بررسی تجربی خواص مکانیکی لوله‌های نانوکامپوزیتی پلی اتیلن پرچگال/الیاف شیشه/نانولوله کربنی تولید شده به روش اکستروژن به منظور کاربرد در خطوط لوله نفت و گاز
محورهای موضوعی :
نانومواد
محمد کیانی
1
,
ولی پروانه
2
,
علی دادرسی
3
,
محمد عباسی
4
1 - گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، واحد شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی، شاهرود، ایران
2 - گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، واحد شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی، شاهرود، ایران
3 - گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، واحد شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی، شاهرود، ایران
4 - گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، واحد شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی، شاهرود، ایران
تاریخ دریافت : 1401/02/01
تاریخ پذیرش : 1401/02/01
تاریخ انتشار : 1401/02/01
کلید واژه:
خواص مکانیکی,
نانوکامپوزیت,
نانولوله کربنی,
الیاف شیشه,
پلی اتیلن پرچگال,
چکیده مقاله :
در این پژوهش، لوله‌های پلی اتیلن پرچگال (HDPE) توسط الیاف شیشه (GF) و نانولوله‌های کربنی (CNTs) به روش اکستروژن به منظور کاربرد در خطوط لوله نفت و گاز تقویت شده‌اند. برای این منظور از یک دستگاه اکسترودر جدید با قابلیت بازفرآوری و ترکیب مذاب HDPE با نانولوله‌های کربنی در قسمت سیلندر و ماردون دستگاه استفاده شده است. لوله‌های نانوکامپوزیتی برای درصد وزنی ثابت از الیاف شیشه و درصدهای وزنی مختلف از نانولوله کربنی چند دیواره (5/0، 1، 5/1 و 2) تهیه شده‌اند. خواص مکانیکی لوله‌های نانوکامپوزیتی تولیدی توسط آزمایش استاندارد کشش ASTM-D3039 مورد مطالعه قرار گرفته است. در بهترین حالت با افزودن 2% وزنی نانولوله کربنی به همراه الیاف شیشه و همچنین دو بار تکرار بازفرآوری، مدول یانگ و استحکام کششی نهایی لوله نانوکامپوزیتی به ترتیب حدود 150% و 163 % افزایش می‌یابند. همچنین تجزیه و تحلیل گرمایی DSC بر روی نمونه‌های نانوکامپوزیت نیز برای بررسی ارتباط مناسب میان ماتریس HDPE و نانولوله‌های کربنی نشان می‌دهد که آنتالپی تبلور از J/g 33/106 برای پلی اتیلن خالص تا J/g 65/210 برای پلی اتیلن با 2% وزنی نانولوله کربنی افزایش یافته است. مورفولوژی سطح مقاطع شکست با استفاده از SEM به منظور بررسی پراکندگی CNTs و بررسی مکانیسم شکست در ماتریس انجام شده است. نتایج نشان می‌دهند که لوله‌های نانوکامپوزیتی پلی اتیلن پرچگال/الیاف شیشه/نانولوله کربنی می‌توانند در خطوط لوله نفت و گاز جایگزین مناسبی برای لوله‌های فولادی API 5L گرید A با استحکام کششی نهایی حدود MPa 335 باشند.
منابع و مأخذ:
Patil, A. Patel, P.K. Sharma, Materials Today: Proceedings, 5, 2018, 6401.
H. Othman, M.C. Ismail, M. Mustapha, N. Sallih, K.E. Kee, R.A. Jaal, Progress in Organic Coatings, 135, 2019, 82.
D. Nguyen-Tran, V.T. Hoang, V.T. Do, D.M. Chun, Y.J. Yum, Materials, 11, 2018, 429.
Nawaz, N. Yusuf, S. Habib, R.A. Shakoor, F. Ubaid, Z. Ahmad, R. Kahraman, S. Mansour, W. Gao, Polymers, 11, 2019, 852.
V. Radhamani, H.C. Lau, S. Ramakrishna, Journal of Composite Materials, 54, 2020, 681.
V. Radhamani, H.C. Lau, S. Ramakrishna, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 114, 2018, 170.
Valencia-Goujon, Electrochemical characterization in CO2 saturated environment of Zn-rich epoxy nanocoatings on API X52 pipeline grade steel substrate under flow conditions, National Association of Corrosion Engineers Conference, NACE, 2015.
TabkhPaz, D.Y. Park, P.C. Lee, Journal of Composite Materials, 52, 2018, 1045.
S.F. Samsudin, M.A. Mahtar, K.H. Leong, Barrier and Thermal Performance of Graphene-HDPE Nanocomposites for Pipeline Liner Application, SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference, SPE, 2019.
Parmoor, M. Sirousazar, F. Kheiri, M. Kokabi, Journal of Macromolecular Science: Part B, 55, 2016, 331.
Kanagaraj, F. R. Varanda, T.V. Zhiltsova, M.S.A. Oliveira, J.A.O. Simoes, Composites Science and Technology, 67, 2007, 3071.
Fouad, R. Elleithy, S.M. Al-Zahrani, M.A. Ali, Materials Design, 32, 2011, 1974.
Okolo, R. Rafique, S.S. Iqbal, M.S. Saharudin, F. Inam, Molecules, 25, 2020, 2960.
McNally, P. Potschke, P. Halley, M. Murphy, D. Martin, S.E.J. Belld, G.P. Brennane, D. Beinf, P. Lemoineg, J. Paul Quinng, Polymer, 46, 2005, 8222.
Ashori, S. Sheshmani, F. Farhani, Carbohydrate Polymers, 92, 2013, 865.
Zou, Y. Feng, L. Wang, X. Liu, Carbon, 42, 2004, 271.
Yuan, C. Liu, M. Huang, Materials, 12, 2019, 1323.
Saeed, K. Hussain, G. Rizvi, Polymer Composites, 35, 2014, 2159.
A. Siddiqui, M.L. Sham, B.Z. Tang, A. Munir, J.K. Kim, Composites: Part A, 40, 2009, 1606.
G. Karsli, S. Yesil, A. Aytac, Composites: Part B, 63, 2014, 154.
K. Panchagnula, P. Kuppan, Journal of Materials Science and Technology, 8, 2019, 366.
C. Yip, Y.C. Lin, C.L. Wu, Polymers & Polymer Composites, 19, 2011, 131.
Pourhashem, A. Rashidi, M.R. Vaezi, M.R. Bagherzadeh, Surface and Coatings Technology, 317, 2017, 1.
Rajabi, G.R. Rashed, D. Zaarei, Corrosion Engineering, Science and Technology, 50, 2015, 509.
F. Brandenburg, C.M. Lepienski, D. Becker, L.A.F. Coelho, Revista Materia, 22, 2017, 11888.
Aldajah, Y. Haik, Materials & Design, 34, 2012, 379.
G. Kadam, S.T. Mhaske, Journal of Thermoplastic Composites, 29, 2016, 960.
Tabkhpaz Sarabi, A.H. Behravesh, P. Shahi, Y. Daryabari, Journal of Thermoplastic Composites, 27, 2014, 881.
Kuram, B. Ozcelik, F. Yilmaz, Journal of Thermoplastic Composites, 29, 2016, 1443.
J. Abad, A. Ares, L. Barral, J. Cano, F.J. Diez, S. Garcia‐Garabal, J. Lopez, C. Ramirez, Journal of Applied Polymer Science, 92, 2004, 3910.
A. Mendes, A.M. Cunha, C.A. Bernardo, Polymer Degradation and Stability, 96, 2011, 1125.
Oblak, J. Gonzalez-Gutierrez, B. Zupancic, A. Aulova, I. Emri, Polymer Degradation and Stability, 114, 2015, 133.
Svensson, D. Akesson, M. Bohlen, Journal of Polymers and the Environment, 28, 2020, 1967.
Tajvidi, A. Takemura, Journal of Applied Polymer Science, 122, 2011, 1258.
Akesson, T. Fuchs, M. Stoss, A. Root, E. Stenvall, M. Skrifvars, Journal of Applied Polymer Science, 133, 2016, 43877.
Ayadi, D. Kraiem, C. Bradai, S. Pimbert, Journal of Thermoplastic Composite Materials, 25, 2011, 523.
Kim, Y. Miura, C.W. Macosko, Chemistry of Materials, 22, 2010, 3441.
D. Agarwal, L.J. Broutman, “Analysis and performance of fiber composites”, Wiley, New York, 1990.
Eslami-Farsani, S.M.R. Khalili, Z. Hedayatnasab, N. Soleimani, Materials and Design, 53, 2014, 540.
N. Coleman, M. Cadek, R. Blake, V. Nicolosi, K.P. Ryan, C. Belton, Advanced Functional Materials, 14, 2004, 791.
Assouline, A. Lustiger, A.H. Barber, C.A. Cooper, E. Klein, E. Wachtel, Journal of Polymer Science, Part B, 41, 2003, 520.
J. Frankland, A. Caglar, D.W. Brenner, M. Griebel, Journal of Physical Chemistry B, 106, 2002, 3046.
R. Eslami-Farsani, S.M.R. Khalili, Z. Hedayatnasab, N. Soleimani, Materials & Design, 53, 2014, 540.
_||_
Patil, A. Patel, P.K. Sharma, Materials Today: Proceedings, 5, 2018, 6401.
H. Othman, M.C. Ismail, M. Mustapha, N. Sallih, K.E. Kee, R.A. Jaal, Progress in Organic Coatings, 135, 2019, 82.
D. Nguyen-Tran, V.T. Hoang, V.T. Do, D.M. Chun, Y.J. Yum, Materials, 11, 2018, 429.
Nawaz, N. Yusuf, S. Habib, R.A. Shakoor, F. Ubaid, Z. Ahmad, R. Kahraman, S. Mansour, W. Gao, Polymers, 11, 2019, 852.
V. Radhamani, H.C. Lau, S. Ramakrishna, Journal of Composite Materials, 54, 2020, 681.
V. Radhamani, H.C. Lau, S. Ramakrishna, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 114, 2018, 170.
Valencia-Goujon, Electrochemical characterization in CO2 saturated environment of Zn-rich epoxy nanocoatings on API X52 pipeline grade steel substrate under flow conditions, National Association of Corrosion Engineers Conference, NACE, 2015.
