نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکده‌ی کاربرد پرتوها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 14155-1339، تهران- ایران

چکیده

جاذب‌­های پلیمری که امروزه در کلکتورهای گرمایی خورشیدی به کار می‌روند باید از خواص حرارتی و مکانیکی مناسبی برخوردار باشند. در این پژوهش نانوکامپوزیت پلی­اتیلن/ گرافیت  (PE/NG)به عنوان جاذب پلیمری انتخاب و اثر پرتو بر خواص حرارتی و مکانیکی آن مورد بررسی قرار گرفته است. نانوکامپوزیت PE/NG حاوی غلظت­‌های 05/0، 1/0 و 25/2 درصد نانوذرات گرافیت به روش اکستروژن ساخته شد. تصاویر SEM نمونه­ حاوی بیش‌ترین مقدار NG توزیع نسبتاً یکنواخت نانوذرات گرافیت را در بستر پلیمر تأیید کرد. نمونه­‌ها در دزهای 100 تا 200 کیلوگری با باریکه الکترون پرتودهی شده و با استفاده از آزمون‌­های کشش، گرماسنجی و اسپکتروسکوپی مادون قرمز شناسایی شدند. نتایج نشان می­‌دهد نمونه حاوی 25/2 درصد NG در دز 100 کیلوگری نسبت به سایر نمونه‌­ها استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی بیش‌تری دارد. نتایج گرماسنجی نیز افزایش نقطه ذوب و خواص حرارتی را در کامپوزیت فوق نشان می‌­دهد. نتایج آزمون گرماسنجی و مقادیر شاخص کربونیل حاصل از این کامپوزیت در شرایط پیرسازی تسریع شده نیز بیان‌گر آن است که با گذشت زمان تغییرات قابل توجهی در عملکرد حرارتی و ساختار کامپوزیت مشاهده نمی‌­شود. هم‌چنین با افزودن NG به پلی‌اتیلن جذب نوری نمونه PE/NG در ناحیه مریی- فرابنفش افزایش می‌یابد. در مجموع می­توان گفت این کامپوزیت پتانسیل استفاده در ساخت جاذب کلکتور حرارتی را دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Improvement of thermal and mechanical properties of PE/NG nanocomposite by electron beam irradiation for solar thermal collectors

نویسندگان [English]

  • A. Akhavan
  • H. Kazeminejad
  • F. Khoylou
  • N. Sheikh

Radiation Application Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 1339-14155, Tehran - Iran

چکیده [English]

Polymeric absorbers used in solar thermal collectors must have appropriate thermal and mechanical properties. In this work, polyethylene/graphite (PE/NG) nanocomposite was selected as polymeric absorber and the effect of radiation on the thermal and mechanical behavior of that has been investigated. PE/NG composites containing 0.05, 0.1 and 2.25% nanographite was prepared through melt extrusion process. The SEM images of the samples proved the fair dispersion of NG in polymer matrix. Then the samples were irradiated by electron beam at doses ranging from 100 to 200 kGy. The specimens were characterized by tensile testing, Differential Scanning Calorimetry (DSC) and FT-IR spectroscopy. The results show that nanocomposite containing 2.25% graphite irradiated at 100 kGy has the best tensile strength and thermal stability. The results of DSC show that the addition of 2.25% NG to polyethylene improves the melting point and thermal properties. DSC and carbonyl index results of this composite in accelerated aging condition display no remarkable changes occur in thermal performance and structure of composite during aging. Also, with addition of NG to PE the UV/Vis absorbance of the PE/NG nanocomposite increases. Altogether, the experimental results reveal PE/NG as suitable candidates for solar thermal absorbers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Solar collectors
  • Polymeric absorbers
  • PE/NG nanocomposite
  • Electron Beam
  • Thermal and mechanical properties
1. A.A. Zargar, J. Kazemi, Theoretical and experimental investigation of a flat plate solar thermal collector, M.S. Thesis (1391), Azad University, (In Persian).
 
2. M. Köhl, et al, Polymeric Materials for Solar Thermal Applications, (Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Germany, 2012).
 
3. S.M. Tamboli, S.T. Mhaske, D.D. Kale, Crosslinked polyethylene, Indian J. Chem. Technol., 11, 853 (2004).
 
4. M. Kurzböck, G.M. Wallner, R.W. Lang, Black pigmented polypropylene materials for solar absorbers, Energy Procedia, 30, 438 (2012).
 
5. E. Jakab, M. Blazso´, The effect of carbon black on the thermal decomposition of vinyl polymers, J. Anal. Appl. Pyrol., 64, 263 (2002).
 
6. E. Jakab, M. Omastova´, Thermal decomposition of polyolefin/carbon black composites, J. Anal. Appl. Pyrol., 74, 204 (2005).
 
7. M. Povacz, G.M. Wallner, R.W. Lang, Black-pigmented polypropylene materials for solar thermal absorbers – Effect of carbon black concentration on morphology and performance properties, Sol. Energy, 110, 420 (2014).
 
8. A. Naz, A. Kausar, M. Siddiq, Influence of graphite filler on physicochemical characteristics of polymer/graphite composites: a review, Polym. Plast. Technol. Eng, 55, 604 (2016).
 
9. L. Wang, J. Hong, G. Chen, Comparison Study of Graphite Nanosheets and Carbon Black as Fillers for High Density Polyethylene, Poly. Eng. Sci, 50, 2176 (2010).
 
10. D. Kourtidou, et al., Graphite reinforced silane crosslinked high density polyethylene: The effect of filler loading on the thermal and mechanical properties, Polym. Compos, 1-17 (2020).
 
11. D. Kourtidou, et al., Non-isothermal crystallization kinetics of graphite-reinforced crosslinked high-density polyethylene composites, J. Therm. Anal. Calorim, 142, 1849 (2020).
 
12. A. Chapiro, Radiation chemistry of polymeric systems, Wiley-Interscience, New York, (1962).
 
13. A. Choudhury, et al, Effect of various nanofillers on thermal stability and degradation kinetics of polymer nanocomposites, J. Nanosci Nanotechnol, 10, 5056-71 (2010).
 
14. K. Schwarzenbach, et al, Plastics Additives, Handbook, Sixth Ed. Hanser, Munich, (2009).
 
15. M. Povacz, et al, Novel solar thermal collector systems in polymer design- part 3: aging behaviour of PP absorber materials, Energy Procedia, 91, 392 (2016)