Applied Research in Chemical - Polymer Engineering Effect of carbon black on morphological and mechanical properties of rubber foams produced by a single-step method Ali Vahidifar 1, Elnaz Esmizadeh 1, Ehsan Rostami 1, Saeed Nouri Khorasani 2*, Hossein Ali Khonakdar 3 Vol. 1, No. 1, Issue No. 1, Autom 2017, Quartery, Page: 49-60 1- Department of Polymer Science and Engineering, Faculty of Engineering, University of Bonab, Bonab 2- Department ofchemical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan 3- Plastic Group, Department of Processing, Iran Polymer and Petrochemical Institute, Tehran Abstract In this research, closed-cell natural rubber foams were produced using a single-step compression molding. The effect of carbon black content on morphology, physical and mechanical properties of the foams were examined. Results showed that in this methodology, the Keywords Closed cell foam National NR Carbon black Azodicarbonamide (ADC) Morphology foam density was independent of reinforcement percentage, which is a unique characteristic of single-step foams that contrasts with other previous observations. The study of curing behavior of foam compounds showed that the carbon black increasing from 0 to 30 phr increased the crosslink density (CLD) from 6. to.3*10 - mol/cm 3, the cure rate from 16.1 to 23.2 (%/min) and the ultimate torque from. to 10.4 Nm, while, reduced curing time from 9.2 to. min. The scanning electron microscope (SEM) results showed that the reinforcement acted as a nucleation agent increasing the cell density from N/cm3 to 140 N/ cm3 and reducing the cell size from 79µm to 2µm. The increase of reinforcing content in the produced foams reduced the cells size and enhanced the properties of the rubber matrix. Accordingly, the modulus and hardness of the foams were increased by 0.MPa and 40 shore A, respectively. Results of sound absorption and reflection showed that the rubber foam reflects the sound waves more than 90% and absorbs waves about 10%. *To whom correspondence should be addressed: saied@cc.iut.ac.ir
ژپو ه ش اهی کارربدی مهندسی شی م ی - پلیمر اثردوده بر ریزساختار و خواص مکانیکي اسفنجهاي الستیکي تولید شده به روش تک مرحلهاي علي وحيديفر 1 الناز اسميزاده 1 احسان رستمي 1 سعيد نوري خراساني *2 3 حسين علي خنکدار فصلنامه علمی - پژوهشی 1- بناب دانشگاه بناب گروه علوم و مهندسي پليمر - 2 اصفهان دانشگاه صنعتي اصفهان دانشکده مهندسي پلیمر - 3 تهران پژوهشگاه پليمر و پتروشيمي ايران پژوهشکده فرايند گروه پالستیک سال اول شماره 1 شماره پیاپی 1 چکيده پاییز 1396 صفحه 49-60 واژه های کلیدی اسفنج سلول بسته الستيک طبيعي دوده آزودي کربن آميد ريخت شناسي در اين پژوهش اسفنجهاي سلول بسته الستيک NR با درصدهاي مختلف دوده توسط روش تک مرحلهاي و با استفاده از قالبگيري فشاري توليد شده ريختشناسي خواص فيزيکي و مکانيکي آنها مورد بررسي قرار گرفت. چگالي اسفنجهاي توليد شده در اين پژوهش مستقل از درصد دوده به دستآمد که از مزاياي توليد اسفنج به روش يک مرحلهاي بوده و بر خالف نتايج ساير مطالعات گزارش شده است. مطالعه رفتار پخت آميزه اسفنجها نشان داد که افزايش دوده از مقدار 0 تا 30 phr باعث افزايش مقدار پخت از 6/ 10 - mol/cm 3 به 10 /3 - mol/cm 3 افزايش سرعت پخت از )%/min( 16/1 به )%/min( 32/2 کاهش زمان پخت از 9/2 به / دقيقه و همچنين افزايش گشتاور نهايي از / بهNm 10/4 شد. نتايج مطالعه ريز ساختار اسفنجها با استفاده از