بررسی ریزساختار، ریخت‌شناسی و خواص کششی الیاف نانو کامپوزیت پلی‌پروپیلن/نانو صفحات گرافن در حضور سازگارکننده

در سالهای اخیر، استفاده از نانو صفحات گرافن (gnps) در تهیه نانو کامپوزیت‌های پلیمری بسیار مورد توجه قرار گرفته است. چگونگی پخش gnps در ماتریس پلیمری از اهمیت به‌سزایی برخوردار است به‌نحوی که می‌تواند بر ریزساختار و خواص نهایی نانو کامپوزیت تاثیرگذار باشد. بر این اساس، در این پژوهش تاثیر استفاده از سازگارکننده بر نحوه پخش gnps و نیز شکل‌گیری ساختار داخلی، آرایش‌یافتگی و خواص کششی الیاف نانو کامپوزیت پلی‌پروپیلن (pp) حاوی gnps مورد بررسی قرار می‌گیرد.الیاف نانو کامپوزیت pp/gnps حاوی %0.1 و %0.5 gnps با و بدون سازگارکننده پلی‌پروپیلن گرافت شده با مالئیک انیدرید (ppgma) به روش ذوب‌ریسی تهیه شدند. نحوه پخش gnps و مکان قرارگیری آنها در درون الیاف با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (tem) و پراش اشعه ایکس با زاویه باریک (saxs) بررسی شدند. همچنین آرایش‌یافتگی و بلورینگی الیاف به‌ترتیب با استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز پلاریزه (ftir) و گرماسنج پویشی تفاضلی (dsc) مورد بررسی قرار گرفت. علاوه براین، به کمک تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (sem) به‌دست آمده از سطح مقطع عرضی الیاف، چگونگی شکست در طی آزمون خواص کششی مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از مدل halpintsai نتایج آزمایشگاهی مدول کششی الیاف با مقادیر تئوری پیش‌بینی شده مقایسه شدند.تصاویر tem نشان می‌دهند که در الیاف نانو کامپوزیت حاوی سازگارکننده، میزان تجمعات gnps کاهش یافته، اندازه تجمعات کوچک‌تر شده و پخش آنها بهبود یافته است. افزایش در طول ناحیه آمورف و بلوری (lp) به‌دست آمده از آزمون saxs نشان می‌دهد که در الیاف نانو کامپوزیت حاوی سازگارکننده، بخش اعظم gnps در ناحیه درون فیبریلی قرار گرفته‌‌ا‌ند. براساس نتایج به‌دست آمده از آزمون ftir پلاریزه و dsc، آرایش‌یافتگی و بلورینگی الیاف نانو کامپوزیت pp/g0.5 در حضور سازگارکننده به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد. همچنین اثر تقویت‌سازی gnps در الیاف نانو کامپوزیت pp/ma/gnps را می‌توان با پخش بهتر gnps و تغییر ساختار داخلی الیاف تشریح نمود. علاوه بر این، حضور سازگارکننده در ساختار الیاف نانو کامپوزیت pp/gnps، موجب تغییر رفتار شکست کششی الیاف از حالت انعطاف‌پذیر به حالت شکننده می‌شود.

Investigation on microstructure, morphology, and tensile properties of polypropylene/graphene nanoplatelets nanocomposite fiber in the presence of compatibilizer

AbstractResearch Subject: In recent years, the use of graphene nanoplatelets (GnPs) in polymer nanocomposites has attracted considerable attention. Dispersion state of GnPs in the polymer matrix has a great importance which can affect microstructure and final properties of nanocomposite. Therefore, in the present work, the effect of compatibilizer on the dispersion state of GnPs and also on internal structure, orientation, and tensile properties of polypropylene (PP)/GnPs nanocomposite fibers are investigated.Research Approach: PP/GnPs nanocomposite fibers containing 0.1% and 0.5% GnPs with and without maleic anhydridegrafted polypropylene (PPgMA) were melt spun. Dispersion state and location of GnPs in the nanocomposite fibers were investigated by transmission electron microscopy (TEM) and small angle Xray scattering (SAXS). Fiber orientation and crystallinity were studied by polarized Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and differential scanning calorimetry (DSC), respectively. Moreover, fracture behaviour of PP/GnPs nanocomposite fibers was investigated by crosssectional scanning electron microscopy (SEM) images of tensile fractured samples. Using HalpinTsai model, experimental tensile moduli of fibers were compared with the predicted values. Main Results: TEM images show that in the compatibilized PP/MA/GnPs nanocomposite fibers, GnPs aggregates decrease and their size also reduces, suggesting that GnPs dispersion improved. An increase in Lp of the compatibilized sample recorded from SAXS analysis indicates that the more GnPs are located in the intrafibrillar region. Based on polarized FTIR and DSC results, orientation and crystallinity of PP/G0.5 nanocomposite fiber are found to significantly increase after inclusion of PPgMA. Moreover, reinforcing effect of GnPs in PP/MA/GnPs nanocomposite fibers could be explained by better GnPs dispersion and changes in internal structure of fiber. Furthermore, the tensile fracture behavior of PP/GnPs nanocomposite fiber changes from ductile to brittle in the presence of PPgMA.