مطالعه تجربي خواص مكانيكي و رفتار گرمايي نانوكامپوزيت‌هاي پلي‌اكسي‌متيلن - كلسيم كربنات

Experimental Studies on Mechanical Properties and Thermal Behavior of Polyoxymethylene/CaCO3 Nanocomposites

نانوكامپوزيت‌هايي بر پايه پلي‌اكسي متيلن (پلي‌استال) حاوي نانوذرات كلسيم كربنات (?/? تا ? درصد وزني) با به‌كارگيري اكسترودر دوپيچي و قالب‌گيري تزريقي توليد شد. رفتار گرمايي، خواص مكانيكي و نيز شكل‌شناسي نمونه‌هاي مختلف بررسي شد. افزودن نانوذرات كلسيم كربنات به پلي‌استال به‌طور جزيي بر شاخص جريان مذاب اثر مي‌گذارد. نتايج آزمون گرماسنجي پويشي اختلافي نشان داد، وجود نانوذرات كلسيم كربنات در ماتريس پلي‌استال اثر هسته‌زايي داشته و باعث افزايش دما و درجه بلورينگي مي‌شود. نتايج آزمون‌هاي جمع‌شدگي نشان مي‌دهد، اثر هسته‌زايي بلوري و اثر پركنندگي نانوذرات كلسيم كربنات بر جمع‌شدگي، يكديگر را خنثي مي‌كنند. افزودن نانوذرات كلسيم كربنات به پلي‌استال، استحكام و مدول كشساني و خمشي و نيز مقاومت ضربه‌اي را به‌طور هم‌زمان افزايش مي‌دهد. بيشترين مقادير استحكام كششي، مدول كشساني، استحكام خمشي، مدول خمشي و استحكام ضربه‌اي به ترتيب با افزودن ?/?، ?، ?، ?، ? درصد وزني نانوذرات كلسيم كربنات حاصل مي‌شود كه به ترتيب ??، ??، ??، ?? و ???بيشتر از پلي استال خالص است. بهبود قابل ملاحظه خواص كششي، خمشي و استحكام ضربه‌اي در اثر وجود ?? وزني نانوذرات كربنات كلسيم در ماتريس پلي‌استال به افزايش سرعت هسته زايي، درجه بلورينگي و پراكنش تقريباً يكنواخت نانوذرات در زمينه پليمري نسبت داده شد. نتايج شكل‌شناسي نشان‌دهنده اثر نانوذرات كربنات كلسيم بر تغيير سازوكار شكست از ترد به تغيير شكل پذير-ترد است، يك مرز گذر از ناحيه تغيير شكل‌پذير به ناحيه شكست ترد در نانوكامپوزيت‌ پلي‌استال-كربنات كلسيم مشاهده مي‌شود.

Nanocomposites based on polyoxymethylene (POM), containing 1.5 to 9 wt% of CaCO3 nanoparticles, were prepared by melt compounding, using a co-rotating twin screw extruder, followed by injection molding process. The thermal behavior, mechanical properties as well as morphology were characterized. The inclusion of CaCO3 nanoparticles into POM slightly affected the melt flow index. The differential scanning calorimetry (DSC) results indicated that the incorporation of CaCO3 nanoparticles has nucleating effect and can raise the temperature and the degree of crystallinity. The results of shrinkage assessments revealed that crystal nucleation and filling effects of CaCO3 nanoparticles have counter effects on thermal contractions. Incorporation of the CaCO3 nanoparticles into POM improved tensile and flexural properties as well as the impact resistance at the same time. The maximum tensile strength, tensile modulus, flexural strength, flexural modulus and impact strength were achieved in the order given by applying 1.5, 6, 3, 6, 3 wt% of CaCO3 nanoparticles, which corresponded to 13, 40, 33, 15 and 20% higher than those of pure POM. The notable improvements of tensile, flexural and impact properties as a result of incorporating 3 wt% of CaCO3 nanoparticles were attributed to the nucleation and crystallinity enhancements as well as relatively uniform dispersion of CaCO3 nanoparticles in POM matrix. The morphology studies indicated that CaCO3 nanoparticles inclusion can alter the fracture mechanism from brittle-to-ductile-brittle, a sharp transition from ductile-to-brittle fracture observed in POM/CaCO3 nanocomposite.