اثر نانوذرات و سرعت برش بر توليد اكستروژني اسفنج پلي‌استيرن در مجاورت گاز نيتروژن

Effect of Shear Rate and Nanoparticles in Extrusion Foaming of Polystyrene in the Presence of Nitrogen Gas

اين مطالعه تلاشي براي كنترل ساختار اسفنج پليمري با استفاده از كنترل سرعت برش در حديده مسطح مستطيلي و نانوسيليكا در يك فرايند اكستروژني است. در اين پژوهش، از پلي‌استيرن با مصرف معمولي به عنوان زمينه پليمري، نانوذرات سيليكا به عنوان عامل هسته­‌زا، گاز نيتروژن به عنوان عامل دمش و تولوين نيز استفاده شده است. براي پراكنش بهتر نانوذرات در سطح زمينه تركيبي از روش­‌هاي محلولي و مذاب و براي توليد اسفنج از اكسترودر دوپيچي همسانگرد استفاده شد. اثر سرعت برش در حديده مسطح مستطيلي، اندازه نانوسيليكا و درصد وزني نانوسيليكا بر چگالي اسفنج، چگالي سلول و متوسط اندازه سلول­ مطالعه شد. براي شناسايي پارامترهاي اساسي اسفنج (چگالي سلول و اندازه سلول) ميكروسكوپ الكترون پويشي استفاده شد. نتايج نشان داد، افزايش سرعت برش حديده از min-1 8 به min-1 12 با شكستن سلول­‌هاي بزرگ به چند سلول كوچك‌تر، باعث افزايش %?? چگالي سلول و كاهش %?? درصد اندازه متوسط سلول­‌ها شده است. با كوچك‌ ترشدن اندازه نانوسيليكا از nm40 بهnm 12، چگالي سلول ازcell/cm3 108×24/1 بهcell/cm3 108×73/1 افزايش و متوسط اندازه سلول از mm 5/11 به mm 9 كاهش يافته است. همچنين، در بين مقادير مختلف نانوسيلكا (?/?، ? و %? وزني) اسفنج حاوي %? وزني از نانوسيلكا داراي بيشترين چگالي سلول شده است. دليل اين موضوع نيز وجود نانوذرات سيليكا به عنوان مراكز هسته­ گذاري و تسهيل در ايجاد هسته بوده است. در كل نانوكامپوزيت حاصل از %? وزني نانوسيليكا ?? نانومتري در سرعت برش min-1 ?? بيشترين چگالي سلول و كوچك‌ترين اندازه سلول را نشان داده است.

This study was an effort to control foam structure with controlled shear rate in a slit die with addition of nanosilica in the extrusion process. We used general purpose polystyrene as the matrix, nanosilica as a nucleating agent and nitrogen gas as the blowing agent. For better dispersion of nanoparticles in the matrix, a combination of solution and melt methods were employed. The foams were produced in a twin screw extruder by studying the effects of shear rate on the slit die, size and weight percentage of nanosilica on foam density, cell density and average cell size. Scanning electron microscopicy (SEM) pictures were used to obtain the main characterizing parameters of the foams i.e., cell density and cell size. The results showed that when the shear rate of 8 min-1 on the slit die was increased to 12 min-1, due to the breakage of the large cells into several smaller cells, there were observed 61% enhancement in cell density and 18% reduction in average cell size. When the size of nanosilica was decreased from 40 to 12 nm, the cell density was increased from 1.24×108 to 1.73×108 cells/cm3 and average cell size was decreased from 11.5 to 9 micrometer. By changing the nanosilica content from 0.1 to 4% (by weight), it was observed that at 2% (by weight) of nanosilica, the maximum cell density was obtained. In conclusion it was observed that the nanocomposite was produced by 2% (by weight) of 12 nm silica nanoparticles at 12 min-1 shear rate shows the maximum cell density and minimum cell size.