پژوهشکده‌ی علوم
بررسی اثر نانو ذرات خاک‌رس بر خواص پلی اتیلن اتصال عرضی شده
پایان‌نامه‌ی کارشناسی ارشد رشته‌ی مهندسی صنایع پلیمر
نوشین حقیقت جهرمی
استاد راهنما
دکتر محمد برمر
استاد مشاور
دکتر شروین احمدی
تابستان92
ستايش خدايي را سزاست که پي در پي افتادن احسانش ما را از شکرگذاري عاجز گذاشته و پشت سرهم رسيدن انعامش، ما را از شمردن آنها ناتوان کرده است.
با تقدیری شایسته از مادرم که دریای بیکران فداکاری و عشق است.
و باتشکر از اساتید بزرگوارم جناب آقای دکتر محمد برمر که راهنمائي هاي لازم را در جهت تصحيح اين پايان نامه از اينجانب دريغ ننمود ند و همچنین جناب آقای دکتر شروین احمدی که با حمایت‌های بی‌دریغ و رهنمودهای ارزنده‌ی علمی همواره راه‌گشای من بودند.
تقدیم به مادر مهربانم و به یاد پدرم:
نهال را باران باید
تا بشوید غبار نشسته بر برگهایش
و سیرابش کند از آب حیات
و آفتاب باید
تا بتاباند
نیرو را
و محکم کند
شاخه های تازه روییده را
به نام مادر
بوسه ای باید زد
دست هایی را
می شویند غبار خستگی روزگار را
و سیراب می کنند روح تشنه را
به نام پدر
بوسه ای باید زد
دست هایی را
که می تابانند
نیرو را
و محکم می کنند
استواری پایه های زیستن را
کلیه حقوق مادي مترتب برنتایج مطالعات،
ابتکارات ونوآوری‌هاي ناشی ازتحقیق موضوع
این پایان نامه متعلق به پژوهشگاه
پلیمروپتروشیمی ایران می‌باشد
چاپ کتاب ازاین پایان نامه بدون
اسامی اساتید غیر مجاز می‌باشد.
فهرست
عنوان صفحه
چکیده…………………………………………………………………………………………………………………………………..1
1 فصل اول مقدمه…………………………..2
1- 1 تاريخچه ساخت كابل در جهان3
1-2ویژگی‌های الکتریکی و خواص فیزیکی و شیمیایی مواد عایق3
1-2-1رفتار مکانیکی ماده عایق4
1-2-2رفتارهاي گرمایی ماده‌ی عایق4
1-2-3رفتار شیمیایی4
1-2-4خصوصیات الکتریکی5
1-2-5عوامل اقتصادي5
1-3 کابل‌ بر پایه‌ی پلي‌اتيلن اتصال‌عرضی شده………………………………………………………………………..5
1-4کامپوزیت‌های پلیمری6
1- 5 نانو کامپوزیت‌های پليمري7
2 فصل دوم مروری بر مطالعات انجام‌ شده8
2-1پلی‌اتیلن8
2-1-1معرفی پلی‌اتیلن8
2-1-2 تاریخچه تولید پلی‌اتیلن9
2-1-3 انواع پلی‌اتیلن9
2-2 ایجاد اتصالات ‌عرضی در پلی‌اتیلن10
2-2-1روش‌های ایجاد اتصالات ‌عرضی در پلی‌اتیلن11
2-2-2 اثر ساختار مولکولی پلی‌اتیلن بر ایجاد اتصالات عرضی به روش پراکسیدی 16
2-2-3 بررسی خواص پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده18
2-3آنتی اکسیدانت ها19
2-4نانو کامپوزیتها ی پلیمری22
2-4-1تعاریف اولیه22
2-4-2نانو رس‌ها23
2-4-3اصلاح نانو رس25
2-4-4انواع نانو کامپوزیت‌های پلیمر- نانو رس27
2-4-5روش تهیه نانو کامپوزیت‌های پلیمر-نانورس29
2-4-6بررسی مورفولوژی و برخی خواص نانو کامپوزیت پلی‌اتیلن- نانو خاک رس32
2-5عایق‌های الکتریکی پلیمری35
2-5-1ثابت دی الکتریک36
2-5-2تانژانت زاویه اتلاف دی الکتریک38
2-5-3استحکام دی الکتریک40
2-5-4بررسی خواص الکتریکی نانو کامپوزیت‌ها41
اهداف پروژه…………………………………………………………………………………………………………………………43
3 فصل سوم مواد و روش‌ها…44
3-1مواد اولیه44
3-2تجهیزات47
3-2-1اکسترودر دو مارپیچه47
3-2-2دستگاه قالب‌گیری فشاری47
3-3آزمون‌های انجام‌شده48
3-3-1اندازه‌گیری محتوای ژل48
3-3-2آزمون تفرق زاویه پایین اشعه ایکس48
3-3-3میکروسکوپ الکترونی عبوری49
3-3-4آزمون رئولوژی49
3-3-5تجزيه ديناميکی – مکانيکی – گرمايی) DMTA (50
3-3-6آزمون گرماسنجی پويشی تفاضلی(DSC)50
3-3-7آزمون گرما وزن سنجی ) ( TGA50
3-3-8آزمون کشش50
3-3-9آزمون‌های الکتریکی51
3-4نحوه‌ی تهیه‌ی نمونه‌ها52
4 فصل چهارم نتایج و بحث54
4-1آزمون تعیین درصد ژل54
4-2آزمون رئولوژی57
4-3آزمون SAXS61
4-4آزمون میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM )63
4-5آنالیز دینامیک مکانیکی(DMTA)65
4-6آزمون آنالیز حرارتی(DSC)70
4-7آزمون گرما وزن سنجی (TGA )73
4-8آزمون کشش75
4-9خواص الکتریکی76
5 فصل پنجم نتایج و پیشنهاد‌ات80
5-1نتیجه‌گیری80
5-2پیشنهاد‌ات جهت ادامه‌ی کار82
مراجع………………………………………………………………………………………………………………………………….83
فهرست شکل‌ها
شکل ‏21ساختار یک کابل ولتاز قوی با عایق پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده11
شکل ‏22 مکانیزم ایجاد اتصالات عرضی در پلی‌اتیلن به روش تشعشع.12
شکل ‏23 مکانیزم ایجاد اتصالات عرضی در پلی‌اتیلن به روش سیلانه.13
شکل ‏24 مکانیزم ایجاد اتصالات عرضی در پلی‌اتیلن به روش پراکسیدی14
شکل ‏25 سهم هر نوع از نقاط اتصال ‌عرضی در سیستم پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده حاوی 2% پراکسید 16
شکل ‏26 مکانیزم مصرف گروههای وینیلی در طول واکنش ایجاد اتصلات عرضی 17
شکل ‏27 یک شبکه شامل پلی اتلن خطی و یک شبکه شامل زنجیرهای پلی‌اتیلن دارای LCB18
شکل ‏28 نمودار تنش-کرنش برای HDPE اتصال عرضی نشده و اتصال عرضی شده .18
شکل ‏29 نمودارDSC پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی نشده و اتصال‌عرضی شده با 5/2% پراکسید19
شکل ‏210 تغییرات مدول با درصد پراکسید(DCP ) برای آنتی اکسیدانت های فنولی22
شکل ‏211 ساختار سیلیکات‌های لایه‌ای.24
شکل ‏212 آلی دوست شدن نانو رس توسط واکنش تبادل یونی26
شکل ‏213 نمودار XRD پلی‌اتیلن مالئیک شده با اصلاح‌کننده دارای تعداد گروه‌های متیلنی متفاوت27
