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 (گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، واحد شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی، شاهرود، ایران)
ولی پروانه ² (گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، واحد شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی، شاهرود، ایران)
علی دادرسی ³ (گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، واحد شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی، شاهرود، ایران)
محمد عباسی 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.