مدل سازی و شبیه سازی بلورینگی در نانوچندسازه برپایه پلی پروپیلن/ گرافن در فرایند قالب گیری تزریقی

پژوهش های کاربردی در شیمی

مقاله 10، دوره 10، شماره 3، آذر 1395، صفحه 97-111   

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

محمدرضا منافی^{* 1}؛ پدرام منافی²؛ معصومه شیرزاد³

¹استادیار تکنولوژی پلیمر، دانشکده علوم پایه، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

²دانشجوی دکتری مهندسی پلیمر، دانشکده مهندسی پلیمر، دانشگاه صنعتی امیر کبیر، ماهشهر، ایران

³دکتری تخصصی شیمی معدنی، دانشکده علوم پایه، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی، اراک، ایران

چکیده

برای تعیین بلورینگی در یک نانو چند سازه، استفاده از مدل چند مقیاسی که در آن دمای ماکروسکوپی و میکروسکوپی و ریخت بلور با یکدیگر در ارتباط هستند، بسیار با اهمیت است. هدف از این پژوهش، ارایه یک مدل چند مقیاسی و یک روش محاسباتی چند مقیاسی برای شبیه‌سازی بلوری شدن هنگام سرد شدن درپلی پروپیلن و نانوچندسازه برپایه پلی پروپیلن/گرافن است. بر اساس مدل چند مقیاسی، یک الگوریتم از ترکیب روش حجم محدود با روش رنگ‌آمیزی پیکسلی ارایه‌شده است. روش حجم محدود در شبکه درشت برای محاسبه دمای ماکروسکوپی مورداستفاده قرارگرفته است و روش رنگ‌آمیزی پیکسلی برروی شبکه ریز برای یافتن ریخت بلورها مورد استفاده قرارگرفته است. هم چنین نقش سرعت سرد کردن بررسی‌شده است. در مقایسه بین پلیمر خالص و نانوچندسازه مشاهده می شود که با افزودن نانوذره، بلورها در مدت زمان کمتری تشکیل شده و گرافن به عنوان مکان هسته گذاری در هسته عمل کرده است. هم چنین مشخص گردید که ناحیه شبه هم دما در هسته افزایش بیشتری می یابد، این ناحیه نشان دهنده گرمای نهان آزاد شده بلورینگی است. گرمای نهان آزادشده در نانوچندسازه در زمان کمتری اتفاق می افتد. این نخستین بار است که از یک مدل ترکیبی چند مقیاسی با الگوریتم چند مقیاسی برای بلوری شدن نانوچندسازه استفاده ‌شده است.

کلیدواژه‌ها

مدل چندمقیاسی؛ نانوچندسازه پلی پروپیلن/گرافن؛ روش رنگ‌آمیزی پیکسلی؛ شبیه‌سازی

مراجع

[1] Kim H, Abdala AA, Macosko CW. Graphene/polymer nanocomposites. Macromolecules. 2010;43(16):6515-30.
[2] Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon. nature. 1991;354(6348):56-8.
[3] Smalley RE, Kroto H, Heath J. C60: Buckminsterfullerene. Nature. 1985;318(6042):162-3.
[4] Novoselov KS, Geim AK, Morozov S, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 2004;306(5696):666-9.
[5] Lee C, Wei X, Kysar JW, Hone J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. science. 2008;321(5887):385-8.
[6] Balandin AA, Ghosh S, Bao W, Calizo I, Teweldebrhan D, Miao F, et al. Superior thermal conductivity of single-layer graphene. Nano letters. 2008;8(3):902-7.
[7] Du X, Skachko I, Barker A, Andrei EY. Approaching ballistic transport in suspended graphene. Nature nanotechnology. 2008;3(8):491-5.
[8] Causin V, Marega C, Marigo A, Ferrara G, Ferraro A. Morphological and structural characterization of polypropylene/conductive graphitenanocomposites. European Polymer Journal. 2006;42(12):3153-61.
[9] Li B, Zhong W-H. Review on polymer/graphite nanoplatelet nanocomposites. Journal of materials science. 2011;46(17):5595-614.
[10] Kalaitzidou K, Fukushima H, Drzal LT. Mechanical propertiesand morphological characterization of exfoliated graphite–polypropylene nanocomposites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2007;38(7):1675-82.
[11] Mehl NA, Rebenfeld L. Computer simulation of crystallization kinetics and morphology in fiber‐reinforced thermoplastic composites. I. Two‐dimensional case. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 1993;31(12):1677-86.
[12] Mehl NA, Rebenfeld L. Computer simulation of crystallization kinetics and morphology in fiber‐reinforced thermoplastic composites. II. Three‐dimensional case. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 1993;31(12):1687-93.
[13] Mehl NA, Rebenfeld L. Computer simulation of crystallization kinetics and morphology in fiber‐reinforced thermoplastic composites. III. Thermal nucleation. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 1995;33(8):1249-57.
[14] Benard A, Advani S. An analytical model for spherulitic growth in fiber‐reinforced polymers. Journal of applied polymer science. 1998;70(9):1677-87.
[15] Piorkowska E, editor Modeling of crystallization kinetics in fiber reinforced composites. Macromolecular Symposia; 2001: Wiley Online Library.
[16] Krause T, Kalinka G, Auer C, Hinrichsen G. Computer simulation of crystallization kinetics in fiber‐reinforced composites. Journal of applied polymer science. 1994;51(3):399-406.
[17] Ruan C, Ouyang J, Liu S, Zhang L. Computer modeling of isothermal crystallization in short fiber reinforced composites. Computers & Chemical Engineering. 2011;35(11):2306-17.
[18] Ruan C, Liu C, Zheng G. Monte Carlo Simulation for the Morphology and Kinetics of Spherulites and Shish-Kebabs in Isothermal Polymer Crystallization. Mathematical Problems in Engineering. 2015;2015.
[19] Le Goff R, Poutot G, Delaunay D, Fulchiron R, KoscherE. Study and modeling of heat transfer during the solidification of semi-crystalline polymers. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2005;48(25):5417-30.
[20] Yan D, Jiang H, Li H. FEM simulation of nonisothermal crystallization, 1 Crystallinity distribution on 2 D space. Macromolecular theory and simulations. 2000;9(3):166-75.
[21] Lamberti G, De Santis F. Heat transfer and crystallization kinetics during fast cooling of thin polymer films. Heat and mass transfer. 2007;43(11):1143-50.
[22] Isayev A, Catignani B. Crystallization and microstructure in quenched slabs of various molecular weight polypropylenes. Polymer Engineering & Science. 1997;37(9):1526-39.
[23] Pantani R, Coccorullo I, Speranza V, Titomanlio G. Modeling of morphology evolution in the injection molding process of thermoplastic polymers. Progress in Polymer Science. 2005;30(12):1185-222.
[24] Huang T, Kamal M. Morphological modeling of polymer solidification. Polymer Engineering & Science. 2000;40(8):1796-808.
[25] Prabiiu N, Schultz J, Advani S, Jacob K. Role of coupling microscopic and macroscopic phenomena during the crystallization of semicrystalline polymers. Polymer Engineering & Science. 2001;41(11):1871-85.
[26] Ferreira C, Dal Castel C, Oviedo M, Mauler R. Isothermal and non-isothermal crystallization kinetics of polypropylene/exfoliated graphite nanocomposites. Thermochimica acta. 2013;553:40-8.
[27] Manafi P, Ghasemi I, Karrabi M, Azizi H, Ehsaninamin P. Effect of Graphene Nanoplatelets on Crystallization Kinetics of Poly (lactic acid). Soft Materials. 2014;12(4):433-44.
[28] منافی, پدرام, قاسمی, کرابی, عزیزی, منافی. تبلور و شکل شناسی نانوکامپوزیت های برپایه پلی لاکتیک اسید-نانوصفحه های گرافن: اثر عامل دارکردن نانوذرات. مجله علوم و تکنولوژی پلیمر. 2014;27(5):394-83.
[29] Abdou JP, Reynolds KJ, Pfau MR, van Staden J, Braggin GA, Tajaddod N, et al. Interfacial crystallization of isotactic polypropylene surrounding macroscopic carbon nanotube and graphene fibers. Polymer. 2016;91:136-45.
[30] Yang B, Hu L, Xia R, Chen F, Zhao S-C, Deng Y-L, et al. Effect of different nanofillers on non-isothermal crystallization kinetics and electric conductivity of dynamically-vulcanized PP-EPDM Blends. Macromolecular Research. 2016;24(1):74-82.
[31] Pantani R, Coccorullo I, Speranza V, Titomanlio G. Morphology evolution during injection molding: effect of packing pressure. Polymer. 2007;48(9):2778-90.
[32] Charbon C, Swaminarayan S. A multiscale model for polymer crystallization. II: Solidification of a macroscopic part. Polymer Engineering & Science. 1998;38(4):644-56.
[33] Hoffman JD, Miller RL. Kinetic of crystallization from the melt and chain folding in polyethylene fractions revisited: theory and experiment. Polymer. 1997;38(13):3151-212.
[34] Patankar S. Numerical heat transfer and fluid flow: CRC press; 1980.
[35] Micheletti A, Burger M. Stochastic and deterministic simulation of nonisothermal crystallization of polymers. Journal of mathematical chemistry. 2001;30(2):169-93.
[36] Nika DL, Balandin AA. Thermal Transport in Graphene, Few-LayerGraphene and Graphene Nanoribbons. In: Lepri S, editor. Thermal Transport in Low Dimensions: From Statistical Physics to Nanoscale Heat Transfer. Cham: Springer International Publishing; 2016. p. 339-63.
[37] Pielichowska K, Bieda J, Szatkowski P. Polyurethane/graphite nano-platelet composites for thermal energy storage. Renewable Energy. 2016;91:456-65.