محققان دانشگاه صنعتی سهند تبریز موفق به ساخت نمونه‌های آزمایشگاهی پلیمری شده‌اند که مقاومت به ضربه‌ی آن به دلیل وجود نانوذرات افزایش یافته است. نتایج این طرح در صورت دستیابی به تولید انبوه می‌تواند در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، پزشکی و الکترونیکی قابل
تبریز: افزایش مقاومت به ضربه در پلیمر پلی پروپیلن به کمک نانوذرات
پلی پروپیلن یکی از پرکاربردترین مواد پلیمری است که به طور وسیع در زمینه‌های مختلف مهندسی و غیر مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، این ماده دارای ضعف‌هایی است که گستره‌ی کاربردی آن را محدود می‌سازد. شکنندگی تحت بارهای ضربه‌ای مهم‌ترین ضعف پلی پروپیلن است. این ماده تحت بارهای ضربه در دمای محیط و همچنین در دماهای پایینتر از دمای محیط به صورت کاملاً ترد می‌شکند. هدف اصلی از انجام این کار تحقیقاتی اصلاح و بهبود خواص مکانیکی پلی پروپیلن بوده است.
مجید مهرابی مزیدی در خصوص نحوه‌ی دستیابی به این هدف عنوان کرد: «در این طرح از یک فاز لاستیکی به همراه نانوذرات کربنات کلسیم، برای بهبود همزمان مقاومت در برابر ضربه و سفتی ماتریس پلی پروپیلن استفاده شد.»
نتایج حاصل از مطالعات اولیه نشان داده است که با اعمال شرایط فرآیندی مناسب در تهیه‌ی محصول و با افزودن نانو ذرات کربنات کلسیم نه تنها می‌توان میزان مقاومت در برابر ضربه‌ی پلی پروپیلن را افزایش داد، بلکه از افت در دیگر خواص مطلوب و مهندسی ماده‌ی حاصل نیز جلوگیری کرد.
این محقق در توضیح دقیق‌تر نتایج عنوان کرد: «استفاده‌ی همزمان از فاز لاستیکی و فاز پرکننده‌ی نانومتری کربنات کلسیم میزان مقاومت در برابر ضربه پی پروپیلن را نزدیک به پنج برابر بیشتر از نمونه‌ی پلی پروپیلن خالص افزایش داده است. این بهبود مقاومت در برابر شکست می‌تواند محدودیت‌های موجود برای کاربرد پلی پروپیلن را تا حدودی برطرف ساخته و در نتیجه دامنه‌ی کاربرد آن را افزایش دهد.»
لذا در صورت دستیابی به تولید انبوه از این ماده‌ی اصلاح شده می‌توان در صنایع مختلف از جمله صنایع خودروسازی، پزشکی، ابزار آلات و لوازم خانگی، قطعات الکتریکی و الکترونیکی بهره برد.
به گفته‌ی مهرابی مزیدی، در این کار تحقیقاتی از پلیمر لاستیکی آکریلونیتریل-بوتاداین-استایرن به همراه نانو ذرات کربنات کلسیم به منظور اصلاح خواص پلی پروپیلن استفاده شده است. فاز لاستیکی به منظور بهبود استحکام ضربه به کار برده شده است. از طرفی اثر فاز صلب نانومتری (کربنات کلسیم) نیز در افزایش میزان مدول و سفتی ماده، بهبود استحکام ضربه و همچنین به حداقل رساندن اثرات نامطلوب فاز لاستیکی بر روی مدول و استحکام ماده بوده است. علاوه بر این خواص، فاز پرکننده‌ی نانومتری می‌تواند به فرآیند پذیری، قالبگیری قطعه، کاهش آب رفتگی قطعه و کاهش هزینه‌ی محصول نیز کمک کند.
مکانیزم بهبود مقاومت ضربه‌ای ایجاد شده توسط نانو ذره استفاده شده در این تحقیق، وقوع فرآیند حفره‌زایی اطراف این ذرات و آزاد شدن تنش‌های متمرکز شده بر روی ماتریس اطراف و همچنین در بین ذرات است که تغییر شکل ماتریس را به همراه دارد.
مطالعه ریزساختار این نانوکامپوزیت‌ها نشان داده است که پخش بسیار همگن و یکنواختی از نانوذرات در ماتریس پلی پروپیلن وجود دارد. بررسی ساختار نانوکامپوزیت نیز مشخص ساخته که فازهای پراکنده لاستیکی و نانو ذرات کربنات کلسیم به طور جداگانه در درون ماتریس پلی پروپیلن توزیع شده‌اند. رفتار شکست و میکرومکانیسم‌های چقرمگی در نمونه‌های مختلف به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح شکست نمونه‌های شکسته شده در طول آزمون ضربه مطالعه شده است.
مهرابی مزیدی در پایان گفت: «هم اکنون به طور وسیعی از پلیمرهای لاستیکی بر پایه اتیلن-پروپیلن برای افزایش چقرمگی و مقاومت در برابر شکست پلی پروپیلن استفاده می‌شود. این مواد در داخل تولید نمی‌شوند و عمدتاً وارداتی هستند. در حالی که دانش تولید پلیمر لاستیکی آکریلونیتریل-بوتاداین-استایرن در داخل موجود بوده و هم اکنون چندین شرکت پتروشیمی آن را تولید می‌کنند. با این حال جهت حصول خواص مناسب، استفاده از این فاز لاستیکی نیازمند به کارگیری یک عامل سازگارکننده نیز هست. لذا امکان تجاری سازی این طرح دور از انتظار نیست.»
این تحقیقات حاصل تلاش‌های مجید مهرابی مزیدی، دانشجوی دکترای مهندسی پلیمر-صنایع پلیمر در دانشگاه صنعتی سهند تبریز، مهندس امید مومن و مهندس ندا جهانگیری، کارشناسان ارشد مهندسی پلیمر-صنایع پلیمر از دانشگاه آزاد اسلامی واحد شیراز، است. نتایج این کار در مجله‌ی Polymer Bulletin (جلد ۷۲، شماره ۱۱، سال ۲۰۱۵، صفحات ۲۷۵۷ تا ۲۷۸۲) به چاپ رسیده است.
مجید مهرابی مزیدی در خصوص نحوه‌ی دستیابی به این هدف عنوان کرد: «در این طرح از یک فاز لاستیکی به همراه نانوذرات کربنات کلسیم، برای بهبود همزمان مقاومت در برابر ضربه و سفتی ماتریس پلی پروپیلن استفاده شد.»
نتایج حاصل از مطالعات اولیه نشان داده است که با اعمال شرایط فرآیندی مناسب در تهیه‌ی محصول و با افزودن نانو ذرات کربنات کلسیم نه تنها می‌توان میزان مقاومت در برابر ضربه‌ی پلی پروپیلن را افزایش داد، بلکه از افت در دیگر خواص مطلوب و مهندسی ماده‌ی حاصل نیز جلوگیری کرد.
این محقق در توضیح دقیق‌تر نتایج عنوان کرد: «استفاده‌ی همزمان از فاز لاستیکی و فاز پرکننده‌ی نانومتری کربنات کلسیم میزان مقاومت در برابر ضربه پی پروپیلن را نزدیک به پنج برابر بیشتر از نمونه‌ی پلی پروپیلن خالص افزایش داده است. این بهبود مقاومت در برابر شکست می‌تواند محدودیت‌های موجود برای کاربرد پلی پروپیلن را تا حدودی برطرف ساخته و در نتیجه دامنه‌ی کاربرد آن را افزایش دهد.»
لذا در صورت دستیابی به تولید انبوه از این ماده‌ی اصلاح شده می‌توان در صنایع مختلف از جمله صنایع خودروسازی، پزشکی، ابزار آلات و لوازم خانگی، قطعات الکتریکی و الکترونیکی بهره برد.
به گفته‌ی مهرابی مزیدی، در این کار تحقیقاتی از پلیمر لاستیکی آکریلونیتریل-بوتاداین-استایرن به همراه نانو ذرات کربنات کلسیم به منظور اصلاح خواص پلی پروپیلن استفاده شده است. فاز لاستیکی به منظور بهبود استحکام ضربه به کار برده شده است. از طرفی اثر فاز صلب نانومتری (کربنات کلسیم) نیز در افزایش میزان مدول و سفتی ماده، بهبود استحکام ضربه و همچنین به حداقل رساندن اثرات نامطلوب فاز لاستیکی بر روی مدول و استحکام ماده بوده است. علاوه بر این خواص، فاز پرکننده‌ی نانومتری می‌تواند به فرآیند پذیری، قالبگیری قطعه، کاهش آب رفتگی قطعه و کاهش هزینه‌ی محصول نیز کمک کند.
مکانیزم بهبود مقاومت ضربه‌ای ایجاد شده توسط نانو ذره استفاده شده در این تحقیق، وقوع فرآیند حفره‌زایی اطراف این ذرات و آزاد شدن تنش‌های متمرکز شده بر روی ماتریس اطراف و همچنین در بین ذرات است که تغییر شکل ماتریس را به همراه دارد.
مطالعه ریزساختار این نانوکامپوزیت‌ها نشان داده است که پخش بسیار همگن و یکنواختی از نانوذرات در ماتریس پلی پروپیلن وجود دارد. بررسی ساختار نانوکامپوزیت نیز مشخص ساخته که فازهای پراکنده لاستیکی و نانو ذرات کربنات کلسیم به طور جداگانه در درون ماتریس پلی پروپیلن توزیع شده‌اند. رفتار شکست و میکرومکانیسم‌های چقرمگی در نمونه‌های مختلف به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح شکست نمونه‌های شکسته شده در طول آزمون ضربه مطالعه شده است.
مهرابی مزیدی در پایان گفت: «هم اکنون به طور وسیعی از پلیمرهای لاستیکی بر پایه اتیلن-پروپیلن برای افزایش چقرمگی و مقاومت در برابر شکست پلی پروپیلن استفاده می‌شود. این مواد در داخل تولید نمی‌شوند و عمدتاً وارداتی هستند. در حالی که دانش تولید پلیمر لاستیکی آکریلونیتریل-بوتاداین-استایرن در داخل موجود بوده و هم اکنون چندین شرکت پتروشیمی آن را تولید می‌کنند. با این حال جهت حصول خواص مناسب، استفاده از این فاز لاستیکی نیازمند به کارگیری یک عامل سازگارکننده نیز هست. لذا امکان تجاری سازی این طرح دور از انتظار نیست.»
این تحقیقات حاصل تلاش‌های مجید مهرابی مزیدی، دانشجوی دکترای مهندسی پلیمر-صنایع پلیمر در دانشگاه صنعتی سهند تبریز، مهندس امید مومن و مهندس ندا جهانگیری، کارشناسان ارشد مهندسی پلیمر-صنایع پلیمر از دانشگاه آزاد اسلامی واحد شیراز، است. نتایج این کار در مجله‌ی Polymer Bulletin (جلد ۷۲، شماره ۱۱، سال ۲۰۱۵، صفحات ۲۷۵۷ تا ۲۷۸۲) به چاپ رسیده است.
