متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : مهندسی شیمی

گرایش : مهندسی پلیمر

عنوان : سنتز و بررسی اثر فرآیند بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت­ های ترموپلاستیک پلی­یورتان خاک رس اصلاح شده

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد اهـر

دانشکده­ فنی- مهندسی

گروه مهندسی شیمی

پایان ­نامه کارشناسی ارشد «M.Sc.»

گرایش: مهندسی پلیمر

عنوان:

سنتز و بررسی اثر فرآیند بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت­های ترموپلاستیک پلی­یورتان- خاک رس اصلاح شده

استاد راهنما:

دکتـر مصطفی رضایی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فصل اول: کلیات، مبانی نظری و پیشینه تحقیق…………………………………………… 1

1-1. مقدمه بر پلی­یورتان­ها……………………………………………………………………… 2

1-2. شیمی پلی­یورتان­ها………………………………………………………………………… 4

1-3. ترموپلاستیک پلی­یورتان و کاربرد آن…………………………………………………….. 5

1-4. شیمی ترموپلاستیک پلی­یورتان………………………………………………………… 7

1-4-1. دی‌ایزوسیانات­ها……………………………………………………………………….. 8

1-4-2. پلی‌ال‌ها………………………………………………………………………………. 11

1-4-2-1. پلی­ال­های پلی­اتری………………………………………………………………….. 11

1-4-2-2. پلی‌ال‌های پلی­استری…………………………………………………………….. 12

1-4-3. زنجیرگستراننده……………………………………………………………………….. 13

1-4-4. کاتالیزورها……………………………………………………………………………… 14

الف- كاتالیزورهای اسیدی…………………………………………………………………….. 15

ب- كاتالیزورهای بازی…………………………………………………………………………. 15

ج- كاتالیزورهای آمینی………………………………………………………………………… 15

د- کاتالیزورهای فلزی………………………………………………………………………… 16

1-4-5.  سایر مواد افزودنی به پلی­یورتان­ها……………………………………………………. 16

1-5. سنتز ترموپلاستیک پلی‌یورتان…………………………………………………………. 16

1-5-1.  روش پیش پلیمری (یا دومرحله‌ای )………………………………………………. 17

1-5-1-1. روش پلیمر شدن مذاب………………………………………………………… 18

1-5-1-2. روش پلیمر شدن در حلال…………………………………………………….. 18

1-5-2. روش یك مرحله‌ای…………………………………………………………………… 18

1-5-3. تولید صنعتی ترموپلاستیک پلی­یورتان……………………………………………. 19

1-6. مورفولوژی ترموپلاستیک پلی­یورتان……………………………………………………. 19

1-7. خواص فیزیكی –  مكانیكی ترموپلاستیك پلی‌یورتان…………………………….. 20

1-7-1. تغییرات دمایی………………………………………………………………………. 20

1-7-2. خواص مكانیكی……………………………………………………………………. 20

1-7-2-1. رفتار تنش – كرنش ترموپلاستیک پلی­یورتان………………………………….. 21

1-7-2-2. میزان مانایی فشاری ترموپلاستیک پلی­یورتان………………………………. 22

1-7-2-3. سختی ترموپلاستیک پلی­یورتان……………………………………………….. 22

1-7-3. خواص حرارتی ترموپلاستیک پلی­یورتان…………………………………………. 22

1-7-4. پایداری هیدرولیتیکی ترموپلاستیک پلی­یورتان……………………………………. 23

1-7-5. مقاومت شیمیایی ترموپلاستیک پلی­یورتان……………………………………….. 24

1-8. نانو ذرات و نانوکامپوزیت‌های پلیمری……………………………………………….. 24

1-8-1.پرکننده‌های نانوذره‌ای………………………………………………………………… 25

1-8-1-1. نانولوله‌های كربنی……………………………………………………………….. 26

1-8-1-2. نانو ذرات فلزی یا سرامیكی (سه بعدی)……………………………………….. 27

1-8-1-3. نانو سیلیکات‌های لایه­ای (صفحه مانند)………………………………………. 27

1-9. نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستیك پلی‌یورتان…………………………………………… 28

1-9-1. نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستیك پلی‌یورتان- گرافیت………………………………. 28

1-9-2. نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستیك پلی‌یورتان- نانو لوله­های كربن………………… 29

1-10. نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستیک پلی‌یورتان- نانو رس اصلاح­شده……………… 30

1-10-1. روش­های تولید نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستیک پلی‌یورتان- نانو رس اصلاح­شده….31

الف- فرایند مذاب……………………………………………………………………………… 32

ب- پلیمرشدن درجا…………………………………………………………………………… 32

ج- جایگیری بین لایه‌ای از طریق ریخته­گری حلالی………………………………………… 33

1-10-2. واکنش­پذیری خاک رس با مواد اولیه­ی ترموپلاستیک پلی‌یورتان…………….. 34

1-10-3. اثر نانو ذرات رس بر ساختار و خواص فیزیکی مکانیکی نانوکامپوزیت  ترموپلاستیک پلی­یورتان…36

فصل دوم: مواد و روش‌ها…………………………………………………………………… 41

2-1. مقدمه…………………………………………………………………………………… 42

2-2. مواد مورد استفاده…………………………………………………………………….. 43

2-2-1. پلی‌ال پلی‌اتری (پلی تتراهیدروفوران)…………………………………………… 43

2-2-2. دی­ایزوسیانات (هگزا متیلن دی­ایزوسیانات)……………………………………….. 44

2-2-3. زنجیرگستراننده(1و4 بوتان‌دی‌ال)…………………………………………………. 44

2-2-4. کاتالیست فلزی (2- اتیل هگزانوات قلع)………………………………………… 45

2-2-5. نانوذرات رس مورد استفاده……………………………………………………….. 46

2-3.  روش تهیه­ نمونه‌ها……………………………………………………………. 46

2-3-1. تهیه­ ترموپلاستیک پلی‌یورتان خالص……………………………………….. 46

2-3-2. تهیه­ نانوکامپوزیت ترموپلاستیک پلی‌یورتان………………………………….. 48

2-4. تجهیزات به کار گرفته‌شده……………………………………………………………. 48

2-5. تعیین گروه‌های عاملی ترموپلاستیک پلی‌یورتان­های خالص توسط طیف FT-IR

2-6. بررسی نحوه­ی پخش خاک رس اصلاح‌شده C30B  در نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستیک پلی‌یورتان..49

2-7. تعیین دماهای انتقال ترموپلاستیک پلی‌یورتان­های خالص توسط آنالیز حرارتی DSC

2-8. تعیین خواص کششی نمونه­های ترموپلاستیک پلی‌یورتان…………………….. 49

فصل سوم: نتایج و بحث…………………………………………………………….. 51

3-1. بررسی تغییرات ساختار شیمیایی با بهره گرفتن از طیف FT-IR………………

3-2. مورفولوژی نانوکامپوزیت ترموپلاستیک پلی­یورتان- خاک رس اصلاح‌شده……. 55

3-3. مطالعه­ رفتارهای دمایی ترموپلاستیک پلی­یورتان با بهره گرفتن از آزمون DSC……..

3-4. خواص مکانیکی نمونه­های ترموپلاستیک پلی‌یورتان…………………………….. 60

3-5. جمع‌بندی نتایج……………………………………………………………………… 64

فصل چهارم. نتیجه­گیری و پیشنهادات………………………………………………….. 65

4-1. نتیجه‌گیری……………………………………………………………………………… 66

الف- مورفولوژی و ساختار شیمیایی……………………………………………………. 66

ب- مطالعات رفتار حرارتی…………………………………………………………………… 67

ج- خواص مکانیکی………………………………………………………………………….. 67

4-2. پیشنهادات………………………………………………………………………………….. 68

فهرست منابع فارسی………………………………………………………………………… 69

فهرست منابع انگلیسی……………………………………………………………………… 70

چکیده:

در این مطالعه، رفتار فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت ترموپلاستیک پلی­یورتان- خاک رس اصلاح­شده با ترکیب­های مولی متفاوت مواد اولیه بررسی شد. برای تهیه­ نانوکامپوزیت، ابتدا نانو خاک رس اصلاح­شده­ی Cloisite 30B به ایزوسیانات افزوده شده و سپس با اضافه کردن پلی­ال و بوتان­دی­ال همراه با کاتالیست به آن، نانوکامپوزیت ترموپلاستیک پلی­یورتان تهیه گردید. مورفولوژی و ساختار شیمیایی نمونه­های خالص و نانوکامپوزیتی به‌وسیله‌ی طیف­های FTIR و XRD مطالعه گردید. رفتارهای دمایی نمونه­های خالص ترموپلاستیک پلی­یورتان به‌وسیله‌ی آزمون DSC مطالعه گردید. آزمون­های تنش- کرنش بر روی نمونه­های خالص و نانوکامپوزیتی اعمال گردید. مطالعات FTIR، گروه­های عاملی موجود در ترموپلاستیک پلی­یورتان و نمونه­های نانوکامپوزیتی، تشکیل پیوند یورتانی را تأیید کردند. طیف XRD نمونه­های ترموپلاستیک پلی­یورتان- خاک رس اصلاح­شده، احتمال پخش مناسب نانو ذرات در ساختار پلیمری و وجود بلورینگی در نمونه­ها را نشان داد. نمونه­ها در آزمون DSC در محدوده­ 50 تا oC250 با نرخ oC/min 10 حرارت داده شدند. در این آزمون دمای ذوب نواحی سخت و نرم و دمای انتقال شیشه­ای تعیین شدند. مطابق این آزمون با افزایش میزان نواحی سخت ترموپلاستیک پلی­یورتان، کاهش دمای انتقال شیشه­ای و افزایش دمای ذوب نواحی سخت، مشاهده شد. نمونه­ها در آزمون تنش- کرنش با نرخ کرنشmm/min 10 کشیده شدند تا نمودار تنش- کرنش آن­ها به دست آید. با مقایسه­ منحنی­های تنش- کرنش مشاهده شد که در یکی از نسبت­های مولی نانوکامپوزیت ترموپلاستیک پلی­یورتان، با افزایش نانو خاک رس اصلاح‌شده، به دلیل ممانعت این نانوذره از تشکیل پیوند هیدروژنی بین زنجیرهای پلی­یورتانی، مدول یانگ و کرنش در نقطه­ی شکست کاهش می­یابد. این در حالی است که در نسبت مولی دیگر، با افزایش نانوذره میزان مدول یانگ افزایش یافته است.

فصل اول: کلیات، مبانی نظری و پیشینه تحقیق

1-1- مقدمه­ا ی بر پلی ­یورتان­ها

از زمان كشف پلی­یورتان­ها در اواخر دهه­ی سی قرن بیستم تاكنون، این پلیمرها همواره به دلیل خواص ویژه و منحصربه‌فرد خود مورد توجه جدی بوده‌اند. تا اواسط دهه­ی 70 میلادی پلی­یورتان به دلیل قیمت بالای آن‌ها در كاربردهای ویژه­ای مصرف می‌شدند ولی پس از آن دامنه‌ی تولید آن‌ها به‌سرعت گسترش یافت و در زمینه‌های مختلف صنعتی مورد بهره‌برداری قرارگرفته‌اند [6-1].

پلی­یورتان­ها، پلیمرهایی هستند كه امروزه به‌عنوان فیلم، الیاف، الاستومر و نظایر آن مورد استفاده قرار می‌گیرند [8،7].

اعتبار كشف پلی‌یورتان‌ها متعلق به پروفسور بایر آلمانی در سال 1937 می‌باشد. وی با انجام واكنش بین دی­ایزوسیانات آلیفاتیك و دی­ال­آلیفاتیك (گلیكول) و 1،4 بوتان­دی­ال تحت شرایط رفلاكس نوعی پلیمر خطی با وزن مولكولی بالا و ویسکوزیته­ی ذوب پایین به دست آورد كه هم‌اکنون به آن پلی­یورتان گفته می‌شود. این پلی­یورتان به روش مذاب تهیه شد[11-1].

همانند پیشرفت‌های دیگر علم شیمی پلیمر، روش‌های جدیدی برای تولید پلی­یورتان نیز مطرح شدند. اولین پلی­یورتان تولیدشده دارای دمای ذوب oC185 و با نام Igamid U تحت عنوان سنتز و Perlon U برای نام تجاری بود[1،8،12].

اولین ترموپلاستیك پلی­یورتان با نام I-Rubber توسط شرکت Dupont و ICI در دهه­ی 40 میلادی به بازار عرضه شد. در این ترموپلاستیک پلی­یورتان از آب به عنوان زنجیرگستراننده، از  نفتالین 1و5 دی‌ایزوسیانات[1] به عنوان دی­ایزوسیانات و یك پلی‌اتر یا پلی‌استر دی­ال با وزن مولكولی بالا استفاده شد. به دلیل بالا بودن دمای ذوب این پلیمر از دمای تخریب پیوند یورتانی، این نوع پلیمر را به عنوان ترموپلاستیك پلی­یورتان در نظر نمی‌گیرند. پیشرفت اصلی زمانی بود كه در سال 1958 برای اولین بار از دی فنیل متیلن 4و4 دی‌ایزوسیانات[2] به عنوان دی­ایزوسیانات در تولید ترموپلاستیك پلی­یورتان استفاده شد[10-8].

