تأثیر نانوذرات پرلیت بر خواص کششی کامپوزیت HDPE/NR و بهینه‌سازی ترکیب با روش سطح پاسخ و طرح مرکب مرکزی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی قم، قم، صندوق پستی 1519-37195

چکیده

در این پژوهش اثر افزودن نانوذرات پرلیت بر کامپوزیت پلی‌اتیلن چگالی‌ بالا/لاستیک طبیعی به‌منظور بهبود خواص کششی نانوکامپوزیت پرلیت/NR/HDPE به‌صورت تجربی مطالعه شده است. برای تولید نمونه‌ها، با استفاده از مخلوط‌کن داخلی و روش اختلاط مذاب، نانوکامپوزیت پلی‌اتیلن چگالی بالا / لاستیک طبیعی / پرلیت با درصدهای مختلف تهیه شد. با برش ورق حاصله، نمونه‌های آزمون کشش تهیه و با انجام آزمون‌های مورد نیاز، استحکام کششی و درصد ازدیاد طول تا نقطه گسیختگی نمونه‌های مختلف به‌دست آمد. برای تحلیل و بررسی تأثیر پارامترهای ترکیب کامپوزیت یعنی درصد وزنی پرلیت و لاستیک طبیعی، از روش بهینه‌سازی سطح پاسخ و از طرح پنج سطحی مرکب مرکزی استفاده شد. همچنین از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای بررسی ریز ساختار نمونه‌های نانوکامپوزیت و ارزیابی نحوه اختلاط بهره گرفته شد. نتایج نشان داد مقدار پرلیت تأثیر غیر همنوایی روی خواص کششی نانوکامپوزیت حاصل دارد و در برخی موارد منجر به افزایش استحکام و کاهش ازدیاد طول می‌شود. همچنین، مشخص گردید در صورت توزیع یکنواخت نانوذرات پرلیت در ماده زمینه، حضور این نانوذرات منجر به کوچک شدن اندازه فاز لاستیک طبیعی می‌شود که به نوبه خود موجب بهبود خواص کششی کامپوزیت حاصل می شود. مقایسه نتایج کسب شده از نمونه‌های مختلف نشان داد نمونه با نانوذره پرلیت به میزان 7 درصد وزنی و لاستیک طبیعی با 20 درصد وزنی، مقدار استحکام کششی کامپوزیت حاصل به 12 مگاپاسکال افزایش می‌یابد. با توجه به نتایجی که بهینه‌سازی چند متغیره ارائه کرد، مقدار بهینه درصد وزنی لاستیک طبیعی و نانوذرات پرلیت به‌ترتیب برابر 36/89 و 3/00 درصد به‌دست آمد که در این صورت مقدار استحکام کششی و تغییر طول تا شکست در بیشینه مقدار خود به‌ترتیب مگاپاسکال 8/32 و 38/89 درصد تعیین شدند. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Effect of Pertlite Nanoparticles on the Tensile Properties of NR/HDPE Composite and Optimization of its Composition Using Response Surface Method

نویسندگان [English]

  • S.M. Aghanejad
  • J. Ghanbari
Department of Mechanical Engineering, Qom University of Technology, Qom, P.O. Box 1519-37195
چکیده [English]

In this study, the effect of the perlite nanoparticles on the mechanical properties of a pearlite/NR/HDPE nanocomposite was experimentally investigated. A high-density polyethylene/natural rubber /perlite nanocomposite was synthesized using an internal mixer and a melt mixing method, with varying compositions. Uniaxial tension tests were carried out to obtian the tensile strength and elongation of the samples. The response surface method and the central composite design were employed as experiment design and optimiztion tools to obtian the influence of composite composition parameters, specifically, the weight percentage of perlite and natural rubber. Furthermore, scanning electron microscopy was utilized to inspect the microstructure of the nanocomposite samples, and to evaluate the efficacy of the mixing method. The experimental results derived from the various samples revealed that a sample containing 7 wt.% perlite nanoparticles and 20 wt.% natural rubber demonstrated a significant enhancement in the tensile strength, reaching up to 12 MPa. Moreover, the multivariable optimization data suggested that the optimal weight percentages for natural rubber and perlite nanoparticles were 36.89% and 3.00%, respectively. Under these conditions, both the tensile strength and the elongation at failure point achieved their maximum values, recorded as 8.32 MPa and 38.89%, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • High-density Polyethylene
  • Natural rubber
  • Perlite
  • Nanocomposite
  • Response surface method (RSM)

مراجع

  1. Dashtbayazi M, Mahmoudi Meymand M. Simulation of Elastic Properties of Polymer- Clay Nanocomposite. J Adv Mate. 2022; 34(3): 69-86. doi: 18869/ acadpub.jame.34.3.69.
  2. Arefazar A, Shokoohi S. Polymer blends and alloys. Amirkabir University of Technology Publications, Tehran, Iran. 2010:1-3.
  3. Soltani M, Niroumand B, Shamanian M. Optimization of surface mechanical properties and characterization of AZ31B/CNT nano-composite through friction stir processing (FSP) using response surface methodology (RSM) design of experiment. J Adv Mater. 2022;36(2):15-32.
  4. Nazari M, Baharvandi, HR, Ehsani, N. Investigating the Effect of Chemical Composition and Sintering Temperature on Mechanical Properties of SiC-5TiB2 Nano Composite Reinforced by Graphene Quantum dot using Taguchi Test Design Method. J Adv Mater. 2023; 42(2): 69-84. doi: 10.47176/jame.42.2.1034.
  5. Akbari B, Tavandashti MP, Zandrahimi M. Particle size characterization of nanoparticles-a practical approach. Iran J Mater Sci Eng. 2011;8(2):1–9.
  6. Drobny JG. Handbook of thermoplastic elastomers. Elsevier; 2014.
  7. Marić M, Macosko CW. Improving polymer blend dispersion in mini‐mixers. Polym Eng Sci. 2001; 41(1):118-30.
  8. Cui YY, Dong BJ, Li BL, Li SC. Properties of polypropylene/poly(ethylene terephthalate) thermostimulative shape memory blends reactively compatibilized by maleic anhydride grafted polyethylene-octene elastomer. Int J Polym Mater. 2013;62(13):671–7.
  9. Knuuttila H, Lehtinen A, Nummila-Pakarinen A. Advanced Polyethylene Technologies- Controlled Material Properties. Adv Polym Sci. 2004;169:13–7.
  10. Yuhaida I, Salmah H, Hanafi I, Firuz Z. The Effect of Acrylic Acid on Tensile and Morphology Properties of Wollastonite Filled High Density Polyethylene/Natural Rubber Composites. Procedia Chem. 2016;19:401–5.
  11. Ahmad I, Ismail R, Abdullah I. Effects of PBO fiber and clay on the mechanical, morphological, and dynamic mechanical properties of NR/HDPE blends. Polym Eng Sci. 2011;51(3):419–25.
  12. Sabetzadeh M, Bagheri R, Masoomi M. Effect of nanoclay on the properties of low density polyethylene/ linear low density polyethylene/ thermoplastic starch blend films. Carbohydr Polym. 2016;141:75–81.
  13. Sahraeian R, Esfandeh M. Mechanical and morphological properties of LDPE/perlite nanocomposite films. Polym Bull. 2017;74(4):1327–41.
  14. Soleymani H, Fereidoon A, Albooyeh A, Nakhaei M. Effect of perlite nanoparticles addition on the mechanical and microstructure  properties of PP/NR blend fabricated by melt mixing processing: Optimizing by  Response Surface Approach. J Sci Technol  Comp. 2023;9(4):2089–98 (In Persian).
  15. Berger PD, Maurer RE, Celli GB, Berger PD, Maurer RE, Celli GB. Introduction to response-surface methodology. Experimental Design: With Application in Management, Engineering, and the Sciences. 2018:533-84.
  16. Soleymani H, Fereidoon A, Albooyeh A, Nakhaee M. Optimization of Mechanical and Morphological Properties of Polypropylene Reinforced with Natural Rubber-Perlite Nanoparticles Using Response Surface Method. J Mater Metall Eng. 2023; 34(2): 1-18. doi: 10.22067/jmme.2023.80165.1092.
  17. Ghorbankhan A, Nakhaei MR, Safarpour P. Fracture behavior, microstructure, and mechanical properties of PA6/NBR nanocomposites. Polym Compos. 2022 Sep;43(9):6696-708.
  18. Ghorbankhan A, Nakhaei MR, Safarpour P. Modeling and optimization of mechanical properties of PA6/NBR nanocomposite reinforced with perlite JSci Technol Comp. 2021; 8(1): 1421-1430. doi: 10.22068/jstc.2021.527365.1714.
  19. Chandran N, Sarathchandran C, Jose S, Thankappan S, Thomas S. Organic modifier induced interfacial transformation, morphology and physico-mechanical properties of PP/NR based blend nanocomposites. Comp B Eng. 2020;194:108045.
  20. Haghnegahdar M, Naderi G, Ghoreishy MH. Fracture toughness and deformation mechanism of un-vulcanized and dynamically vulcanized polypropylene/ethylene propylene diene monomer/ graphene nanocomposites. Compos Sci Technol. 2017;141:83-98.
  21. Nakhaei MR, Naderi G, Mostafapour A. Effect of processing parameters on morphology and tensile properties of PP/EPDM/organoclay nanocomposites fabricated by friction stir processing. Iran Polym J. 2016;25:179-91.

 

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 42، شماره 4
اسفند 1402
صفحه 13-31

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی