%36تخفیف

دانلود پروژه:بررسی خواص مکانیکی و حرارتی نانوکامپوزیت گرافن

کارشناسی ارشد در رشته مهندسی شیمی- پیشرفته

بررسی خواص مکانیکی و حرارتی نانوکامپوزیت گرافن

کلید واژه­ها: پلي‌پروپيلن، گرافن‌اکسايد، نانوکامپوزيت، شبيه‌سازي مولکولي

چکیده:

نانوکامپوزیت پلی­پروپیلن/گرافن ماده نسبتا جدیدی است که خواص آن به طور جامع بررسی نشده است. ما در این مطالعه به بررسی جامع نانوکامپوزیت پلی­پروپیلن/گرافن پرداخته و اثرات تقویتی ذرات گرافن را بر روی خواص مکانیکی و حرارتی پلیمر غیرقطبی پلی­پروپیلن بررسی کرده­ایم. برای بهبود خواص پلی­پروپیلن با استفاده از نانوذرات گرافن با دو چالش اساسی مواجه هستیم. اول؛ عدم توزیع مناسب نانوذره درون شبکه پلی­پروپیلن و دوم؛ عدم چسبندگی مناسب بین نانوذره و زنجیره­های پلیمری. در این کار ابتدا گرافن‌اکساید(GO)با استفاده از یک روش اصلاح شده هومرز، از گرافیت خام سنتز و سپس به منظور توزیع بهتر و همچنین افزایش چسبندگی بین گرافن و پلی­پروپیلن گروه­های 12 کربنی آلکیل طی یک واکنش ساده جانشینی دوگانه بر روی سطح گرافن‌اکساید نشانده می­شود. وجود گروه­های آلکیلی بر روی سطح گرافن با استفاده از آنالیز طیف سنجی اشعه فروسرخ (FT-IR) به تایید رسید.جهت جلوگیری از کلوخه شدن گرافن‌اکساید آلکیل­دارشده(AGO) در شبکه پلی­پروپیلن(PP)، از روش اختلاط محلولی برای تهیه نانوکامپوزیت­های  PP/AGOبا درصد وزنی 1/0،3/0و %5/0AGOاستفاده شده است. عدم کلوخگی ذرات با استفاده از عکس‌برداری SEM به تایید رسیده است. استحکام مکانیکی نانوکامپوزیت­های تهیهشده با بررسی رفتار تنش-کرنش آنها بررسی و مشخص شد با افزودن 1/0،3/0و %5/0از AGO به شبکه پلی­پروپیلن مدول یانگ پلیمر به ترتیب 9/18، 4/56 و %8/64 و استحکام کششی به ترتیب 25/

…ادامه چکیده:

25/13 و%47 افزایش پیدا می­کند. پایداری حرارتی نیز با استفاده از آنالیز جرم­سنجی حرارتی (TGA)مورد بررسی قرار گرفت و دمای افت جرم %10 برای نانوکامپوزیت با 1/0،3/0و %5/0AGO به ترتیب 2، 8 و °C 12 افزایش نسبت به پلی­پروپیلن خالص نشان داد. نتایج حاصل از آنالیز دینامیکی مکانیکی (DMA)نیز نشان می­دهد در اثر افزودن AGO به شبکه پلیمر دمای انتقال شیشه­ای پلیمر نیز افزایش می­یابد.

همچنین به منظور فهم دقیق و درک بهتر مکانیسم اثرگذاری نانوذره در شبکه پلیمر به موازات آزمایش­های تجربی، اثر تقویتی AGOو GOبر روی خواص مکانیکی و حرارتی شبکه پلیمر با استفاده از شبیه­سازی رایانه­ای به روش دینامیک مولکولی نیز بررسی شد. در این بخش خواص دو نانوکامپویت PP/GO و PP/AGO مورد بررسی قرار گرفت. چسبندگی سطحی بین نانوذره و شبکه پلی­پروپیلن، ثوابت الاستیک(مدول یانگ، مدول بالک و مدول برشی) و دمای انتقال شیشه­ای برای هر دو نانوکامپوزیت محاسبه و مقایسه شد. نتایج نشان داد که اصلاح GO با استفاده از گروه­های آلکیلی باعث افزایش میزان چسبندگی بین صفحه گرافن و شبکه پلیمر شده و در نتیجه خواص مکانیکی بیشتر افزایش می­یابد. نتایج حاصل از انجام فرایند سرمایش در شبیه­سازی نشان می­دهد دمای انتقال شیشه­ای پلی­پروپیلن در اثر افزودن AGO، °C5/6 افزایش می­یابد که این رقم در مورد GO، °C 2 است.

