|
مولفه |
توضیحات |
|---|---|
|
عنوان پایاننامه |
بهبود خواص حرارتی الیاف یکسرهی پلی استر جهت استفاده در منسوجات صنعتی |
|
نویسنده |
مژگان صالح آبادی |
|
نام استاد راهنما |
محمدجواد عبقری |
|
نام استاد مشاور |
احسان زرین آبادی، امین الدین حاجی |
|
دانشگاه و دانشکده |
دانشگاه یزد / دانشکده نساجی |
|
مقطع تحصیلی |
کارشناسی ارشد |
|
تاریخ دفاع |
1400 |
چکیده پایان نامه:
واژههای کلیدی: الیاف پلیاستر، مقاومت حرارتی، ذوبریسی، نانوذرات مسکوویت، طیفسنجی مادون قرمز، میکروسکوپ الکترونی.
مقدمه:
الیاف پلیاستر به دلیل خواص مکانیکی مطلوب، وزن سبک، استحکام کششی مناسب و مقاومت در برابر عوامل محیطی، یکی از پرکاربردترین الیاف مصنوعی در صنایع مختلف محسوب میشوند. این الیاف در تولید منسوجات فنی، قطعات کامپوزیتی، فیلترهای صنعتی، پوشاک مقاوم، تجهیزات ایمنی و بسیاری از کاربردهای دیگر استفاده میشوند. بااینحال، محدودیت اساسی پلیاستر، مقاومت حرارتی پایین آن است که باعث کاهش عملکرد در دماهای بالا، تغییر شکل، افت استحکام و محدودیت استفاده در صنایع حساس به حرارت میشود. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، نیاز به الیافی با تحمل دمایی بالا ضروری است، بهویژه در صنایعی که مواد در معرض حرارت مستقیم، شعله یا فشارهای حرارتی قرار دارند.
بهبود مقاومت حرارتی پلیاستر ازجمله مباحث موردتوجه محققان بوده و روشهای مختلفی برای دستیابی به این هدف بررسی شده است. استفاده از افزودنیهای مقاوم به حرارت یکی از راهکارهای مؤثر در این زمینه است که باعث افزایش پایداری حرارتی الیاف میشود. نانومواد معدنی، بهویژه نانوذراتی که دارای پایداری شیمیایی و حرارتی بالا هستند، میتوانند بهعنوان تقویتکننده در ساختار پلیاستر عمل کنند. در این پژوهش، از نانوذرات مسکوویت بهعنوان یک ماده معدنی مؤثر در بهبود خواص حرارتی پلیاستر استفاده شده است. مسکوویت به دلیل ساختار لایهای، مقاومت بالا در برابر حرارت و خاصیت ضدشعله، گزینهای مناسب برای اصلاح عملکرد حرارتی پلیاستر محسوب میشود.
نتایج حاصل از این مطالعه نشان داد که افزودن نانوذرات مسکوویت به پلیاستر طی فرایند ذوبریسی، باعث بهبود قابلتوجهی در پایداری حرارتی الیاف شده است. آزمایشهای انجامشده نشان داد که این نانوذرات قادرند مقاومت حرارتی الیاف را تا ۲۰ برابر افزایش دهند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و طیفسنجی مادون قرمز (FTIR) توزیع یکنواخت نانوذرات را در ساختار پلیاستر تأیید کرده و نشان دادهاند که این ذرات از طریق ایجاد پیوندهای قوی با زنجیرههای پلیمری، موجب کاهش تجزیه حرارتی و افزایش تحمل دمایی الیاف شدهاند. همچنین بررسیهای مکانیکی نشان داد که استحکام کششی الیاف اصلاحشده تنها ۲ درصد کاهش یافته است که در محدوده استانداردهای صنعتی قرار دارد و تأثیر قابلتوجهی بر عملکرد مکانیکی الیاف ندارد.
از دیدگاه صنعتی، بهبود مقاومت حرارتی پلیاستر میتواند زمینهساز گسترش کاربردهای آن در صنایع پیشرفته شود. در تولید پارچههای مقاوم به حرارت، فیلترهای صنعتی، منسوجات محافظتی و قطعات کامپوزیتی، افزایش پایداری حرارتی یک مزیت رقابتی محسوب میشود که میتواند عمر مفید محصولات را افزایش داده و هزینههای جایگزینی را کاهش دهد. استفاده از این روش، علاوه بر ارتقای کارایی پلیاستر، موجب کاهش وابستگی به پلیمرهای مقاوم به حرارت گرانقیمت میشود و درعینحال، ازنظر زیستمحیطی نیز یک گزینه پایدار و کمخطر محسوب میشود.
با توجه به این یافتهها، میتوان نتیجه گرفت که اصلاح الیاف پلیاستر با استفاده از نانوذرات مسکوویت، یک راهکار مؤثر، اقتصادی و عملی برای افزایش مقاومت حرارتی این الیاف است. این رویکرد میتواند مسیر جدیدی را برای توسعه مواد پیشرفته در صنایع گوناگون باز کند و زمینه را برای تولید محصولات مقاومتر و مقرونبهصرفهتر فراهم سازد.
مرور ادبیات تحقیق
مطالعات پیشین نشان دادهاند که الیاف پلیاستر به دلیل خواص مکانیکی مناسب، استحکام بالا، مقاومت در برابر سایش و وزن سبک، در بسیاری از صنایع ازجمله نساجی، خودروسازی، منسوجات صنعتی و تجهیزات ایمنی به کار گرفته میشوند. با اینحال، مقاومت حرارتی پایین یکی از مهمترین چالشهایی است که محدودیتهایی در استفاده از این الیاف بهویژه در محیطهای صنعتی با دماهای بالا ایجاد میکند. افت استحکام مکانیکی، تغییر ساختاری در دماهای بالا، کاهش پایداری حرارتی و افزایش اشتعالپذیری ازجمله مشکلاتی هستند که باعث میشوند پلیاستر در برخی از کاربردهای صنعتی عملکرد مطلوبی نداشته باشد. این مسئله در تولید فیلترهای صنعتی مقاوم به دما، پوشاک محافظتی در برابر حرارت، قطعات کامپوزیتی و مواد نساجی مورداستفاده در صنایع خودروسازی و هوافضا اهمیت زیادی دارد. به همین دلیل، تحقیقات گستردهای به بررسی روشهای بهبود عملکرد حرارتی پلیاستر اختصاص یافته است.
روشهای مختلفی برای افزایش مقاومت حرارتی الیاف پلیاستر مورد بررسی قرار گرفتهاند. یکی از روشهای متداول، اصلاحات شیمیایی در ساختار پلیمر است که شامل تغییر در ترکیب شیمیایی زنجیرههای پلیاستر یا افزودن گروههای عاملی مقاوم به حرارت میشود. این روش میتواند موجب بهبود خواص حرارتی پلیاستر شود، اما از طرفی معمولاً فرآیند تولید را پیچیدهتر کرده و ممکن است منجر به افزایش هزینههای تولید شود. علاوه بر این، اصلاحات شیمیایی در برخی موارد میتوانند خواص مکانیکی و انعطافپذیری الیاف را تحت تأثیر قرار دهند که یک چالش مهم در این روش محسوب میشود.
در مطالعات دیگر، ترکیب پلیاستر با پلیمرهای مقاوم به حرارت مانند پلیآمید یا پلیاتیلنسولفون بهعنوان یک راهکار جایگزین مورد بررسی قرار گرفته است. این روش میتواند باعث افزایش مقاومت حرارتی الیاف شود، اما درعینحال، ممکن است مشکلاتی نظیر ناسازگاری فازهای پلیمری، کاهش خواص فیزیکی الیاف و افزایش هزینههای تولید را به همراه داشته باشد. به همین دلیل، استفاده از این روش در مقیاس صنعتی هنوز با محدودیتهایی همراه است و نیاز به تحقیقات بیشتری دارد.
یکی دیگر از روشهای مورد بررسی، افزودن مواد معدنی و نانوذرات به ماتریس پلیاستر است. تحقیقات نشان دادهاند که استفاده از نانومواد معدنی میتواند باعث افزایش مقاومت حرارتی، کاهش اشتعالپذیری و بهبود پایداری ساختاری پلیاستر در دماهای بالا شود. برخی از پژوهشها از نانوذرات سیلیکا، آلومینا، مونتموریلونیت و دیگر رسهای معدنی برای این منظور استفاده کردهاند. این نانوذرات با ایجاد یک شبکه پایدار درون ساختار پلیمر، مانع از تغییرات ساختاری ناگهانی در اثر حرارت شده و از تخریب سریع پلیمر جلوگیری میکنند. بااینحال، یکی از مشکلات این روش، توزیع غیر یکنواخت نانوذرات در ماتریس پلیمری است که میتواند موجب ایجاد نقاط ضعف مکانیکی در ساختار الیاف شده و بر روی خواص فیزیکی محصول نهایی تأثیر منفی بگذارد.
برای حل این مشکل، برخی از مطالعات به بررسی روشهای اصلاح سطحی نانوذرات پرداختهاند. در این روش، قبل از افزودن نانوذرات به پلیمر، سطح آنها با مواد شیمیایی خاصی اصلاح میشود تا تعامل بهتری با زنجیرههای پلیمری داشته باشند. این رویکرد باعث افزایش همگنی در توزیع نانوذرات شده و اثرات منفی ناشی از تجمع آنها را کاهش میدهد. علاوه بر این، برخی از پژوهشها نشان دادهاند که استفاده از روشهای فیزیکی نظیر تابش اشعه ماوراءبنفش برای کاهش اندازه نانوذرات میتواند به بهبود پخش آنها در ساختار پلیمر کمک کرده و موجب افزایش کارایی محصول نهایی شود.
در پژوهش حاضر، نانوذرات مسکوویت بهعنوان یک افزودنی معدنی مؤثر در بهبود خواص حرارتی پلیاستر مورد بررسی قرار گرفته است. مسکوویت یک سیلیکات آلومینیوم با ساختار لایهای است که به دلیل پایداری حرارتی بالا، مقاومت شیمیایی مناسب و خاصیت ضدشعله، گزینهای مناسب برای بهبود عملکرد پلیاستر در دماهای بالا محسوب میشود. این ماده میتواند درون ساختار پلیمر نفوذ کرده و یک شبکه پایدار ایجاد کند که از تجزیه سریع زنجیرههای پلیمری در دماهای بالا جلوگیری میکند. علاوه بر این، مسکوویت دارای هدایت حرارتی مناسبی است که میتواند به دفع سریعتر حرارت از سطح الیاف کمک کند و مانع از تمرکز تنشهای حرارتی در ساختار پلیاستر شود.
نتایج مطالعات قبلی نشان داده است که درصد وزنی نانوذرات در ترکیب پلیاستر، تأثیر قابلتوجهی بر خواص حرارتی و مکانیکی آن دارد. بهعنوان مثال، برخی از پژوهشها نشان دادهاند که افزایش بیشازحد نانوذرات میتواند منجر به افزایش شکنندگی و کاهش انعطافپذیری الیاف شود، درحالیکه مقادیر کمتر از حد بهینه، تأثیر محسوسی بر افزایش مقاومت حرارتی ندارد. بنابراین، تعیین مقدار بهینه نانوذرات در فرایند تولید، یکی از چالشهای اصلی در این حوزه محسوب میشود که نیازمند تحقیقات دقیق و بررسی آزمایشگاهی است.
از دیگر چالشهای مطرحشده در پژوهشهای پیشین، پایداری بلندمدت نانوذرات در ساختار پلیاستر است. برخی از مطالعات نشان دادهاند که با گذشت زمان و تحت تأثیر عوامل محیطی مانند رطوبت و فشار مکانیکی، ممکن است نانوذرات از ماتریس پلیاستر خارج شده یا تجمع یابند که این موضوع میتواند منجر به کاهش کارایی بلندمدت محصول شود. برای مقابله با این مشکل، استفاده از فرایندهای تثبیت نانوذرات در پلیمر ازجمله ایجاد پیوندهای کووالانسی بین نانوذرات و زنجیرههای پلیاستر پیشنهاد شده است. این روش میتواند موجب افزایش پایداری و جلوگیری از مهاجرت نانوذرات در طول زمان شود.
بر اساس یافتههای حاصل از مطالعات پیشین، میتوان نتیجه گرفت که استفاده از نانوذرات مسکوویت در اصلاح خواص حرارتی پلیاستر، یک روش عملی، اقتصادی و قابلاجرا در مقیاس صنعتی است. این فناوری میتواند جایگزین مناسبی برای استفاده از پلیمرهای مقاوم به حرارت گرانقیمت باشد و درعینحال، هزینههای تولید را کاهش داده و عملکرد الیاف را بهبود ببخشد. بااینحال، همچنان چالشهایی مانند کنترل دقیق میزان نانوذرات، بهینهسازی روشهای پخش و تثبیت آنها، و بررسی رفتار بلندمدت این ترکیب در شرایط صنعتی نیازمند تحقیقات بیشتری است. درصورتیکه این چالشها بهدرستی مدیریت شوند، پلیاستر اصلاحشده با نانوذرات معدنی میتواند در صنایع پیشرفته نظیر هوافضا، خودروسازی، منسوجات محافظتی و فیلترهای صنعتی مقاوم به دما مورد استفاده قرار گیرد و موجب افزایش بهرهوری، کاهش هزینههای جایگزینی و بهبود ایمنی در محیطهای صنعتی شود.
روش تحقیق
برای انجام این پژوهش، از یک رویکرد تجربی و تحلیلی بهره گرفته شد تا تأثیر نانوذرات مسکوویت بر افزایش مقاومت حرارتی و حفظ خواص مکانیکی الیاف پلیاستر مورد بررسی دقیق قرار گیرد. این مطالعه شامل چندین مرحله از آمادهسازی مواد اولیه، اصلاح و پردازش نانوذرات، فرایند تولید الیاف، و ارزیابی ویژگیهای حرارتی و مکانیکی نمونههای اصلاحشده بود. هدف از این روش، بررسی رابطه میان درصد وزنی نانوذرات، میزان توزیع آنها در ماتریس پلیاستر، و تغییرات ایجادشده در خواص فیزیکی و شیمیایی الیاف است. مواد مورد استفاده در این تحقیق شامل چیپس پلیاستر خالص، نانوذرات مسکوویت، و افزودنیهای بهبوددهنده پراکندگی بود. چیپسهای پلیاستر (PET) با گرید صنعتی از شرکتهای تأمینکننده مواد اولیه پلیمر تهیه شده و دارای ویژگیهایی نظیر دمای ذوب حدود ۲۶۰ درجه سانتیگراد، چگالی ۱.۳۸ گرم بر سانتیمتر مکعب، و شاخص ذوب ۱۲-۱۴ گرم در طول ده دقیقه بودند. نانوذرات مسکوویت با اندازه اولیه متوسط ۵۰۰-۷۰۰ نانومتر بهعنوان یک تقویتکننده حرارتی انتخاب شدند. این نانوذرات دارای ساختار ورقهای، رسانایی حرارتی بالا، مقاومت شیمیایی مناسب، و خاصیت ضدشعله هستند که میتوانند با ایجاد یک شبکه پایدار درون پلیمر، مانع از تجزیه زودهنگام الیاف در دماهای بالا شوند.
