16678

16678

اصلاح شيميايي سطح الياف پلي اتيلن ترفتالات (PET) با اشعه‌ي ماوراي بنفش و چسبندگي آن به لاستيك نيتريل (NBR)

دكتري

مهندسي شيمي

آبان 1395

دكتر مسعود جمشيدي

شيمي

چكيده كامپوزيت‌هاي لاستيكي از افزودن الياف (كوتاه يا بلند) به تركيبات لاستيكي توليد مي‌شوند و به دليل خصوصيات متمايز، امروزه كاربردهاي گسترده‌اي در توليد تاير خودرو، تسمه نقاله‌ها، چادرها و تجهيزات ضد آب نظامي و مخزن سوخت وسايل نقليه دارند. اصولاً يكي از مهم‌ترين عوامل تأثيرگذار بر عملكرد كامپوزيت‌ها، چسبندگي بين پليمر و فاز تقويت‌كننده است. در اين تحقيق، چسبندگي الياف/پارچه پلي اتيلن ترفتالات (PET) به لاستيك نيتريل (NBR) مورد مطالعه قرار گرفت. با توجه به چسبندگي ضعيف دو جزء به يكديگر، سطح الياف PET توسط تابش اشعه ماوراي بنفش (UV) به همراه واكنش‌هاي شيميايي، اصلاح گرديد. هدف اصلي تحقيق با توجه عدم واكنش‌پذيري دو جزء، ايجاد پيوندهاي دوگانه غير اشباع بر سطح الياف PET به منظور ايجاد امكان هم پختي آن با لاستيك نيتريل در حين فرايند ولكانيزه‌شدن و تشكيل اتصالات كوالانسي در فصل مشترك براي ارتقاي چسبندگي بود. براي اين منظور در مرحله‌ي اول، سطح الياف با قرارگيري آنها در حلال استن تحت نور ماوراي بنفش قرار گرفت. انتظار مي‌رود تا طي اين مرحله تعدادي از اتم‌هاي هيدروژن از سطح جدا شده و PET راديكالي ايجاد شود. سپس پليمر راديكالي در معرض گلوتاريك اسيد پراكسايد قرار گرفت تا گلوتاريك اسيد روي زنجيرها پيوندزني شود. بررسي خصوصيات چسبندگي پوست‌كني نشان داد كه اين عامل پيوندزني شده، تأثيري بر چسبندگي PET به NBR ندارد. بنابراين در مرحله بعدي تركيب دي ايزوسياناتي با واكنش دهي PET كربوكسيله، بر روي PET پيوندزده شد. ارزيابي چسبندگي حاكي از آن بود كه چسبندگي الياف PET كربوكسيله پيوندزده شده با دي ايزوسيانات به لاستيك نيتريل افزايش چشمگيري (تا 5/2 برابر) داشت. در مرحله پاياني، به منظور ايجاد پيوندهاي غير اشباع روي سطح ليف، دو نوع الكل غيراشباع با الياف PET كربوكسيله پيوندخورده با دي ايزوسيانات واكنش داده شدند تا ضمن ايجاد گروه‌هاي يورتاني، تركيب هيدروكسيله نيز بر روي الياف پيوندزني شود. نتايج چسبندگي اين نوع ليف به لاستيك نيتريل حاكي از بهبود 4 برابري چسبندگي بين ليف و لاستيك است كه فرضيه‌ي اوليه‌ي هم‌پختي را نيز تا حدودي اثبات مي‌نمود. به منظور تأييد واكنش‌هاي مورد انتظار در مراحل مختلف اصلاح سطحي بر سطح الياف، آناليزهاي FTIR، XPS، H-NMR و SEM-EDX انجام شد كه همگي تأييدكننده‌ي نتايج حاصل بودند. در ادامه با كمك آزمون تورم و آناليزهاي DSC، FTIR و رئومتري، علت بهبود چسبندگي الياف پيوند زني شده با دي ايزوسيانات به لاستيك نيتريل، تشكيل گروه‌هاي تيويورتاني بين ليف و لاستيك طي فرايند پخت تشخيص داده شد. بررسي‌ها نشان داد كه استفاده از الكل‌هاي غيراشباع با جرم مولكولي پائين (gr/mole 88) و بالا (gr/mole 3000)، به ترتيب باعث بهبود چشمگير و افت قابل توجه چسبندگي نسبت به نمونه شاهد شد. علت افت چسبندگي در الكل دوم، تعداد كم گروه‌هاي هيدروكسيل در زنجير (2 تا 3 گروه) و غير فعال كردن سطح الياف پيوندخورده با دي ايزوسيانات تشخيص داده شد. نهايتاً، با اندازه‌گيري كشش سطحي لاستيك و ليف (طي مراحل مختلف اصلاح سطح) و اندازه‌گيري انرژي چسبندگي ليف-لاستيك (G) با روش بيرون‌كشي، ضريب اتلاف (1+ φ) محاسبه و مقايسه گرديد. نتايج نشان داد كه با اصلاح سطحي لايه به لايه، چسبندگي بيرون‌كشي و ضريب اتلاف، افزايش يافته ولي چسبندگي ترموديناميكي برخلاف انتظار تغييرات چشمگيري نخواهد داشت. استفاده از سيستم HRH در آميزه‌ي لاستيك نيز باعث افزايش چسبندگي آن به الياف شد. در كليه‌ي مطالعات، دو دماي پخت 150 و 170 درجه سلسيوس استفاده شد كه مشاهده شد در حضور عامل دي ايزو سيانات دماي پخت بالاتر، چسبندگي بيشتري ايجاد مي‌شود. واژه‌هاي كليدي: كامپوزيت NBR/PET، چسبندگي، اصلاح سطحي به‌روش شيميايي و تابش اشعه‌ي ماوراي بنفش، هم-پختي.

1395/11/27

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: Elastomeric composites are made of rubbery compounds an​d (short o​r long) fibers. They are used widely in tire, conveyer, fuel tank an​d etc. due to their special properties. Adhesion between rubber compound an​d fiber is one of the most important factors influencing composite performance. In this research adhesion of PET fiber/fabrics to Nitrile rubber (NBR) has been studied. Because of NBR to PET week bonding, the fibers were modified by UV-irradiation surface chemical modification. The major aim of this research was performing unsaturated C=C bonds on the PET surface to be co-vulcanized by NBR compound in sulfur vulcanization process. In this way, covalent bonds would be performe at the PET-NBR interface an​d bonding strengths increase. For this purpose, PET fibers were exposed to UV irradiation during immersion in styrene. It was expected to some of hydrogen atoms removed from PET polymer at the surface of fiber. This polymer radical was exposed to glutaric acid peroxide to be grafted by glutaric acid. The peel adhesion of these fibers to rubber compound was eva​luated which it was found that carboxylation has not significant effect on fiber to rubber adhesion. Then, the fibers were exposed to a di-isocyanate compound (MDI) to produce MDI grafted carboxylated PET. Results of peel strength test showed that bonding strength of these fibers to NBR compound improved considerably due to formation of urethane groups (2.5 times in comparison to pristine PET-NBR system). Finally, to perform unsaturated C=C bonds on fiber surface, two different unsaturated alcohols (with low an​d high molecular weights) were used to react with –N=C=O groups of surface modified PET. The peel strength test results showed considerable increment in bonding strength (more than 4 times) between surface modified PET an​d NBR compound. This result approved the researches first assumption. However, FTIR, XPS, H-NMR an​d SEM/EDX analysis were used to study the surface of the PET fibers after each stage of surface modification. Swelling test an​d rheometry, DSC an​d FTIR analysis were used to understand the reasons for improvement of adhesion between MDI grafted PET an​d NBR. It was found that in vulcanization of these materials thio-urethane groups will form due to a click reaction at the interface which increase adhesion. The results showed that the low molecular weight alcohol showed higher adhesion an​d the other one decreased dramatically bonding strength. It was attributed to low thermal stability of the compound at vulcanizing temperature an​d low number of OH groups in the alcohol chain. Finally, surface tensions of the NBR compound an​d PET fiber (after each stage of surface modification) an​d fiber to rubber pullout strength (G) were measured an​d thermodynamic work of adhesion (W) an​d loss function (1+ φ) of the systems were calculated. It was found that by increasing surface modification layer, as it mentioned above, pullout strength an​d loss function increases while thermodynamic work of adhesion of the systems show negligible changes. Keywords: NBR/PET composite, Adhesion, Surface modification, UV irradiation/chemical surface modification, co-vulcanization