ميکروسکوپ نوري روبشي )SEM( نشان داد که دوده به عنوان عامل هستهگذار عمل کرده و چگالي سلولي را از N/cm 3 به 140 N/cm 3 افزايش داده است. همچنين باعث کاهش اندازه سلولها از 79 µm به 2 µm شده است. افزايش درصد دوده در اسفنج تولید شده باعث کاهش اندازه سلولها و همچنين افزايش خواص ماتريس الستيکي شد. این امر به افزايش مدول و سختي اسفنج به ترتيب میزان به اندازه 0/ MPa و 40 shore A منجر شد. رفتار جذب و انعکاس امواج صدا نشان داد که اسفنجهاي الستيکي بيش از 90% امواج صدا را منعکس کرده و حدود 10% امواج را جذب ميکنند. * مسئول مکاتبات: saied@cc.iut.ac.ir
مقدمه اسفنج الستيکي الستيک انبساط يافته و پخت شده است که يکي از کاربردهاي مهم الستيک در صنايع محسوب ميشود. نامهاي ديگر اسفنجهاي الستيکي الستيکهاي منبسط شده و الستيکهاي سلولي است. با توجه به اينکه فاز گاز )سلولها( به يکديگر مرتبط بوده و يا از هم جدا باشند اين اسفنجها به دو دسته اسفنجهاي سلول باز و سلول بسته تقسيم ميشوند. اسفنجها به دليل قيمت پايين و چگالي کم کاربردهاي بسياري دارند. کاربرد اسفنجهاي الستيکي به سه دسته عمده عايق حرارتي جاذب انرژي و مصارف ساختاري تقسيم بندي ميشود ]1 2[. براي توليد اسفنج با ريز ساختار خواص و همچنين کاربرد مشخص بايد متغيرهاي زيادي مورد مطالعه و تحت کنترل قرار بگيرد. اين متغيرها شامل متغيرهاي فرمولبندي مانند: نوع الستيک نوع و درصد عامل اسفنجزا نوع و درصد شتابدهنده نوع و درصد نانو ذرات و همچنين متغيرهاي فرايندي مانند دما و زمان پيشپخت دما و زمان پخت و اسفنج شدن فشار اسفنج شدن و... است. اين متغيرها بر ويژگيهاي اسفنج مانند چگالي اسفنج سرعت پخت چگالي اتصالت عرضي ماتريس الستيکي متوسط اندازه سلولها پخش اندازه سلولها ضخامت ديواره سلولها نوع سلولها )باز يا بسته بودن( شکل سلولها و... موثر بوده و در نهايت خواص فيزيکي مکانيکي و کاربردي اسفنج را کنترل ميکنند ]6-3[. مطالعه اثر دماي فرايند نشان داد دماي پخت باال باعث افزايش گاز توليدي و ايجاد گاز با فشار باالتر شده که موج ب کش يدهتر ش دن دي واره س لولها افزاي ش ان دازه سلولها شده و در نهايت ميزان انبساط بيشتر و توليد اسفنج با چگالي کمتر ميشود ]9-7[. نجيب )Najib( و همکارانش اسفنجهاي الستيک طبيعي را با دماي پخت و اسفنجشدن نهايي 10 140 و 160 درجه سانتيگراد توليد کردند ]10[. نتايج نشان داد که با افزايش دماي اسفنج شدن اندازه سلولها بزرگتر و پخش آنها وسيعتر ميشود. مطالعات کيم )Kim( و همکارانش ]11[ لي) Lee ( و همکارانش ]12[ بر خواص اسفنجهاي الستيک طبيعي نشان داد که افزايش دماي پخت موجب کاهش زمان ايمني افزايش سرعت پخ ت کاه ش حداق ل گش تاور )ب ه دلي ل کاه ش مي زان گرانروي( و کاهش حداکثر گشتاور )به دليل کاهش چگالي و شکست اتصاالت عرضي( شده است. هم چنين مطالعه اثر دماي اسفنج شدن بر خواص مکانيکي اسفنج NR نشان داد افزايش دماي پخت بهدليل کاهش چگالي اسفنج افزايش اندازه سلولها و کاهش چگالي اتصاالت عرضي باعث کاهش ازدياد طول نهايي کاهش مقاومت کششي کاهش مقاومت پارگي و کاهش سختي اسفنج شدهاست ]12 11[. نجيب و همکارانش در سال 2009 اثر بيکربناتسديم بهعنوان عامل شيميايي اسفنجزا را در الستيک طبيعي در درصدهايphr 10 phr phr 4 و 12 phr بررسي کردند ]13[. افزايش غلظت بيکربناتسديم باعث افزايش تعداد سلولها کوچکتر شدن آنها و در نهايت يکنواختتر شدن ساختار اسفنج شده است. چون تجزيه بيکربناتسديم يک مرحلهاي است و با توجه به پخش يکنواخت آن در ماتريس الستيکي سلولها همزمان هسته زده و به صورت هم اندازه و يکنواخت رشد ميکنند که همين عامل باعث افزايش تعداد سلولها و کاهش اندازه آنها شده است. مطالعه اثر نوع نانوذرات بر خواص فيزيکي و مکانيکي اسفنجهاي NR/nanoclay نشان داد که افزايش درصد نانوذرات خاکرس باعث کاهش اندازه سلولي افزايش چگالي سلولي )تعداد سلول در واحد حجم اسفنج( و همچنين افزايش خواص مکانيکي اسفنج مانند مدول و سختي اسفنج شده است. همچنين نانوذرات با توزيع بهتر در ماتريس اندازه سلولي کوچکتري داشتند ]14[. مطالعات نشانداده که دوده باعث افزايش سرعت پخت افزايش ميزان پخت و افزايش مدول اسفنج شدهاست لذا مقاومت در برابر انبساط سلولها افزايش يافته است. با افزايش دوده ديواره سلولها ضخيمتر چگالي اسفنج فصلنامه علمي پژوهشی پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر 1
بيشتر ميزان انبساط )بازدهي اسفنج شدن( کمتر تعداد سلولها بيشتر اندازه سلولها کوچکتر و چگالي اسفنج افزايش يافتهاست ]16 1 11[. مطالعه خواص مکانيکي نشان داد که با افزايش ميزان دوده ميزان حداکثر کشش در نقطه پارگي کاهش استحکام کششي افزايش مقاومت پارگي افزايش و سختي نمونههاي اسفنج شده نيز افزايش يافته است. نتايج پخت نشان داد که با افزايش ميزان دوده ميزان پخت )چگالي اتصاالت عرضي( افزايش زمان ايمني کاهش گرانروي افزايش ميزان گشتاور ابتدايي قبل از پخت افزايش و سرعت پخت نيز افزايش ناچيزي يافتهاست ]12[. در کليه مطالعات گزارش شده اسفنج الستيکي توسط فرايند دو مرحلهاي از آميزه )کامپاند( الستيکي توليد ميشود. در مرحله اول که پيشپخت ناميده ميشود بخش کمي از واکنش پخت پيش رفته عامل اسفنجزا تجزيه نشده و در آميزه هيچ سلول يا اسفنجي تشکيل نميشود. اين مرحله معموال توسط دستگاه قالبگيري فشاري و در دماي کمتر از دماي تجزيه عامل اسفنجزا انجام ميشود. در مرحله دوم نمونه پيش پخت شده وارد آون با دماي باال شده و همزمان با ادامه واکنش پخت واکنش اسفنجشدن نيز شروع ميشود. همچنين تعدادي از مزاياي کاربردي وصنعتي اين روش نسبت به ساير روشهاي توليد اسفنج الستيکي مانند روشهاي دو مرحلهاي و استفاده از رزينهاي الستيکي بصورت زير است: الف( قابليت توليد اسفنجهاي االستيک و منعطف در شکلهاي دقيق و پيچيده وجود دارد درحالي که در روش دو مرحلهاي چنين امکاني وجود ندارد. ب( قابليت ديگري که در هيچ يک از اسفنجهاي توليد شده تا به حال گزارش نشده است توليد اسفنجهايي است که در آن فشار گاز داخل سلول باال بوده و ميتواند باعث افزايش همزمان مدول و جهندگي شود. ج( اسفنجهاي توليد شده در اين روش داراي چگالي کامال مشخص و ابعاد کامال دقيق هستند که قبل از فرايند قابل محاسبه دقيق است. درحالي که در روشهاي ديگر چنين مزايايي گزارش نشده است. در اين پژوهش اسفنجهاي NR به صورت تک مرحلهاي توليد شدهاند و اثر درصد دوده بر رفتار پخت اندازه و پخ ش س لولهاي موج ود در اس فنج خواص تخريب حرارتي آزمون فشاري و خواص صوتي اسفنجهاي NR مورد تجزيه و تحليل قرار گرفتهاند. ت ج رب ي در اين پژوهش از الستيک NRSMR-20( شرکت DN KLPK مالزي( عامل اسفنجزا )121 ADC S شرکت اوتسوکا ژاپن( دوده )330 N شرکت کربن ايران( گوگرد و شتابدهندههاي MBTS و CBS اسيداستاريک و اکسيد روي )شرکت باير آلمان( و روغن موتور 400 )شرکت بهران ايران( استفاده شد. مقدار اين اجزا در فرمولبندي نمونهها )بر حسب )phr در جدول 1 بيان جدول - 1 فرمول بندي اجزاي متغير در نمونه هاي مورد استفاده در پژوهش )قسمت به ازای صد واحد الستیک( NR CBS MBTS ADC C.B Acid ZnO Oil CB0 100 0. 1.2 0 2. CB 100 0. 1.2 2. CB10 100 0. 1.2 10 2. CB1 100 0. 1.2 1 2. CB20 100 0. 1.2 20 2. CB30 100 0. 1.2 30 2. 2 فصلنامه علمي پژوهشی پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