فهرست مطالب

بخش اول: مقدمه

مقدمه.. 1

1-1 نانوذراتکربنی.. 2

1-1-1 گرافن.. 3

1-1-2 گرافن‌اکساید.. 6

1-2 نانوکامپوزیتپلیمر/گرافن.. 10

1-2-1 پلیمریزاسیوندرجا.. 11

1-2-2 روشاختلاطمذاب.. 11

1-2-3 روشاختلاطمحلولی.. 12

1-3 نانوکامپوزیتپلی‌پروپیلن/گرافن‌اکساید   13

1-4 شبیه‌سازیدینامیکمولکولی.. 20

بخش دوم: مطالعات تجربی

موادوروشآزمایش.. 23

2-1 مواد.. 23

2-2 سنتزنانوذره.. 24

2-2-1 سنتزگرافن‌اکساید(GO) 24

2-2-2 آلکیل‌دارکردنگرافن‌اکساید.. 25

2-3 تهیهنانوکامپوزیتپلی‌پروپیلن/گرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشده(PP/AGO) 26

2-4 آنالیزدستگاهی.. 27

نتایجتجربیوبحث.. 30

بخش سوم: مطالعات شبیه‌سازی

تئوریشبیه‌سازی.. 43

4-1 روشمونتکارلو.. 44

4-2 روشدینامیکمولکولی.. 45

4-2-1 مرحلهاول: تعیینمشخصاتاولیهسیستم   46

4-2-2 مرحلهدوم: انتگرال‌گیریازمعادلهحرکت   46

4-2-3مرحلهسوم: اندازه‌گیریکمیت‌ها.. 50

4-2-4 كدهايمورداستفادهبرايمحاسبات MD.. 53

جزئیاتشبیه‌سازی.. 55

5-1 مدلسیستم.. 55

5-2 میداننیرو.. 57

5-3 دینامیکسیستم.. 61

5-4 اندازه‌گیریثوابتالاستیک.. 63

نتایجشبیه‌سازیوبحث.. 66

6-1برهم‌کنشبینشبکهپلیمرونانوذرهوثوابتالاستیک   66

6-2 دمایانتقالشیشه‌ایپلیمر.. 69

6-2-1 تاثیرافزودننانوذره‌هایGO وAGOبرTg 71

6-2-2 مقایسهتاثیرGOوAGOبرTg 72

 

بخش چهارم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات

نتیجه‌گیریوپیشنهادات.. 74

7-1 نتیجه‌گیری.. 74

7-2 پیشنهاداتبرایانجاممطالعاتبیشتر.. 76

منابع.. 77

                    فهرست اشکال

شکل‏1‑1: ساختارششضلعیوآرایشصفحاتگرافن.. 4

شکل‏1‑2: نحوهتشکیلآلوتروپ‌هایکربنیازصفحاتگرافن [17].. 5

شکل‏1‑3: ساختارگرافیت(الف) وگرافیتاکساید (ب).. 7

شکل‏1‑4: ورقهورقهشدناکسیدگرافیتتوسطامواجمافوقصوتواهمیتمیزاناکسایشگرافیتدرتبدیلآنبهگرافن‌اکساید [23].. 8

شکل‏1‑5: شماتیکفرایندساختنانوکامپوزیتپلی‌پروپیلن/گرافندرمرجع [57]   16

شکل‏1‑6: شماتیکیازواکنشآلکیلاسیوندومرحله‌ایبکارگرفتهشدهدرمرجع [66].   18

شکل‏1‑7:نتایجعکس‌برداریSEMوآنالیزDTGدرکاریوئنکائووهمکارانش [72]   19

شکل‏2‑1:محصولواکنشاکسایشگرافیتبعدازخنثی‌سازیپتاسیمپرمنگناتواکنشنداده.   25

شکل‏2‑2: شماتیکیازاختلاطمحلولیAGOوPP. 27

شکل‏2‑3: قالبطراحیشدهبرایتهیهنمونهDMA.. 28

شکل‏3‑1:شماتیکفرایندسنتزنانوذره (اکسایشگرافیتوآلکیلاسونگرافن‌اکساید)   31

شکل‏3‑2: طیفFT-IRگرافن‌اکساید(GO)وگرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشده(AGO).   31

شکل‏3‑3: تصویراپتیکالازپراکندگیگرافن‌اکساید (سمتراست) وگرافن‌اکسایدآلکیلدارشده (سمتچپ) درحلالزایلن.. 32

شکل‏3‑4: تصویرSEMازنانوکامپوزیتپلی‌پروپیلنبابارگذاری %5/0 AGO   33

شکل‏3‑5: ترموگرافآنالیزجرم‌سنجیحرارتیبرایپلی‌پروپیلنونانوکامپوزیتپلی‌پروپیلن/گرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشدهدرمحیطنیتروژن.. 34

شکل‏3‑6: ارتباطبینبارگذاری‌هایمختلفگرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشدهودماباکاهشوزنی‌هایمتفاوت.. 34

شکل‏3‑7: ترموگرافحرارتیدینامیکیمکانیکیپلی‌پروپیلنونانوکامپوزیتپلی‌پروپیلن/گرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشدهبهعنوانتابعیازدما.. 38

شکل‏3‑8: مدولذخیرهپلی‌پروپیلنونانوکامپوزیتپلی‌پروپیلن/گرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشدهبهعنوانتابعیازدما.. 39

شکل‏3‑9:نمودارتنش-کرنشپلی‌پروپیلنونانوکامپوزیتپلی‌پروپیلن/گرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشده   40

شکل‏3‑10: تاثیربارگذاری‌هایمختلفگرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشدهبرمدولیانگپلی‌پروپیلن.. 41

شکل‏3‑11: تاثیربارگذارهایمختلفگرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشدهبراستحکامکششیپلی‌پروپیلن.. 41

شکل‏5‑1: ساختاریکمولکولپلی‌پروپیلناستفادهشدهدرمدلسیستم.. 56

شکل‏5‑2:ساختارگرافن‌اکسایداستفادهشدهدرمدلسیستم.. 56

شکل‏5‑3: ساختار «گرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشده»استفادهشدهدرمدلسیستم   57

شکل‏5‑4: گروه‌هایموجودبررویصفحاتگرافن: (ازراستبهچپ) هیدروکسیل،اپوکساید،آلکیل،کربونیل،کربوکسیلیکاسید.. 57

شکل‏5‑5: شماتیکپارامترهایبرهم‌کنشدرمیدان‌هاینیرو: (الف) فاصلهبیندواتمپیوندی، (ب) زاویهبینسهاتم، (ج) پیچشخارجصفحه‌ای (د) و (ه) خمشخارجصفحه‌ای.. 59

شکل‏5‑6: مدلمولکولینانوکامپوزیتپلی‌پروپیلن/گرافن‌اکسایدقبلازحداقل‌سازیانرژی (الف) وبعدازحداقل‌سازیانرژی (ب).. 62

شکل‏5‑7:مدلمولکولینانوکامپوزیتپلی‌پروپیلن/گرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشدهقبلازحداقل‌سازیانرژی (الف) وبعدازحداقل‌سازیانرژی (ب).. 62

شکل‏6‑1: دمایانتقالشیشه‌ایپلی‌پروپیلنخالص.. 70

شکل‏6‑2: دمایانتقالشیشه‌ایپلی‌پروپیلن/گرافن‌اکساید.. 71

شکل‏6‑3: دمایانتقالشیشه‌ایپلی‌پروپیلن/گرافن‌اکسایدآلکیل‌دارشده   72

فهرست جداول

جدول‏3‑1:مدولذخیرهPPوPP/AGO.. 39

جدول‏6‑1: انرژیبرهم‌کنشوچسبندگیسطحیبیننانوذرهوزمینهپلیمر   67

جدول‏6‑2: ثوابتالاستیکمحاسبهشدهبرایPP،PP/GOوPP/AGO.. 68

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo