خواص گرمایی و رفتار آتش گیری در فیلم های نانوکامپوزیت پلی لاکتیک اسید

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه پژوهشی سلولزی و بسته بندی، پژوهشکده شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، صندوق پستی: 139-31745، ایران

چکیده

سابقه و هدف: بهبود خواص مواد پلیمری از نظر مقاومت در برابر آتش‌گیری و افزایش پایداری گرمایی همواره مورد توجه مراکز علمی و صنعتی بوده است. پلی لاکتیک اسید (PLA) به واسطه ترکیب شیمیایی و ساختار مولکولی همانند سایر پلیمرها آتش گیر است. استفاده از پرکننده های نانومتری می تواند نقش مفیدی در بهبود پایداری گرمایی و دیرسوزی پلی لاکتیک اسید ایفاء کند. پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر نانوکریستال سلولز و نانورس بر خواص گرمایی و رفتار آتش گیری فیلم های پلی لاکتیک اسید طراحی شده است.
مواد و روش‌ها: فیلم های PLA و نانوکامپوزیت های آن با استفاده از روش قالب گیری حلال ساخته شد. برای بهبود سازگاری و اختلاط پذیری با پلیمر، نانوکریستال سلولز با اسید اولئیک وارد واکنش شده و اصلاح شد. ابتدا PLA در 100 میلی لیتر کلروفرم حل و به طور پیوسته در دمای اتاق هم زده شد. سپس نانو ذرات سلولز و رس با نسبت های وزنی مختلف (0 و 3 درصد) در کلروفرم پخش شده و به مدت 30 دقیقه در معرض امواج فراصوت عمل آوری شدند. در ادامه محلول پلی لاکتیک اسید و سوسپانسیون نانوذرات با یکدیگر مخلوط و برای اطمینان از پراکنش یکنواخت، تحت تیمار فراصوتی دوباره قرار گرفتند. سرانجام محلول حاصله به درون قالب‌های تفلونی ریخته و پس از تبخیر شدن حلال، فیلم‌ها از سطح قالب جدا و در داخل آون قرار داده تا کاملاً خشک شوند. سپس، برای ارزیابی خواص گرمایی و آتش گیری فیلم ها، دمای ذوب، دمای تبلور، درجه بلورینگی، مقدار حرارت آزاد شده، زمان سوختن، مقدار کاهش وزن و شاخص اکسیژن حدی نمونه ها اندازه گیری شد. بدین منظور از آزمون های گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) و گرماسنجی مخروطی استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج آزمون گرماسنجی‌روبشی‌تفاضلی مشخص کرد که با افزودن نانو ذرات، دمای ذوب، دمای تبلور و درجه بلورینگی افزایش یافت. آزمون گرماسنجی مخروطی آشکار ساخت که وجود نانوکریستال سلولز در ماده زمینه پلیمری موجب کاهش افت وزن و مقدار حرارت آزاد شده کامپوزیت ها نسبت به PLAخالص می شود. در حالی که زمان سوختن با افزودن نانوکریستال سلولز افزایش می یابد. همچنین ذرات نانورس با تشکیل لایه زغال کربنی روی سطح فیلم ها سبب کندی فرایند سوختن و به تأخیر انداختن تخریب گرمایی آن ها می شود. روند کاهش شاخص اکسیژن حدی در اثر حضور همزمان دو نوع پرکننده نانومتری به حفاظت از قسمت های داخلی کامپوزیت در اثر تشکیل سپر گرمایی در سطح و کاهش دامنه حرکتی زنجیره های پلیمری نسبت داده شد.
نتیجه گیری: یافته های این پژوهش نشان داد که استفاده جداگانه از هریک از نانو ذرات سلولز و رس نقش موثری در بهبود خواص گرمایی و دیرسوزی فیلم های پلی لاکتیک داشته است. همچنین بالاترین پایداری گرمایی در نانوکامپوزیت های حاصل از حضور همزمان 3% نانوکریستال سلولز و 3% نانورس مشاهده شد. این اطلاعات می تواند نقش مهمی در طراحی نسل جدیدی از دیرسوزکننده های دوستدار محیط زیست و نانوکامپوزیت های پلیمری زیست تخریب پذیر ایفاء کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Thermal properties and fire behavior of PLA nanocomposite films

نویسنده [English]

  • Behzad Kord
چکیده [English]

Background and objectives: Improvement of polymeric materials properties, in terms of flammability resistance and thermal stability has always been interested in the scientific and industrial sectors. Polylactic acid (PLA) is also flammable like other polymers to its own intrinsic chemical composition and molecular structure. The use of nanoscale fillers can play a useful role in improving the thermal stability and flame retardancy of PLA. This research was designed to investigate the effect of cellulose nanocrystal and nanoclay on thermal properties and fire behavior of PLA films.
Materials and methods: PLA and PLA-based nanocomposite films were fabricated using a solvent casting method. In order to improve the compatibility and miscibility of the whole system with respect to PLA matrix, cellulose nanocrystal was treated with oleic acid. Firstly, the PLA was dissolved in 100 mL of chloroform while mixing vigorously at room temperature. Then, the cellulose nanocrystal and nanoclay with different loads (0 and 3 wt %) was dispersed in chloroform solvent by sonication for 30 min. The nanoparticles suspension was mixed with the PLA solution by sonicator for achievement of dispersion homogeneity. Finally, the dissolved solution was poured onto a leveled Teflon film and then allowed to evaporate solvent. The resultant film was peeled from the casting surface, and then the samples were dried in an oven. For evaluating the thermal and fire properties of films, melting temperature, crystallization temperature, degree of crystallinity, heat release rate, time to ignition, mass loss rate and limiting oxygen index were measured. To meet this objective, the differential scanning calorimetry (DSC) and cone calorimetry were used.
Results: DSC results found that with incorporation of nanoparticles, the melting temperature, crystallization temperature and degree of crystallinity increased. Cone calorimetry test revealed that, the presence of cellulose nanocrystal in the polymer matrix decreased the mass loss rate and heat release rate compared to those of pure PLA. However, the time to ignition increased with increase of cellulose nanocrystal loading. Moreover, the formation of carbonaceous chars from nanoclay on the surface of the films which reduces the burning process and delay the thermal degradation. Furthermore, the reduction of limiting oxygen index with the presence of both nanofillers is attributed to protect the underlying composites by formation of char shield on the surface and the limitation of polymer chains mobility.
Conclusion: The findings showed that the usage of each cellulose nanocrystal and nanoclay individually, has an effective role in improving the thermal and fire properties of PLA films. Furthermore, it was found that the highest thermal stability was attained by incorporating 3% cellulose nanocrystal and 3% nanoclay in composite formulation. This knowledge has an important role to design the new generation of environment-friendly flame retardant and biodegradable polymer nanocomposites.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanocomposite
  • poly lactic acid
  • flame retardancy
  • thermal degradation