بهینه سازی خواص مکانیکی نانو کامپوزیت‌های سه تایی بر پایه پلی پروپیلن/ لاستیک نیتریل/ نانوپودر سیلیکا به روش رویه پاسخ

نوع مقاله: گرایش رفتار مکانیکی مواد و سازه

نویسندگان

1 تربیت دبیر شهید رجائی تهران

2 دانشکده فنی و مهندسی مکانیک دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی

چکیده

در این تحقیق، خواص مکانیکی شامل استحکام ضربه، مدول الاستیسیته و ازدیاد طول تا شکست نانوکامپوزیت‌های سه­تایی پلی­پروپیلن/ لاستیک نیتریل کربوکسیل شده/ نانوپودر سیلیکا به­کمک طرح Box-Behnken روش رویه پاسخ (RSM) بهینه‌سازی شده­اند. بر­اساس این طرح آزمایش 15 نمونه شامل 0، 2 و 4 درصد وزنی نانو­ذرات سیلیکا 0، 3 و 6 درصد وزنی عامل سازگارکننده پلی‌پروپیلن مالئیکه         (PP-gMA) و  نیز 0، 5 و 10 درصد وزنی لاستیک نیتریل کربوکسیل شده توسط یک اکسترودر همسوگرد تهیه شدند. آزمون‌‌های مکانیکی کشش و ضربه برای تعیین مدول الاستیسیته، ازدیاد طول تا شکست و استحکام ضربه ترکیبات انجام شدند. نتایج حاصل از آنالیز واریانس نشان دادند که هر سه فاکتور اصلی نانوذرات سیلیکا، لاستیک نیتریل کربوکسیل شده و عامل سازگار کننده پلی‌پروپیلن مالئیکه با احتمال بالای 90 درصد بر خواص مکانیکی مورد بررسی تاثیرگذار هستند. همچنین مقادیر کمیت احتمالی فیشر نشان می‌دهد که نانوپودر سیلیکا بیشترین تاثیر را بر مدول الاستیک و لاستیک نیتریل بیشترین تاثیر را بر استحکام ضربه و ازدیاد طول تا شکست دارند. از طرفی برای هر خاصیت مکانیکی یک مدل رگرسیون با مطلوبیت بالای 85 درصد به­دست آمد. سرانجام مقادیر بهینه به­ازای 6162/1 درصد وزنی از نانوپودر سیلیکا، 10 درصد وزنی لاستیک نیتریل و 9697/4 درصد وزنی عامل سازگار کننده پلی‌پروپیلن مالئیکه پیش‌بینی شدند.

کلیدواژه‌ها


  1. Selvakumar, V., Palanikumar, K., and Palanivelu, K. “Studies of Mechanical Characterization of Polypropylene/Na+-MMT Nanocomposites”, Journal of Minerals & Materials characterization & Engineering, Vol. 9, No. 8, pp. 671-681, 2010.##
  2. Bikiaris, D. “Microstracture and Properties of Polypropylene/Carbon Nanotube Nanocomposites”, Materials, Vol. 3, No. 4, pp. 2884-2946, 2010.##
  3. Wang, Y., Zou, H., Fu, Q., Zhang, G., Shen, K. and. Thomann, R. “Shear-induced Morphological Change in PP/LLDPE Blend”, Macromolecular Rapid Communications, Vol. 23, No. 13, pp. 749–752, 2012.##
  4. Huerta-Martínez, B.M., Ramirez-Vargas, E., Medellín-Rodrequez, F.J. and Garcia, R.C. “Compatibilitymechanismsbetween EVA and Complex Impact Heterophasicpp-Epx Copolymers as a Function of EP Content”, European Polymer Journal, Vol. 41, No. 3, pp. 519–525, 2005.##
  5. González, J., Albano, C., Ichazo, M. and Díaz, B. “Effects Ofcoupling Agents on Mechanical and Morphologicalbehavior of the PP/HDPE Blend with Two DifferentCaCO3”, European Polymer Journal, Vol. 38, No. 12, pp. 2465–2475, 2002.##
  6. Tchomakov, K.P.,  Favis, B.D.,  Huneault, M.A.,  Champagne, M.F. and  Tofan, F. “Mechanical Properties and Morphology of Ternary PP/EPDM/PE Blends”, The Canadian journal of Chemical Engineering, Vol. 83, No. 2, pp. 300-309, 2005.##
  7. Bagheri, R. and Marouf, B. “Rubber-toughened Epoxies: A Critical Review”, Journal of Macromolecular Science®, Part C: Polymer Reviews. Vol. 49, No. 3, pp. 201-225, 2009.##
  8. Yang, H.,  Zhang, Q.,  Guo, M., Wang, C.,   Du, R. and Q. Fu, Q. “Study on the Phase Structures and Toughening Mechanism in PP/EPDM/SiO2 Ternary Composites”, Polymer, Vol.  47, No. 6, pp. 2106-2115, 2006.##
  9. Ashenai Ghasemi, F., Ghasemi, I. and Daneshpayeh, S. “A Study on Effect of Titanium Dioxide Nanoparticles on the Elastic Modulus, Impact and Tensile Strengths of Polypropylene/Linear Low Density Polyethylene (PP/LLDPE) Blends”, Journal of science and Technology of Composites, Vol. 4, No. 4, pp. 386-390, 2018.##
  10. Ashenai Ghasemi, F. and Eslami Farsani, M. “Effect of nano-CaCO3 on dynamic Mechanical Properties of Polypropylene”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 13, No. 6, pp. 1-10, 2013.##
  11. Jumahat, A. and Soutis, C. “Tensile Properties of Nanosilica/Epoxy Nanocomposites”, Procedia Engineering, Vol. 41, pp.1634-1640. 2012.##
  12. Bezy, N.A. and Fathima, A.L. “Effect of TiO2 Nanoparticles on Mechanical Properties of Epoxy-Resin System”, International Journal of Engineering Research and General Science. Vol. 3, No. 5, pp. 143-151, 2015.##
  13. Kumar, K. and Ghosh, P.K.  “Improving Mechanical and Thermal Properties of TiO2-Epoxy Nanocomposite”, Composites Part B: Engineering. Vol. 97, pp. 353-360, 2016.##
  14. Montazeri, A. and Javadpour, J. “Mechanical Properties of Multi-walled Carbon Nanotube/epoxy Composites”, Materials & Design. Vol. 31, No. 9, pp. 4202-4208, 2010.##
  15. Yue, L. and Pircheraghi, G. “Epoxy Composites with Carbon Nanotubes and Graphene Nanoplatelets – Dispersion and Synergy Effects”, Carbon. Vol. 78, pp. 268-278, 2014.##
  16. Ying, Z. and Xianggao, L. “Highly Exfoliated Epoxy/clay Nanocomposites: Mechanism of Exfoliation and Thermal/mechanical Properties”, Composite Structures, Vol. 132, pp. 44-49, 2016.##
  17. Daneshpayeh, S., Tarighat, A., Ashenai Ghasemi, F. and Bagheri, M.S. “A fuzzy Logic Model for Prediction of Tensile Properties of Epoxy/Glass Fiber/Silica Nanocomposites”, Journal of Elastomers and Plastics. DOI: 10.1177/0095244317733768.##
  18. Garcia, M., Vilet, G.V. and Jain, S. “Polypropylene/SiO2nanocomposites with Improved Mechanical Properties”, Reviews on Advanced Materials Science, Vol. 6, No. 2, pp. 169-175, 2004.##
  19. Mirzapour, A., Asadollahi, M.H.,  Baghshaei, S. and Akbari, M.” Effect of Nanosilica on the Microstructure, Thermal Properties and Bending Strength of Nanosilica Modified Carbon Fiber/Phenolic Nanocomposite”, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. Vol. 63, pp. 159-167,2014.##
  20. Jacob, S. Suma, K.K.  Mendez, J.M. and George, K.E.“Reinforcing effect of nanosilica on polypropylene–nylon fiber composite”, Materials Science and Engineering: B. Vol. 168, pp. 245-249, 2010.##
  21. Singh, J., Singh, K.,  Ching, Y.C., Abdullah, L.C., Ching, K.Y., Razali, S. and Gan, S.N.  “Optimization of Mechanical Properties for Polyoxymethylene/Glass Fiber/Polytetrafluoroethylene Composites Using Response Surface Methodology”, Polymers, Vol. 10, No. 3, pp. 338-363, 2018.##
  22. Pereira, E.L., Junior, A.L.O.  and Fineza, A.G. “Optimization of Mechanical Properties in Concrete Reinforced with Fibers From Solid Urban Wastes (PET bottles) for the Production of Ecological Concrete”, Construction and Building Materials, Vol. 149, pp. 837-848, 2017.##
  23. Bäumer, A. and Zimmermann, E. “Optimization of Material Properties of High Strength Multiphase Steels via Microstructure and Phase Transformation Adjustment”, Characterization of Minerals, Metals, and Materials, pp. 209-216. 2016.##
  24. Feli, S. and Jalilian, M. “Experimental and Optimization of Mechanical Properties of Epoxy/Nanosilica and Hybrid Epoxy/Fiberglass/Nanosilica Composites”, Journal of Composite Materials. Vol. 50, No. 28, pp. 3891-3903, 2016.##
  25. Ashenai Ghasemi, F., Daneshpayeh, S., Ghasemi, I. and Ayaz, M.  “An investigation on the Young’s Modulus and Impact Strength of nanocomposites based on polypropylene/linear low-density polyethylene/titan dioxide (PP/LLDPE/ TiO2) using response surface methodology”, Polymer Bulletin. Vol. 73, No. 6, pp. 1741-1760, 2016.##
  26. Zare, Y., Garmabi, H. and Sharif, F. “Optimization of Mechanical Properties of PP/Nanoclay/ CaCO3 Ternary Nanocomposite Using Response Surface Methodology”, Journal of Applied Polymer science. Vol. 122, No. 5, pp. 3188-3200, 2011.##
  27. Daneshpayeh, S., Ashenai Ghasemi, F., Ghasemi, I. and Ayaz, M. “Predicting of Mechanical Properties of PP/LLDPE/TiO2 Nanocomposites by Response Surface Methodology”, Composites Part B. Vol. 84, pp. 109-120, 2016.##
  28. Ashenai Ghasemi, F., Ghasemi, I., Menbari, S.,  Ayaz, M. and Ashori, A. “Optimization of mechanical Properties of Polypropylene/Talc/ Graphene Composites Using Response Surface Methodology”, Polymer Testing. Vol. 53, pp. 283-292, 2016.##
  29. Montgomery, D.C. “Design and Analysis of Experiments”, New York, John Wiley. 2001.##
  30. Kim, K. and Lin, D. “Simultaneous Optimization of Multiple Responses by Maximining Exponential Desirability Functions”, Journal of the Royal Statistical Society: Series C (Applied Statistics). Vol. 49, No. 3, pp. 311-325, 2000.##