شکل ‏214 سه مورفولوزی مختلف نانو کامپوریت های شامل سیلیکات های لایه ای.28
شکل ‏215 شماتیکی از نانو کامپوزیت بدست آمده با روش پلیمریزاسیون درجا.30
شکل ‏216 شماتیکی از نانوکامپوزیت بدست آمده از روش جا دهی حلال31
شکل ‏217 قرارگیری زنجیرهای پلیمر در بین صفحات نانو رس اصلاح شده به روش اختلاط مذاب..31
شکل ‏218 نمودار XRD مربوط به نانو کامپوزیت پلی‌اتیلن-نانوذرات خاک رس33
شکل ‏219 تصاویر TEM نانو کامپوزیت PE-g-MAH/Org-MMT33
شکل ‏220 نمودارTGAمربوط به PE-g-MAH/Org-MMT34
شکل ‏221 نمودار DSC نانو کامپوزیتPE-g-MAH/Org-MMT35
شکل ‏222 مکانیزم‌های مختلف قطبش37
شکل 3-1 ساختار شیمیایی101 Trigonox ……………………………………………………………………………….45
شکل ‏32 ساختار شیمیایی Irganox 1010.46
شکل ‏33 ساختار شیمیایی یون الکیل آمونیوم در Cloisite 30B.47
شکل ‏41 نمودار روبش زمان برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول در دمای C◦ 130.58
شکل ‏42 نمودار روبش زمان برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش دوم در دمای C◦ 130.58
شکل ‏43 نمودار روبش زمان برای نانو کامپوزیت‌ها‌ی تهیه شده به روش اول در دمای C◦ 150.60
شکل ‏44 نمودار روبش زمان برای نانو کامپوزیت‌ها‌ی تهیه شده به روش دوم در دمای C◦ 150.60
شکل ‏45 مقایسه‌ی الگوی SAXS نانو کامپوزیت‌های حاوی 3% خاک رس.61
شکل ‏46 مقایسه‌ی الگوی SAXS نانو کامپوزیت‌های حاوی 6% خاک رس.62
شکل ‏47 مقایسه‌ی الگوی SAXS نانو کامپوزیت‌های حاوی 9% خاک رس.63
شکل ‏48 تصویر TEM نانو کامپوزیت حاوی 3% خاک رس.64
شکل ‏49 تصاویر TEM مربوط به نمونه حاوی 6درصد خاک رس.64
شکل ‏410 نتایج آزمون DMTAبرای نمونههای تهیه شده به روش اول و ماتریس67
شکل ‏411 نتایج آزمون DMTAبرای نمونه‌های تهیه شده به روش دوم و ماتریس68
شکل ‏412 مقایسه‌ی تغییرات : الف ) مدول ذخیره و ب) مدول اتلاف در نمونه‌های C61 وC62 .69
شکل 4-13 نمودار DSC نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول…………………………………………………71
شکل 4-14 نمودار DSC نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش دوم………………………………………………..72
شکل 4-15 نمودار TGA نمونه‌های تهیه شده به روش اول…………………………………………………………….73
شکل 4-16 نمودار TGA نمونه‌های تهیه شده به روش دوم…………………………………………………………….74
فهرست جدول‌ها
جدول ‏21 پراکسیدهای مورد استفاده برای ایجاد اتصالات عرضی در ترموپلاستیک ها…15
جدول ‏22- نام و ساختار شیمیایی برخی آنتی اکسیدانت ها.21
جدول ‏31 مشخصات LDPE استفاده‌شده.45
جدول ‏32 مشخصات پراکسیدهای استفاده‌شده.45
جدول ‏33 مشخصات آنتی اکسیدانت استفاده‌شده.46
جدول ‏34 درصد وزنی اجزای تشکیل دهنده ی نانو کامپوزیت‌ها.52
جدول 35 نام‌گذاری نمونه‌ها…………………………………………………………………………………………………..53
جدول ‏41 نتایج آزمون تعیین درصد ژل برای نانو کامپوزیت‌ها و ماتریس پخت نشده.55
جدول ‏42 نتایج آزمون تعیین درصد ژل برای نانو کامپوزیت‌ها‌ی پخت شده و تهیه شده به روش اول .55
جدول ‏43 نتایج آزمون تعیین درصد ژل برای نانو کامپوزیت‌ها‌ی پخت شده و تهیه شده به روش دوم .56
جدول ‏44 درصد ژل نمونه‌ها‌ی تهیه شده به روش اول پس از 10، 15 و 20 دقیقه حرارت دهی.56
جدول ‏45 درصد ژل نمونه‌ها‌ی تهیه شده به روش دوم پس از 10، 15 و 20 دقیقه حرارت دهی.57
جدول ‏46 دمای انتقال شیشه‌ای برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول با آزمون DMTA65
جدول ‏47 دمای انتقال شیشه‌ای برای نانو کامپوزیت‌ها‌ی تهیه شده به روش دوم با آزمون DMTA66
جدول ‏48 نتایج آزمون DSC برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول و ماتریس XLPE .70
جدول ‏49 نتایج آزمون DSC برای نانو کامپوزیت‌ها‌ی تهیه شده به روش دوم و ماتریس XLPE.72
جدول ‏410 نتایج آزمون TGAبرای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول و ماتریس XLPE..73
جدول ‏411 نتایج آزمون TGAبرای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش دوم و ماتریس XLPE.74
جدول ‏412 نتایج آزمون کشش برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول و ماتریس XLPE..75
جدول ‏413 نتایج آزمون کشش برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش دوم و ماتریس XLPE .76
جدول ‏414 نتایج آزمون‌های الکتریکی برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش اول و ماتریس .77
جدول ‏415 نتایج آزمون‌های الکتریکی برای نانو کامپوزیت‌های تهیه شده به روش دوم و ماتریLPE .77
چکیده
پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده به علت داشتن خواص الکتریکی مناسب و استحکام الکتریکی خوب یکی از موادی است که به طور گسترده در زمینه‌ی تولید عایق در کابل‌ها استفاده می‌شود.
امروزه یکی از روشهای بهینهسازی خواص و تغییر رفتار پلیمرها استفاده از ذرات پرکننده با ابعاد نانومتری است. از زمانی که ذرات نانو به عنوان مواد پرکننده در کامپوزیت‌ها مطرح‌شده‌اند، بسیاری از محققان به بررسی تأثیر این ذرات بر خواص مواد مختلف پرداخته و نتایج قابل‌توجهی را به دست آورده‌اند. این امر به دلیل سطح بسیار زیاد این ذرات و برهمکنشی است که با فاز پیوسته در کامپوزیت برقرار می‌کنند.
هدف از انجام این پژوهش، بررسی اثر نانو خاک رس اصلاح‌شده با نام تجاری cloisite 30B بر فرآیند پخت پلی‌اتیلن و همچنین تأثیر این نانو ذرات بر خواص فیزیکی، مکانیکی و الکتریکی کامپوزیت پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده است. همچنین در این تحقیق سعی شده است تا با قرار دادن ذرات پر اکسید بین صفحات خاک رس ، علاوه بر پخش بهتر نانو ذرات، بازده ایجاد اتصالات‌عرضی نیز افزایش‌یافته و منجر به دستیابی به خواص بالاتر شود. برای این منظور مقادیر مشخصی از نانو ذرات خاک رس به همراه پراکسید(DHBP ) و آنتی اکسیدانت (Irganox 1010 ) و مقدار کافی استون به وسیله‌ی همزن مغناطیسی و حمام اولتراسونیک مخلوط شده و پس از خشک شدن کامل مخلوط، از آن برای تهیه‌ی کامپوزیت‌های 3، 6 و 9 درصد وزنی نانو خاک رس استفاده شد. پس از تهیه‌ی نمونه‌ها آزمون‌هایی مانند رئولوژی برای بررسی رفتار پخت؛ آزمونDSC جهت بررسی رفتار حرارتی نمونه‌ها مانند دمای ذوب، دمای تبلور و تعیین درصد تبلور ، آزمون TGA جهت مطالعه‌ی رفتار گرمایی- تخریبی، آزمون XRD برای تعیین فاصله صفحات خاک رس، آزمون TEM برای بررسی چگونگی پخش صفحات خاک رس در ماتریس، آزمون کشش وDMTA برای بررسی خواص مکانیکی و دینامیکی و در نهایت آزمون‌های ثابت دی الکتریک، فاکتور اتلاف و استحکام شکست جهت بررسی خواص عایقی نمونه‌ها به کار گرفته شد. نتایج حاصل از آزمون رئولوژی نشان داد که قرار دادن مولکول‌های پراکسید بین صفحات خاک رس باعث بهبود روند پخت شده است. همچنین طبق بررسی‌های صورت گرفته، بیش‌ترین بهبود در خواص، در نمونه پر شده با 3 درصد وزنی نانو ذره حاصل ‌شده و افزایش غلظت پرکننده نانو بیش از این مقدار موجب افت بسیاری از خواص ذکر شده گردیده است.
1
فصل اول
مقدمه
آدمی دیر زمانی است که در جستجوی کلید اصلی تمدن صنعتی یعنی انرژی و مهار آن بوده است. با اختراع ماشین بخار در سال 1786 که سرآغاز انقلاب صنعتی بود، نخستین گام جدی در راه بهره‌گیری از انرژی برداشته شد. به دنبال آن در قرن نوزدهم، عطش شدیدی برای پیدا و مهار کردن انواع انرژی‌ها، اروپا را فراگرفت. از آن پس تبدیل انواع انرژی‌ها به یکدیگر و به ویژه به انرژي الكتريكي كه سودمندترين انرژي شناخته شده، پيوسته دنبال شده است.
نخستين كاربرد انرژي برق، تأمین روشنايي بود كه در دههی 1850 عملي شد. به طوری که اماكن عمومي، ایستگاه‌های قطار و فانوس‌های دريايي نزديك ساحل، از روشنايي الكتريكي برخوردار شدند. در اين دوران ولتاژ الكتريكي پايين بود و الكتريسيته به وسیله‌ی سیم‌های معمولي منتقل مي‌شد. با اختراع و تكميل مولد برق و بهره‌گیری از انرژي آب و سوخت‌های فسيلي در ماشین‌های بخار، زمينهی بهره‌گيري از انرژي الكتريكي افزايش يافت. هم‌زمان با پیشرفت‌هایی كه در زمينه استفاده از برق متناوبa.c. و تبديل ولتاژهاي كم به ولتاژهاي زياد به دست آمد، برنامه انتقال الكتريسيته به نقاط دور‌تر در دستور كار قرار گرفت، شبكه‌هاي الكتريكي ايجاد شد و رو به گسترش گذاشت. در همين روند بود كه استفاده از كابل نيز آغاز شد.
1-1 تاريخچه ساخت كابل در جهان
در سال 1876 انديشه توليد كابل با روكش لاستيكي به مرحله اجرا درآمد. در اين مرحله چند رشته سيم مسي را به هم تابانده و با نوعي كائوچوي طبيعي به نام گوتاپرشا1 روكش مي‌كردند.
در سال‌های نخست دهه 1880 کابل‌هایی ساخته شد كه با مواد نفوذناپذير در برابر آب، عايق و روكش شدند. از آن پس استفاده از مواد ديگر متداول شد . بدين ترتيب مي‌توان ادعا كرد كه صنعت کابل سازی نزديك به 130 سال پيشينه دارد.
در آن زمان، فرآيند ساخت كابل بدين شكل بود كه ابتدا يك ماده عايق با خاستگاه گياهي را به دور رسانا پيچيده آن را در دمايC ◦140-130 خشك و سپس با مواد روغني، رزين يا موم اشباع کرده و سرانجام با سرب روكش مي‌نمودند. در سال 1887 شبكه‌هاي با ولتاژ بالاتر جاي خود را باز كردند به طوري كه در سال 1898، نخستين كابل 10 كيلوولت سه رشته‌اي، براي يك شبكه برق متناوب سه فاز ساخته شد.
همراه با روند تكميلي ساخت كابل كه پيوسته ادامه داشت، در سال 1935، يك كارشناس سوئيسي به نام بورل2 با قرار دادن دو الكترود در داخل روغن و با گذاشتن لايه‌هاي مختلفي از كاغذهاي عايق در ميان دو الكترود ولتاژ شكست اين مواد را اندازه‌گيري كرد و نشان داد كه با بهبود شرايط ساخت، كيفيت عايق‌هاي كاغذي بالا مي‌رود و مي‌توان آن‌ها را در ولتاژهاي بالاتر استفاده کرد. با اين پيشرفت ساخت كابل‌هاي با ولتاژ بالاتر روزبه‌روز گسترش يافت و با بهره‌گیری از مواد ديگري مانند پلی وینیل کلراید3، پلی اتیلن و اتیلن پروپیلن رابر4 دامنه فعاليت در صنعت كابل سازي گسترش یافت و سرمايه‌گذاري‌هاي كلاني را جذب كرد.
1-2 ویژگی‌های الکتریکی و خواص فیزیکی و شیمیایی مواد عایق
کاربرد عایق‌ها در ساخت مولد های برق، موتورها، ترانسفورماتورها، برق‌گیرها، خازن‌ها، کابل‌ها، کلیدهاي فشارقوی و سایر تجهیزات فشارقوی بسیار گسترده است. با توجه به نوع کاربرد و شرایط محیطی که عایق در آن قرارمی گیرد، علاوه بر خاصیت الکتریکی، سایر خواص فیزیکی و شیمیایی آن نیز از اهمیت زیادي برخوردار است. ویژگی‌های یک عایق که باید در کاربردهای مختلف مورد بررسی قرار گیرد عبارت است از:
• رفتار مکانیکی
• رفتار گرمایی
• پارامترهاي شیمیایی
• خصوصیت‌های الکتریکی
• عوامل اقتصادي
1-2-1 رفتار مکانیکی ماده عایق
استحکام ماده عایق، نیاز اصلی و اساسی است. به عنوان مثال، جنس صفحه آستر شیار ماشین‌های الکتریکی باید به اندازه کافی سفت باشد تا بتواند در مقابل صفحه داخلی شکاف منبسط‌شده، بدون شکستن تا بخورد و نیز باید لبه شکاف در مقابل ورقه ورقه شدن، ارتعاش، تأثیر شیمیایی روغن جلاي به کار رفته و جذب رطوبت مقاومت کند. برآمدگی سیم‌پیچ باید در قبال فرسودگی، مقاومت زیاد و یا ضریب اصطکاك کمی داشته باشد.
1-2-2 رفتارهاي گرمایی مادهی عایق
در به‌کارگیری بسیاري از عایق‌ها به مواد ی نیاز است که در دماهاي بالا منبسط نشوند. معمولاً ویژگی‌های فیزیکی مواد با افزایش دما تغییر می‌کند. نیروي کششی در عایق‌ها نباید به نقطه‌ای برسد که باعث تغییر شکل و فرسودگی بیش از اندازه آنها شود. همچنین دماي عملکرد یک ماده عایق از نوع ترموپلاستیک نباید به دمای ذوب آن برسد( حتی براي یک مدت زمان کوتاه). وقتی مواد عایق براي مدت طولانی در معرض حرارت قرارمی‌گیرند، ترکیب شیمیایی آن‌ها تغییر می‌کند و تخریب می‌شوند. بنابراین می‌توان گفت که مدت زمان عمل‌کرد عایق با دماي مطلق آن عایق نسبت عکس دارد.
1-2-3 رفتار شیمیایی
محیط بر روي رفتار شیمیایی عایق اثرگذار است. معمولاً این محیط همان هواي حامل رطوبت است. اکسیژن موجود در هوا قادر است عایق را به گونه‌ای اکسید کند که به شکل زیان‌آوری ویژگی‌های فیزیکی آن از بین برود. همچنین می‌تواند باعث تخریب بعضی از عایق‌ها شود. به علاوه اثرات تخریبی روي سطح عایق باعث پایین آمدن مقاومت عایق میشود.
1-2-4 خصوصیات الکتریکی
از مهم‌ترین خصوصیت‌های هر عایق، مقاومت الکتریکی آن است. مقاومت الکتریکی عایق‌ها بر حسب حداکثر شدت میدان الکتریکی قابل تحمل توسط آن‌ها سنجیده می‌شود و معمولاً بر حسب KV/cm بیان می‌گردد. بنابراین ولتاژ شکست هر عایق به ضخامت آن بستگی دارد.
1-2-5 عوامل اقتصادي
یکی از عوامل مؤثر در طراحی عایق‌ها، طرح سیستمی است که بهترین عمل‌کرد را به ازاي قیمت مناسب داشته باشد. البته این موضوع به معناي تلاش براي کم کردن قیمت‌ها در واحد وزن براي سیستم هاي عایق‌کاری و تجهیزات آن نیست. اگر با صرف هزینه بیشتري براي یک یا چند قطعه در سیستم بتوان ابعاد سیستم را کاهش داد، عاقلانه‌تر است که از عایق‌های گران‌تر استفاده شود.
1-3 کابل‌ بر پایهی پلي‌اتيلن اتصال عرضی شده5
در سال 1953 براي نخستين بار كابل خشك با عايق پلي‌اتيلن اتصال عرضی شده در كارخانه « جنرال الكتريك » ساخته شد. پلی‌اتیلن پلیمری نیمه بلورین است که دارای ویژگی‌های الکتریکی خوب مانند ضریب دی الکتریک پایین، اتلاف دی الکتریکی پایین و استحکام عایق بالا به همراه خصوصیات دیگری چون انعطاف‌پذیری، مقاومت در برابر مواد شیمیایی، فرآیند پذیری خوب و قیمت ارزان است. این خصوصیات آن را گزینه‌ی مناسبی برای عایق سازی کابل‌های قدرت می‌کند و این در حالی است که عیب عمده‌ی آن دمای ذوب پایین آن است. این عیب دمای عملیاتی را به◦C 75 محدود می‌کند. برای بهبود این خصوصیت، پلی‌اتیلن اتصال ‌عرضی می‌شود. ایجاد اتصالات عرضی، دمای بیشینه عملیاتی را تا ◦C 90 و دمای اضطراری را تا ◦C 130 و بیشینه دمای اتصال کوتاه را تا ◦C 250 بالا می‌برد. ایجاد اتصالات عرضی همچنین استحکام ضربه‌ای، پایداری ابعادی، استحکام کششی، خصوصیات حرارتی و مقاومت شیمیایی را بالا برده و خصوصیات الکتریکی، پیری و مقاومت در برابر حل شدن پلی‌اتیلن را بهتر می‌کند.
کابل‌هایXLPE با پيشينه‌اي نزديك به چهل سال ساخت و كاربرد به استانداردهاي بالايي دست‌یافته‌اند و با نام‌های بازرگاني گوناگوني در بسياري از كارخانه‌هاي جهان ساخته مي‌شوند. به طوري كه امروزه كاربران مختلف، کابل‌های XLPE را تا ولتاژ حتي بيشتر از 500 کیلوولت با اطمينان خاطر به كار مي‌برند.
یکی از راه‌های تقویت خواص یک ماده‌ی پلیمری افزودن پرکننده‌های مختلف و رسیدن به خواص مطلوب است. این فناوری علاوه بر بهبود خواص مکانیکی، شیمیایی، فیزیکی و حرارتی، از نظر اقتصادی نیز مورد توجه است.
1-4 کامپوزیت‌های پلیمری
كامپوزيت‌ها از تركيب و اختلاط فيزيكي دو يا چند ماده حاصل می‌شوند تا يك سيستم چند فازي را ايجاد نمايند كه داراي خواص متفاوتي از مواد اوليه تشكيل دهنده باشد. از سال 1960 ميلادي، کامپوزیت‌های پليمري يكي از شاخه‌های تحقيقاتي در علم مواد به حساب آمده و پس از آن کامپوزیت‌های پليمري متنوعي ساخته شد [1].
در کامپوزیت‌ها عمدتاً سه فاز متمايز وجود دارد كه این فازها تعیین‌کننده خواص كامپوزيت هستند. اين سه فاز، ماتریس(فاز پیوسته)، تقویت‌کننده(فاز ناپیوسته) و لايه مرزي بين آن‌ها را شامل میشوند. در كامپوزيت نقش فاز تقویت‌کننده، حمل تنش وارد شده به ماده است . فاز پيوسته عهده‌دار حفاظت از ماده تقویت‌کننده در برابر عوامل محيطي و انتقال بار به فاز تقویت‌کننده است. اما نقشي كه لايه مرزي ميان اين دو فاز بر عهده دارد بسيار بااهمیت بوده و تأثير زيادي بر خواص نهايي کامپوزیت دارد. در حقيقت انتقال تنش از ماتريس به ماده تقویت‌کننده از طريق اين حد فاصل صورت مي‌گيرد. بنابراين قوي يا ضعيف بودن اين حد فاصل نه تنها بر خواص مكانيكي، بلكه بر خواص فيزيكي مانند دماي انتقال شیشه‌ای، پايداري حرارتي و حتي بر خواص الكتريكي تأثیرگذار خواهد بود.به طور كلي ماده تقویت‌کننده صرف‌نظر از نوع آن می‌تواند به سه شكل ذره‌ای، صفحه‌ای و يا ليفي وجود داشته باشد كه هر كدام خصوصيت ویژه‌ای را به كامپوزيت ميبخشد [1,2].
