كنترل ساختار اسفنج در سامانه پلي‌استيرن-نانوسيليكا-كربن دي‌اكسيد: اثر دما و نانوذرات

Control of Foam Structure in PolyStyrene-Nanosilica-Carbon Dioxide: Effect of Temperature and Nanoparticles

هدف اصلي اين پژوهش، بررسي سازوكار اثر دما و نانوذرات بر ساختار اساسي اسفنج پلي‌استيرن براي دستيابي به كنترل دقيق‌تر ساختار آن است. بدين منظور، پس از مرور مطالعات پيشين، با ارايه و تبيين نظريه هسته­‌گذاري كلاسيك، پيش­ زمينه نظري واكاوي شد. سپس، توليد اسفنج در زمينه پلي‌استيرن و نانوسيليكاي كروي و در مجاورت گاز كربن دي‌اكسيد انجام شد. فرايند توليد اسفنج در دستگاهي با قابليت كارايي در دما و فشار زياد و كاهش آني فشار و سرعت پايدارسازي زياد انجام شد. دماي توليد اسفنج، اندازه و مقدار نانوذرات و نيز خواص سطحي آن از مهم‌ترين عوامل اثرگذار بر خواص اسفنج هستند كه در اين مقاله بررسي شدند. افزايش دماي اسفنج­‌سازي بر تشكيل هسته‌­هاي اوليه و رشد سلول­‌ها اثرگذار است. برايند اين دو اثر ساختار نهايي اسفنج را معين مي­‌كند. وقتي دما از90 به 180درجه تغيير كرد، با افزايش هزار برابري، چگالي سلول اسفنج پلي‌استيرن به 1012×20/2 افزايش يافت. نتايج اين پژوهش نشان داد، وجود مقدار كمي نانوسيليكا در افزايش چگالي سلول و كاهش اندازه سلول اثر بسزايي دارد. همچنين افزايش غلظت نانوذرات اين اثر بخشي را افزايش داد. افزون بر اين كيفيت و ساختار اسفنج نانوكامپوزيتي نسبت به اسفنج پلي‌استيرني بهبود مي‌يابد. با افزايش اندازه نانوسيليكا از 12nm به 40nm مقدار چگالي سلول از109×3/3 به 109×78/1 كاهش يافت. همچنين اصلاح سطحي نانوسيليكا با تري‌اتوكسي سيلان افزون بر بهبود پراكنش نانوذرات باعث افزايش چگالي سلول شد. بازده نانوسيليكا در افزايش چگالي سلول پس از اصلاح سطحي حدود دوبرابر افزايش يافت.

This study addresses the effect of temperature and nanoparticle on PS foam structure in order to control its structure more accurately. For this purpose, a theoretical hypothesis was proposed by explaining the classical nucleation theory. The PS in the presence of nanosilica and CO2 was foamed. Foaming process was carried out in a vessel suitable under high pressure and temperature conditions, and with instantaneous pressure release and high-speed stabilization capabilities. The most important factors affecting foam properties including foaming temperature, size, content and surface properties of nanosilica were investigated. Increasing of foaming temperature was effective on the initial nuclei formation and cell growth. These two effects determined the final foam structure. When the temperature was changed from 90 to 180°C, cell density of PS foam increased thousand fold to 2.2×1012 number of cells per unit volume of foam (cell/cm3). The results showed that a small amount of nanosilica had a substantial effect on decreasing the cell size and increasing the cell density. An increase in nanoparticle concentration also increased its effectiveness. Moreover, the quality and structure of foam were improved by adding the nanoparticle. As the size of nanosilica increased from 20 to 40 nm, its cell density decreased from 3.3×109 to 1.78×109 numbers of cells per unit volume of foam (cells/cm3). Surface treatment of the nanosilica using triethoxysilane, in addition to improving nanoparticle dispersion, increased its cell density. The efficiency of nanosilica in improving cell density after surface treatment increased by more than double.