بهینه‌سازی خواص مکانیکی آلیاژهای پلی وینیل کلراید (PVC) حاوی نانو ذرات آکریلونیتریل بوتاداین رابر (NBR) با استفاده از روش طراحی آزمایش تاگوچی

محورهای موضوعی : پلیمرهای پیشرفته

علیرضا افشاری ¹ , محمدرضا کلایی ² , مهدی مقری ³

1 - مجتمع فنی و مهندسی، دانشکده مهندسی شیمی و پلیمر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران جنوب، ایران.
2 - مرکز تحقیقات نانو، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران جنوب، ایران.
3 - دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی پلیمر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد کاشان، ایران.

تاریخ دریافت : 1400/01/24 تاریخ پذیرش : 1400/06/01 تاریخ انتشار : 1401/03/01

کلید واژه: خواص مکانیکی, مورفولوژی, چقرمگی, پلی وینیل کلراید, طراحی آزمایش, نانو ذره نیتریل رابر,

چکیده مقاله :

هدف از مقاله حاضر بررسی مورفولوژی و خواص مکانیکی آلیاژهای پلی وینیل کلراید (PVC) حاوی نانو ذرات آکریلونیتریل بوتادی ان رابر (NBR) که در اکسترودر دو پیچ ناهمسوگرد تهیه شده اند، می‌باشد. اثرات درصد نانو ذرات، دما، زمان و شدت اختلاط بر روی خواص مذکور به کمک روش طراحی آزمون مطالعه شدند. با در نظر گرفتن بیشینه چقرمگی آلیاژها به عنوان حالت بهینه، شرایط فرآیندی و همچنین ترکیب درصد مناسب با استفاده از طراحی آزمایش تاگوچی تعیین شدند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورفولوژی ماتریس-قطرات پراکنده را نشان داد. پخش و توزیع مناسب و یکنواخت ذرات لاستیکی نیتریل رابر در درون ماتریس PVC مشاهده شد که دلیل آن سازگاری مناسب بین ذرات لاستیک و ماتریس اطراف آن است. مشاهده شد که قطرات پراکنده به‌صورت ذرات کروی و همچنین ذرات کشیده شده در درون ماتریس PVC حضور دارند. نتایج تجربی در کنار داده های طراحی آزمایش نشان داد که حالت بهینه کرنش شکست و چقرمگی مربوط به حالتی است که دمای اختلاط در حدود 180 درجه سانتی‌گراد، زمان اختلاط 6 دقیقه، سرعت اختلاط در حدود rpm 70 و درصد نانو ذرات برابر با 2 درصد وزنی باشند. آنالیز واریانس نشان داد بیشترین اثر بر روی مدول مربوط به درصد ذرات NBR است در حالی که کمترین سهم مربوط به زمان اختلاط است. سپس دمای اختلاط بالاترین سهم را دارد. برهمکنش بین فاکتورهای مختلف و اثر آن‌ها بر روی مدول کششی نشان داد که بیشترین شاخص برهمکنش مربوط به دمای اختلاط با زمان اختلاط و کمترین آن زمان و درصد NBR است.

چکیده انگلیسی:

The aim of this paper is to study the morphology and mechanical properties of poly(vinyl chloride) (PVC) blends containing acrylonitrile butadiene rubber (NBR) nanoparticles prepared in a counter rotating twin- screw extruder. The effect of nanoparticle’s percent, mixing temperature and time and rotor speed on the properties were studied using the experimental design method. Considering toughness increase of the blends as an optimal state, the process conditions and NBR percent were determined. Scanning electron microscopy (SEM) images showed dispersed matrix-droplet morphology. Uniform distribution of NBR rubber particles was observed within the PVC matrix due to the good compatibility between the rubber particles and the matrix. It was also observed that scattered droplets are present in the spherical form as well as elongated particles within the PVC matrix. Obtained results along with experimental design data showed that the optimal state of break strain and toughness is related to the state with a mixing temperature of about 180 °C, mixing time of 6 minutes, mixing speed of about 70 rpm and a nanoparticle percentage of 2%. The analysis of variance showed that the greatest effect on the modulus was related to the percentage of NBR, while the lowest was related to the mixing time. After that, mixing temperature has the highest share. Interactions between different factors and their effects on tensile modulus showed that the highest intensity of the interaction index is related to the interaction of mixing temperature with mixing time and the lowest is the time and percentage of NBR.

منابع و مأخذ:

[1] M. C. Senake Perera, U. S. Ishiaku & Z. A. Mohd. Ishak, "Characterisation of PVC/NBR and PVC/ENR50 binary blends and PVC/ENR50/NBR ternary blends by DMA and solid state NMR", European Polymer Journal, vol. 37, no. 1, pp.167 -178, 2001.

 

[2] M. C. Senake Perera, U. S. Ishiaku & Z. A Mohd. "Ishak, Polymer Degradation and Stability", vol. 68, no. 3, pp. 393-402, 2000.

 

[3] Ch. T. Ratnam, S. Kamaruddin & Z. Abdullah, "Irradiation Modification of PVC/NBR Blend", Polymer-Plastics Technology and Engineering, vol. 50, no. 8, pp. 833-838, 2011.

 

[4] J. X. Li & C. M. Chan, "Effect of the size of the dispersed NBR phase in PVC/NBR blends on the stability of PVC to electron irradiation", Polymer, vol. 42, no. 16, pp. 6833-6839, 2001.

 

[5] A. Hajibaba, G. Naderi, E. Esmizadeh & M. H. R. Ghoreishy, "Morphology and dynamic-mechanical properties of PVC/NBR blends reinforced with two types of nanoparticles", Journal of Composite Materials, vol. 48, no. 2, pp. 131-141, 2012.

 

[6] Z. H. Liu, et al. "Effect of morphology on the brittle ductile transition of polymer blends: 2. Analysis on poly (vinyl chloride)/nitrile rubber blends", Polymer, vol. 39, no. 2, pp. 5019-5025, 1998.

 

[7] Z. H. Liu, et al. "Effects of interfacial adhesion on the rubber toughening of poly (vinyl chloride) Part 1. Impact tests", Polymer, vol. 42, no. 2, pp. 737–746, 2001.

 

[8] X. P. Zhang, S. Z. Liu, L. Liu & J. Yin, "Partially sulfonated poly(arylene ether sulfone)-b-polybutadiene for proton exchange membrane", Polymer, vol. 46, no 6, pp.1719–1724, 2005.

 

[9] M. Matsuo, C. Nozaki & Y. Jyo. "Fine structures and fracture processes in plastic/rubber two ‐phase polymer systems. II. Observation of crazing behaviors under the electron microscope", Polym. Eng. & Sci. vol. 9, no. 3, pp. 206-212,1969

 

[10] M. Matsuo, A. Ueda & Y. Kondo, "Fine structures and fracture processes in plastic‐rubber two‐phase polymer systems III. Temperature dependence of Charpy impact strength", Polym. Eng. & Sci, vol. 10, no. 5, pp. 253-260, 1968.

 

[11] Q. Wang, X. Zhang & S. Liu, "Ultrafine full-vulcanized powdered rubbers/PVC compounds with higher toughness and higher heat resistance", Polymer, vol. 46, no. 46, pp.10614-10617, 2005

 

[12] M. Barghamadi, M. Karrabi & M. H. R. Ghoreishy, "Somayyeh Mohammadian-Gezaz, Effects of two types of nanoparticles on the cure, rheological, and mechanical properties of rubber nanocomposites based on the NBR/PVC blends", Journal of Applied Polymer Science, vol. 136, no. 25, pp. 47550, 2019.

 

[13] S. Rad, E. Aali, S. Hallajian, D. Zangeneh, M. Tavakoli, K. Ayub & M. Peyravi, "Enhancement in the mechanical property of NBR/PVC nanocomposite by using sulfur and electron beam curing in the presence of Cloisite 30B nanoclay", Journal of Macromolecular Science, Part A, Pure and Applied Chemistry, vol. 57, no. 2, pp. 123-130, 2020.