بررسی نقش همزمان نانو ذرات خاک رس و نرخ کرنش بر رفتار کششی نانوکامپوزیت زمینه پلی‌اتیلن

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 13، شماره 50، بهمن 1401، صفحه 23-45   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2023.32180.2005

نویسندگان

مصطفی عباس زاده ولوجردی¹؛ سید مجتبی زبرجد^{* 2}؛ محمدهادی مقیم³

¹دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

²استاد بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

³استادیار، پژوهشکده مکانیک، پژوهشگاه فضایی، شیراز، ایران

تاریخ دریافت: 02 مرداد 1402،  تاریخ بازنگری: 23 شهریور 1402،  تاریخ پذیرش: 22 مهر 1402 

چکیده

چکیده
مقدمه: به منظور بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی پلی­ اتیلن افزودن برخی تقویت کننده­ ها مانند خاک رس به آن بسیار رایج است. خاک رس به عنوان یکی از مهمترین تقویت کننده­ ها جهت افزودن به پلیمرهای مختلف می­باشد که منجر به تولید دسته جدیدی از مواد به نام کامپوزیت ­های پلیمر- خاک رس شده است.
روش­: در تحقیق حاضر، رفتار کششی نانو کامپوزیت­ های زمینه پلی­ اتیلن تقویت شده با درصدهای مختلف نانو ذرات خاک رس از نوع مونت موریلونیت (0، 1، 3، 5 و 10)در دو نرخ کرنش (1/0 وmin^-1 5/0) و دو دمای متفاوت (25 و 50 درجه سانتی­گراد) مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور نمونه­ های استاندارد با استفاده از روش قالب­گیری تزریقی تهیه شدند. همچنین سطح شکست نمونه­ های تغییر شکل یافته به همراه سطح جانبی نمونه­ های کرنش یافته به ترتیب با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نوری مورد بررسی قرار گرفت.
یافته ­ها: نتایج به دست آمده از آزمایش کشش نشان داد که خواص کششی پلی ­اتیلن به مقدار نانو خاک رس و وابستگی دارد. ب­طوریکه با افزایش نانوخاک رس تا 10 درصد وزنی استحکام تسلیم از 24 به 28 مگاپاسکال افزایش می­ یابد. بررسی مدل ایرینگ نشان می­دهد که افزودن نانو ذرات خاک رس تا 10 درصد وزنی ، باعث افزایش میزان تغییرات آنتالپی از 97/64 به بالاتر از 100 kj/mol و حجم فعال­سازی از 0049/0 به 01/0 می­ شود.
نتیجه­ گیری: نتایج ارزیابی میکروسکوپی بیانگر نقش پررنگ نانوذرات خاک رس در فعال شدن باندهای برشی در حین تغییر شکل پلی­ اتیلن می­ باشد.

کلیدواژه‌ها

پلی‌اتیلن؛ خاک رس؛ نرخ کرنش؛ رفتار کششی

عنوان مقاله [English]

Investigating the simultaneous role of clay nanoparticles and strain rate on the tensile behavior of polyethylene matrix nanocomposite

نویسندگان [English]

Mostafa Abbaszadeh Valojerdi¹؛ Seyed Mojtaba Zebarjad²؛ Mohammad Hadi Moghim³

¹MSc graduated of Materials Engineering, Department of Materials Science and Engineering, Engineering Faculty, Shiraz University, Shiraz, Iran

²Prof. of Materials Science and Engineering, Department of Materials Science and Engineering, Engineering Faculty, Shiraz University, Shiraz, Iran

³Assistant prof. of Materials Science and Engineering, Department of Energy Storage, Institute of Mechanics, Shiraz, Iran

چکیده [English]

Abstract
Introduction: In this research, the tensile behavior of polyethylene matrix nanocomposites reinforced with different percentages of clay nanoparticles (0, 1, 3, 5 and 10) at two strain rates (0.1 and 0.5 min-1) and two different temperatures (25 and 50 degrees Celsius) has been investigated.  
Methods: For this purpose, standard samples were prepared using injection molding method. Also, the fracture surface of the deformed samples along with the side surface of the stretched samples were examined using scanning electron microscope and light microscope, respectively.
Findings: The results obtained from the tensile test showed that the tensile properties of polyethylene strongly depend on the content of nano clay. Examining the Eyring model showed that the addition of clay nanoparticles up to 10 wt% causes to increase the amount of enthalpy changes from 64.97 to greater than 100 kj/mol and activation volume from 0.0049 to 0.01

کلیدواژه‌ها [English]

Polyethylene, Clay, Strain Rate, Tensile Behavior

مراجع

1- B. Deng, L. Chen, Y. Zhong, X. Li, Z. Wang, “The effect of temperature on the structural evolution of ultra-high molecular weight polyethylene films with pre-reserved shish crystals during the stretching process” Polymer, 2023: 267, 125690.