TabkhPaz, D.Y. Park, P.C. Lee, Journal of Composite Materials, 52, 2018, 1045.
S.F. Samsudin, M.A. Mahtar, K.H. Leong, Barrier and Thermal Performance of Graphene-HDPE Nanocomposites for Pipeline Liner Application, SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference, SPE, 2019.
Parmoor, M. Sirousazar, F. Kheiri, M. Kokabi, Journal of Macromolecular Science: Part B, 55, 2016, 331.
Kanagaraj, F. R. Varanda, T.V. Zhiltsova, M.S.A. Oliveira, J.A.O. Simoes, Composites Science and Technology, 67, 2007, 3071.
Fouad, R. Elleithy, S.M. Al-Zahrani, M.A. Ali, Materials Design, 32, 2011, 1974.
Okolo, R. Rafique, S.S. Iqbal, M.S. Saharudin, F. Inam, Molecules, 25, 2020, 2960.
McNally, P. Potschke, P. Halley, M. Murphy, D. Martin, S.E.J. Belld, G.P. Brennane, D. Beinf, P. Lemoineg, J. Paul Quinng, Polymer, 46, 2005, 8222.
Ashori, S. Sheshmani, F. Farhani, Carbohydrate Polymers, 92, 2013, 865.
Zou, Y. Feng, L. Wang, X. Liu, Carbon, 42, 2004, 271.
Yuan, C. Liu, M. Huang, Materials, 12, 2019, 1323.
Saeed, K. Hussain, G. Rizvi, Polymer Composites, 35, 2014, 2159.
A. Siddiqui, M.L. Sham, B.Z. Tang, A. Munir, J.K. Kim, Composites: Part A, 40, 2009, 1606.
G. Karsli, S. Yesil, A. Aytac, Composites: Part B, 63, 2014, 154.
K. Panchagnula, P. Kuppan, Journal of Materials Science and Technology, 8, 2019, 366.
C. Yip, Y.C. Lin, C.L. Wu, Polymers & Polymer Composites, 19, 2011, 131.
Pourhashem, A. Rashidi, M.R. Vaezi, M.R. Bagherzadeh, Surface and Coatings Technology, 317, 2017, 1.
Rajabi, G.R. Rashed, D. Zaarei, Corrosion Engineering, Science and Technology, 50, 2015, 509.
F. Brandenburg, C.M. Lepienski, D. Becker, L.A.F. Coelho, Revista Materia, 22, 2017, 11888.
Aldajah, Y. Haik, Materials & Design, 34, 2012, 379.
G. Kadam, S.T. Mhaske, Journal of Thermoplastic Composites, 29, 2016, 960.
Tabkhpaz Sarabi, A.H. Behravesh, P. Shahi, Y. Daryabari, Journal of Thermoplastic Composites, 27, 2014, 881.
Kuram, B. Ozcelik, F. Yilmaz, Journal of Thermoplastic Composites, 29, 2016, 1443.
J. Abad, A. Ares, L. Barral, J. Cano, F.J. Diez, S. Garcia‐Garabal, J. Lopez, C. Ramirez, Journal of Applied Polymer Science, 92, 2004, 3910.
A. Mendes, A.M. Cunha, C.A. Bernardo, Polymer Degradation and Stability, 96, 2011, 1125.
Oblak, J. Gonzalez-Gutierrez, B. Zupancic, A. Aulova, I. Emri, Polymer Degradation and Stability, 114, 2015, 133.
Svensson, D. Akesson, M. Bohlen, Journal of Polymers and the Environment, 28, 2020, 1967.
Tajvidi, A. Takemura, Journal of Applied Polymer Science, 122, 2011, 1258.
Akesson, T. Fuchs, M. Stoss, A. Root, E. Stenvall, M. Skrifvars, Journal of Applied Polymer Science, 133, 2016, 43877.
Ayadi, D. Kraiem, C. Bradai, S. Pimbert, Journal of Thermoplastic Composite Materials, 25, 2011, 523.
Kim, Y. Miura, C.W. Macosko, Chemistry of Materials, 22, 2010, 3441.
D. Agarwal, L.J. Broutman, “Analysis and performance of fiber composites”, Wiley, New York, 1990.
Eslami-Farsani, S.M.R. Khalili, Z. Hedayatnasab, N. Soleimani, Materials and Design, 53, 2014, 540.
N. Coleman, M. Cadek, R. Blake, V. Nicolosi, K.P. Ryan, C. Belton, Advanced Functional Materials, 14, 2004, 791.
Assouline, A. Lustiger, A.H. Barber, C.A. Cooper, E. Klein, E. Wachtel, Journal of Polymer Science, Part B, 41, 2003, 520.
J. Frankland, A. Caglar, D.W. Brenner, M. Griebel, Journal of Physical Chemistry B, 106, 2002, 3046.
R. Eslami-Farsani, S.M.R. Khalili, Z. Hedayatnasab, N. Soleimani, Materials & Design, 53, 2014, 540.
