Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran

Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran

Study on the Polymerization, Curing, and Mechanical Properties of Unsaturated Polyester Nanocomposite: Effect of Monomers Ratio and Nanosilicate Concentration

Document Type : Research Article

Authors
Somayyeh Mohammadian Gezaz 1
Hamed Heydarian 1
Mohammad Barghamadi 2
1 Department of Chemical Engineering, Payame Noor University, Tehran, I.R.IRAN
2 Iran Polymer and Petrochemical Institute, Tehran, I.R.IRAN
Abstract
In this study, after the preparation of unsaturated polyester with various ratios of anhydride monomers, the effects of nanosilicate on the polymerization, curing behavior, and mechanical properties were investigated. The unsaturated polyester resin was synthesized at various molar ratios of anhydride monomers (maleic/phthalic: 10 to 90%) and propylene glycol. Acid number measurement was used to evaluate polymerization. With an increase in the molar maleic content, the time of polymerization reaction and the acidic number increased. In the next step, the resin was cured with an accelerator and initiator, and styrene monomer. curing behavior was determined using a curing curve and gelation time measurement. The curing curve showed that by increasing the maleic anhydride monomer ratio from 10% to 90%, the curing time decreased by 77%, and the maximum thermogenic temperature increased by 24%. Increasing the maleic content from 10 to 90% resulted in tensile strength changes from 11 to 70 MPa and tensile modulus from 60 to 359 MPa. The impact strength and the heat distortion temperature increased and became plateaued at higher maleic percentages. The nanocomposites were prepared with 50 mol% maleic anhydrides, containing 2, 4, 6, and 8 wt.% of nanosilicate. By increasing the amount of nanoclay, the curing time decreased and the maximum exothermic temperature increased. Mechanical properties were evaluated by using Heat Deflection Temperature (HDT), tensile properties, impact strength, and surface hardness tests. The impact strength and the heat distortion temperature also showed an upward trend with an increase in the amount of nano, even in small quantities. By adding 8% nanoclay to the matrix, the impact strength and heat deflection temperature increased by 11% and 13%.
Keywords
Esterification
Anhydride ratio
Nanosilicate
Curing
Mechanical properties

Subjects

[1] Brandrup J., Immergut E. H., Grulke E. A., “Polymer Handbook”, Wiley, New York (1999).
[2] بابایی، سعید، تأثیر دانه‌بندی آمونیوم پرکلرات بر ویژگی‌های مکانیکی پیشرانه‌ بر پایه رزین گلسیدیل آزید پلیمر، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3) 36: 143 تا 149 (1396).
[3] فردوسیان، فاطمه؛ ابراهیمی، مرتضی؛ جان نثاری، علی؛ منتظری، شادی، بررسی اثر جرم مولکولی رزین بر سینتیک پخت آمیزه اپوکسی/دی آمینو دی فنیل متان، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4) 30: 105 تا 111 (1390).
[4] نادری، نفیسه؛ بهشتی، محمد حسین؛ مزینانی، سعیده، اثر نوع آغازگر بر پخت گرمایی رزین­های پلی استر اشباع نشده، نشریه علوم و تکنولوژی پلیمر، (5) 23: 415 تا 422 (1389).
[5] Parkyn B., Lamb F., Clifton B. V., "Polyesters: Unsaturated Polyesters and Polyester Plasticisers", American Elsevier, New York (1967).
[6] Johnson K. G., Yang L. S., "Modern Polyesters: Chemistry and Technology of Polyesters and Copolyesters", John Wiley & Sons, Inc., New Jersey (2004).
[7] بهشتی، محمدحسین؛ رضادوست، امیرمسعود، "پلاستیک­های تقویت شده (کامپوزیت­ها)" پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، تهران (1391).
[8] Chabros A., Gawdzik B., The Impact of Crosslinking Monomers Concentration on the Properties of Unsaturated Polyester Resins, Annales Universitatis Mariae Curie-Sklodowska, 72: 13-21 (2017).
[9] Fan M., Ceska G. W., Horgan  J., Trainer N., Radiation Curable Compositions Comprising an Unsaturated Polyester and a Compound Having Two, to Six-Propenyl Ether Groups, US Patent 6030 703, Assigned to S, Company, Inc. (Exton, PA) F29 (2000).
[10] Airola K., Farm O., Mahbub  P., Valtonen E., Unsaturated Polyester Resin Compositions, US Patent 6617417, Assigned to Ashland I (Covington, KY) S9 (2003).
[11] Lei J. H., Li H., Du X. D., Zhang A. F., Effect of Diester in Esterification Product of Polyethylene Glycol and Acrylic Acid on the Performance of Polycarboxylate Superplasticizer, Iranian Polymer Journal, 22:117-122 (2013).
[12] Li P., Yang X., Yu Y., Yu D., Cure kinetics, Microheterogeneity, and Mechanical Properties of the High‐Temperature Cure of Vinyl Ester Resins, Journal of Applied Polymer Science, 92: 1124-1133 (2004).
[13] Schoon I., Kluge M., Eschig S., Robert T., Catalyst Influence on Undesired Side Reactions in the Polycondensation of Fully Bio-Based Polyester Itaconates, Polymers, 9: 1-11 (2017).
[14] Panda S., Behera D., "Unsaturated Polyester Nanocomposites", Elsevier, New York (2019).
[15] Sundqvist T., Oasmaa A., Koskinen A., Upgrading Fast Pyrolysis Bio-Oil Quality by Esterification and Azeotropic Water Removal, Energy & Fuels, 29: 2527-2534 (2015).
[16] Yamane K., Matsubara R., Yamamoto S., Nonaka S., Flame-Retardant Low-Specific Gravity Unsaturated Polyester Resin Composition, JP Patent 2001261954, Assigned to Showa Highpolymer Co. Ltd S26, (2001).
[17] Beheshty M. H., Nasiri H., Vafayan M., Gel Time and Exotherm Behaviour Studies of an Unsaturated Polyester Resin Initiated and Promoted with Dual Systems, Iranian Polymer Journal, 14: 990-999 (2005).
[18] Sanchez E. M. S., Zavaglia C. A. C., Felisberti M. I., Unsaturated Polyester Resins: Influence of the Styrene Concentration on the Miscibility and Mechanical Properties, Polymer, 41: 765-769 (2000).
[19] Yeon K. S., Jin N. J., Kwon Y. Η., Ryu K. W., Workability and Strength Properties of MMA-Modified UP Polymer Concrete, Journal of Polymer Engineering, 23: 385-398 (2003).
[20] Thomas S., Hosur M., Chirayil C. J., "Unsaturated Polyester Resins: Fundamentals, Design, Fabrication, and Applications", Elsevier, Amsterdam (2019).
[21] جعفری نژاد، شهریار؛ ابوالقاسمی، حسین؛ احمدی، سید جواد؛ قربانیان، سهرابعلی، ویژگی­های مکانیکی نانوکامپوزیت­های پلی پروپیلن- خاک رس تهیه شده با روش مخلوط مذاب، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2)30: 61 تا 67 (1390).
[22] رفیعی، حمیدرضا؛ شیروانی مهران، کاربرد کامپوزیت پلی‌اکریلیک اسید- بنتونیت برای جذب کروم از محلول­های آبی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2) 36: 127 تا 139 (1396).
[23] ذوقی، سپیده؛ نادری، قاسم؛ بخشنده، غلامرضا؛ احسانی، مرتضی؛ شکوهی، شیرین، خواص مکانیکی و ریزساختار نانوکامپوزیت‌های تهیه شده بر پایه لاستیک بوتادی‌ان، نانوخاک‌رس و هیبرید اپوکسی ـ پلی استر، نشریه علوم و تکنولوژی پلیمر، (3) 26: 233 تا 242 (1392).
[24] Ollier R., Rodriguez E., Alvarez V., Unsaturated Polyester/Bentonite Nanocomposites: Influence of Clay Modification on Final Performance, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 48: 137-143 (2013).
[25] Pereira C. M. C., Herrero M., Labajos F. M., Preparation and Properties of New Flame Retardant Unsaturated Polyester Nanocomposites Based on Layered Double Hydroxides, Polymer Degradation and Stability, 94: 939-946 (2009).
[26] Naderi N., Mazinani S., Beheshty M. H., Mahdi Rajab M., Cure Kinetics of hot Cured Unsaturated Polyester (UP)/Nanoclay Nanocomposite Including Dual Initiators, Plastics, Rubber and Composites, 44: 19-25 (2015).
[27] برغمدی، محمد؛ کرابی، محمد؛ قریشی، میرحمیدرضا؛ محمدیان گزاز، سمیه؛ اثر نانوصفحه­های گرافن بر خواص رئولوژی و کششی و رفتار پخت نانوکامپوزیت­های برپایه آمیخته­های NBR/PVC تهیه شده با روش اختلاط مذاب، مجله علوم و تکنولوژی پلیمر،  (3) 31: 288 تا 300 (1397).
[28] Mirmohammadi S.A., Nekoomanesh‐Haghighi M., Mohammadian Gezaz S., Bahri N., Polybutadiene/Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane Nanohybrid: Investigation of Various Reactants in Polyesterification Reaction, Polymer International, 65: 516-525 (2016).
[29] Xu X., Zhou Q., Song N., Ni Q., Ni L., Kinetic Analysis of Isothermal Curing of Unsaturated Polyester Resin Catalyzed with Tert-Butyl Peroxybenzoate and Cobalt Octoate by Differential Scanning Calorimetry, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 129: 843–850 (2017).
[30] Telegdi J., Trif L., Nagy E., Mihály J., Molnár N., New Comonomers in Malic Acid Polyesters, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 129: 991–1000 (2017).
[31] Lvov Y., Guo B., Fakhrullin R. F., "Functional Polymer Composites with Nanoclays", Royal Society of Chemistry, London (2016).
[32] Barghamadi M., Karrabi M., Ghoreishy M. H. R., Mohammadian‐Gezaz S., Effects of Two Types of Nanoparticles on the Cure, Rheological, and Mechanical Properties of Rubber Nanocomposites Based on the NBR/PVC Blends, Journal of Applied Polymer Science, 47550 (2019).
[33] کثیریها، سیدحسین؛ لطفی، مرضیه؛ شفیعی، مجتبی، بهبود خواص مکانیکی لنت ترمز خودرو با استفاده از نانو کامپوزیت فنولیک ـ نانورس، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)39: 185 تا 195 (1399).
[34] پورستار، احمد؛ محمودیان، مهدی؛ نوزاد، احسان؛ محمدی، هانیه، اصلاح گرافن اکسید به روش پلیمریزاسیون درجا و استفاده از آن به عنوان نانوذره موثر در بهبود خواص مکانیکی نانوکامپوزیت پلی متیل متاکریلات، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)38: 43 تا 52 (1398).