واژه­ی پلی­یورتان به معنی پلیمری است كه دارای پیوند یورتانی می‌باشد. درواقع، پلی‌یورتان‌ها در ساختمان مولكولی خود دارای گروه‌های یورتانی با توجه به تركیبات شیمیایی زنجیره می‌باشند. پلی‌یورتان به‌طورمعمول علاوه بر گروه یورتانی شامل گروه‌های هیدروکربنی آروماتیك و آلیفاتیك، استرها، اترها، آمیدها، اوره و گروه‌های ایزوسیاناتی هم می‌باشد[8،1].

پلی­یورتان­ها در كاربردهای وسیعی مورداستفاده قرار می‌گیرند. شكل (1-1) نشان‌دهنده‌ی كاربردهای وسیع آن‌ها می‌باشد كه به هفت گروه: قالب انعطاف‌پذیر، فوم سخت، ورقه­ های انعطاف‌پذیر، الاستومرهای جامد، قالب‌گیری تزریقی واکنشی (RIM)[3]، ماده پوششی و دوجزئی تقسیم می­ شوند[8،1].

2-1- شیمی پلی­ یورتان­ها

گروه ایزوسیانات می ­تواند با موادی كه دارای هیدروژن فعال هستند و هم‌چنین با خود واکنش دهد[11،1]. زمانی كه ایزوسیانات­ها با موادی شامل حداقل دو هیدروژن فعال در هر مول واكنش می‌دهند، یك پلیمر به صورت فوم نرم یا سخت، الاستومرها، پوشش‌ها و چسب­ها تولید می­شود[9]. طرح (1-1) نشان‌دهنده‌ی تشکیل پیوند یورتانی می­باشد. بر اثر واکنش میان گروه ایزوسیاناتی با گروه هیدروکسیلی پیوند یورتانی به وجود می­آید.

پلی­یورتان می ­تواند ساختار شیمیایی ترموپلاستیك یا ترموست و یا ساختار فیزیكی مانند فوم و الاستومر نرم را به خود بگیرد. تركیب شیمیایی پلی‌یورتان بر اساس نوع ایزوسیانات و پلی­ال می ­تواند متفاوت باشد[8].

مهم‌ترین مزیت پلی‌یورتان، استحكام بالا در دمای پایین، خاصیت فوم شوندگی سریع و مقاومت در برابر ساییدگی، ازن، اکسیژن و مقاومت در حضور رطوبت می‌باشد[8].

3-1- ترموپلاستیك پلی‌یورتان و کاربرد آن

ترموپلاستیك پلی­یورتان­ها، پلی­یورتان­هایی هستند كه اخیراً درزمینه‌ی فنّاوری یورتان­ها توسعه‌یافته‌اند. این پلیمرها معمولاً از واكنش یك دی­ایزوسیانات، یك پلی­ال (پلی­اتر یا پلی­استر) كه در انتهای زنجیر پلیمری خود عامل -OH دارد و یك زنجیرگستراننده مانند 1و4 بوتان‌دی‌ال، با وزن مولكولی کم‌ به دست می­آید[1].

ترموپلاستیك پلی­یورتان اولین ماده‌ی الاستومری همگن می­باشد كه می‌تواند به‌وسیله‌ی روش­های متداولی كه برای تولید ترموپلاستیك­ها مورد استفاده قرار می­گیرد، تولید شود. طبق تعریف، ترموپلاستیك پلی­یورتان به‌عنوان پلی مابین لاستیک و پلاستیك است. با وجود اینکه این مواد عملكرد لاستیکی دارند، می‌توانند به‌عنوان یک ترموپلاستیك فرآیند شوند. این پلیمر از نوع ترموپلاستیك الاستومرها و دارای درجه‌ی بالایی از انعطاف‌پذیری هستند که با ساختار شبكه­ای به هم وصل می­شوند. زمانی که فشار خارجی بر روی یک الاستومر وارد می‌شود، الاستومر ایده­ال فقط پاسخ الاستیك نشان می‌دهد، در صورتی که الاستومرهای واقعی پاسخ نیمه الاستیك و ویسكوالاستیك نیز از خود نشان می­دهند. زمانی كه شاخه‌ها به صورت شبكه­ای به هم وصل می­شوند، سیستم ویژگی­های شبه جامد پیدا می­كند كه در این حالت شاخه­ها از جریان پیدا كردن در اثر فشار خارجی، جلوگیری می‌کنند. این پلیمرها همانند یك لاستیک معمولی می‌توانند تا 10 برابر اندازه‌ی واقعی خود افزایش طول دهند و اگر نیروی خارجی قطع شود دوباره به ‌سرعت به حالت اولیه خود بازمی‌گردند. شبکه‌ای كه باعث ارتباط داشتن زنجیرهای پلیمری با هم می­شود می ­تواند شیمیایی یا فیزیكی باشد، تنها تفاوت ترموپلاستیك الاستومر با الاستومر در این است كه ترموپلاستیك الاستومر دارای پیوندهای عرضی فیزیکی میان زنجیرهای پلیمری است. درواقع، ترموپلاستیك الاستومرها موادی با پیوندهای عرضی قابل‌برگشت دمایی هستند كه می­توانند به صورت ترموپلاستیك فرآیند شوند[16-13،11-8،1].

ترموپلاستیك الاستومرها دارای سیستم دوفازی هستند، فاز سخت و جامد و فاز نرم و الاستومری كه با پیوند شیمیایی به هم ارتباط دارند. فاز سخت استحکام به این پلیمرها می­دهد و در برابر آن نیز، فاز نرم و الاستومری حالت انعطاف‌پذیری و الاستیکی به پلیمر می­دهد. فاز سخت شامل زنجیرگستراننده (مانند بوتان‌دی‌ال) و دی­ایزوسیانات‌ها (مانند MDI) می­باشد. فاز نرم شامل پلی‌ال پلی‌اتری یا پلی‌ال پلی‌استری می­باشد. هر دو فاز دمای ذوب و انتقال شیشه­ای متفاوتی دارند كه به طور طبیعی، فاز سخت دمای ذوب بالاتری دارد. به همین دلیل، پلیمر در دمای بالاتر از دمای ذوب به صورت مذاب ویسكوز همگنی تبدیل می­شود كه باعث فرآیند شدن به روش­های مختلف می‌گردد[15،10].

قسمت­های سخت زنجیر پلی­یورتان که در زنجیر تكرار می­شوند، قطبی هستند و به علت نیروی جاذبه قوی دوطرفه، تجمع پیدا کرده و به صورت بلوری و یا نیمه بلوری در ماتریس پلیمری درمی‌آیند. قسمت­های نرم دارای ویژگی الاستومری به همدیگر به صورت خطی از طریق پیوند عرضی متصل شده­اند[13].

این پلیمرها دارای خواص فوق‌العاده خوبی ازجمله: خاصیت ضد ساییدگی عالی، مقاومت مكانیكی بالا، انعطاف‌پذیری در دمای پایین، قدرت تحمل وزن زیاد، مقاومت در برابر آب، روغن­ها و حلال­ها، قابلیت تراش و خواص كشسانی زیاد هستند. از كاربردهای آن می‌توان به جایگزین بسیار مقاوم چرم برای استفاده در صنعت كفش، وسایل ورزشی، لوازم پزشكی، پوشش كابل­ها، استفاده در هرجایی كه براثر برخورد اجسام تیز به مقاومت سایش و مقاومت پارگی بالا نیاز باشد، تسمه‌نقاله‌ها، ضربه‌گیرها، عایق­های صدا، در سازه­های بتنی، شیلنگ نوار زهی پنجره­ها، انواع واشرها و نظایر آن اشاره نمود[1].

روش­های مورد استفاده در فرایند ترموپلاستیك­های پلی­یورتان همانند دیگر ترموپلاستیك­ها شامل تزریق، اكستروژن، غلطک­زنی و شکل‌دهی حلالی می‌باشد و این ترموپلاستیك­ها دارای خواص الاستومری بسیار خوب، مقاومت كششی، سایشی و مقاومت در مقابل عوامل محیطی بسیار عالی هستند[1].

[1] Naphthalene-1,5-Diisocyanate

[2] Methylene Diphenyl Diisocyanate

[3] Reaction Injection Molding

تعداد صفحه : 92

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        *       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.