شده است. الستيک طبيعي به مدت يک دقيقه در دماي محيط غلتککاري شد. سپس تمام افزودنيها به الستيک اضافه شدند و غلتککاري )غلتک Polymix 200 L شرکت Schwabenthan آلمان( با سرعت 30 rpm به مدت دقيقه ادامه يافت. توليد اسفنج در دماي 160 درجه سانتيگراد و تحت فشار 0 بار به مدت 30 دقيقه با استفاده از دستگاه قالبگيري انجام گرفت. مشخصات پخت آميزهها به وسيله رئومتر چرخشي) Zwick ) oscillating disk rheometer) مدل 430 آلمان( در دماي 160 درجه سانتيگراد مطابق با استاندارد ASTM D 204 تعيين شدند. ازميکروسکوپ الکتروني روبشي)) SEM ) )scanning electron microscopy )مدل 6060 -JSM شرکت Jeol آمريکا( و با استفاده از نرم افزار image J براي بررسي ساختار نمونهها استفاده شد. آزمون فشاري با سرعت 20 mm/min و با استفاده از دستگاه Hiwa-200 )ساخت ايران( مطابق با استاندارد ASTM D 412 انجام شد. آزمون سختي توسط دستگاه سختي سنج )مدل 3100 Zwick آلمان( مطابق با استاندارد ASTM D 2240 صورت گرفت. جهندگي به وسيله دستگاه GMBH )شرکت Frank آلمان( مطابق با استاندارد ASTM D 104 انجام شد. رفتار تخريب حرارت ي اس فنجها ب ا اس تفاده از دس تگاه Q00 TGA TA instruments )ساخت آمريکا( در محيط نيتروژن و با سرعت 10 C/min انجام شد. ضريب جذب و ضريب انعکاس امواج صدا در دماي محيط و رطوبت ( 0± درصد( و در محدوده 600-600 هرتز با استفاده از دستگاه امپدانس تيوب دو ميکروفونه )466 SW شرکت BSWA چين( مطابق با استاندارد ASTM E 100 انجام گرفت. شکل 1 طرحوارهاي از دستگاه امپدانس تيوب را نشان ميدهد. شکل 1 - طرحواره دستگاه امپدانس تيوب NR را در دماي 160 درجه سانتيگراد نشان ميدهد. همانطور که ديده ميشود با افزايش مقدار دوده زمان ايمني و زمان پخت بهينه کاهش يافته و شاخص سرعت پخت گشتاور ابتدايي گشتاور نهايي و اختالف گشتاور افزايش يافته است. نتايج در جدول 2 بيان شده است. اثر دوده بر گشتاور از سه جنبه بهصورت زير قابل توجيه است: الف( با افزايش مقدار دوده ميزان برهمکنش الستيک- دوده افزاي ش ميياب د. ب ه عب ارت ديگ ر مق دار اتص االت فيزيکي افزايشيافته در نتيجه حرکتپذيري زنجير الستيکي کاهش يافته و درنهايت گرانروي يا گشتاور ماده پخت نشده افزايش يافته است. ب( افزايش دوده باعث افزايش مقدار چگالي اتصاالت عرضي شده است. ج( همانطور که در قسمت بعد بيان خواهدشد حضور دوده باعث افزايش تعداد سلولها و کاهش اندازه سلولي درون اسفنج شده است. دليل "الف" بيشتر نتايج و بحث اثر دوده بر رفتار پخت اسفنج NR شکل 2 اثر درصد دوده N 330 بر رفتار پخت الستيک شکل 2 - اثر درصد دوده بر رفتار پخت اسفنج هاي NR در دما ي C 160 فصلنامه علمي پژوهشی پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر 3
جدول 2 - اثر درصد دوده بر متغير هاي پخت اسفنج هاي NR در دماي 160 C M i M u ΔM M 90 t s t 90 CLD CRI (Nm) (Nm) (Nm) (Nm) (min) (min) (*10 - mol/cm 3 ) (%/min) CB0 0...3 3 9.2 6. 16.1 CB 1.06 6.7.64 6.13 2.6.06 6.74 1.2 CB10 1.24 7. 6. 7.14 2.4 7.7 6.93 19 CB1 1.36.3 6.9 7.6 2.1 7.3 7.21 19.4 CB20 1.4 9.0 7..2 1.9 6.6 7.91 21.1 CB30 1.73 10.4.7 9. 1...3 23.2 باعث افزايش گشتاور ابتدايي صادق است. درحالي که دليل "ب" و دليل "ج" بيشتر روي متغيرهاي اختالف گشتاور و گشتاور نهايي موثر هستند. اين نتايج توسط محقق ان ديگ ر ني ز تأيي د ش ده اس ت ]1 17[. در فرايند پخت اسفنج الستيکي NR دوده باعث کاهش زمان ايمني و زمان پخت بهينه و همچنين افزايش شاخص سرعت پخت شده است. به عنوان مثال پخت بهينه از 9/2 دقيقه در نمونه S 0 به / دقيقه در نمونه S 30 کاهش يافته است درحالي که CRI ا ز )%/min( 16/1 در نمونه S 0 به )%/min( 23/2 در نمونه 30 S افزايش يافته است )جدول 2 (. اين نتايج نشان ميدهد که دوده به عنوان عامل تأثيرگذار در پخت اسفنج الستيکي عمل کرده است. اثر افزايش درصد دوده بر ساختار سلولي اسفنج در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که ديده ميشود با افزايش مقدار دوده اندازه سلولها کاهش و چگالي سلولي افزايش يافته است. مقايسه روش توليد تک مرحلهاي و دو مرحلهاي: جهت بررسي مزيت دو مرحلهاي با تک مرحلهاي از نمونههاي داراي 0 phr تا 30 phr اسفنجهايي به روش تک مرحلهاي نيز ساخته شد که اين اسفنجها در شکل 4 a نمايش داده شده است. همانطورکه مشاهده ميشود عالوه بر اينکه نمونهها داراي شکل يکساني نبودند چگالي اسفنجها نيز با افزايش درصد دوده بيشتر شد به عبارت ديگر مقدار انبساط با افزايش دوده کاهش پيدا کرد. درحاليکه در اسفنجهاي توليد شده به روش تکمرحلهاي عالوه بر اينکه اسفنجها داراي شکل يکسان بودند چگالي برابر و قابل تعيين داشتند. لذا همانطور که پيشتر بيان شد روش دو مرحلهاي روش دقيقي براي توليد اسفنجهاي با چگالي دقيق و مشخص نيست. همچنين اين روش براي توليد اسفنج با شکل يا ابعاد پيچيده و دقيق اصال کارايي ندارد. همان طور که در شکل 4 b نشان داده شده است نمونههاي تک مرحلهاي نسبت به نمونههاي دو شکل 3 - اثر درصد دوده بر ريزساختار اسفنجهايNR 4 فصلنامه علمي پژوهشی پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
شکل 4 - a( مقايسه اسفنجهاي توليد شده به روش تک مرحلهاي و دو مرحلهاي و b( مقايسه فرايند توليد مرحلهاي زمان فرايند کوتاهتري دارند که همين دليل باعث کاهش زمان توليد و افزايش سرعت توليد خواهد شد. به همين دليل محصوالت توليد شده به روش تک مرحلهاي ميتوانند قيمت تمام شده کمتري نسبت به دو مرحلهاي داشته باشند. اثر دوده بر ريزساختار اسفنج NR نتايج حاصل از آزمون SEM به صورت نمودارهاي ميلهاي در شکل نشان داده شده است. همانطورکه ديده ميشود افزايش دوده درون آميزه باعثشده پخش اندازه سلولي باريکتر و اندازه آنها نيز کوچکتر ش ود. ب ه عن وان مثال پخ ش اندازه س لولي از مح دوده 20-00 µm در نمونه S 0 به محدوده 100-600 µm در نمونه S 10 و در نهايت به محدوده 0-400 µm در نمونه S 30 کاهش يافته است. نتايج حاصل از مطالعات آماري بر اندازه سلولي در جدول 3 نشان داده شده است. همانطور که مشخصاست با افزايش مقدار دوده چگالي سلولي افزايش متوسط عددي اندازه سلولي )Dn( و متوسط وزني اندازه سلولي )Dw( با آهنگ يکساني کاهش يافتهاند. بهصورتي که نمونههاي S. S 20 S 1 S 10 S وS30 داراي چگالي سلولي به ترتيب ( 3 )N/cm 1 117 و 140 76 42 متوسط عددي اندازه سلولي )Dn( به ترتيب 20 و 290 37 477 79 2 ميکرومتر و شکل - اثردرصد دوده بر پخش اندازه سلولي اسفنجهاي NR همچنين متوسط وزني اندازه سلولي )Dw( به ترتيب 300 313 424 26 643 و 270 است. براي تحليل کلي نتايج اثر دوده روي ريختشناسي بايد به ساز و کار اسفنج شدن اشاره شود. براي اسفنجشدن دو نيرو به شرح زير وجود دارد: الف( نيروي پيشبرنده) force :)driving اين نيرو نيرويي است که باعث اسفنج شدن و رشد سلولها ميشود. اين نيرو فشار گاز آزاد شده حاصل از تخريب عامل اسفنج زا است که تنها نيروي پيشبرنده تشکيل اسفنج است. ب( نيروي بازدارنده force( :)inhibitor برآيند تمام نيروهايي اس ت ک ه در براب ر تشکيل س لول و همچنين رشد سلول درون ماتريس الستيکي مقاومت ميکنند. هر عاملي که بتواند تحرکپذيري زنجير را کاهش داده و گرانروي يا مدول را افزايش دهد خواهد توانست مقاومت زنجير پليمر در برابر حرکت و تغيير فرم را افزايش دهد. بنابراين مقاومت زنجير در برابر فشار فصلنامه علمي پژوهشی پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
جدول - 3 اثر درصد دوده بر چگالي سلول ها متوسط وزني اندازه سلولي متوسط عددي اندازه سلولي و ضريب پخش اندازه سلولي اسفنج هاي NR در دماي 160 C دانسیته سلولی (N/cm 3 ) D w (µm) D n (µm) PDI CB0 643 79 1.11 CB 1 26 477 1.10 CB10 42 424 37 1.09 CB1 76 313 290 1.0 CB20 117 300 20 1.07 CB30 140 270 2 1.0 گاز بيشتر شده و همي ن عام ل باعث ميشود سلولها کوچک شوند. همانطورکه بيان شد دوده باعث افزايش پارامترهايي مانن د گران روي الس تيک خ ام اتص االت فيزيک ي م دول ماده پخت شده و سرعت پخت الستيک شدهاست. همه اين عوامل باعث افزايش مقاومت زنجيرها در برابر حرکت و تغيير فرم شده و در نهايت از رشد سلولها جلوگيري مينمايد. لذا افزايش دوده از 3 phr به 10 phr باعث کاهش اندازه سلولها شده است. اثر دوده بر خواص مکانيکي اسفنج NR درشکل 6 اثر درصد دوده بر رفتار آزمون فشاري اسفنجهاي NR نشان داده شده است. همانطور که ديده ميشود با افزايش درصد دوده خواص رفتار تنش-کرنش فشاري افزايش يافتهاست. اين افزايش در کرنشهاي باال مشخصتر ميباشد. جهت بررسي دقيقتر اثر دوده بر مدول اسفنج در کرنش 0% در جدول 4 نشان داده شدهاست. همانطور که در اين شکل نيز ديده ميشود مدول در کرنش 0% افزايش يافتهاست. براي توجيه اين مسئله بايد به ماهيت ساختاري اسفنج اشاره شود. اسفنجهاي توليد شده کامپوزيتهايي با ماتريس NR و همچنين پرکننده حباب ميباشند. افزايش درصد دوده از يک طرف با افزايش خواص پخت و افزايش مقدار برهمکنش دوده-الستيک باعث افزايش مدول ماتريس الستيکي شده و از طرف ديگر باعث کاهش اندازه سلولي شدهاست. لذا هر دو عامل باعث افزايش خ واص فيزيک ي مکانيک ي اس فنج شدهاس ت. اثر درصد دوده بر خواص مکانيکي اسفنجهاي توليد شده مانند رفتار فشاري سختي جهندگي مطالعه شد که نتايج در جدول 4 بيان شده است. افزايش درصد دوده با افزايش مقدار برهمکنش دوده-الستيک و افزايش اتصاالت فيزيکي باعث کاهش انعطافپذيري زنجيرهاي الستيکي شده و در نهايت باعث کاهش جهندگي اسفنج NR شدهاست. همانطور که در شکل ديده ميشود با افزايش درصد دوده مقدار سختي اسفنجها افزايش شکل 6 - اثر درصد دوده بر رفتار آزمون فشاري اسفنجهاي NR 6 فصلنامه علمي پژوهشی پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
جدول - 4 اثر درصد دوده بر برخي خواص فيزيکي و مکانيکي تنش در مدول جهندگی سختی 0 % (shore A) (%) (MPa) (MPa) CB0 1 73 0.34 0.12 CB 22 63 0.403 0.21 CB10 23.1 9 0.46 2 CB1 2.9 7 0.47 26. CB20 29 4 0.9 30 CB30 40 0 0. 0.42 يافتهاست. دوده با افزايش مقدار پخت و همچنين افزايش مقدار اتصاالت فيزيکي در ماتريس NR باعث افزايش مقاومت زنجير الستيکي در برابر نفوذ سوزن شده و سختي افزايش پيدا ميکند. همچنين کاهش اندازه سلولها ميتواند باعث کاهش نفوذ سوزن درون اسفنج شده و سختي اسفنج را افزايش دهد. اثر دوده بر رفتار تخريب حرارتي اسفنج NR اثر درصد دوده بر رفتار تخريب حرارتي اسفنج NR در شکل 7 نشان داده شدهاست. همانطورکه ديده ميشود کليه اسفنجها داراي تخريب دو مرحلهاي هستندکه مرحله اول مربوط به تخريب افزودنيها عامل اسفنجزا و ناخالصيها بوده و در محدوده دمايي 310-130 درجه سانتيگراد رخ ميدهد. افزايش درصد دوده از 0 phr تا 20 phr تغيير محسوسي در رفتار تخريب اين مرحله نداشته و فقط بيشينه سرعت تخريب را به مقدار کمي از )%/min( 0/14 به )%/min( 0/11 کاهش دادهاست. مرحله دوم مربوط به تخريب زنجير پليمر است و از حدود دماي 310 شروع شده و در حدود 460 درجه سانتيگراد تمام ميشود. همانطور که مشاهده ميشود افزاي ش درص د دوده از 0 phr ت ا 20 phr تغيي ر محسوس ي در رفتار تخريب اين مرحله نيز نداشته و فقط بيشينه سرعت تخريب را به مقدار کمي از )%/min( 3/4 به )%/min( 1/14 کاهش دادهاست. کاهش در بيشينه سرعت پخت هر دو مرحله ميتواند داليل مشابهي به شرح زير داشته باشد: 1( با افزايش درصد دوده درون آميزه )درصد NR و همچنين درصد عامل اسفنجزا کاهش يافتهاست( به شکل 7 - اثر درصد دوده بر تخريب حرارتي اسفنج هاي TGA(NRa و DTGA(b فصلنامه علمي پژوهشی پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر 7
