بررسي خواص نانوکامپوزیت‌های پلی‌یورتان آب‌پایه آنيوني سولفوناته با استفاده از POSS
پلي‌يورتان‌هاي آب‌پایه خواص مكانيكي و پايداري گرمايي ضعيفي دارند و در محيط‌هاي مرطوب مقاوم نيستند. براي بهبود اين ضعف، در فرمول‌بندي آن‌ها از ذرات نانو استفاده مي‌شود. در اين پژوهش، براي بهبود خواص از نانوذراتPolyhedral oligomeric silsesquioxane(POSS) استفاده شد. به این ترتیب که نانوكامپوزيتهاي پلي‌يورتاني آب‌پایه با درصدهاي مختلف POSS (3/0 تا 6/4% وزني) و با مرکز یونی سولفوناتی سنتز و بررسي شدند. مطالعه ساختار نمونه‌ها بوسيله ATR-FTIR و NMR، وارد شدن ذرات نانو در فاز سخت و ايجاد پيوند كووالانسي را تأييد كرد. با افزايش مقدار POSS، اندازه ذرات به nm 4/231 رسید. از طرفی، دمای شروع تخریب گرمایی ºC 52 و زاويه تماس º6/33 افزایش یافت. همچنین، میزان سختي تا shore A 77 افزایش و مقدار جذب آب از 45% به 16% كاهش پیدا کرد. آزمايش‌هاي ميكروسكوپي نمونه‌ها (SEM) مؤيد پراكندگي يكنواخت ذرات نانو و برهم‌کنش فاز نرم و سخت بود. از طرفي، نتايج آزمون‌هاي رئولوژي نشان داد كه با افزايش مقدار POSS، مدول ذخيره وگرانروي محلول وكمپلكس نسبت به نمونه مرجع افزايش مي‌يابد. به نظر مي‌رسد نانوذرات POSS در نانوكامپوزيتهاي سنتز‌شده، به عنوان تقويت‌كننده و كنترل‌كننده رفتار الاستيك پلي‌يورتان سبب افزايش مدول ذخيره مي‌شود. نانو‌كامپوزيت شامل 2/1% وزني POSS بيشترين مقدار مدول (حدود MPa 1) را دارد كه مي‌تواند به دليل پراكنش مناسب نانوذرات در كامپوزيت و بر‌همكنش بيشتر ذرات در اثر توزيع مناسب در بستر پليمري باشد.
محورهای موضوعی : نانومواد
کلید واژه: نانوکامپوزیت, پلی‌یورتان آب‌پایه, خواص رئولوژی, POSS, آنيوني.,
چکیده مقاله :
پلي‌يورتان‌هاي آب‌پایه خواص مكانيكي و پايداري گرمايي ضعيفي دارند و در محيط‌هاي مرطوب مقاوم نيستند. براي بهبود اين ضعف، در فرمول‌بندي آن‌ها از ذرات نانو استفاده مي‌شود. در اين پژوهش، براي بهبود خواص از نانوذراتPolyhedral oligomeric silsesquioxane(POSS) استفاده شد. به این ترتیب که نانوكامپوزيتهاي پلي‌يورتاني آب‌پایه با درصدهاي مختلف POSS (3/0 تا 6/4% وزني) و با مرکز یونی سولفوناتی سنتز و بررسي شدند. مطالعه ساختار نمونه‌ها بوسيله ATR-FTIR و NMR، وارد شدن ذرات نانو در فاز سخت و ايجاد پيوند كووالانسي را تأييد كرد. با افزايش مقدار POSS، اندازه ذرات به nm 4/231 رسید. از طرفی، دمای شروع تخریب گرمایی ºC 52 و زاويه تماس º6/33 افزایش یافت. همچنین، میزان سختي تا shore A 77 افزایش و مقدار جذب آب از 45% به 16% كاهش پیدا کرد. آزمايش‌هاي ميكروسكوپي نمونه‌ها (SEM) مؤيد پراكندگي يكنواخت ذرات نانو و برهم‌کنش فاز نرم و سخت بود. از طرفي، نتايج آزمون‌هاي رئولوژي نشان داد كه با افزايش مقدار POSS، مدول ذخيره وگرانروي محلول وكمپلكس نسبت به نمونه مرجع افزايش مي‌يابد. به نظر مي‌رسد نانوذرات POSS در نانوكامپوزيتهاي سنتز‌شده، به عنوان تقويت‌كننده و كنترل‌كننده رفتار الاستيك پلي‌يورتان سبب افزايش مدول ذخيره مي‌شود. نانو‌كامپوزيت شامل 2/1% وزني POSS بيشترين مقدار مدول (حدود MPa 1) را دارد كه مي‌تواند به دليل پراكنش مناسب نانوذرات در كامپوزيت و بر‌همكنش بيشتر ذرات در اثر توزيع مناسب در بستر پليمري باشد.
[1] S. Muhammad, J.H. Niazi, S. Shawuti, A. Qureshi, Materials Today Communications, 31, 2022, 103287.
[2] Ozimek, K. Pielichowski, Molecules, 27, 2022, 40.
[3] M.G. Mohamed, S.W. Kuo, Polymers, 11, 2019, 26.
[4] G. Pan, Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS), in: "Physical Properties of Polymers Handbook", Mark J.E. (Ed.), Chap. 34, Springer, 2007.
[5] B. Hui, L. Ye, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 136, 2019, 2383.
[6] C. Saha, P.K. Behera, S.K. Raut, N.K. Singha, Bulletin of Materials Science, 43, 2020, 190.
[7] Z. Lingru, C. Zhaoyu, H. Ling, J. Juan, M. Tao, L. Junyan, Progress in Organic Coatings, 170, 2022, 106972.
[8] H. Honarkar, Journal of Dispersion Science and Technology, 39, 2018, 507.
[9] A. Santamaria-Echart, I. Fernandes, F. Barreiro, M. Angeles Corcuera, A. Eceiza, Polymers, 13, 2021, 409.
[10] C. Tao, J. Bao, Q. Cheng, Y. Huang, Journal of Adhesion, 95, 2019, 814.
[11] L. Yin, B. Zhang, M. Tian, N. Ning, W. Wang, Progress in Organic Coatings, 186, 2024, 108095.
[12] J. Cai1, V. Murugadoss, J. Jiang, X. Gao, Z. Lin, M. Huang, Advanced Composites and Hybrid Materials, 5, 2022, 641.
[13] N. Sukhawipat, N. Saetung, P. Pasetto, J.F. Pilard, S. Bistac, Progress in Organic Coatings, 148, 2020, 105854.
[14] P. Kro, B. Kro, Journal of Materials Science, 55, 2020, 73.
[15] H. Honarkar, M. Barikani, Iranian Journal of Polymer Science and Technology, 26, 2014, 393.
[16] G. Minoofar, H. Honarkar, M. Barikani, Journal of Applied Research in Chemistry, 13, 2019, 129.
[17] H. Honarkar, Polymer Science, Series B, 61, 2019, 743.
[18] H. Honarkar, G. Minoofar, M. Barikani, Monatshefte für Chemie-Chemical Monthly, 153 2022, 1269.
[19] H. Zhao, S.Q. Zhao, Q. Li, M. Rafiullah Khan, Y. Liu, P. Lu, C.X. Huang, L.J. Huang, Polymer, 209, 2020, 122992.
[20] H. Song, Q. Zhang, Y. Zhang, W. Yanfei, Y.Z. Zhou, P. Zhang, B. Yuan, Advanced Composites and Hybrid Materials, 4, 2021, 629.
[21] Y. Deng, C. Zhang, T. Zhang, B. Wu, Y. Zhang, J. Wu, Polymers, 15, 2023, 1936.
[22] M.M. Rahman, Md.H. Zahir, Md.B. Haq, A.M. Kumar, Md.E. Arafat, M.M. Rabbani, International Journal of Polymer Analysis and Characterization, 25, 2020, 385.
[23] ASTM D2572-97, "Standard test method for isocyanate groups in urethane materials or prepolymers", 2010.
[24] G. Socrates, Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies, 3rd Ed., Wiley, London 2004.
[25] L. Li, B. Lu, J. Wu, Q. Fan, X. Guo, Z. Liu, New Journal of Chemistry, 40, 2016, 4761.
[26] B.X. Fu, W. Zhang, B.S. Hsiao, M. Rafailovich, J. Sokolov, G. Johansson, High Performance Polymers, 12, 2000, 565.
[27] S. Zhang, Q. Zou, L. Wu, Macromolecular Materials and Engineering, 291, 2006, 895.
[28] N. Grassie, G. Scott, "Polymer Degradation and Stabilization", Cambridge University, London (1985).
[29] J.P. Lewicki, K. Pielichowski, P.T. De La Croixe, B. Janowski, D. Todd, J.J. Liggat, Polymer Degradation and Stability, 95, 2010, 1099.
[30] H.T. Lee, S.Y. Wu, R.J. Jeng, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 276, 2006, 176.
[31] S. Yamasaki, D. Nishiguchi, K. Kojio, M. Furukawa, Polymer, 48, 2007, 4793.
[32] S. Velankar, S.L. Cooper, Macromolecules, 33, 2000, 395.
[33] H. Honarkar, M. Barmar, M. Barikani, P. Shokrollahi, Korean Journal of Chemical Engineering, 33, 2016, 319.
[34] A.K. Nanda, D.A. Wicks, S.A. Madbouly, J. Otaigbe, Macromolecules, 39, 2006, 7037.
[35] D.G. Baird, D.I. Collias, "Polymer Processing, Principles and Design", Wiley, New York, 1998.
[36] H. Lee, L.A. Archer, Macromolecules, 34, 2001, 4572.
[37] H.J. Butt, K. Graf, "Physics and Chemistry of Interfaces", Wiley-VCH Verlag GmbH, Chap. 7, 118-144, 2003.
[38] I. Noda, D. N. Rubingh, "Polymer Solution, Blends, and Interfaces", Elsivier Science BV, 1-21, 1992.
[39] S. Suresh, W. Zhou, B. Spraul, R.M. Laine, J. Ballato, D.W. Smith, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 4, 2004, 250.
[40] ASTM D2240-05, "Standard Test Method for Rubber Property-Durometer Hardness", 2010.
[41] S. Zhang, A. Yu, S. Liu, J. Zhao, J. Jiang, X. Liu, Polymer Bulletin, 68, 2012, 1469.
[42] ASTM D570-98, "Standard Test Method for Water Absorption of Plastics", 2010.
[43] Y. Ma, M. Zhang, W. Du, S. Sun, B. Zhao, Y. Cheng, Polymers, 15, 2023, 175.