برای بهبود عملکرد نانوذرات، فرایند کاهش اندازه ذرات با استفاده از اشعه ماوراءبنفش (UV-assisted milling) انجام شد. در این روش، نانوذرات تحت تابش اشعه UV با طول موج ۲۵۴ نانومتر قرار گرفتند تا اندازه آنها به محدوده ۵۰-۱۵۰ نانومتر کاهش یابد. این کاهش اندازه موجب افزایش سطح تماس نانوذرات، بهبود پراکندگی درون ماتریس پلیاستر، و جلوگیری از ایجاد تجمعات ذرهای شد. همچنین، برای افزایش سازگاری شیمیایی نانوذرات با پلیمر، از عاملهای پراکندگی مانند پلیاتیلنگلیکول (PEG) و سیلانهای اصلاحشده استفاده شد. این افزودنیها موجب بهبود تعامل بین نانوذرات و زنجیرههای پلیمری شده و پایداری حرارتی نهایی را افزایش دادند. پس از آمادهسازی مواد اولیه، ترکیب نانوذرات با پلیاستر طی فرایند ذوبریسی (Melt Spinning) انجام شد. در این مرحله، چیپسهای پلیاستر در دمای ۲۸۰ درجه سانتیگراد داخل اکسترودر ذوب شده و نانوذرات مسکوویت در نسبتهای مختلف (۱، ۲، ۳، 4 و ۵ درصد وزنی) به مذاب پلیمری اضافه شدند. برای اطمینان از توزیع یکنواخت نانوذرات، از همزنهای مکانیکی با سرعت متغیر (۱۵۰۰-۳۰۰۰ دور در دقیقه) و دستگاه فراصوت (Ultrasonication) با توان ۲۰۰ وات استفاده شد که باعث شکست تجمعات ذرهای و توزیع بهتر آنها در ماتریس پلیمری شد.
الیاف حاصل از طریق نازلهای رشتهساز با قطر ۰.۴ میلیمتر ریسیده شده و به منظور تثبیت خواص، تحت فرایند کششدهی (Drawing) با نسبت ۴:۱ قرار گرفتند. این مرحله موجب افزایش آرایش زنجیرههای پلیمری و بهبود استحکام کششی الیاف شد. درنهایت، الیاف برای حذف تنشهای داخلی، تحت فرایند تثبیت حرارتی در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد به مدت ۳۰ دقیقه قرار گرفتند
برای بررسی تأثیر نانوذرات مسکوویت بر الیاف پلیاستر، آزمونهای حرارتی و مکانیکی متعددی انجام شد. تحلیل گرماسنجی (TGA) و گرمایی تفاضلی (DSC) نشان دادند که افزودن نانوذرات باعث افزایش دمای تخریب و بهبود پایداری حرارتی الیاف شده است. همچنین، آزمون نرخ گسترش شعله (LOI) کاهش اشتعالپذیری نمونههای اصلاحشده را تأیید کرد.
بررسی ساختاری با طیفسنجی مادون قرمز (FTIR) نشان داد که نانوذرات تغییری در پیوندهای شیمیایی پلیاستر ایجاد نکردهاند و تنها بهعنوان تقویتکننده فیزیکی عمل کردهاند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی (SEM)و(TEM)توزیع یکنواخت نانوذرات را تأیید کردند که نشاندهنده موفقیت روشهای اصلاح سطحی در جلوگیری از تجمع ذرات بود.
در آزمون کشش تکمحوری، مشخص شد که افزودن تا ۳ درصد وزنی نانوذرات تأثیر منفی ناچیزی بر استحکام مکانیکی دارد، اما در مقادیر بالاتر، شکنندگی الیاف افزایش یافت. همچنین، آزمون زاویه تماس قطره (WCA) نشان داد که مسکوویت خاصیت آبگریزی الیاف را بهبود بخشیده است. تحلیل آماری (ANOVA) تأیید کرد که مقدار ۳ درصد نانوذرات، تعادل بهینهای بین بهبود مقاومت حرارتی و حفظ استحکام مکانیکی ایجاد میکند، که این امر میتواند به بهینهسازی تولید صنعتی الیاف مقاوم به حرارت کمک کند.
برای تحلیل نتایج و یافتن مقدار بهینه نانوذرات، از روش طراحی آزمایشها (DOE) و تحلیل واریانس (ANOVA) استفاده شد. نتایج بهدستآمده نشان داد که افزودن ۳درصد وزنی نانوذرات مسکوویت باعث افزایش ۲۰ برابری مقاومت حرارتی (Td50)، کاهش ۳۰ درصد اشتعالپذیری، و تنها ۲ درصد افت استحکام کششی شد که در محدوده استانداردهای صنعتی قابلقبول بود. در نمونههایی که بیش از ۴درصد وزنی نانوذرات داشتند، افزایش شکنندگی و کاهش انعطافپذیری مشاهده شد که نشان داد مقدار بهینه باید کنترل شود.
نتایج تحقیق
نتایج این پژوهش نشان داد که افزودن نانوذرات مسکوویت به ساختار الیاف پلیاستر تأثیر قابلتوجهی بر بهبود مقاومت حرارتی، کاهش اشتعالپذیری و حفظ خواص مکانیکی دارد. تحلیل دادههای حاصل از آزمونهای گرماسنجی (TGA) نشان داد که دمای تخریب ۵۰ درصد وزنی (Td50) در نمونههای حاوی ۳ درصد وزنی نانوذرات مسکوویت، حدود ۲۰درصد افزایش یافت که نشاندهنده بهبود پایداری حرارتی این الیاف در مقایسه با نمونههای شاهد است. این پایداری حرارتی بالاتر را میتوان به ایجاد پیوندهای بینمولکولی قوی میان نانوذرات و زنجیرههای پلیمری نسبت داد که موجب کاهش تحرک حرارتی پلیمر شده و از تخریب زودهنگام آن در دماهای بالا جلوگیری میکند. این ویژگی برای کاربردهای صنعتی که در معرض دماهای بالا قرار دارند، مانند منسوجات مقاوم به حرارت و قطعات کامپوزیتی، یک مزیت کلیدی محسوب میشود.
نتایج آزمونهای نرخ گسترش شعله (LOI) نشان داد که حضور نانوذرات مسکوویت باعث کاهش ۳۰ درصد اشتعالپذیری الیاف پلیاستر شده است. این کاهش اشتعالپذیری به دلیل ایجاد یک لایه محافظ سرامیکی توسط نانوذرات در حین حرارتدهی است که از انتشار شعله و تجزیه زودرس پلیمر جلوگیری میکند. این پدیده که در تحقیقات پیشین بر روی نانوذرات سرامیکی دیگر نیز مشاهده شده، میتواند افزایش ایمنی منسوجات صنعتی، لباسهای محافظتی و مواد کامپوزیتی مورد استفاده در صنایع هوافضا و خودروسازی را تضمین کند. بررسیهای انجامشده با استفاده از تحلیل گرمایی تفاضلی (DSC) نشان داد که دمای انتقال شیشهای (Tg) الیاف پلیاستر اصلاحشده، افزایش ۱۵ درجهای نسبت به نمونههای خالص داشت که نشاندهنده افزایش پایداری حرارتی زنجیرههای پلیمری و کاهش انعطافپذیری بیشازحد در دماهای بالا است.
برای بررسی نحوه توزیع نانوذرات و ارتباط آن با خواص مکانیکی و حرارتی، از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) استفاده شد. این تصاویر نشان داد که نانوذرات مسکوویت در نمونههای حاوی ۳درصد وزنی بهطور یکنواخت در ماتریس پلیاستر توزیع شدهاند و هیچگونه خوشهبندی یا تجمع نامنظم مشاهده نشد. این نتیجه تأیید میکند که استفاده از روشهای اصلاح سطحی نانوذرات و بهکارگیری تابش اشعه ماوراءبنفش برای کاهش اندازه ذرات، نقش مؤثری در دستیابی به یک ترکیب همگن و پایدار داشته است. در مقابل، در نمونههای حاوی ۴ درصد و ۵ درصد وزنی نانوذرات، خوشهبندی و تجمع ذرات مشاهده شد که نشان داد مقادیر بیشازحد نانوذرات میتواند منجر به ضعف مکانیکی و کاهش کارایی الیاف شود.
نتایج آزمون کشش تکمحوری نشان داد که افزودن نانوذرات مسکوویت تا ۳ درصد وزنی، تنها ۲ درصد کاهش در استحکام کششی ایجاد کرده است، که این میزان در محدوده استانداردهای صنعتی قابلقبول است. بااینحال، در نمونههای حاوی ۴ درصد و ۵ درصد وزنی نانوذرات، افزایش شکنندگی و کاهش انعطافپذیری مشاهده شد که نشاندهنده اثر منفی افزایش بیشازحد این نانوذرات بر شبکه پلیاستری است. این تغییر را میتوان به کاهش تحرک زنجیرههای پلیمری و ایجاد نواحی تمرکز تنش در نقاطی که تجمع ذرات رخ داده است، نسبت داد. از این منظر، کنترل مقدار بهینه نانوذرات برای دستیابی به ترکیبی که همزمان بهبود حرارتی و مکانیکی را تضمین کند، امری ضروری است.
در بخش بررسی میزان جذب رطوبت، آزمون زاویه تماس قطره (WCA) نشان داد که افزودن نانوذرات مسکوویت موجب افزایش ۲۵ درصد زاویه تماس آب با سطح الیاف شده است که نشاندهنده بهبود خاصیت آبگریزی و کاهش جذب رطوبت است. این ویژگی در صنایعی که الیاف در معرض رطوبت و محیطهای خورنده قرار دارند، مانند فیلترهای صنعتی و منسوجات مورد استفاده در محیطهای مرطوب، اهمیت زیادی دارد.
بهمنظور بررسی ارتباط میان درصد وزنی نانوذرات و خواص نهایی الیاف، تحلیل آماری دادهها با روش طراحی آزمایشها (DOE) و تحلیل واریانس (ANOVA) انجام شد. نتایج نشان داد که ۳ درصد وزنی نانوذرات مسکوویت، مقدار بهینه برای دستیابی به تعادل میان بهبود مقاومت حرارتی، کاهش اشتعالپذیری و حفظ استحکام مکانیکی است. این مقدار نهتنها موجب افزایش ۲۰درصد دمای تخریب و ۳۰ درصد کاهش اشتعالپذیری شد، بلکه کمترین اثر منفی بر خواص مکانیکی را نشان داد. در مقابل، نمونههای دارای ۴ درصد و ۵ درصد وزنی نانوذرات، به دلیل افزایش شکنندگی و کاهش یکنواختی ساختاری، عملکرد ضعیفتری نسبت به نمونههای بهینه داشتند.
این یافتهها نشان میدهند که اصلاح پلیاستر با نانوذرات مسکوویت میتواند بهعنوان یک راهکار صنعتی مقرونبهصرفه برای افزایش مقاومت حرارتی و کاهش اشتعالپذیری الیاف مورد استفاده قرار گیرد. از منظر کاربردی، این نتایج نشان میدهد که الیاف پلیاستر اصلاحشده میتوانند در صنایع هوافضا، خودروسازی، منسوجات صنعتی و تولید تجهیزات محافظتی، جایگزین مواد گرانقیمت و کمدوام شوند. علاوه بر این، افزایش مقاومت حرارتی و کاهش اشتعالپذیری این الیاف، میتواند در تولید پارچههای ضدشعله و قطعات فنی مقاوم به حرارت، باعث کاهش هزینههای جایگزینی، افزایش طول عمر محصولات و بهبود ایمنی محیطهای صنعتی شود.
بر اساس یافتههای این پژوهش، پیشنهاد میشود که در تحقیقات آینده، تأثیر فرایندهای اصلاح شیمیایی بر روی پیوندهای نانوذرات مسکوویت با زنجیرههای پلیاستر بررسی شود تا پایداری حرارتی بلندمدت این ترکیب بهینه گردد. همچنین، مطالعات بیشتری در زمینه ترکیب این نانوذرات با سایر مواد مقاوم به حرارت، مانند نانولولههای کربنی یا گرافن، میتواند به افزایش خواص مکانیکی و کاهش وزن نهایی محصول کمک کند. درنهایت، بررسی عملکرد این الیاف در مقیاس صنعتی و مقایسه آن با سایر روشهای بهبود حرارتی پلیاستر، میتواند به توسعه فرایندهای تولیدی کارآمدتر و اقتصادیتر کمک کند.
بحث و نتیجه گیری
تفسیر نتایج
نتایج این پژوهش نشان داد که افزودن نانوذرات مسکوویت به پلیاستر در فرایند ذوبریسی، بهطور مؤثری باعث افزایش مقاومت حرارتی و کاهش اشتعالپذیری الیاف شد، بدون آنکه تأثیر منفی چشمگیری بر خواص مکانیکی داشته باشد. تحلیل دادههای گرماسنجی (TGA) و گرمایی تفاضلی (DSC) مشخص کرد که دمای تخریب الیاف حاوی ۳ درصد وزنی نانوذرات، به میزان ۲۰درصد افزایش یافت، درحالیکه میزان اشتعالپذیری آنها ۳۰٪ کاهش نشان داد. این بهبود ناشی از اثر تقویتکنندگی نانوذرات مسکوویت است که با ایجاد ساختارهای لایهای پایدار درون پلیمر، مانع از تجزیه سریع زنجیرههای پلیاستری در دماهای بالا شده و یک سد حرارتی برای کاهش نرخ گسترش شعله ایجاد میکند.
تصاویر SEM و TEM نشان دادند که نانوذرات در مقدار بهینه بهطور یکنواخت در ساختار پلیاستر توزیع شدهاند و خوشهبندی یا تجمع ذرات مشاهده نشد. این موضوع تأیید میکند که استفاده از اصلاح سطحی نانوذرات و پردازش اولیه با اشعه ماوراءبنفش نقش کلیدی در بهبود پراکندگی آنها داشته است. در مقابل، نمونههای حاوی ۴درصد و ۵ درصد وزنی نانوذرات، دچار کاهش یکنواختی و افزایش شکنندگی شدند که نشان میدهد افزایش بیشازحد این افزودنی میتواند باعث کاهش انعطافپذیری و افزایش تمرکز تنش در ساختار پلیمر شود. بررسی آزمون کشش تکمحوری نیز نشان داد که نمونههای حاوی ۳ درصد وزنی نانوذرات، تنها ۲ درصد افت در استحکام کششی داشتند که در محدوده استانداردهای صنعتی قابلقبول است. این مسئله نشان میدهد که افزودن مقادیر کنترلشدهای از نانوذرات میتواند منجر به بهبود مقاومت حرارتی بدون کاهش کارایی مکانیکی الیاف شود، که در صنایع نساجی، خودروسازی، هوافضا و تجهیزات حفاظتی از اهمیت بالایی برخوردار است.
محدودیت ها
علیرغم بهبود قابلتوجهی که در مقاومت حرارتی و کاهش اشتعالپذیری پلیاستر حاصل شد، برخی چالشهای فنی و محدودیتهای اجرایی همچنان باقی مانده است. یکی از مشکلات کلیدی، افزایش شکنندگی الیاف در مقادیر بالاتر از ۴ درصد وزنی نانوذرات است که نشان میدهد محدوده استفاده از این افزودنی در پلیاستر نیازمند بهینهسازی دقیق برای حفظ تعادل میان بهبود مقاومت حرارتی و خواص مکانیکی است.
محدودیت دیگر، فرایندهای پراکندگی و تثبیت نانوذرات در مقیاس صنعتی است. درحالیکه آزمایشهای آزمایشگاهی نشان داد که اصلاح سطحی نانوذرات و پردازش با اشعه ماوراءبنفش موجب بهبود پراکندگی آنها میشود، اما انتقال این تکنیکها به مقیاس صنعتی و فرایندهای تولید انبوه، نیازمند بررسی بیشتر و بهینهسازی خطوط تولید است. در برخی موارد، فرایندهای اکستروژن و ذوبریسی با تجمع ذرات در برخی نقاط الیاف مواجه شدند که میتواند بر روی خواص مکانیکی محصول نهایی تأثیر منفی بگذارد. این موضوع نیازمند بهبود روشهای ترکیب و پراکندگی نانوذرات، ازجمله استفاده از افزودنیهای سازگارکننده و طراحی اصلاحشده اکسترودرها است.
همچنین، در محیطهای صنعتی که پلیاستر در شرایط رطوبت بالا و تنشهای مکانیکی شدید قرار دارد، پایداری بلندمدت این نانوذرات در ساختار پلیمر نیازمند بررسی بیشتری است. برخی مطالعات نشان دادهاند که نانوذرات معدنی ممکن است در طول زمان و تحت تأثیر عوامل محیطی، بهتدریج از ماتریس پلیمری جدا شوند که این مسئله میتواند بر عملکرد بلندمدت محصول تأثیرگذار باشد. برای حل این چالش، بررسی تعاملات شیمیایی میان نانوذرات و زنجیرههای پلیاستری، استفاده از پوششهای پایدارکننده و آزمایشهای تسریعشده پیری حرارتی پیشنهاد میشود.
پیشنهادات
نتایج این پژوهش نشان میدهد که الیاف پلیاستر اصلاحشده با ۳ درصد وزنی نانوذرات مسکوویت، میتوانند جایگزینی ایدهآل برای مواد مقاوم به حرارت در صنایع مختلف باشند. در حوزه نساجی صنعتی، این الیاف میتوانند در تولید پارچههای مقاوم به حرارت، فیلترهای صنعتی و منسوجات محافظتی کاربرد داشته باشند. همچنین، در صنایع خودروسازی و هوافضا، استفاده از این الیاف در ساخت قطعات کامپوزیتی، کاهش وزن کلی محصولات و افزایش پایداری حرارتی آنها را به همراه خواهد داشت.
از دیدگاه تولید صنعتی، پیشنهاد میشود که فرایندهای اکستروژن و ذوبریسی بهینهسازی شوند تا بتوان از این فناوری در خطوط تولید انبوه استفاده کرد. یکی از راهکارهای پیشنهادی، استفاده از اکسترودرهای دو ماردونه با قابلیت پراکندگی بهبودیافته است که میتواند یکنواختی توزیع نانوذرات را افزایش داده و از مشکلات تجمع ذرات جلوگیری کند. علاوه بر این، افزودن اصلاحکنندههای شیمیایی برای تثبیت نانوذرات درون ساختار پلیمر میتواند مانع از جدا شدن آنها در طول زمان شده و پایداری حرارتی بلندمدت را تضمین کند.
از منظر تحقیقات آینده، بررسی ترکیب نانوذرات مسکوویت با سایر نانومواد مانند نانولولههای کربنی و گرافن میتواند به توسعه الیافی با خواص بهبودیافته منجر شود. همچنین، پیشنهاد میشود که تأثیر اصلاحات شیمیایی سطحی نانوذرات بر افزایش برهمکنش آنها با پلیاستر بررسی شود تا بتوان پایداری حرارتی و مکانیکی را بهصورت همزمان بهبود بخشید.
نتیجهگیری نهایی این پژوهش نشان میدهد که نانوذرات مسکوویت بهعنوان یک افزودنی مؤثر، قابلیت افزایش مقاومت حرارتی و کاهش اشتعالپذیری الیاف پلیاستر را دارد، بدون آنکه تأثیر منفی قابلتوجهی بر استحکام مکانیکی بگذارد. بااینحال، برای تجاریسازی این فناوری، بهینهسازی فرایندهای تولید، بهبود روشهای پراکندگی نانوذرات، و بررسی پایداری بلندمدت محصول در شرایط صنعتی ضروری است. درصورتیکه این چالشها برطرف شوند، این فناوری میتواند منجر به توسعه محصولاتی مقرونبهصرفه، مقاومتر و با ایمنی بالاتر برای کاربردهای صنعتی پیشرفته شود.
مراجع
- مزروعی سبدانی، خدامی. “مروری بر ابرآبگریزی: خاصیتی ویژه در منسوجات.” علوم و فناوری نساجی، ۳۱(۲)، ۲۳-۳۸، ۲۰۱۰.
- Borges, João, and João F. Mano. “Molecular interactions driving the layer-by-layer assembly of multilayers.” Chemical Reviews, 114.18 (2014): 8883-8942.
- National Textile Centre Annual Report, Ultrahydrophobic Fibers: Lotus Approach, Project number: C04-CL06, September 2004.
- National Textile Centre Annual Report, Hybrid Polymer Nanolayer for Surface Modification of Fibres, Project number: M01-CL03, November 2003.
- Miwa M., Nakajima A., Fujishima A., Hashimoto K., and Watanabe T. “Effects of the surface roughness on sliding angles of water droplets on superhydrophobic surfaces.” Langmuir, 16 (2000): 5754-5760.
- اخوها، صالحی ش. و شایسته فرش. “بررسی و مقایسه خواص آبگریزی پارچه پنبهای عمل شده با مواد ضد آب متفاوت.” هشتمین کنفرانس ملی مهندسی نساجی ایران، دانشگاه یزد، ۱۳۹۱.
- Tran N.D., Dutta N.K., and Choudhury N.R. “Plasma-polymerized perfluoro (methylcyclohexane) coating on ethylene propylene diene elastomer surface: Effect of plasma processing condition on the deposition kinetics, morphology, and surface energy of the film.” Thin Solid Films, 491 (2005): 123-132.
- Nishino T., Meguro M., Nakamae K., Matsushita M., and Ueda Y. “The lowest surface free energy based on -CF3 alignment.” Langmuir, 15 (1999): 4321-4323.
- Borges, João, and João F. Mano. “Molecular interactions driving the layer-by-layer assembly of multilayers.” Chemical Reviews, 114.18 (2014): 8883-8942.
- Xue C.H., Jia S.T., Chen H.Z., and Wang M. “Superhydrophobic cotton fabrics prepared by sol-gel coating of TiO2 and surface hydrophobization.” Science and Technology of Advanced Materials, 9 (2008): 1-5.
- Guo Z., Liu W., and Su B. “Superhydrophobic surfaces: From natural to biomimetic to functional.” Journal of Colloid and Interface Science, 353 (2011): 335-355.
- Liu Y., Chen X., and Xin J.H. “Hydrophobic duck feathers and their simulation on textile substrates for water repellent treatment.” Bioinspiration & Biomimetics, 3 (2008): 1-8.
- Zille, A., Oliveira, F.R., and Souto, A.P. “Plasma Treatment in Textile Industry.” Plasma Processes and Polymers, 12 (2015): 98-131.
- Karimi, A., Izadan, H., Khoddami, A., Mazrouei-Sebdani, Z., & Hosseini Ravandi, S.A. “Synthesis and hydrophobic evaluation of the electro-spun nano-TiO2/PET fibrous bats after treatment with an alkaline solution and fluorocarbon material.” The Journal of the Textile Institute, 109(5), 569-576, 2018.
- Zanini, S., Freti, S., Citterio, A., & Riccardi, C. “Characterization of hydro- and oleo-repellent pure cashmere and wool/nylon textiles obtained by atmospheric pressure plasma pre-treatment and coating with a fluorocarbon resin.” Surface and Coatings Technology, 292 (2016): 155-160.