بررسی خواص مکانیکی پلیمر پلی‌‌اکسی‌‌متیل تقویت شده با نانولوله کربنی به کمک دینامیک مولکولی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فیزیک، دانشگاه آزاد اسلامی قزوین

2 پزوهشکده فناوری های نو، دانشگاه صنعتی امیر کبیر

3 دانشکده فیزیک، دانشگاه آزاد اسلامی ساوه

چکیده

پلی‌اکسی‌متیلن به عنوان ترموپلاستیک یا پلاستیک گرما‌ نرم علاوه بر استحکام مکانیکی قابل قبول، چگالی بسیار کمتری از فلزات دارد. از اینرو می‌تواند جایگزین خوبی برای فلزات غیرآهنی در صنعت باشد. در این تحقیق به منظور افزایش استحکام و بهبود خواص مکانیکی این پلیمر، از نانولوله‌های عامل‌دار شده کربنی استفاده شده است. روش‌های تجربی بررسی این دسته از مواد به دلیل هزینه‌بر بودن، با محدودیت‌هایی روبرو است. لذا استفاده از روش‌های شبیه‌سازی در مقیاس میکروسکوپی می‌تواند راهکار مناسبی در مطالعه خواص و رفتار نانو کامپوزیت‌ها باشد. در این تحقیق از روش دینامیک مولکولی برای شبیه‌سازی خواص مکانیکی نانو‌کامپوزیت پلیمر پلی‌اکسی‌متیل که با نانولوله‌های کربنی تقویت شده است، استفاده می‌شود. با توجه به نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی مشخص گردید که چگالی و خواص مکانیکی پلیمر خالص نظیر مدول یانگ، تنش تسلیم و بیشترین تنش با مقادیر تجربی توافق خوبی دارد. نتایج نشان داد که با افزایش دما استحکام مکانیکی نانوکامپوزیت کاهش یافته. همچنین این خواص با تقویت پلیمر با نانو لوله‌های کربنی عامل‌دار شده با فلوئور یا هیدروکسیل در یک ساختار نانوکامپوزیتی می‌تواند مدول یانگ را بین 44/3 تا44/6 درصد و تنش تسلیم را بین20 تا80 درصد به ترتیب برای این دو گروه عاملی افزایش دهد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation on Mechanical Properties of Polyoxymethylene Reinforced by Carbon Nanotube Using Molecular Dynamics

نویسندگان [English]

  • Esmaiel Zaminpayma 1
  • Mahnaz Shamshirsaz 2
  • Peyman Nayebi 3
1 aDepartment of Physics, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin,Iran
2 New Technologies Research Center, Amirkabir University of Technology
3 Department of Physics, College of Technical and Engineering, Saveh Branch, Islamic Azad University, Saveh, Iran
چکیده [English]

Polyoxymethylene as a thermoplastic or soft plastic material, in addition to its acceptable mechanical strength, has a much lower density comparing to metals. Therefore, it can be a good alternative to non-ferrous metals in the industry. In this study, nanocomposites of this polymer with carbon nanotubes were used to enhance the strength and improve the mechanical properties of the polymer. Experimental analyses of the nanocomposites have limitations due to the high cost. Therefore, using microscopic scale simulation methods can be a good alternative to study the properties and behavior of these nanocomposites. In this study, the molecular dynamics method is used to simulate the mechanical properties of the nanocomposite. The simulation results obtained in this study show that the density and mechanical properties of the pure polymer such as Young's modulus, yield stress, and the ultimate stress are consistent with experimental values. Moreover, with temperature increase, these mechanical properties will be reduced. Also, these properties by reinforcing polymer with carbon nanotubes which functionalized with hydroxyl and fluoro groups in a nanocomposite structure can modulate Young's modulus from 41.31 to 44.6% and yield stress from 20 to 80% respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polymer nanocomposite
  • Carbon Nanotube
  • Molecular dynamics
  • Mechanical Properties
  • Polyoxymethylene
[1] Q.H. Zeng, A.B. Yu, G.Q. Lu, Multiscale modeling and simulation of polymer nanocomposites, Progress in polymer science, 33(2) (2008) 191-269.
[2] C.P. Buckley, Elastic constants for an intercalated layered-silicate/polymer nanocomposite using the effective particle concept: A parametric study using numerical and analytical continuum approaches, Computational Materials Science, 44(4) (2009) 1332-1343.
[3] D.-H. Kim, H.-S. Kim, Investigation of hygroscopic and mechanical properties of nanoclay/epoxy system: Molecular dynamics simulations and experiments, Composites science and technology, 101 (2014) 110-120.
[4] E. Harkin-Jones, L. Figiel, P. Spencer, R. Abu-Zurayk, W. Al-Shabib, V. Chan, R. Rajeev, K. Soon, P. Buckley, J. Sweeney, Performance enhancement of polymer nanocomposites via multiscale modelling of processing and properties, Plastics, rubber and composites, 37(2-4) (2008) 113-123.
[5] British Plastics Federation [BPF]. (retrieved 2012, April 03). A History of Plastics. Retrieved from British Plastics Federation - Plastipedia: https://www.bpf.co.uk/plastipedia/plastics_history/default.aspx
[6] P.C. Painter, M.M. Coleman, Essentials of polymer science and engineering, DEStech Publications, Inc, 2008.
[7] H. Alkhateb, A. Al-Ostaz, A.-D. Cheng, Molecular dynamics simulations of graphite-vinylester nanocomposites and their constituents, Carbon letters, 11(4) (2010) 316-324.
[8] P. Nayebi, E. Zaminpayma, A molecular dynamic simulation study of mechanical properties of graphene-polythiophene composite with Reax force field, Physics Letters A, 380(4) (2016) 628-633.
[9] R.-E. Roussou, K. Karatasos, Graphene/poly (ethylene glycol) nanocomposites as studied by molecular dynamics simulations, Materials & Design, 97 (2016) 163-174.
[10] F. Lin, Y. Xiang, H.-S. Shen, Temperature dependent mechanical properties of graphene reinforced polymer nanocomposites-a molecular dynamics simulation, Composites Part B: Engineering, 111 (2017) 261-269.
[11] F. Jeyranpour, G.H. Alahyarizadeh, A. Minuchehr, The thermo-mechanical properties estimation of fullerene-reinforced resin epoxy composites by molecular dynamics simulation: A comparative study, Polymer, 88 (2016) 9-18.
[12] A. Haque, M. Shamsuzzoha, F. Hussain, D. Dean, S2-glass/epoxy polymer nanocomposites: manufacturing, structures, thermal and mechanical properties, Journal of Composite materials, 37(20) (2003) 1821-1837.
[13] S. Yang, F. Gao, J. Qu, A molecular dynamics study of tensile strength between a highly-crosslinked epoxy molding compound and a copper substrate, Polymer, 54(18) (2013) 5064-5074.
[14] Y. Han, J. Elliott, Molecular dynamics simulations of the elastic properties of polymer/carbon nanotube composites, Computational Materials Science, 39(2) (2007) 315-323.
[15] S.J.V. Frankland, A. Caglar, D.W. Brenner, M. Griebel, Molecular simulation of the influence of chemical cross-links on the shear strength of carbon nanotube-polymer interfaces, The Journal of Physical Chemistry B, 106(12) (2002) 3046-3048.
[16] R. Zhu, E. Pan, A.K. Roy, Molecular dynamics study of the stress-strain behavior of carbon-nanotube reinforced Epon 862 composites, Materials Science and Engineering: A, 447(1-2) (2007) 51-57.
[17] A.S. Pavlov, P.G. Khalatur, Fully atomistic molecular dynamics simulation of nanosilica-filled crosslinked polybutadiene, Chemical Physics Letters, 653 (2016) 90-95.
[18] K. Islam, S. Saha, A.K.M. Masud, Molecular dynamics simulation of the mechanical properties of CNT-polyoxymethylene composite with a reactive forcefield, Molecular Simulation, 46(5) (2020) 380-387.
[19] S. Plimpton, Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics, Journal of computational physics, 117(1) (1995) 1-19.
[20] H. Sun, S.J. Mumby, J.R. Maple, A.T. Hagler, An ab initio CFF93 all-atom force field for polycarbonates, Journal of the American Chemical Society, 116(7) (1994) 2978-2987.
[22] M.H. Ghajar, M. Mosavi, H. Ghattan Kashani, Molecular Dynamics Study of Mechanical Properties of Polyvinylidene Fluoride Polymer by Tensile Test and Dynamic Mechanical Analysis, Modares Mechanical Engineering, 18(2) (2018) 95-102. (in Persian)
[23] M. Soltanzadeh, F. Salari, K. Shelesh-Nezhad, R. Mohsenzadeh, Experimental Studies on Mechanical Properties and Thermal Behavior of Polyoxymethylene/CaCO3 Nanocomposites, Iran. J. Polym. Sci. Technol, 27 (2014) 51-62. (in Persian)
[24] M.H. Shir, F.M. Navid, Study of the Effect of Compatibilizer on the Mechanical Properties of POM/NBR Blend, polymer science and technology journal, 17(6) (2005) 329-337. (in Persian)