عموماً خواص حاصل‌شده از کامپوزیت‌ها به مواردي بستگي دارد همچون:
• خواص فازهاي تشکیل‌دهنده
• توزيع فازها
• اثر متقابل فازها بر يكديگر
• ابعاد و شكل ماده تقویت‌کننده و همچنين توزيع اين مواد در فاز پيوسته
در کامپوزیت‌های پرشده با مواد تقویت‌کننده‌ای كه به شكل صفحه‌ای يا ليفي می‌باشند، جهت‌گیری ذرات به شدت بر خواص كامپوزيت به خصوص خواص مكانيكي تأثير می‌گذارد درحالی‌که در کامپوزیت‌های تقویت‌شده با مواد پر کننده‌ای كه به صورت ذرات كروي شكل می‌باشند، خواص به جهت قرارگيري ذرات بستگي ندارد. از دلايل عمده‌ براي استفاده از پرکننده‌های ذره‌ای، كاهش قيمت محصول و بهبود فراورش است [3].
در سال‌های اخیر بررسی‌های مختلف نشان داده است كه با وارد كردن مقدار کمی از پرکننده با ابعاد نانو متری (كه عمدتاً معدني می‌باشند) می‌توان به خواص بالاتری دست یافت.از آن‌جا که حضور نانو ذرات در ماتریس پلیمری موجب بهبود خواص الکتریکی نیز می‌شود، با استفاده از نانو کامپوزيت‌ها می‌توان عایق‌های الكتريكي مناسبي را توليد كرد.
1-5 نانو کامپوزیت‌های پليمري
در اوايل 1980 دانشمندان دريافتند كه تفاوت قابل توجهي ميان خواص مواد معمولي و مواد جديدي كه داراي ابعاد نانومتری هستند وجود دارد. بنابراين پیش‌بینی شد كه کامپوزیت‌های دارای نانو ذرات بسيار متفاوت از کامپوزیت‌های معمولي كه داراي مواد پرکننده‌ای در ابعاد ميكرو و يا بزرگ‌تر از آن هستند، عمل كنند. به همين دليل درسی سال اخير توجه شاياني به تهيه و بررسي خواص نانو کامپوزیت‌های پليمري جلب شده است [1].
اگرچه نانو ذرات قادر به ايجاد خواص فوق‌العاده و قابل‌توجهی در مقايسه با آنچه كه از ذرات ميكرو و يا درشت‌تر از آن حاصل می‌شود، هستند اما همواره با مشكلات توزيع و پايداري نيز مواجه می‌باشند كه اين امر به دليل سطح بسيار زياد و فعال اين ذرات است كه موجب تمايل شديد آن‌ها به تشكيل اجتماعات كوچك و كلوخه اي شدن می‌شود [2]. از اين رو يكي از چالش‌هایی كه همواره در کامپوزیت‌ها مورد بررسي قرار می‌گیرد توزيع يكنواخت نانو ذرات در ماتريس است به طوری که مانع از اجتماع و كلوخهاي شدن آن‌ها شود. بنابراين مرحله اضافه كردن ذرات نانو به ماتريس و مخلوط كردن مواد از اهميت زیادی برخوردار است.
2
فصل دوم
مروری بر مطالعات انجام‌ شده
در این فصل پس از بیان شرح مختصری از تاریخچه تولید پلی‌اتیلن و فرایند ایجاد اتصالات عرضی در آن به تعریف نانو کامپوزیتها، روشهای ساخت و تحلیل آنها پرداخته می‌شود. در آخر هم مطالبی راجع به عایقهای الکتریکی پلیمری آورده شده است.
2-1 پلیاتیلن
2-1-1 معرفی پلی‌اتیلن
پلی‌اتیلن یکی از ساده‌ترین و ارزان‌ترین پلیمرهاست که از پلیمریزاسیون اتیلن به دست می‌آید.
مولکول اتیلن (C2H4) دارای یک باند دوگانه C=C است. در فرایند پلیمریزاسیون باند دوگانه هر یک از منومرها شکسته شده و به جای آن پیوند ساده‌ای بین اتم‌های کربن ایجاد می‌شود و محصول ایجادشده یک درشت ‌مولکول است.
2-1-2 تاریخچه تولید پلی‌اتیلن
پلی‌اتیلن اولین بار به طور اتفاقی توسط شیمیدان آلمانی ” هانس وان پچمانو6″ سنتز شد. او در سال 1898 هنگام حرارت دادن دی آزومتان، ترکیب مومی شکل سفیدی را سنتز کرد که بعدها پلی‌اتیلن نام گرفت. اولین روش سنتز صنعتی پلی‌اتیلن به طور تصادفی توسط شیمیدان‌های ICI در 1933 کشف شد. این دانشمندان با حرارت دادن مخلوط اتیلن و بنزالدئید در فشار بالا ، ماده‌ای موم‌ مانند به دست آوردند.
علت این واکنش وجود ناخالصی‌های اکسیژن‌دار در دستگاه‌های مورد استفاده بود که به عنوان ماده آغازگر پلیمریزاسیون عمل کرده بود. در سال 1935 یکی دیگر از دانشمندان ICI این روش را توسعه داد و تحت فشار بالا پلی‌اتیلن را سنتز کرد که این روش اساسی برای تولید صنعتیLDPE در سال 1939 شد.
اتفاق مهم در سنتز پلی‌اتیلن، کشف چندین کاتالیزور جدید بود که پلیمریزاسیون اتیلن را در دما و فشار ملایم‌تری نسبت به روش‌های دیگر امکان‌پذیر می‌کرد. اولین کاتالیزور کشف شده در این زمینه تری اکسید کروم بود که در سال 1951 ،توسط شرکت فیلیپس پترولیوم کشف شد. در سال 1953، یک شیمیدان آلمانی سیستم‌های کاتالیزوری شامل هالیدهای تیتان و ترکیبات آلومینیوم‌دار را توسعه داد. این کاتالیزورها در شرایط ملایم‌تری نسبت به کاتالیزورهای فیلیپس قابل‌استفاده بودند و همچنین پلی‌اتیلن تک آرایش (با ساختار منظم) تولید می‌کردند. سومین نوع سیستم کاتالیزوری استفاده از ترکیبات متالوسن بود که در سال 1976 در آلمان تولید شد. کاتالیزورهای زیگلر و متالوسن از لحاظ کارکرد بسیار انعطاف‌پذیر هستند و در فرایند کوپلیمریزاسیون اتیلن با سایر اولفین‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. پس از آن کاتالیزوری از خانواده متالوسن‌ها با قابلیت استفاده بالا برای پلیمریزاسیون پلی‌اتیلن به نام زیرکونوسن دی کلرید ساخته شد که امکان تولید پلیمر با ساختار بلوری(تک آرایش) را می‌دهد. همچنین نوع دیگری از کاتالیزورها به نام کمپلکس ایمینو فتالات با فلزات گروه ششم نیز مورد توجه قرار گرفته اند که کارکرد بالاتری نسبت به متالوسن‌ها نشان می‌دهند [4].
2-1-3 انواع پلی‌اتیلن
طبقه‌بندی پلی‌اتیلن‌ بر اساس دانسیته آن صورت می‌گیرد که در اندازه زنجیر پلیمری ، نوع و تعداد شاخه‌های موجود در زنجیر تفاوت ایجاد می‌کند.
• پلی‌اتیلن با دانسیته بالا7
این پلی‌اتیلن دارای زنجیر پلیمری بدون شاخه است بنابراین نیروی بین مولکولی در زنجیرها بالا و استحکام کششی آن بیشتر از بقیه پلی‌اتیلن‌ها است. شرایط واکنش و نوع کاتالیزور مورد استفاده در تولید پلی‌اتیلن HDPE موثر است. برای تولید پلی‌اتیلن بدون شاخه معمولاً از روش پلیمریزاسیون با کاتالیزور زیگلر- ناتا استفاده می‌شود.
• پلی‌اتیلن با دانسیته پایین8
این پلی‌اتیلن دارای زنجیری شاخه‌دار است بنابراین زنجیرهای LDPE نمی‌توانند به خوبی با یکدیگر پیوند برقرار کنند و دارای نیروی بین مولکولی ضعیف و استحکام کششی کمتری نسبت به HDPE هستند. این نوع پلی‌اتیلن معمولاً به روش پلیمریزاسیون رادیکالی تولید می‌شود. از خصوصیات این پلیمر، انعطاف‌پذیری و امکان تجزیه به وسیله میکرواورگانیزم‌ها است.
• پلی‌اتیلن خطی با دانسیته پایین9
این پلی‌اتیلن یک پلیمر خطی با تعدادی شاخه‌های کوتاه است و معمولاً ازکوپلیمریزاسیون اتیلن با آلکن‌های دارای زنجیرهای بلند ایجاد می‌شود.
• پلی‌اتیلن با دانسیته متوسط10
• پلی‌اتیلن خیلی سبک11
• UHMWPE
2-2 ایجاد اتصالات عرضی در پلی‌اتیلن
پلی‌اتیلن به دلیل داشتن ثابت دی الکتریک پایین، فاکتور اتلاف کم و فرایند پذیری خوب مادهی ایده الی برای تهیه عایق کابل به نظر می‌رسد [5] ولی استفاده از آن به علت داشتن نقطه ذوب پایین، تمایل به ترک خوردن تحت تنش و تورم در هیدروکربن ها محدود می‌شود. بنا به دلایل ذکرشده تلاش برای ایجاد اتصالات عرضی در پلی‌اتیلن صورت گرفت. ایجاد اتصال عرضی خصوصیت مهمی را به پلی‌اتیلن می‌دهد که با حرارت دادن نه ذوب‌شده و نه جریان پیدا می‌کند. با تشکیل اتصالات عرضی، پلیمر نیمه بلورین در دماهای زیر نقطه ذوب خود خواص یک ترموپلاستیک و در دماهای بالای نقطه ذوب خود خواص یک را بر را نشان می‌دهد [6].
به علت اتلاف انرژی، قسمت‌های هادی کابل در توانهای بالا گرم می‌شوند و ممکن است دما به نقطه ذوب عایق برسد که در این صورت ممکن است کابل تغییر شکل دهد و هادی در عایق نفوذ کند و در نهایت باعث شکست الکتریکی12 شود. ولی با استفاده از XLPE این امکان فراهم می‌شود که دمای هادی کابل بتواند تا ◦ C 130 هم افزایش یابد. به این ترتیب ایجاد اتصالات عرضی موجب بهبود مقاومت حرارتی و شیمیایی و مقاومت در برابر تنش‌های محیطی میشود. امروزه بیش‌ترین ماده‌ای که به عنوان عایق کابل برای ولتاژ KV 6 و بالاتر به کار میرود پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده است. ولی برای کابلهای ولتاژ پایینتر همچنان پلی وینیل کلراید به عنوان ماده غالب مورد استفاده قرار می‌گیرد [5].
ساختمان اولیه کابل با ولتاژ متوسط و بالا شامل یک هادی به صورت جامد یا رشته بافته شده است که به وسیله یک عایق و صفحات رسانا احاطه شده است. وظیفهی صفحات رسانا ایجاد یک فصل مشترک مناسب بین عایق و قسمت‌های رسانا به منظور جلوگیری از تمرکز تنش الکتریکی است. زیرا تمرکز تنش می‌تواند باعث شکست ناگهانی ساختار عایق شود. لایههای دیگر هم برای محافظت مکانیکی و الکتریکی به هستهی فلزی اضافه می‌شوند [5].
شکل 2-1 ساختار یک نمونه از کابلهای ولتاژ بالا را نشان می‌دهد.
شکل ‏21 ساختار یک کابل ولتاز قوی با عایق پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده: 1) هادی کابل، 2) صفحه ی نیمه هادی رسانا،3) عایق پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده، 4) صفحه ی نیمه هادی عایق، 5) لایه ی مسی، 6و7و8) سایر لایه های بیرونی [7].
2-2-1 روشهای ایجاد اتصالات عرضی در پلیاتیلن
برای ایجاد اتصال عرضی در پلی‌اتیلن از روش‌های مختلفی استفاده‌شده است که شرح مختصری از آن ها در این فصل ذکر شده است است.
الف) روش تشعشعی: از پرتوهای الکترونی پر انرژی برای ایجاد اتصالات عرضی در عایقهای پلیاتیلنی سیم و کابل و همچنین لولههای قابل انقباض در اثر حرارت13 استفاده می‌شود. در فرایند ایجاد اتصالات‌عرضی توسط تابش، پرتوهای بتا با جذب هیدروژن تولید رادیکال می‌کنند و طی واکنش شیمیایی و ایجاد پیوند کربن-کربن اتصال‌عرضی رخ می‌دهد. پرتو بتا به علت داشتن طول موج کوتاه تر و فرکانس بالاتر نسبت به پرتوهای مادون قرمز دارای قدرت بالاتری است و می‌توان از آن برای ایجاد اتصالات عرضی در عایقهای ضخیم استفاده کرد. پرتوهای الکترونی نیازی به عامل پخت (مانند سولفور یا پراکسید) ندارند. البته اگرچه این روش نیازی به پراکسید ندارد ولی حضور پراکسید باعث بهبود فرایند اتصال عرضی شدن می‌شود. در فرایند ایجاد اتصالات عرضی توسط تابش 20% پارگی زنجیر رخ می‌دهد درحالی‌که برای ایجاد تصال ‌عرضی به روش شیمیایی با پراکسید این مقدار به 5% میرسد [7].
مکانیزم ایجاد اتصالات ‌عرضی توسط تابش در شکل 2-2 نشان داده‌شده است:
ب) امواج فرا صوت14: امواج فرا صوت، تابشهای الکترومغناطیسی نیستند بلکه امواج کِشسانی هستند که با
حرکات لرزشی متناوب یک فرستندهی فرا صوت ایجاد می‌شوند. دو نوع فرستنده‌ای که بیشتر مورد استفاده
قرار می‌گیرند پیزوالکتریک15 و magnetostrictive device می‌باشند [7].
ج) پخت سیلانه : در ایجاد اتصالات عرضی به روش سیلانی از سیلان برای اتصال مولکولهای پلی‌اتیلن استفاده می‌شود که دارای دو مرحله است:
مرحله اول شامل پیوند زدن سیلان به پلیمر به واسطهی باند وینیلی آن است.مرحله دوم شامل اتصال عرضی کردن در حضور آب است که کاتالیزور آن ترکیبات قلع و یا ترکیبات مناسب دیگر می‌باشد. در این مرحله محصول نهایی باید پخت شود که این کار به وسیلهی رطوبت به عنوان عامل فعال انجام می‌گیرد. واکنش پخت شامل هیدرولیز و واکنش تراکمی است که موجب تولید مولکول آب شده که خود این آب باعث شروع واکنش پخت دیگری می‌شود [8].
مکانیسم این واکنش در شکل 2-3 نشان داده‌شده است.
شکل ‏23 مکانیزم ایجاد اتصالات عرضی در پلیاتیلن به روش سیلانه [9].
د) پخت پراکسیدی : در این روش از پراکسید به عنوان عامل تولید کننده رادیکال استفاده می‌شود. هنگامی که پراکسید تجزیه می‌شود رادیکال ها ایجاد می‌شوند که این رادیکالها اتم هیدروژن را از انتهای زنجیر و شاخه‌های جانبی پلی‌اتیلن می‌گیرند و ماکرو رادیکال ایجاد می‌کنند. در نهایت با ترکیب دو رادیکال، اتصال عرضی صورت میگیرد. برای داشتن اتصالات عرضی با بازده خوب باید هردو رادیکال ایجادشده بتوانند به راحتی هیدروژن را جذب کنند [10].
مکانیزم ایجاد اتصالات ‌عرضی به روش پراکسیدی در شکل 2-4 نشان داده‌شده است:
شکل ‏24 مکانیزم ایجاد اتصالات ‌عرضی در پلی‌اتیلن به روش پراکسیدی[7].
اسامی پراکسیدهایی که برای ایجاد تصالات ‌عرضی در ترمو پلاستیک ها مناسب می‌باشند و برخی از مشخصات آن‌ها در جدول 2-1 آورده شده است.

2-2-2 اثر ساختار مولکولی پلی‌اتیلن بر ایجاد اتصالات عرضی به روش پراکسیدی
برای ایجاد اتصالات عرضی بین زنجیرهای پلی‌اتیلن لازم است نقاط اتصال عرضی وجود داشته باشند. این نقاط می‌توانند فیزیکی و یا شیمیایی باشند. نقاط اتصال عرضی فیزیکی در اثر گره خوردگی ها به وجود میآیند و نقاط ا تصال ‌عرضی شیمیایی ناشی از حضور پراکسید و گروه‌های وینیلی واکنش کننده می‌باشند. به وسیلهی تورم16 می‌توان سهم هر نوع ازنقاط اتصال عرضی را طبق رابطهی زیر مشخص کرد.
(2-1)
, M c , entanglement از دادههای ویسکوزیته مذاب، برابرg/mol 4000 به دست آمده است.
بنا بر تحقیقات اسمدبرگ 17و همکارانش، از نمودار نشان داده شده در شکل 2-5 مشخص می‌شود که حدود 60% از کل نقاط اتصال عرضی را نقاط اتصال عرضی فیزیکی تشکیل می‌دهند [10].
شکل ‏25 سهم هر نوع از نقاط اتصال عرضی در سیستم پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده حاوی 2% پراکسید [10].
پارامترهای ساختاری مؤثر بر کیفیت اتصالات عرضی در پلی‌اتیلن شامل موارد زیر است:
الف) جرم مولکولی(Mn)
با افزایش جرم مولکولی تعداد انتهای زنجیرها کاهش می‌یابد. بنابراین احتمال قفل شدن و گره خوردن زنجیرها و در نتیجه ایجاد نقاط اتصال عرضی فیزیکی افزایش می‌یابد. به این ترتیب با افزایش جرم مولکولی برای رسیدن به درصد مشخصی از اتصالات عرضی، به پراکسید کمتری نیاز است [11,12].
ب) تعداد گروه‌های وینیلی
بنا بر مطالعات میلان لازا 18و همکارانش تعداد گروه‌های وینیلی در طول واکنش ایجاد اتصالات عرضی، کاهش می‌یابد. به این معنی که این گروهها مطابق مکانیزم نشان داده‌شده در شکل 2-6در طول واکنش مصرف می‌شوند.
شکل ‏26 مکانیزم مصرف گروههای وینیلی در طول واکنش ایجاد اتصالات عرضی [13].
به این ترتیب افزایش گروه‌های وینیلی موجب افزایش تعداد نقاط اتصال عرضی شیمیایی شده و باعث می‌شود برای رسیدن به درصد مشخصی از اتصالات عرضی، به پراکسید کمتری نیاز باشد [12,14].
ج) تعداد زنجیر با شاخه بلند19 (LCB )
افزایش تعداد LCB باعث می‌شود که حجم هیدرودینامیکی ماکرومولکول کاهش یابد. کوچک شدن اندازه مولکول باعث می‌شود برهمکنشهای درون مولکولی افزایش و برهمکنشهای بین مولکولی کاهش یابد.کاهش این برهمکنشها موجب افزایش میزان پراکسید لازم برای رسیدن به درصد مشخصی از اتصالات عرضی می‌شود [11].
در شکل 2-7 کاهش اندازه مولکولهای پلی‌اتیلن دارایLCB نسبت به پلی‌اتیلن خطی نشان داده‌شده است.
شکل ‏27 یک شبکه شامل پلی اتلن خطی(سمت چپ) و یک شبکه شامل زنجیرهای پلی‌اتیلن دارای LCB(سمت راست) [11].
2-2-3 بررسی خواص پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده
در بررسی خواص پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده به وسیله‌ی پراکسید که توسط خنکدار و همکارانش، کانگ20 و همکارش و مانلی21 و همکارش انجام شد نتایج زیر به دست آمده است.
الف)خواص مکانیکی
در بررسی خواص مکانیکی پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده نمودار تنش-کرنش شکل 2-8 به دست آمده است.
مشاهده شده است که با افزایش درصد پراکسید مدول یانگ و استحکام کششی کاهش می‌یابد. زیرا مدول و استحکام به نواحی بلوری برمیگردندکه با افزایش اتصالات عرضی وکاهش این نواحی،کاهش مییابند. همچنین مشاهده شده است که میزان تغییر طول در نقطه شکست نیز با افزایش درصد پراکسید، کاهش می‌یابد. زیرا با افزایش اتصالات عرضی شیمیایی، محدودیتی بر رفتار کششی اعمال می‌شود. به عبارت دیگر به علت کوتاه شدن طول سگمنتهای موجود برای کشش و کاهش احتمال سرخوردن زنجیرها، تغییر طول در نقطه شکست کاهش می‌یابد [6,15].
ب) خواص حرارتی
در بررسی خواص حرارتی، اثر ایجاد تصالات ‌عرضی بر روی فاز آمورف به کمک DMA و اثر آن روی فاز بلوری به کمک DSC مورد مطالعه قرار گرفته است که نتایج حاصل از آن به شرح زیر است:
با افزایش اتصالات عرضی، کاهش در دمای انتقال شیشهای دیده شده است که به علت کاهش در میزان بلورینگی و افزایش تحرک زنجیرهاست[6].
مطابق نمودار نشان داده شده در شکل 2-9 با افزایش در صد پراکسید، دمای ذوب، دمای کریستالیزاسیون و آنتالپی ذوب کاهش یافته است. که کاهش دمای ذوب به علت کاهش در سایز بلورها و کاهش آنتالپی ذوب به علت کاهش در کل مقدار بلورها گزارش شده است [6,16].
2-3 آنتی اکسیدانت ها
عایق کابل حین فرایند اکستروژن، ایجاد اتصالات عرضی و در زمان سرویس‌دهی با دماهای بالا روبه رو است. اکسیژن با غلظت کم در همه جا حضور دارد. به اندازهای که بتواند به پلیمر حمله کند و با ایجاد تخریب خواص ماده را تضعیف کند. بنابراین لازم است تا سیستم به وسیله‌ی مقدار مناسب پایدارکننده محافظت شود. برای تأمین پایداری حرارتی و اُکسایشی، غلظت کمینهی مشخصی از آنتی اکسیدانت باید در تمام طول عمر محصول در عایق باقی بماند. علاوه بر این برای کمینه کردن نفوذ به لایه‌های هادی اطراف باید سازگاری آنتی اکسیدانت مورد توجه قرار بگیرد. استفاده از سازگار کننده برای کمینه کردن مهاجرت به سطح مواد خام گرانولی که برای تولید کابل در فرایند اکستروژن به کار میروند، اهمیت دارند. در صورت عدم استفاده از آنتی اکسیدانت، اتصال عرضی نابههنگام در اکسترودر رخ می‌دهد که باعث ایجاد نا یکنواختی و نقص در کابل‌های تولیدی می‌شود.انتخاب آنتی اکسیدانتها با توجه به نقش الکتریکی که کابل دارد دارای اهمیت است [5].
در دماهای پایین حضور آنتی اکسیدانت به صورت منفی عمل می‌کند و در بازده پراکسید که نقش افزایش جرم مولکولی را دارد،کاهش دیده می‌شود. با افزایش دما، واکنشهای پارگی زنجیر افزایش مییابند و وجود آنتیاکسیدانت در این شرایط باعث حفظ جرم مولکولی در حضور و عدم حضور پراکسید می‌شود [17].
آنتی اکسیدانت های مورد استفاده در عایق‌های پلی‌اتیلنی به دو دسته تقسیم می‌شوند:
الف)آنتی اکسیدانتهای اولیه
ب)آنتی اکسیدانتهای ثانویه
آنتی اکسیدانتهای اولیه رادیکال ها را در مرحله انتشار و قبل از واکنش با پلیمر مختل می‌کنند درحالی‌که آنتی اکسیدانتهای ثانویه با دخالت در مرحلهی شروع تجزیه پراکسید باعث تجزیه آن‌ها به محصولات غیر رادیکالی می‌شوند. البته برخی از آنتی اکسیدانت های ثانویه توانایی جذب رادیکال ها را هم دارند [18].
در کاربردهای پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده مانند استفاده از آن‌ها در صنعت سیم و کابل حضور آنتی اکسیدانتهای اولیه لازم است. برای تکمیل اثر آنها چه در فرایند ایجاد اتصالات ‌عرضی و چه در فرآیند پیرشدگی اُکسایشی-حرارتی22 می‌توان از آنتی اکسیدانتهای ثانویه استفاده کرد.
از جمله آنتی اکسیدانتهای اولیه می‌توان به آنتی اکسیدانتهای فنولی اشاره کرد که خود به سه دسته تقسیم می‌شوند. این دسته‌بندی به صورت زیر است [5] :
• Unhindered
• Semihindered
• Hindeerd
مثال‌هایی از این آنتی اکسیدانت ها در جدول2-2 آورده شده است.
جدول ‏22- نام و ساختار شیمیایی برخی آنتی اکسیدانت ها.
نوع
آنتی اکسیدانتفرمول شیمیاییساختاراولیه
Unhinderdاولیه
Semi
hindered
اولیه
hindered

ثانویه

گاستافسون23 و همکارانش در نمودار نشان داده شده در شکل 2-10 مقایسهای بین این آنتی اکسیدانت ها انجام داده‌اند [5].
بهترین مقاومت در برابر اسکورچ24 برای آنتی اکسیدانت های فنولی unhindered گزارش شده است.
اثر آنتی اکسیدانت های مختلف بر واکنش ایجاد اتصالات ‌عرضی به ساختار مولکولی آن‌ها نیز بستگی دارد. آنتی اکسیدانت های با جرم مولکولی کمتر و ممانعت فضایی کمتر به علت داشتن تحرک بیشتر راحت تر با رادیکال ها واکنش می‌دهند. بنابراین ایجاد اتصالات ‌عرضی را به شدت کاهش میدهند و پایداری را بهبود می‌بخشند. البته لازم به ذکر است که آنتی اکسیدانت های فنولی با جرم مولکولی کم ممکن است در دماهای بالای فرایند به راحتی تبخیر شوند و یا در طول زمان سرویس‌دهی به سطح محصول مهاجرت کنند درحالی‌که آنتی اکسیدانت های با جرم مولکولی بیشتر به علت داشتن سرعت نفوذ پایین در دماهای بالا و در زمان سرویس‌دهی پایداری بیشتری دارند [18].
2-4 نانو کامپوزیت‌ها ی پلیمری
2-4-1 تعاریف اولیه
استفاده از آميزههاي پليمري متشكل از يك بستر پليمري و مقداري ماده افزودني جامد با هدف دستيابي به ويژگيهایي فراتر از پليمر پايه از ديرباز مورد توجه بوده است. براي دست‌یابی به خواص مورد نياز جداي از نوع پليمر، نوع و خصوصيات ساختاري پركننده مورد استفاده نیز از اهميت بسيار زيادي برخوردار است. در انتخاب پركننده بايد به عوامل مؤثر و کلیدی مانند اندازه ذرات، شكل ذرات، توزيع ذرات، چسبندگي پليمر -پركننده، مشكلات استفاده از پركننده مانند آلودگي ناشي از استفاده آن و قيمت پركننده توجه كافي نمود.
نتايج تحقيقات انجام‌شده در ده سال گذشته در زمينه مواد نو، نشان داده است كه با تغيير در تركيب و ساختار مواد در مقياس نانومتري، مواد جديدي حاصل ميشوند كه در مقايسه با مواد كامپوزيتي متداول خواص ويژه و بی‌نظیری را ارائه ميدهند. در حال حاضر نيز جديدترين تحقيقات در جهان در زمينه مواد، عمدتاً روی ساخت نانو مواد، نانو کامپوزیت‌ها و بهبود خواص آنها متمركز شده است .
مواد نانوکامپوزیتی به آن دسته از مواد اطلاق می‌شود که فاز تقویت‌کننده آنها دارای ابعادی در مقیاس یک تا صد نانومتر باشدکه شامل نانوکامپوزیت‌های پلیمرـ سرامیک، پلیمرـ فلز، سرامیک ـ فلز و سرامیک ـ سرامیک هستند. تقویت‌کنندههای نانومتری به دلیل داشتن ابعاد بسیار کوچک و سطح بسیار بالا در مقایسه با تقویت‌کننده‌های معمولی، در سطح بارگذاری کمتر باعث بهبود خواص مورد نظر شده و جایگزین خوبی برای کامپوزیت‌های معمولی هستند. چرا که کار آیی بهتر و وزن کمتری ‌دارند. محصولات تهیه‌شده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری، قابلیت استفاده در صنایع شیمیایی، خودروسازی، ساختمانی، نظامی، پزشکی، لوازم خانگی، ورزشی، کشاورزی و الکترونیکی را دارند.
از ميان نانو کامپوزیت‌های تولیدشده، نانو کامپوزیتهای بر پايه سيليكاتهاي لايهاي، به خصوص مونتموريلونيت، به علت خواص ویژه‌ای كه دارند، از اهميت فوق‌العاده‌ای برخوردار هستند. در دسترس بودن، نسبت منظر بسيار زياد و قيمت مناسب آنها باعث شده تا اين مواد به عنوان گزينهی مناسبی براي توليد نانو کامپوزیت‌های پليمري مورد توجه قرار گیرند.
2-4-2 نانو رسها25
نام نانو رس يك نام عمومي براي مواد معدني سيليكات لايه اي است. اين



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید