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- كاتاليزورهاي اسيدي…………………………………………………………………….. 15

ب- كاتاليزورهاي بازي…………………………………………………………………………. 15

ج- كاتاليزورهاي آمينی………………………………………………………………………… 15

د- کاتالیزورهای فلزي………………………………………………………………………… 16

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

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

1-5-1.  روش پيش پليمري (يا دومرحله‌ای )………………………………………………. 17

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

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

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

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

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

1-7. خواص فيزيكي –  مكانيكي ترموپلاستيك پلی‌یورتان…………………………….. 20

1-7-1. تغييرات دمايي………………………………………………………………………. 20

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

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

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

1-7-2-3. سختي 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 كربني……………………………………………………………….. 26

1-8-1-2. نانو ذرات فلزي يا سراميكي (سه بعدی)……………………………………….. 27

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

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

1-9-1. نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستيك پلی‌یورتان- گرافيت………………………………. 28

1-9-2. نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستيك 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- فرايند مذاب……………………………………………………………………………… 32

ب- پليمرشدن درجا…………………………………………………………………………… 32

ج- جايگيري بين لایه‌ای از طريق 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 تهیه­ی نمونه‌ها……………………………………………………………. 46

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

2-3-2. تهیه­ی 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 استفاده از طیف FT-IR………………

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

3-3. مطالعه­ی رفتارهای دمایی ترموپلاستیک پلی­یورتان با استفاده 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 تهیه­ی 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 محدوده­ی 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 مقایسه­ی 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 پلي­يورتان­ها در اواخر دهه­ي سي قرن بیستم تاكنون، این پليمرها همواره به دليل خواص ويژه و منحصربه‌فرد خود مورد توجه جدي بوده‌اند. تا اواسط دهه­ي 70 ميلادي پلي­يورتان به دليل قيمت بالاي آن‌ها در كاربردهاي ویژه­ای مصرف می‌شدند ولي پس از آن دامنه‌ی توليد آن‌ها به‌سرعت گسترش يافت و در زمینه‌های مختلف صنعتي مورد بهره‌برداری قرارگرفته‌اند [6-1].

پلي­يورتان­ها، پليمرهايي هستند كه امروزه به‌عنوان فيلم، الیاف، الاستومر و نظایر آن مورد استفاده قرار می‌گیرند [8،7].

اعتبار كشف پلی‌یورتان‌ها متعلق به پروفسور باير آلماني در سال 1937 می‌باشد. وي با انجام واكنش بين دي­ايزوسيانات آليفاتيك و دي­ال­آليفاتيك (گليكول) و 1،4 بوتان­دي­ال تحت شرايط رفلاكس نوعي پليمر خطي با وزن مولكولي بالا و ویسکوزیته­ی ذوب پایین به دست آورد كه هم‌اکنون به آن پلي­يورتان گفته می‌شود. اين پلي­يورتان به روش مذاب تهيه شد[11-1].

همانند پیشرفت‌های ديگر علم شيمي پليمر، روش‌های جديدی برای توليد پلي­يورتان نيز مطرح شدند. اولين پلي­يورتان تولیدشده داراي دماي ذوب oC185 و با نام Igamid U تحت عنوان سنتز و Perlon U براي نام تجاري بود[1،8،12].

اولين ترموپلاستيك پلي­يورتان با نام I-Rubber توسط شرکت Dupont و ICI در دهه­ي 40 ميلادي به بازار عرضه شد. در این ترموپلاستیک پلی­یورتان از آب به عنوان زنجيرگستراننده، از  نفتالين 1و5 دی‌ایزوسیانات[1] به عنوان دی­ایزوسیانات و يك پلی‌اتر يا پلی‌استر دي­ال با وزن مولكولي بالا استفاده شد. به دليل بالا بودن دماي ذوب اين پليمر از دماي تخريب پيوند يورتاني، اين نوع پليمر را به عنوان ترموپلاستيك پلي­يورتان در نظر نمی‌گیرند. پيشرفت اصلي زماني بود كه در سال 1958 براي اولين بار از دي فنیل متيلن 4و4 دی‌ایزوسیانات[2] به عنوان دی­ايزوسيانات در توليد ترموپلاستيك پلي­يورتان استفاده شد[10-8].

واژه­ي پلي­يورتان به معني پليمري است كه داراي پيوند يورتاني می‌باشد. درواقع، پلی‌یورتان‌ها در ساختمان مولكولي خود داراي گروه‌های يورتاني با توجه به تركيبات شيميايي زنجيره می‌باشند. پلی‌یورتان به‌طورمعمول علاوه بر گروه يورتاني شامل گروه‌های هیدروکربنی آروماتيك و آليفاتيك، استرها، اترها، آميدها، اوره و گروه‌های ايزوسياناتي هم می‌باشد[8،1].

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

2-1- شيمي پلي­ يورتان­ها

گروه ايزوسيانات می­تواند با موادي كه داراي هيدروژن فعال هستند و هم‌چنین با خود واکنش دهد[11،1]. زماني كه ايزوسيانات­ها با موادي شامل حداقل دو هيدروژن فعال در هر مول واكنش می‌دهند، يك پليمر به صورت فوم نرم يا سخت، الاستومرها، پوشش‌ها و چسب­ها توليد می­شود[9]. طرح (1-1) نشان‌دهنده‌ی تشکیل پیوند یورتانی می­باشد. بر اثر واکنش میان گروه ایزوسیاناتی با گروه هیدروکسیلی پیوند یورتانی به وجود می­آید.

پلي­يورتان مي­تواند ساختار شيميايي ترموپلاستيك يا ترموست و يا ساختار فيزيكي مانند فوم و الاستومر نرم را به خود بگيرد. تركيب شيميايي پلی‌یورتان بر اساس نوع ايزوسيانات و پلي­ال مي­تواند متفاوت باشد[8].

مهم‌ترین مزیت پلی‌یورتان، استحكام بالا در دماي پايين، خاصيت فوم شوندگي سريع و مقاومت در برابر ساييدگي، ازن، اکسیژن و مقاومت در حضور رطوبت می‌باشد[8].

3-1- ترموپلاستيك پلی‌یورتان و کاربرد آن

ترموپلاستيك پلي­يورتان­ها، پلی­يورتان­هايي هستند كه اخيراً درزمینه‌ی فنّاوری يورتان­ها توسعه‌یافته‌اند. اين پليمرها معمولاً از واكنش يك دي­ايزوسيانات، يك پلي­ال (پلي­اتر يا پلی­استر) كه در انتهاي زنجير پليمري خود عامل -OH دارد و يك زنجیرگستراننده مانند 1و4 بوتان‌دی‌ال، با وزن مولكولي کم‌ به دست مي­آيد[1].

ترموپلاستيك پلي­يورتان اولين ماده‌ی الاستومري همگن مي­باشد كه می‌تواند به‌وسیله‌ی روش­هاي متداولي كه برای توليد ترموپلاستيك­ها مورد استفاده قرار مي­گيرد، توليد شود. طبق تعريف، ترموپلاستيك پلي­يورتان به‌عنوان پلي مابين لاستیک و پلاستيك است. با وجود اینکه اين مواد عملكرد لاستیکی دارند، می‌توانند به‌عنوان یک ترموپلاستيك فرآيند شوند. اين پليمر از نوع ترموپلاستيك الاستومرها و دارای درجه‌ی بالایی از انعطاف‌پذیری هستند که با ساختار شبكه­اي به هم وصل مي­شوند. زمانی که فشار خارجي بر روي یک الاستومر وارد می‌شود، الاستومر ایده­ال فقط پاسخ الاستيك نشان می‌دهد، در صورتی که الاستومرهاي واقعي پاسخ نيمه الاستيك و ويسكوالاستيك نيز از خود نشان مي­دهند. زماني كه شاخه‌ها به صورت شبكه­اي به هم وصل مي­شوند، سيستم ويژگي­هاي شبه جامد پيدا مي­كند كه در اين حالت شاخه­ها از جريان پيدا كردن در اثر فشار خارجي، جلوگيري می‌کنند. این پلیمرها همانند يك لاستیک معمولي می‌توانند تا 10 برابر اندازه‌ی واقعي خود افزایش طول دهند و اگر نيروي خارجي قطع شود دوباره به ‌سرعت به حالت اوليه خود بازمی‌گردند. شبکه‌ای كه باعث ارتباط داشتن زنجیرهاي پليمري با هم مي­شود مي­تواند شيميايي يا فيزيكي باشد، تنها تفاوت ترموپلاستيك الاستومر با الاستومر در اين است كه ترموپلاستيك الاستومر داراي پيوندهاي عرضي فیزیکی ميان زنجیرهاي پليمري است. درواقع، ترموپلاستيك الاستومرها موادي با پيوندهاي عرضي قابل‌برگشت دمايي هستند كه می­توانند به صورت ترموپلاستيك فرآيند شوند[16-13،11-8،1].