... های اسفنج مکانیکي خواص و ساختار ریز بر دوده اثر NR های اسفنج صوتي خواص بر انتقالي اليه و پوسته اليه وجود اثر - شکل صدا امواج انعکاس ضريب b( و جذب ضريب ) a کاهش مرحله دو هر تخريب سرعت بيشينه دليل همين يافتهاست. سلولي چگالي افزايش باعث دوده درصد افزايش 2( کاهش و نمونه از گاز خروج شرايط شدن سختتر و ميشود. تخريب سرعت بيشينه خاکستر مقدار شده باعث دوده درصد افزايش همچنين اين بهدليل خاکستر افزايش شود. بيشتر نيز باقيمانده پايدار دما اين در نيتروژن محيط در دوده ذرات که است نشدهاست. تخريب و بوده NR اسفنج صدا انعکاس و جذب رفتار بر دوده اثر و جذب برضريب مياني اليه و پوسته اليه برش اثر شکل در NR اسفنجهاي در صدا امواج انعکاسي ضريب اليه و پوسته برش اثر a شکل شدهاست. داده نشان ميدهد. نشان را صدا جذب روي مياني ذب ج ا اليهه رش ب ا ب ود ميش اهده مش ه ک ور همانط همانطور شدهاست. برابر دو حدودا و يافته افزايش صدا داراي يا حفره بدون نازک اليهاي پوسته شد بيان که صدا امواج لذا است. کوچک حفره کمي بسيار تعداد بخش فقط و شده منعکس اليه اين با برخورد اثر در ميشود. وارد اسفنجي ساختار درون به امواج از ناچيزي و ناصاف سطح به امواج پوسته برش با که درحالي ميتوانند راحتتر و ميکنند برخورد شکل اسفنجي درون محبوس هواي توسط و شده اسفنج ساختار وارد دليل بههمين شوند. اتالف گرما صورت به سلولها صدا جذب ضريب انتقالي اليه و پوسته برش با اسفنج سطح از صدا امواج انعکاس ضريب و افزايش ت. يافتهاس ش کاه انعکاس و جذب ضريب روي دوده درصد اثر 9 شکل را انتقالي اليه و پوسته بدون اسفنج از صدا امواج انعطافپذيري ميزان دوده مقدار افزايش ميدهد. نشان اسفنج سلولهاي اندازه و کرده کمتر را پليمر زنجير صدا امواج جذب ضريب لذا شدهاست کوچکتر نيز اسفنج سطح از صدا امواج انعکاس ضريب و کاهش ادص امواج انعکاسي ضريب b( و جذب ضريب a( NR هاي اسفنج صوتي خواص بر دوده اثر - 9 شکل پلیمر - شیمی مهندسی کاربردی های پژوهش پژوهشی علمي فصلنامه
افزايش يافته است. مطالعات مشابه کاهش ضريب جذب امواج صدا با کاهش انعطافپذيري زنجير ]6 [ و کاهش ضريب جذب امواج صدا با کاهش اندازه سلولي ]7-9[ را گزارش دادهاند. نتيجهگيري افزايش دوده باعث کاهش زمان ايمني و زمان پخت بهينه و هم چنين افزايش سرعت پخت گشتاو رابتدايي گشتاور نهايي و اختالف گشتاور شد. بهگونهايکه پخت بهينه از 9/2 دقيقه در نمونه S 0 به / دقيقه در نمونه S 30 کاهش درحالي که CRI از )%/min( 16/1 در نمونه S 0 به )%/min( 23/2 در نمونه S 30 افزايش يافت. ذرات دوده مانن د عام ل هس تهزا عم ل ک رده ک ه منجرب ه افزايش تعداد و چگالي سلولي شدند. با افزايش دوده گرانروي و خواص پخت و در نهايت مدول ماتريس الستيکي افزايش يافت که باعث کاهش اندازه سلولها شد. بهطوريکه افزايش 30 phr دوده پخش اندازه سلولي از محدوده 20-00 µm در نمونه S 0 را به محدوده 0-400 µm در نمونه S 30 کاهش و همچنين چگالي سلولي را از )3 )N/cm^ به )3 140)N/cm^ افزايش داد. بررس يها نش ان داد ک ه ب ا افزاي ش 30 phr دوده س ختي اسفنج الستيکي NR از A( )Shore 1 به A( )Shore 40 و مدول آن نيز از 0/34 MPa به 0/ MPa افزايش يافتهاست. در نتيجه از آنجا که اسفنج کامپوزيتي پليمري است دوده با افزايش خواص پخت باعث افزايش خواص ماتريس الستيکي و همچنين با کاهش اندازه سلولي و بهبود پخش اندازه سلولي باعث افزايش خواص فيزيکي و مکانيکي اسفنج الستيکي NR شدهاست. همچنين با افزايش دوده و کاهش اندازه سلولهاي اسفنج ضريب جذب امواج صدا کاهش و ضريب انعکاس امواج صدا از سطح اسفنج افزايش يافت. م راجع 1- Vahidifar A., Nouri Khorasani S., Park C. B., Naguib H. E. and Khonakdar H. A., Fabrication and Characterization of Closed-Cell Rubber Foams Based on Natural Rubber/Carbon Black by One-Step Foam Processing, Industrial & Engineering Chemistry Research,, 2407-2416, 2016. 2- Vahidifar A., Nouri Khorasani Khonakdar H. A. and Esmizadeh E., Morphology and Properties of Closed Cell Rubber Foams, Basparesh,, 76-3, 201. 3- Nayak N. and Tripathy D., Effect of Aluminium Silicate Filler on Morphology and Physical Properties of Closed Cell Microcellular Ethylene Octene Copolymer, Journal of Materials Science, 37, 1347-134, 2002. 4- Fan R. L., Zhang Y., Li F., Zhang Y. X., Sun K. and Fan Y. Z., Effect of High-Temperature Curing on the Crosslink Structures and Dynamic Mechanical Properties of Gum and N330-Filled Natural Rubber Vulcanizates, Polymer Testing, 20, 92-936, 2001. - Rodrıguez-Pérez M. and De Saja J., Dynamic Mechanical Analysis Applied to the Characterisation of Closed Cell Polyolefin Foams, Polymer Testing, 19, 31-4, 2000. 6- Rodríguez-Pérez M., Crosslinked Polyolefin Foams: Production, Structure, Properties, and Applications, Springer, London, 200. 7- Kim J.H., Choi K.-C. and Yoon J.-M., The Foaming Characteristics and Physical Properties of Natural Rubber Foams: Effects of Carbon Black Content and Foaming Pressure, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 12, 79-01, 2006. فصلنامه علمي پژوهشی پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر 9
- Sombatsompop N. and Lertkamolsin P., Effects of Chemical Blowing Agents on Swelling Properties of Expanded Elastomers, Journal of elastomers and plastics, 32, 311-32, 2000. 9- Ariff Z., Zakaria Z., Tay L. and Lee S., Effect of Foaming Temperature and Rubber Grades on Properties of Natural Rubber Foams, Journal of Applied Polymer Science, 107, 231-23, 200. 10- Najib N. N., Ariff Z. M., Bakar A. A. and Sipaut C. S., Correlation between the Acoustic and Dynamic Mechanical Properties of Natural Rubber Foam: Effect of Foaming Temperature, Materials & Design, 32, 0-11, 2011. 11- Kim J., Koh J., Choi K., Yoon J. and Kim S., Effects of Foaming Temperature and Carbon Black Content on the Cure Characteristics and Mechanical Properties of Natural Rubber Foams, Journal of Industrial and Engineering Chemistry-seoul-, 13, 19-20, 2007. 12- Lee E.-K. and Choi S.-Y., Preparation and Characterization of Natural Rubber Foams: Effects of Foaming Temperature and Carbon Black Content, Korean Journal of Chemical Engineering, 24, 1070-107, 2007. 13- Najib N., Ariff Z., Manan N., Bakar A. and Sipaut C., Effect of Blowing Agent Concentration on Cell Morphology and Impact Properties of Natural Rubber Foam, Journal of Physical Science, 20, 13-2, 2009. 14- Vahidifar A., Khorasani S. N., Park C. B., Khonakdar H. A., Reuter U., Naguib H. E. and Esmizadeh E., Towards the Development of Uniform Closed Cell Nanocomposite Foams Using Natural Rubber Containing Pristine and Organo-Modified Nanoclays, RSC Advances, 6, 391-399, 2016. 1- Xin Z. X., Zhang Z. X., Pal K., Byeon J. U., Lee S. H. and Kim J. K., Study of Microcellular Injection-Molded Polypropylene/Waste Ground Rubber Tire Powder Blend, Materials & Design, 31, 9-93, 2010. 16- Nakason C., Kaesaman A. and Eardrod K., Cure and Mechanical Properties of Natural Rubber-Poly (Methyl Methacrylate) Cassava Starch Compounds, Materials Letters, 9, 4020-402, 200. 17- Choi S. S., Park B. H. and Song H., Influence of Filler Type and Content on Properties of Styrene Butadiene Rubber (Sbr) Compound Reinforced with Carbon Black or Silica, Polymers for Advanced Technologies, 1, 122-127, 2004. 1- Sangwichien C., Sumanatrakool P. and Patarapaiboolchai O., Effect of Filler Loading on Curing Characteristics and Mechanical Properties of Thermoplastic Vulcanizate, Chiang Mai J. Sci, 3, 141-149, 200. 60 فصلنامه علمي پژوهشی پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر