بررسی اثر عامل جفت کننده (SEBS-g-MA) بر خواص فیزیکی و مکانیکی کامپاندهای پلیمری

استایرن- اتیلن- بوتیلن- استایرن(SEBS) یکی از انواع مختلف ترموپلاستیک الاستومرهای استایرنی است. در ساختار شیمیایی ترپلیمر SEBS، بلوک های انتهایی استایرن(ترموپلاستیک) و بلوک های میانی اتیلن-بوتیلن(الاستیک) هستند.(شکل ۱) این ترموپلاستیک الاستومر جدید در برابر شرایط محیطی چون دما، تابش UV و سایش مکانیکی بسیار مقاوم است. نبود پیوند دوگانه در این ترموپلاستیک الاستومر، استفاده از آن را در مواردی که نمی­توان از استایرن بوتادین استایرن استفاده کرد مناسب کرده است. استایرن- اتیلن- بوتیلن- استایرن، ترموپلاستیک الاستومری است که خواص یک الاستومر را به همراه هزینه پایین فرآیند ترموپلاستیک­ ها به‌صورت هم‌ زمان دارد. مقاومت عالی در برابر فرسودگی در آمیزه ­هایی که بر پایه SEBS هستند،  به علت نبود زنجیره­ های دوگانه در ساختار پلیمری آن­ها است.

شکل ۱ : ساختار شیمیایی ترپلیمر SEBS

با توجه به انعطاف‌پذیری در فرمولاسیون، می­توان محصولاتی در محدوده وسیعی از سختی برای کاربرد­های مختلف از SEBS ­ها در صنعت تهیه کرد. ویژگی­های متعدد این مواد منجر به گسترش بازار­های جهانی برای این مواد از جمله در ابزار و لوازم مختلف شده است. (شکل۲)

 

شکل ۲: کاربرد SEBS در ابزار و لوازم مختلف

مهم‌ترین خصوصیات این پلیمر عبارت‌اند از: محدوده وسیع سختی و مقاومت عالی در برابر پیری، محدوده وسیع رنگ پذیری، فرآیند پذیری بسیار خوب در دما­های کم و مقاومت به دما­های بالا. همچنین این پلیمر به عنوان یک ترموپلاستیک الاستومر ضربه پذیری خوبی دارد و در بعضی کامپاندهای پلیمری بر پایه پلی پروپیلن و پلی آمید به عنوان بهبود دهنده ضربه به کار می رود.

برای فرایند کردن SEBS، مانند هر پلیمر دیگری افزودنی­های مختلف مورد استفاده قرار می­گیرند. این افزودنی­ها در حین فرایند یا بلافاصله پس از پلیمریزاسیون به سیستم افزوده می­شوند تا از اتفاقات احتمالی در هنگام تولید قطعات و در زمان کاربری جلوگیری شود. این افزودنی‌ها در چند دسته آنتی‌اکسیدان‌ها، پایدارکننده در برابر نور، پرکننده ها، تقویت کننده ها و نرم‌کننده مورد استفاده قرار می­گیرند. آنتی‌اکسیدان‌ها بیشتر در تولید پلی الفین­ها و ترکیبات بر پایه استایرن مورد استفاده قرار می­گیرند. و به دلیل این که مدول الاستیک و سختی SEBS پایین است از تقویت کننده های معدنی مانند الیاف شیشه، تالک، کربنات کلسیم و غیره در آن استفاده می شود. اما SEBS با اغلب مواد پرکننده و تقویت کننده معدنی مانند الیاف شیشه، تالک، کربنات کلسیم و غیره سازگاری خوبی ندارند زیرا از نظر میزان قطبیت با یکدیگر متفاوتند و نیاز به حضور مواد سازگارکننده پلیمری وجود دارد.

سازگارکننده ها یا عوامل جفت کننده باعث کاهش آنتالپی اختلاط و انرژی آزاد بین سطحی می شوند. و از نظر شیمیایی به هر دو فاز شباهت دارند و از نظر ترمودینامیکی با یک یا هر دو فاز سازگار هستند. در کاربردهای زیادی SEBS پیوند خورده با مالئیک انیدرید به عنوان سازگارکننده به کار رفته است. ساختار شیمیایی SEBS پیوند خورده با مالییک انیدرید در شکل ۳ نشان داده شده است.

شکل ۳: ساختار شیمیایی SEBS پیوند خورده با مالییک انیدرید

عملکرد این سازگارکننده به این صورت است که از سمت مولکول مالئیک انیدرید با قطبیت بالا به مواد معدنی متصل شده و از سمت زنجیر پلیمری خود با پلیمر موجود در کامپاند برهم کنش می دهد و به این ترتیب اتصال بین ذرات معدنی و پلیمر بر قرار می شود.

در ادامه این مقاله اثر سازگارکننده SEBS-g-MA را بر خواص کامپاندهای حاوی SEBS و کربنات کلسیم و همچنین بر خواص کامپاندهای شامل پلی پروپیلن و پلی آمید بررسی خواهیم کرد.

در مرحله اول کامپاندهایی با پایه پلیمری یکسان با عامل جفت کننده، مورد آزمون قرار گرفتند و مواد اولیه مورد استفاده شامل ترپلیمر استایرن-اتیلن-بوتیلن-استایرن (SEBS)، مالییک انیدرید، کربنات کلسیم اصلاح شده با اسید استئاریک و سایر افزودنی ها بودند. برای تهیه کامپاندهای فوق در ابتدا عامل جفت کننده SEBS-g-MA توسط یک مخلوط‌کن داخلی تهیه شد و سپس ۶ کامپاند شامل اجزای SEBS ، کربنات کلسیم ، SEBS-g-MA و سایر افزودنی ها داخل اکسترودر دو پیچ تهیه گردیدند. نام و فرمول این کامپاندها در جدول ۱ آمده است:

 جدول ۱: نام و فرمول کامپاندهای تهیه شده

Name SEBS/phr CaCO3/phr SEBS-g-MA/phr
SN0 ۱۰۰ ۰ ۰
SN1 ۱۰۰ ۳ ۰
SN2 ۱۰۰ ۵ ۰
SN3 ۱۰۰ ۳ ۱٫۵
SN4 ۱۰۰ ۵ ۱٫۵
SN5 ۱۰۰ ۳ ۳
SN6 ۱۰۰ ۵ ۳

 

کامپاندهای تهیه‌ شده به مدت ۳ دقیقه در دمای ۱۷۰ درجه سانتی‌گراد و فشار حدود ۲۰۰ bar تحت پرس گرم به شکل ورق قالب‌گیری شد و پس از ساخت نمونه های استاندارد و آماده کردن نمونه‌ هایی به شکل دمبل از کامپاند های به‌دست‌آمده، آزمون‌های کشش مطابق با استاندارد ASTM D638 و سختی مطابق با استاندارد ASTM D2240 انجام شد تا خواص کامپاندهای فوق به دست آید.

نتایج حاصل از آزمون کشش و سختی برای کامپاندهای تهیه شده در جدول ۲ آمده است:

جدول ۲ : مقادیر درصد ازدیاد طول و استحکام کششی و سختی برای کامپاندهای تست شده

 

Hardness/Shore A

 

Tensile strength/Mpa Elongation at break (%) Compound
۶۵ ۴ ۳۷۰ SN0
۶۹ ۴٫۴ ۳۱۹ SN1
۷۰ ۴٫۵ ۲۹۶ SN2
۷۱ ۵٫۳ ۲۶۷ SN3
۷۲ ۵٫۱ ۲۵۴ SN4
۷۵ ۴٫۸ ۲۴۱ SN5
۷۶ ۴٫۵ ۲۲۹ SN6

 

مقادیر استحکام کشش (Tensile strength) در جدول ۲ مشخص می کند که با افزودن کربنات کلسیم استحکام کشش به مقدار ناچیز افزایش پیدا می کند اما با افزودن عامل جفت کننده SEBS-g-MA، میزان افزایش در استحکام کشش بیشتر خواهد شد به گونه ای که با افزودن ۱٫۵ phr عامل جفت کننده SEBS-g-MA به کامپاند حاوی ۳ درصد کربنات کلسیم، استحکام کشش ۵/۳۲ درصد افزایش می یابد و این افزایش به دو دلیل می باشد: اول این که یک پیوند شیمیایی قوی بین گروه قطبی اسید استئاریک و کربنات کلسیم برقرار می شود و کلسیم استئارات تشکیل شده که باعث بهبود سازگاری بین ماتریس پلیمر و ذرات کربنات کلسیم می شود. دوم این که عامل جفت کننده SEBS-g-MA به دلیل حضور گروه قطبی کربونیل در مالییک انیدرید امکان برقراری پیوند هیدروژنی با گروه استری پوشش استئارات روی سطح کلسیم کربنات دارد و از جهت دیگر زنجیرهای پلیمری آن با ماتریس SEBS مخلوط شده است، باید به این نکته توجه کرد که استحکام و مقاومت کامپاند های فوق به میزان چسبندگی موجود بین ذرات تقویت کننده و پلیمر بستگی دارد. از طرف دیگر با افزایش عامل جفت کننده به ۳ phr استحکام کشش نسبت به مقدار ۱٫۵ phr کاهش می یابد و دلیلش این است که با بالا بردن درصد سازگار کننده و از آنجائی که سازگارکننده نسبت به پلیمر جزء سخت به حساب می آید ، در نتیجه باعث کاهش انعطاف پذیری و  استحکام کششی می­شود.

درصد ازدیاد طول در نقطه شکست (Elongation at break) در مورد کامپاندهای تهیه شده نسبت به نمونه شاهد SN0 کاهش می یابد زیرا از یک طرف ذرات معدنی کربنات کلسیم می­توانند به عنوان نقاط تمرکز تنش یا شروع کننده شکاف و ترک در نمونه­ها عمل کنند و در نتیجه ازدیاد طول تا پارگی را کاهش دهند و از طرفی، کاهش مقادیر ازدیاد طول در نقطه شکست را می­توان به ماهیت پلاستیکی SEBS-g-MA مربوط دانست زیرا خاصیت الاستومری کمتری نسبت به خود SEBS دارد.

با افزودن عامل جفت کننده SEBS-g-MA به میزان ۳ phr در کامپاند حاوی ۵ درصد کربنات کلسیم، سختی تا ۱۷ درصد افزایش می یابد و به طور کلی سختی همه نمونه‌ها در اثر افزودن عامل جفت کننده SEBS-g-MA به SEBS افزایش می‌یابد. به‌ منظور توضیح برای این پدیده باید به  این نکته اشاره کرد که ذرات پراکنده کربنات کلسیم به‌عنوان ذرات سخت عمل کرده و مانع از نفوذ سوزن به داخل نمونه می‌شوند. اگر ذرات به ‌طور کامل از هم باز نشده و به‌ صورت خوشه در پلیمر باقی بماند، همانند سیستمی دو فازی عمل می­کنند، به ‌طوری‌که این ذرات به‌ عنوان فاز سخت و پلیمر به‌ عنوان فاز نرم عمل می­کنند و نهایتاً سختی سیستم را پایین می‌آورند اما با توزیع یکنواخت ذرات کربنات کلسیم به دلیل حضور SEBS-g-MA درون سیستم پلیمری، مقاومت در برابر فرورفتگی بالا می رود.

در مرحله دوم اثر عامل جفت کننده SEBS-g-MA بر خواص کامپاندهای پلی پروپیلن/ پلی آمید بررسی شد و به این منظور عامل SEBS-g-MA  در مقادیر ۵ و ۱۰ درصد به کامپاندهای حاوی ۸۰ درصد پلی پروپیلن و ۲۰ درصد پلی آمید و کامپاندهای حاوی نسبت عکس یعنی ۲۰ درصد پلی پروپیلن و ۸۰ درصد پلی آمید افزوده شد و خواص ضربه پذیری کامپاندهای فوق با آزمون ضربه izod مطابق با استاندارد ASTM D256 اندازه گیری شد که نتایج آن در جدول ۳ آمده است:

جدول۳ : مقادیر استحکام ضربه کامپاندهای پلی پروپیلن/ پلی آمید

Item Izod impact strength (kJ/m2)
PA/PP (80:20) without compatibilizer ۴
PA/PP (80:20) with 5% SEBS-g-MA ۱۵٫۱
PA/PP (80:20) with 10% SEBS-g-MA ۲۹٫۵
PA/PP (20:80) without compatibilizer ۲٫۲
PA/PP (20:80) with 5% SEBS-g-MA ۶٫۳
PA/PP (20:80) with 10% SEBS-g-MA ۱۲٫۲

 

از داده های جدول۳ مشخص می شود که خاصیت مقاومت در برابر ضربه با افزودن عامل SEBS-g-MA به کامپاندهای پلی پروپیلن/ پلی آمید افزایش می یابد و در حالتی که ۱۰ درصد افزوده شود مقاومت در برابر ضربه، حدود ۶ برابر افزایش می یابد و این به دو دلیل می باشد: اول این که SEBS-g-MA به دلیل ماهیت الاستومری خود به عنوان افزایش دهتده خواص ضربه پذیری استفاده شده و دوم این که  SEBS-g-MA به عنوان عامل اتصال بین پلی پروپیلن و پلی آمید عمل می کند و باعث همگن شدن کامپاند می شود که مکانیزم اثر آن در شکل ۱ نشان داده شده است :

شکل ۴ : مکانیزم اثر عامل SEBS-g-MA در اتصال پلی پروپیلن و پلی آمید.

 

در یک حالت دیگر اثر عامل جفت کننده SEBS-g-MA بر خواص کامپاند پلی آمید ۶ و پلی آمید ۶۶ با الیاف شیشه بررسی شد که نتایج آن در جدول های ۴ و ۵ آمده است:

جدول ۴ : اثر افزودن ۵ درصد عامل SEBS-g-MA بر ضربه پذیری کامپاند پلی آمید ۶ / الیاف شیشه

Item PA6/GF PA6/GF/5% SEBS-g-MA
Tensile strength/ MPa ۱۳۸ ۱۳۵
Elongation at break (%) ۲٫۱ ۲٫۶
Izod Impact, Notched/ KJ/m2 ۹ ۲۷٫۵

 

جدول ۵ : اثر افزودن ۵ و ۱۰ درصد عامل SEBS-g-MA بر ضربه پذیری کامپاند پلی آمید ۶۶ / الیاف شیشه

Item PA66/GF PA66/GF/5% SEBS-g-MA PA66/GF/10% SEBS-g-MA
Tensile strength/ MPa ۱۶۲ ۱۱۷ ۹۸
Notch  impact strength/ KJ/m2 ۱۱ ۲۲ ۳۰

 

از داده های جدول ۴ و ۵ مشخص می شود که خاصیت مقاومت در برابر ضربه با افزودن عامل SEBS-g-MA به کامپاندهای پلی آمید/ الیاف شیشه  افزایش می یابد و در مورد پلی آمید ۶ با افزودن ۵ درصد SEBS-g-MA به کامپاند مقاومت در برابر ضربه، حدود ۳ برابر افزایش می یابد و این میزان افزایش در مورد پلی آمید ۶۶ با افزودن ۱۰ درصد عامل SEBS-g-MA به دست می آید و دلیل بهبود خاصیت ضربه پذیری را می توان در ماهیت الاستومری عامل SEBS-g-MA و سازگار بودن آن  با پلی آمید و الیاف شیشه دانست.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *