فوم های پلی یورتان فلکسیبل تقویت شده با نانوپرکننده های آلی و معدنی

فوم‌های پلیمری در چند دهه گذشته توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند که به دلیل کاربردهای گسترده و نسبت مقاومت به وزن فوق‌العاده، خواص حرارتی، صوتی، عایق، خواص الکتریکی و انعطاف‌پذیری آن ها است. پلی یورتان ها (PUs ) از متنوع ترین خانواده های پلیمری هستند. تغییر پارامترهای کنترلی در طول تولید PU می تواند منجر به طیف گسترده ای از مواد شده که در میان آن ها فوم های PU بیشترین سهم بازار را دارند. فوم های PU به دو دسته ریجید و فلکسیبل به طور کلی تقسیم می شوند. فوم های ریجید بیشتر به دلیل خواص عایق خود استفاده شده، در حالی که فوم های فلکسیبل برای بسته بندی و بسیاری از کاربردهای دیگر استفاده می شوند. با پیشرفت‌های اخیر در صنعت خودروسازی، فوم‌های PU توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند تا در کاربردهای مختلف از فوم‌های نشیمنگاهی گرفته تا محصولات عایق و چسب استفاده شوند. از آنجایی که فوم های PU از پیش سازهای غیرقابل تجدید ساخته می شوند، مطالعات اخیر بر روی کاربرد مواد پایدار جایگزین متمرکز شده است. فوم های PU از پلی ال ها و ایزوسیانات ها با افزودنی های مختلف تولید می شوند و ساختار حاصل، ترکیبی از ساختار حفره ها و مواد جامد است. بخش جامد از سگمنت های سخت (HS )، از جزء ایزوسیانات تولید می شود و بخش های نرم ساخته شده توسط پلی ال ها ساخته شده اند. روغن های طبیعی مختلف به عنوان جایگزین های تجدید پذیر برای بخش پلی ال معرفی شدند، در حالی که HS نسبت وزن بالاتری داشته و از ایزوسیانات ساخته شده است. یکی از راه‌های کاهش مشکلات استفاده از ایزوسیانات بیشتر، استفاده از نانوذرات برای افزایش خواص سلول سخت و در نتیجه کاهش استفاده از ایزوسیانات است. برای این منظور نانوذرات مختلفی معرفی شدند. خواص سطحی، مورفولوژی، شکل، اندازه و سایر ویژگی های پرکننده ها به طور مستقیم بر عملکرد ساختار فوم تأثیر می گذارد. پرکننده های مختلفی به ساختار فوم اضافه می شوند تا جنبه های خاصی از خواص فوم را هدف قرار دهند.

فرمولاسیون پرکننده ها و دانسیته نمونه های فوم
جدول ۱: فرمولاسیون پرکننده ها و دانسیته نمونه های فوم

برخی پرکننده‌ها مانند نانولوله‌های کربنی چند دیواره برای بهبود پایداری حرارتی و تداخل امواج الکترومغناطیسی اضافه می‌شوند. گزارش شده است که نانو سیلیس و نانورس، استحکام فشاری و ارتجاعیت فوم ها را بهبود می بخشند، در حالی که خاک رس و سیلیس در مقیاس میکرو باعث افزایش دانسیته فوم ها می شوند. همچنین گزارش شده است که نانولوله های رسی و نانولوله های هالوزیت (HNT ) به عملکرد مکانیکی و اشتعال پذیری فوم ها کمک می کنند. گرافن همچنین به طور گسترده در فوم های PU فلکسیبل برای هدف قرار دادن عملکرد حرارتی فوم ها به طور خاص برای کاربردهای خودرو استفاده شده است.
پرکننده های مختلف مبتنی بر سلولز نیز برای تقویت فوم های PU استفاده شده است. سلولز فراوان ترین منبع پلیمری تجدیدپذیر است. از مواد سلولزی برای کاربردهای مختلف صنعتی استفاده شده است. کارهای مختلف بر روی کاربردهای سلولز در صنایع کاغذ، نساجی و محصولات جنگلی متمرکز شده است. نانوبلورهای سلولز (CNC) نانوموادی هستند که از عملیات شیمیایی پالپ چوب به دست می‌آیند. CNC خواص مکانیکی استثنایی دارد. در میان نانومواد تجدیدپذیر، CNC ها برای افزایش سختی فوم ها و بهبود خواص حرارتی استفاده می شوند. CNC ها با HS ساختار پیوند هیدروژنی ایجاد می کنند و در عین حال انعطاف پذیری آن را کاهش می دهند. کاهش انعطاف پذیری فوم کاربرد آن ها را در تولید مبلمان محدود می کند در حالی که می تواند ساختار را برای کاربردهای فوم حافظه شکلی مناسب تر نماید. نانوفیبر‌های سلولزی (CNF ) یک ماده الیافی در مقیاس نانو بوده که معمولاً به شکل سوسپانسیون با بیش از ۹۵ درصد آب در دسترس هستند. هنگامی که آبگیری و خشک می شوند، CNF ها خواص چسبندگی خوبی دارند. خواص چسبندگی CNF موضوع مطالعات اخیر با تمرکز بر کاربردهای این مواد در سیستم‌های ورقه‌ای، فیبری و ذرات بوده است. گزارش شده است که CNF یک کاربرد بالقوه به عنوان چسب دارد. رشته های سلولزی دسته دیگری از نانومواد سلولزی بوده که با استفاده از لایه برداری مکانیکی پالپ چوب ساخته شده اند. گزارش شده است که دارای خواص مکانیکی استثنایی و پتانسیل پیوند بالا بوده و پتانسیل استفاده در بسیاری از کاربردها را دارد. با این حال، این ماده قبلا در فرمولاسیون فوم های PU استفاده نشده است. مطالعات بیشتر در مورد تأثیر نانوپرکننده‌ها گزارش داده‌اند که مقادیر بالای نانوپرکننده‌ها ممکن است شکل‌گیری سلول را مختل کرده و منجر به فروپاشی سلولی شود. بنابراین، یافتن مقدار بهینه بارگذاری پرکننده از اهمیت بالایی برخوردار است.

نتایج نسبت دیواره سلولی به منافذ و قطر سلولی فوم های ساخته شده با استفاده از نانوپرکننده های سلولزی مختلف
شکل۱: نتایج نسبت دیواره سلولی به منافذ و قطر سلولی فوم های ساخته شده با استفاده از نانوپرکننده های سلولزی مختلف

دانسیته در سطوح بالاتر بارگذاری:

دانسیته فوم های تولید شده با استفاده از پرکننده های سلولزی مختلف در جدول ۱ ارائه شده است. تأثیر نوع پرکننده، سطح بارگذاری و اثر متقابل این پارامتر بر دانسیته فوم ها با استفاده از مقایسه چند متغیره مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد که نوع پرکننده تأثیر معنی‌داری بر دانسیته فوم‌ها ندارد. مشاهده شد که افزودن پرکننده بیشتر از ۵% باعث کاهش دانسیته فوم شده و بین فوم‌های دارای فیلر ۰.۲ و ۰.۴ درصد و شاهد و ۰.۱ درصد تفاوت معنی‌داری وجود دارد. توجه به این نکته حائز اهمیت است که کاهش دانسیته فوم با افزودن پرکننده ها در صورت عدم تأثیر منفی بر سایر خواص، مطلوب است.

اندازه گیری سلولی در سطوح بارگذاری بالاتر:

نتایج مطالعه بر روی میانگین اندازه سلولی فوم های تولید شده با استفاده از نانوپرکننده های سلولزی مختلف در شکل ۱ (e-f) ارائه شده است. مقایسه اندازه سلول ها، افزایش کلی قطر سلولی فوم ها را با افزایش سطح بارگذاری پرکننده سلولزی نشان می دهد. این را می توان به اختلال ناشی از افزودن پرکننده های بیشتر در طول فرآیند فوم شدن نسبت داد. همچنین قابل توجه است که با افزودن پرکننده های سلولزی تا ۰.۱ درصد، کاهش در قطر سلول ایجاد می کند، در حالی که به نظر می رسد افزودن پرکننده سلولزی بیش از ۰.۱ درصد منجر به افزایش قطر سلولی می گردد. مقایسه نتایج نسبت دیواره سلولی برای فوم های ساخته شده از پرکننده های سلولزی نشان دهنده کاهش کلی در نسبت دیواره سلولی با افزایش بارگذاری پرکننده سلولزی است. این کاهش در سطح بارگذاری ۰.۱ درصد در مقایسه با سایر سطوح بارگذاری بسیار بیشتر است.

نتیجه آزمایش کشش و پارگی روی فوم‌های دارای پرکننده‌های سلولزی، (a) مدول کششی، (b) مقاومت به پارگی، (c) تنش کششی در حداکثر بار، (d)tensile extension
شکل ۲: نتیجه آزمایش کشش و پارگی روی فوم‌های دارای پرکننده‌های سلولزی، (a) مدول کششی، (b) مقاومت به پارگی، (c) تنش کششی در حداکثر بار، (d)tensile extension

تست کشش و پارگی در سطوح بارگذاری بالاتر:

نتایج آزمایش کشش و پارگی روی فوم های تولید شده با استفاده از پرکننده های سلولزی در شکل ۲ ارائه شده است. مقایسه نتایج کششی و پارگی فوم‌های حاوی پرکننده‌های سلولزی روند کاهشی جزئی را در مقادیر پارگی نشان می‌دهد در حالی که با افزایش سطح بارگذاری پرکننده سلولزی، افزایش جزئی در مقادیر مدول کششی را مشاهده می کنیم. درک بهتر تاثیر نوع پرکننده و سطح بارگذاری با کمک مطالعات آماری امکان پذیر است. مطالعه نتایج به‌دست‌آمده از آزمون‌های کششی و پارگی نشان می دهد که نوع پرکننده بر هر دو ویژگی کششی و پارگی فوم‌ها تأثیر معنی‌داری گذاشته، در حالی که سطح بارگذاری تنها تأثیر معنی‌داری بر مقاومت پارگی فوم‌ها در مقدار ۰۵/۰ درصد دارد. مقایسه سختی کششی فوم‌ها بر اساس نوع پرکننده نشان می دهد که تفاوت معنی‌داری در سختی کششی فوم‌های ساخته شده توسط پرکننده‌های CNC و فوم‌های CNF که دارای مقادیر سختی بالاتری هستند، به‌ویژه در سطوح بارگذاری پایین‌تر وجود دارد. با مقایسه اندازه‌گیری‌های نسبت دیواره سلولی برای فوم‌ها با پرکننده‌های CNF در سطوح بارگذاری ۰.۱ و ۰.۲ درصد با سایر پرکننده‌ها، به نظر می‌رسد که CNF اندازه سلول را کاهش داده و نسبت دیواره‌ها را افزایش می‌دهد و در نتیجه به بهبود سختی کششی فوم‌ها کمک می‌کند. در مورد مقاومت در برابر پارگی، تفاوت معنی‌داری بین پرکننده‌ها وجود داشته و CNF بالاترین مقدار مقاومت در برابر پارگی را دارد. مقایسه مقاومت پارگی بر اساس سطح بارگذاری نشان می دهد که نمونه های بارگذاری شده ۰.۴% و ۰.۸% تفاوت معنی داری با سایرین داشته و مقاومت کمتری به پارگی دارند. فوم‌های CNF در سطوح بارگذاری ۰.۱% و ۰.۲% مقاومت پارگی بالاتری داشته، در حالی که پرکننده‌ها در سطوح بارگذاری ۰.۴% و ۰.۸% مقاومت پارگی مشابهی دارند.

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *