خواص گرمایی و رفتار آتش گیری در فیلم های نانوکامپوزیت پلی لاکتیک اسید

Abstract

سابقه و هدف: بهبود خواص مواد پلیمری از نظر مقاومت در برابر آتش‌گیری و افزایش پایداری گرمایی همواره مورد توجه مراکز علمی و صنعتی بوده است. پلی لاکتیک اسید (PLA) به واسطه ترکیب شیمیایی و ساختار مولکولی همانند سایر پلیمرها آتش گیر است. استفاده از پرکننده های نانومتری می تواند نقش مفیدی در بهبود پایداری گرمایی و دیرسوزی پلی لاکتیک اسید ایفاء کند. پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر نانوکریستال سلولز و نانورس بر خواص گرمایی و رفتار آتش گیری فیلم های پلی لاکتیک اسید طراحی شده است.<br />مواد و روش‌ها: فیلم های PLA و نانوکامپوزیت های آن با استفاده از روش قالب گیری حلال ساخته شد. برای بهبود سازگاری و اختلاط پذیری با پلیمر، نانوکریستال سلولز با اسید اولئیک وارد واکنش شده و اصلاح شد. ابتدا PLA در 100 میلی لیتر کلروفرم حل و به طور پیوسته در دمای اتاق هم زده شد. سپس نانو ذرات سلولز و رس با نسبت های وزنی مختلف (0 و 3 درصد) در کلروفرم پخش شده و به مدت 30 دقیقه در معرض امواج فراصوت عمل آوری شدند. در ادامه محلول پلی لاکتیک اسید و سوسپانسیون نانوذرات با یکدیگر مخلوط و برای اطمینان از پراکنش یکنواخت، تحت تیمار فراصوتی دوباره قرار گرفتند. سرانجام محلول حاصله به درون قالب‌های تفلونی ریخته و پس از تبخیر شدن حلال، فیلم‌ها از سطح قالب جدا و در داخل آون قرار داده تا کاملاً خشک شوند. سپس، برای ارزیابی خواص گرمایی و آتش گیری فیلم ها، دمای ذوب، دمای تبلور، درجه بلورینگی، مقدار حرارت آزاد شده، زمان سوختن، مقدار کاهش وزن و شاخص اکسیژن حدی نمونه ها اندازه گیری شد. بدین منظور از آزمون های گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) و گرماسنجی مخروطی استفاده شد.<br /> یافته‌ها: نتایج آزمون گرماسنجی‌روبشی‌تفاضلی مشخص کرد که با افزودن نانو ذرات، دمای ذوب، دمای تبلور و درجه بلورینگی افزایش یافت. آزمون گرماسنجی مخروطی آشکار ساخت که وجود نانوکریستال سلولز در ماده زمینه پلیمری موجب کاهش افت وزن و مقدار حرارت آزاد شده کامپوزیت ها نسبت به PLAخالص می شود. در حالی که زمان سوختن با افزودن نانوکریستال سلولز افزایش می یابد. همچنین ذرات نانورس با تشکیل لایه زغال کربنی روی سطح فیلم ها سبب کندی فرایند سوختن و به تأخیر انداختن تخریب گرمایی آن ها می شود. روند کاهش شاخص اکسیژن حدی در اثر حضور همزمان دو نوع پرکننده نانومتری به حفاظت از قسمت های داخلی کامپوزیت در اثر تشکیل سپر گرمایی در سطح و کاهش دامنه حرکتی زنجیره های پلیمری نسبت داده شد.<br />نتیجه گیری: یافته های این پژوهش نشان داد که استفاده جداگانه از هریک از نانو ذرات سلولز و رس نقش موثری در بهبود خواص گرمایی و دیرسوزی فیلم های پلی لاکتیک داشته است. همچنین بالاترین پایداری گرمایی در نانوکامپوزیت های حاصل از حضور همزمان 3% نانوکریستال سلولز و 3% نانورس مشاهده شد. این اطلاعات می تواند نقش مهمی در طراحی نسل جدیدی از دیرسوزکننده های دوستدار محیط زیست و نانوکامپوزیت های پلیمری زیست تخریب پذیر ایفاء کند.