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 روش¬های بهینه¬سازی خواص و تغییر رفتار پلیمر¬ها 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 نمونه¬ها 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. می توانید این پژوهش مهندسی صنایع را به صورت فایل word دانلود نمایید.
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 دهه¬ی 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، زمينه¬ی 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.
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 گوتاپرشا 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 بالا¬تر 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 بورل 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 کلراید ، پلی اتیلن و اتیلن پروپیلن رابر دامنه فعاليت در صنعت كابل سازي گسترش یافت و سرمايه‌گذاري‌هاي كلاني را جذب كرد.
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 كلوخه¬اي شدن آن‌ها شود. بنابراين مرحله اضافه كردن ذرات نانو به ماتريس و مخلوط كردن مواد از اهميت زیادی برخوردار است.
فهرست مطالب
چکیده.....................................................................................................................................................1
1 فصل اول مقدمه................................ 2
1- 1 تاريخچه ساخت كابل در جهان 3
1-2 ویژگی‌های الکتریکی و خواص فیزیکی و شیمیایی مواد عایق 3
1-2-1 رفتار مکانیکی ماده عایق 4
1-2-2 رفتارهاي گرمایی ماده‌ی عایق 4
1-2-3 رفتار شیمیایی 4
1-2-4 خصوصیات الکتریکی 5
1-2-5 عوامل اقتصادي 5
1-3 کابل بر پایه‌ی پلي‌اتيلن اتصال‌عرضی شده ...................................................................................5
1-4 کامپوزیتهای پلیمری 6
1- 5 نانو کامپوزیتهای پليمري 7
2 فصل دوم مروری بر مطالعات انجام شده 8
2-1 پلیاتیلن 8
2-1-1 معرفی پلیاتیلن 8
2-1-2 تاریخچه تولید پلیاتیلن 9
2-1-3 انواع پلیاتیلن 9
2-2 ایجاد اتصالات عرضی در پلیاتیلن 10
2-2-1 روش‌های ایجاد اتصالات عرضی در پلیاتیلن 11
2-2-2 اثر ساختار مولکولی پلیاتیلن بر ایجاد اتصالات عرضی به روش پراکسیدی 16
2-2-3 بررسی خواص پلیاتیلن اتصال‌عرضی شده 18
2-3 آنتی اکسیدانت ها 19
2-4 نانو کامپوزیت¬ها ی پلیمری 22
2-4-1 تعاریف اولیه 22
2-4-2 نانو رس‌ها 23
2-4-3اصلاح نانو رس 25
2-4-4 انواع نانو کامپوزیتهای پلیمر- نانو رس 27
2-4-5 روش تهیه نانو کامپوزیتهای پلیمر-نانورس 29
2-4-6 بررسی مورفولوژی و برخی خواص نانو کامپوزیت پلیاتیلن- نانو خاک رس 32
2-5 عایق‌های الکتریکی پلیمری 35
2-5-1 ثابت دی الکتریک 36
2-5-2 تانژانت زاویه اتلاف دی الکتریک 38
2-5-3 استحکام دی الکتریک 40
2-5-4 بررسی خواص الکتریکی نانو کامپوزیت‌ها 41
اهداف پروژه..........................................................................................................................................43
3 فصل سوم مواد و روش‌ها... 44
3-1 مواد اولیه 44
3-2 تجهیزات 47
3-2-1 اکسترودر دو مارپیچه 47
3-2-2 دستگاه قالب‌گیری فشاری 47
3-3 آزمون‌های انجام‌شده 48
3-3-1 اندازه‌گیری محتوای ژل 48
3-3-2 آزمون تفرق زاویه پایین اشعه ایکس 48
3-3-3 میکروسکوپ الکترونی عبوری 49
3-3-4 آزمون رئولوژی 49
3-3-5 تجزيه ديناميکی - مکانيکی - گرمايی) DMTA ( 50
3-3-6 آزمون گرماسنجی پويشی تفاضلی(DSC) 50
3-3-7 آزمون گرما وزن سنجی ) ( TGA 50
3-3-8 آزمون کشش 50
3-3-9 آزمون‌های الکتریکی 51
3-4 نحوه‌ی تهیه‌ی نمونه‌ها 52
4 فصل چهارم نتایج و بحث 54
4-1 آزمون تعیین درصد ژل 54
4-2 آزمون رئولوژی 57
4-3 آزمون SAXS 61
4-4 آزمون میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM ) 63
4-5 آنالیز دینامیک مکانیکی(DMTA) 65
4-6 آزمون آنالیز حرارتی(DSC) 70
4-7 آزمون گرما وزن سنجی (TGA ) 73
4-8 آزمون کشش 75
4-9 خواص الکتریکی 76
5 فصل پنجم نتایج و پیشنهاد‌ات 80
5-1 نتیجه‌گیری 80
5-2 پیشنهاد‌ات جهت ادامه‌ی کار 82
مراجع....................................................................................................................................................83
فهرست شکل‌ها
شکل 2 1ساختار یک کابل ولتاز قوی با عایق پلیاتیلن اتصال عرضی شده 11
شکل 2 2 مکانیزم ایجاد اتصالات عرضی در پلیاتیلن به روش تشعشع. 12
شکل 2 3 مکانیزم ایجاد اتصالات عرضی در پلیاتیلن به روش سیلانه. 13
شکل 2 4 مکانیزم ایجاد اتصالات عرضی در پلیاتیلن به روش پراکسیدی 14
شکل 2 5 سهم هر نوع از نقاط اتصال عرضی در سیستم پلیاتیلن اتصال‌عرضی شده حاوی 2% پراکسید 16
شکل 2 6 مکانیزم مصرف گروههای وینیلی در طول واکنش ایجاد اتصلات عرضی 17
شکل 2 7 یک شبکه شامل پلی اتلن خطی و یک شبکه شامل زنجیرهای پلیاتیلن دارای LCB 18
شکل 2 8 نمودار تنش-کرنش برای HDPE اتصال عرضی نشده و اتصال عرضی شده . 18
شکل 2 9 نمودارDSC پلیاتیلن اتصال‌عرضی نشده و اتصال‌عرضی شده با 5/2% پراکسید 19
شکل 2 10 تغییرات مدول با درصد پراکسید(DCP ) برای آنتی اکسیدانت های فنولی 22
شکل 2 11 ساختار سیلیکات‌های لایه‌ای. 24
شکل 2 12 آلی دوست شدن نانو رس توسط واکنش تبادل یونی 26
شکل 2 13 نمودار XRD پلیاتیلن مالئیک شده با اصلاح‌کننده دارای تعداد گروههای متیلنی متفاوت 27
شکل 2 14 سه مورفولوزی مختلف نانو کامپوریت های شامل سیلیکات های لایه ای. 28
شکل 2 15 شماتیکی از نانو کامپوزیت بدست آمده با روش پلیمریزاسیون درجا. 30
شکل 2 16 شماتیکی از نانوکامپوزیت بدست آمده از روش جا دهی حلال 31
شکل 2 17 قرارگیری زنجیرهای پلیمر در بین صفحات نانو رس اصلاح شده به روش اختلاط مذاب.. 31
شکل 2 18 نمودار XRD مربوط به نانو کامپوزیت پلیاتیلن-نانوذرات خاک رس 33
شکل 2 19 تصاویر TEM نانو کامپوزیت PE-g-MAH/Org-MMT 33
شکل 2 20 نمودارTGAمربوط به PE-g-MAH/Org-MMT 34
شکل 2 21 نمودار DSC نانو کامپوزیتPE-g-MAH/Org-MMT 35
شکل 2 22 مکانیزم‌های مختلف قطبش 37
شکل 3-1 ساختار شیمیایی101 Trigonox ...........................................................................................45
شکل 3 2 ساختار شیمیایی Irganox 1010. 46
شکل 3 3 ساختار شیمیایی یون الکیل آمونیوم در Cloisite 30B. 47
شکل 4 1 نمودار روبش زمان برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش اول در دمای C◦ 130. 58
شکل 4 2 نمودار روبش زمان برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش دوم در دمای C◦ 130. 58
شکل 4 3 نمودار روبش زمان برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش اول در دمای C◦ 150. 60
شکل 4 4 نمودار روبش زمان برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش دوم در دمای C◦ 150. 60
شکل 4 5 مقایسه‌ی الگوی SAXS نانو کامپوزیتهای حاوی 3% خاک رس. 61
شکل 4 6 مقایسه‌ی الگوی SAXS نانو کامپوزیتهای حاوی 6% خاک رس. 62
شکل 4 7 مقایسه‌ی الگوی SAXS نانو کامپوزیتهای حاوی 9% خاک رس. 63
شکل 4 8 تصویر TEM نانو کامپوزیت حاوی 3% خاک رس. 64
شکل 4 9 تصاویر TEM مربوط به نمونه حاوی 6درصد خاک رس. 64
شکل 4 10 نتایج آزمون DMTAبرای نمونههای تهیه شده به روش اول و ماتریس 67
شکل 4 11 نتایج آزمون DMTAبرای نمونههای تهیه شده به روش دوم و ماتریس 68
شکل 4 12 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 2 1 پراکسیدهای مورد استفاده برای ایجاد اتصالات عرضی در ترموپلاستیک ها ...15
جدول 2 2- نام و ساختار شیمیایی برخی آنتی اکسیدانت ها. 21
جدول 3 1 مشخصات LDPE استفاده‌شده. 45
جدول 3 2 مشخصات پراکسیدهای استفاده‌شده. 45
جدول 3 3 مشخصات آنتی اکسیدانت استفاده‌شده. 46
جدول 3 4 درصد وزنی اجزای تشکیل دهنده ی نانو کامپوزیت‌ها. 52
جدول 3 5 نام‌گذاری نمونه‌ها.................................................................................................................53
جدول 4 1 نتایج آزمون تعیین درصد ژل برای نانو کامپوزیت‌ها و ماتریس پخت نشده. 55
جدول 4 2 نتایج آزمون تعیین درصد ژل برای نانو کامپوزیتهای پخت شده و تهیه شده به روش اول . 55
جدول 4 3 نتایج آزمون تعیین درصد ژل برای نانو کامپوزیتهای پخت شده و تهیه شده به روش دوم . 56
جدول 4 4 درصد ژل نمونههای تهیه شده به روش اول پس از 10، 15 و 20 دقیقه حرارت دهی. 56
جدول 4 5 درصد ژل نمونههای تهیه شده به روش دوم پس از 10، 15 و 20 دقیقه حرارت دهی. 57
جدول 4 6 دمای انتقال شیشه‌ای برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش اول با آزمون DMTA 65
جدول 4 7 دمای انتقال شیشه‌ای برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش دوم با آزمون DMTA 66
جدول 4 8 نتایج آزمون DSC برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش اول و ماتریس XLPE . 70
جدول 4 9 نتایج آزمون DSC برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش دوم و ماتریس XLPE. 72
جدول 4 10 نتایج آزمون TGAبرای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش اول و ماتریس XLPE.. 73
جدول 4 11 نتایج آزمون TGAبرای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش دوم و ماتریس XLPE. 74
جدول 4 12 نتایج آزمون کشش برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش اول و ماتریس XLPE.. 75
جدول 4 13 نتایج آزمون کشش برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش دوم و ماتریس XLPE . 76
جدول 4 14 نتایج آزمون‌های الکتریکی برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش اول و ماتریس . 77
جدول 4 15 نتایج آزمون‌های الکتریکی برای نانو کامپوزیتهای تهیه شده به روش دوم و ماتریLPE . 77