TSE باعث افزایش استحکام و مدول کششی، کار کلی شکست، نقطه ذوب، دمای بلورینگی، دمای تخریب پلیمر، مدول ذخیره و ویسکوزیته کمپلکس بالاتر نمونه FSP شده است
In recent years, one of the advances in plastic and composite industries has been the development and commodification of polymer-based nanocomposites. The use of polymer blend nanocomposite base on thermoplastic polyolefin containing an elastomer and an organic or inorganic filler have interest for engineering application such as automotive, airplane, household appliances and medical apparatus. Polypropylene (PP) is one of thermoplastic which has found wide applications, due to low price and density, high thermal stability, high performance and easy processing. Its poor impact resistance in low temperature and high strain rates limits this application. Blending PP with rubbers like ethylene-propylene diene monomer (EPDM) leads to improve toughness this materials which these blends are named as thermoplastic polyolefin elastomer (TPO). However with compounding rubber phase with PP improve toughness but decreases certain mechanical properties such as stiffness and hardness. Mechanical and thermal properties can be improved dramatically by adding of a very small proportion of fillers such as nanoclay. The effect of nanoclay particles extremely depends on the amount of dispersion in the TPO matrix. There are different processes to fabricate nanocomposites. Recently, investigations have been done on friction stir processing (FSP) for the fabrication of composites and nanocomposites. In this study, PP/EPDM nanocomposites were fabricated by friction stir processing and thermal friction stir processing. According to the results, the specimens processed with FSPT exhibited superior mechanical properties compared to the FSP sample. The mixtures and dispersion of nanoclay in PP/EPDM and morphology of this nanocomposite have been characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and mechanical property test. The effect of different pin geometries on clay dispersion and mechanical properties of the PP/EPDM nanocomposite reinforced with 5 wt nanoclay has been investigated. The optimum pin geometry namely threaded cylindrical pin was then used to fabricate nanocomposites with different content of nanoclay. The response surface methodology (RSM) and Box - Behnken design were used to determine the effect of process parameters such as tool rotational speed, traverse speed, shoulder temperature and number of passes on mechanical properties of this nanocomposite such as tensile strength, tensile modulus, impact strength, elongation at break and essential work of fracture (EWF). The optimal process parameters for simultaneously maximize mechanical properties are rotational speed, traverse speed, shoulder temperature and number of passes of 1200rpm, 50 mm/min, 132 C and 3 passes respectively, which the tensile strength is 17.4 MPa, tensile modulus is 651 MPa, impact strength is 50.3 J/m, elongation at break is 50 and total work of fracture is 54 N/mm. The comparing the FSPT sample with the twist screw extruder (TSE) sample shows that FSPT sample has a better dispersion of nanoclay in nanocomposite and intercalation of polymer chains inside the silicate layers. The better dispersion of nanoclay in the matrix and smaller particle size of rubber in FSPT sample lead to higher mechanical properties, melt temperature, crystallinity temperature, thermal stability, complex viscosity, storage modulus compared to TSE sample
نخعی امرودی، محمد رضا
مصطفی‌پور، امیر، استاد راهنما
نادری، قاسم، استاد مشاور
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