2-M. Abareshi, S. M. Zebarjad, E. K. Goharshadi “Study of the morphology and granulometry of polyethylene–clay nanocomposite powders“, Journal of Vinyl and Additive Technology, 2010; 16, 90-97.

3-S. Sahebian, S. M. Zebarjad, S. A. Sajjadi, “The Effect of Temperature and Nano-sized Calcium Carbonate on Tensile Properties of Medium Density Polyethy” Iranian Journal of Polymer Science and Technology, 2008; 21, 133-140.

4- سید مجتبی زبرجد، الهام کتوئی زاده ، نانو کامپوزیت های اپوکسی- رس، ناشر: تخت جمشید شیراز - 1399

5-S. M. Zebarjad, S. A. Sajjadi “On the strain rate sensitivity of HDPE/CaCO3 nanocomposites” Materials Science and Engineering: A, 2008; 475 (1-2), 365-367.

6- N. G. McCrum, C. P. Buckley, C.B. Bucknall “Principles of Polymer Engineerig,” 2003; 2nd Ed., Oxford Science Publications.

7- A. Dasari, R. S. K. Misra, “The role of micrometric wollastonite particles on stress whitening behavior of polypropylene composites” Acta Mater 2004; 52, 1683–1697.

8-A. Dasari, R. D. K Misara, “On strain rate sensivity of high density polyethylene and polypropylene ,” Material Science and Engineering, 2003; A358, 356-371.

9- زهرا باقری، سید مجتبی زبرجد، محمد محسن مشکسار " بررسی رفتار حرارتی و مکانیکی نانوکامپوزیت  پلی پروپیلن -خاک رس تولید شده به روش نورد محدود شده" دومین همایش فناوری نانو از تئوری تا کاربرد ایران، آبان، اصفهان، 1392.

10- زهرا باقری، سید مجتبی زبرجد، محمد محسن مشکسار "بررسی رفتار مکانیکی پلی پرویپلن تحت تاثیر نرخ کروش متفاوت با استفاد از مدل ایرییگ"دومین همایش بین المللی و هفتمین همایش مشترک انجمن مهندسی متالورژی ایران و انجمن علمی ریخته گری ایران، آبان 1392.

11- Y. Zhou, V. Rangari, H. Mahfuz, S. Jeelani, P.K. Mallick, “Exprimental study on thermal and mechanical behavior of polypropylene, talc/propylene and polypropylene/clay nanocomposites,” Materials Science and Engineering A, 2005; 402, 109-117.

12- محمدهادی مقیم؛ سیدمجتبی زبرجد"بررسی تاثیر نرخ کرنش بر خواص کششی پلی‌یورتان با استفاده از مدل ایرینگ" مواد نوین، دوره 7، شماره 25، مهر 1395، 23-30.

13-M. Farjamfar, S. M. Zebarjad, E. BAhrololoom, R. Bazargan Lari, Effect of strain rate on the tensile properties of PMMA/Hydroxyapatite composite, Iranian Journal of Materials Forming, 2023; 2, 35-43.

14- k. Saminathan, p. Selvakkumar, n. Nhatnagar, “Fracture studies of polypropylene/nanoclay composite,” polymer testing, 2008; 27, pp. 453-458.

15-سید مجتبی زبرجد، هادی مقیم مقدمه ای بر نانو کامپوزیت های پلیمری، انتشارات یوکابد، چاپ اول تابستان 1394.

16- S. M. Zebarjad, S. Golmakaniyoon. Influence of Strain Rate on the Toughening Effect of CaCO3 in Polypropylene/CaCO3 Composites Journal of Vinyl and Additive Technology, 2013; 19 (4), 271-275.

17- Y. Wang, T. Wu, F. Qiang, “Competition of shearing and cavitation effects on the deformation behavior of isotactic polypropylene during stretching, Polymer, 2023; 273, 125888

18- Z. Chen, B. Xiong, Z. Li, “Cavitation behavior of polypropylene / polyethylene multilayer films during uniaxial tensile deformation: In-situ synchrotron X-ray study” Polymer, 2032; 265, 125599.

19-C. Ren, Z. Jiang, X. Du, Y. Men, T. Tang “Microstructure and Deformation Behavior of Polyethylene/Montmorillonite Nanocomposites with Strong Interfacial Interaction” J. Phys. Chem. B, 2009; 113(43), 14118–14127.