سازگار كردن ذرات رس و ماتريس پلي‌پروپيلن براي توليد نانوکامپوزيت پلي پروپيلن

. مقدمه
پلي پروپيلن يکي از پلاستيک‌هاي عمومي است که با توجه به قيمت مناسب و روش‌هاي نسبتاً آسان توليد و دارا بودن خصوصياتي همچون دانسيته پايين، پايداري حرارتي بالا و مقاومت مناسب در برابر خوردگي، به ميزان وسيع در بسياري از کاربردها استفاده مي‌شود. اما خواص مکانيکي نه چندان مناسب آن، سبب شده که قبل از مصرف به روش‌هايي، آن را تقويت کنند. از طرف ديگر نانوکامپوزيت‌هاي خاک رس/ پليمر، در بسياري از خواص فيزيکي و مهندسي بهبود فوق‌العاد‌ه‌اي يافته‌اند كه اين مسئله طي سال‌هاي اخير، توجه زيادي را به منظور استفاده هاي تجاري از آنها، به خود جلب کرده است. همچنين نانوذرات رس به عنوان يكي از فيلرهاي مورد استفاده در ماتريس‌‌هاي پليمري ترمو پلاستيک، مورد توجه بسياري قرار گرفته و هدف اصلي بسياري از مقالات و تحقيقات انجام شده در اين مورد، در واقع افزايش ميزان سختي اين پليمرها، بوده است [2و8]. استفاده از ذرات رس در ماتريسPP منجر به بهبود بسياري از خواص، از جمله افزايش مقاومت و مدول کششي و سختي ديناميکي، افزايش سرعت کريستاليزاسيون، بهبود خاصيت بازدارندگي شعله و کاهش نفوذپذيري آب، گازها (مثل اکسيژن و دي‌اکسيد کربن)، هيدروکربن‌ها (مثل بنزين، متانول و حلال‌‌هاي آلي)و افزايش دماي تغيير شکل (HDT) مي گردد [8]. تحقيقات نشان داده است كه خواص نانوکامپوزيت‌هاي پليمري و تقويت‌کننده‌هاي سيليکاتي (ذرات رس) به مورفولوژي ذرات رس پراکنده در ماتريس پليمري بستگي داشته و رفتار بازدارندگي شعله اين نانوکامپوزيت‌ها نيز به انباشتگي لايه‌‌هاي نانوذرات بر روي سطح نمونه در حال سوختن، ايجاد يک پوسته محافظ غير آلي، وابسته است. اگر چه نشان داده شده است که تمام اين خواص، از جمله خاصيت بازدارندگي شعله، به ميزان توزيع ذرات بستگي ندارند؛ اما آشکارا مي‌توان دريافت که بهترين تقويت اثر به وسيله نانوذرات رس (به خصوص از جنبه مکانيکي) را مي‌توان با بهبود پراکندگي لايه‌‌هاي سيليکاتي معدني در بين ماتريس پليمري به دست آورد، زيرا با افزايش ميزان توزيع، ذرات به عنوان واحد‌هاي مجزا عمل کرده و سطح ويژه فيلر را حتي تا 700 مترمربع/ گرم افزايش مي‌دهند. [4،8و14] چنين سطح مشترک زيادي در واحد حجم، سبب تماس کسر بالايي از ذرات با ماتريس شده و با افزايش سطح تماس دو فاز، خواص نهايي کامپوزيت شديداً تحت تأثير قرار مي‌گيرد [1و8].

آناليز DSC روي نانوذرات نشان داده است که اين مواد به عنوان عامل هسته‌گذاري براي پيشروي کريستاليزاسيون پليمر عمل مي‌کنند. در حقيقت هنگامي که پنج درصد نانوذرات رس به PP اضافه مي‌شود، Tc (دماي شروع کريستاليزاسيون) از 2/118 به 2/121 درجه سانتيگراد افزايش مي‌يابد و باعث افزايش فاز کريستالين در هيبريد نهايي مي‌گردد؛ البته اين مقدار تا هشت درصد براي حالتي که سريعاً در مدت 30 دقيقه سرد مي‌شود و تا 6/14 درصد براي هنگامي که به صورت عادي در 16 ساعت سرد مي‌شود، متغير است. نتايج نشان داده كه وابستگي عجيبي بين ميزان فاز کريستاله شده (که در اثر هسته‌گذاري نانوذرات رس در ماتريس PP به وجود آمده) و مدول الاستيک نانوکامپوزيت وجود دارد. اصلي که در نانوکامپوزيت‌‌هاي خاک رس/ پليمر براي ايجاد شرايط فوق رعايت مي‌شود، اين است که نه تنها دانه‌‌هاي رسي را از هم جدا مي‌کنند، لايه‌‌هاي هر دانه را نيز تفکيک مي‌کنند تا از خواص مکانيکي فوق‌العاده هر لايه نيز به‌طور مؤثر بهره‌برداري شود؛ زيرا هر جزء رسي خود از صدها تا هزاران لايه تشکيل شده است. براي اين منظور مواد اصلاح‌کننده سطحي مي‌توانند براي اصلاح ذرات رس به‌کار برده شوند و آنها را آلي دوست کرده تا به خوبي در بين ماتريس پليمري پراکنده شوند.

. اما اين کار به تنهايي براي سازگار کردن ماتريس و پرکننده کافي نيست و به وارد کردن يک سازگارکننده قطبي به درون سيستم PP نياز است[5و8]. گروه قطبي اضافه شده به زنجير آب‌گريزPP براي آب‌دوست نمودن آن، ايندريد مالئيک است. واحد تکراري‌اي که معمولاً براي نشان دادن زنجير حاصل نشان داده مي‌شود در شكل (2) آمده است[8]. مطابق اين فرمول، گروه‌هاي ايندريد مالئيک بايد به صورت تصادفي با زنجير PP، گرافت يا کوپليمريزه شوند؛ اما اغلب به‌وسيله فرايند اکستروژن، واکنشي با يک آغازگر پراکسيدي که باعث تشکيل يک راديکال آزاد به‌وسيله زنجير PP مي‌شود، به دست مي‌آيد؛ اين راديکال، محل فعالي است که گروه انيدريد مالئيک به آن حمله مي‌کند. البته ذکر اين نكته ضروري است که بيش از يک گروه نيز توان واكنش با يک زنجير PP شکسته شده، را دارد و اين باعث توليد يک ديمر و يا حتي تريمر مي‌شود. از اين رو، در مخلوط دوتايي ساده‌اي از PP و خاک رس آلي، وظيفه پلي پروپيلن گرافت شده با انيدريد مالئيک، ايجاد پيوند بين دو ماده مختلف است؛ قسمت هيدروکربني مولکول، تمايل دارد در ماتريس پلي پروپيلن نگه داشته شود؛ در حالي که اتم‌هاي اکسيژن در حلقه ايندريد مالئيک مي‌توانند به‌وسيله کشش الکترواستاتيکي که يک پيوند هيدروژني قوي بين آنها ايجاد مي‌کند، به گروه‌هاي هيدروکسيلي خاک رس که پيش‌بيني مي‌شود به فرآيند لايه‌لايه‌اي شدن کمک کند، وصل شوند. شکل (3) طرحي از فرايند توزيع خاک رس را نشان مي‌دهد [7و8و11]. به نظر مي‌رسد که وزن مولکولي پلي پروپيلن گرافت شده با انيدريد مالئيک نيز بر بعضي از خواص مکانيکي NCP، مؤثر باشد. Svoboda، با آزمايش‌هايي روي درجه‌‌هاي مختلف سازگارکننده‌ها، دريافت که مقاومت کششي و مقاومت ضربه‌اي، در حقيقت به وزن مولکولي پلي پروپيلن گرافت شده با انيدريد مالئيک بستگي دارد و به ويژه، بهترين خواص عمومي، به‌وسيله نمونه‌اي که بيشترين وزن مولکولي را داراست، نشان داده شده است [8و11]. از طرف ديگر، پراکندگي چنين سازگار‌کننده سنگيني، به خصوص هنگامي که در غلظت بالا از آن استفاده گردد، مانع نفوذ مولکول‌هاي PP از توده پليمري مي‌شود؛ در حالي كه در صورت استفاده از وزن مولکولي پايين پلي پروپيلن گرافت شده با انيدريد مالئيک، توزيع، بهتري حاصل مي‌شود[8 و11].
3. نتيجه گيري
بهترين تقويت اثر به وسيله نانوذرات رس را مي‌توان با بهبود پراکندگي لايه‌‌هاي سيکيکاتي معدني در بين ماتريس پليمري و افزايش خاصيت چسبندگي بين ذرات و ماتريس PP به دست آورد. براي افزايش ميزان توزيع ذرات به طوري كه هر يك از آنها به عنوان واحد‌هاي مجزا عمل کرده و سطح ويژه فيلر و در نتيجه سطح تماس ذرات با ماتريس PP افزايش يابد، اصلاح سطح ذرات به وسيله مواد مناسب، لازم است و اگر خاصيت چسبندگي بين ذرات و PP كافي نباشد، اين عمل به تنهايي نمي‌تواند خواص پليمر را در حد مورد نياز بهبود بخشد. به همين دليل استفاده از يك ماده سازگاركننده، مانند انيدريد مالئيك كه به عنوان مكمل اصلاح سطحي عمل كند ضروري به نظر مي‌رسد؛ ضمن اين كه ارتباط تنگاتنگ و آشکاري بين ميزان تفرق و پراکندگي نانوذرات رس و نسبت PPgMA/NC در نانوکامپوزيت PP وجود دارد.