ترموپلاستيك الاستومرها داراي سيستم دوفازی هستند، فاز سخت و جامد و فاز نرم و الاستومري كه با پيوند شيميايي به هم ارتباط دارند. فاز سخت استحکام به اين پليمرها مي­دهد و در برابر آن نيز، فاز نرم و الاستومري حالت انعطاف‌پذیری و الاستيکي به پليمر مي­دهد. فاز سخت شامل زنجیرگستراننده (مانند بوتان‌دی‌ال) و دی­ایزوسیانات‌ها (مانند MDI) مي­باشد. فاز نرم شامل پلی‌ال پلی‌اتری يا پلی‌ال پلی‌استری مي­باشد. هر دو فاز دماي ذوب و انتقال شيشه­اي متفاوتي دارند كه به طور طبيعي، فاز سخت دماي ذوب بالاتري دارد. به همين دليل، پليمر در دماي بالاتر از دماي ذوب به صورت مذاب ويسكوز همگني تبدیل مي­شود كه باعث فرآيند شدن به روش­هاي مختلف می‌گردد[15،10].

قسمت­هاي سخت زنجير پلی­يورتان که در زنجير تكرار مي­شوند، قطبي هستند و به علت نيروي جاذبه قوي دوطرفه، تجمع پیدا کرده و به صورت بلوری و يا نیمه بلوری در ماتريس پليمري درمی‌آیند. قسمت­های نرم داراي ويژگي الاستومري به همديگر به صورت خطي از طریق پيوند عرضي متصل شده­اند[13].

اين پليمرها داراي خواص فوق‌العاده خوبي ازجمله: خاصيت ضد ساييدگي عالی، مقاومت مكانيكي بالا، انعطاف‌پذیری در دماي پايين، قدرت تحمل وزن زياد، مقاومت در برابر آب، روغن­ها و حلال­ها، قابليت تراش و خواص كشساني زياد هستند. از كاربردهاي آن می‌توان به جايگزين بسيار مقاوم چرم براي استفاده در صنعت كفش، وسايل ورزشي، لوازم پزشكي، پوشش كابل­ها، استفاده در هرجایی كه براثر برخورد اجسام تيز به مقاومت سايش و مقاومت پارگي بالا نياز باشد، تسمه‌نقاله‌ها، ضربه‌گیرها، عايق­هاي صدا، در سازه­هاي بتني، شيلنگ نوار زهي پنجره­ها، انواع واشرها و نظایر آن اشاره نمود[1].

روش­هاي مورد استفاده در فرايند ترموپلاستيك­هاي پلی­يورتان همانند ديگر ترموپلاستيك­ها شامل تزريق، اكستروژن، غلطک­زنی و شکل‌دهی حلالي می‌باشد و اين ترموپلاستيك­ها داراي خواص الاستومري بسيار خوب، مقاومت كششي، سايشي و مقاومت در مقابل عوامل محيطي بسيار عالي هستند[1].

[1] Naphthalene-1,5-Diisocyanate

[2] Methylene Diphenyl Diisocyanate

[3] Reaction Injection Molding

تعداد صفحه : 92

قیمت : 17300تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

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

پشتیبانی سایت :        ———- ****       [email protected]

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.

*********  ********* *********