عوامل مؤثر بر افزایش استحکام کامپاندهای پلیمری

استحکام یک ماده برابر با ماکزیمم تنشی است که آن ماده تحت کشش یکنواخت می تواند تحمل کند که گاهی برابر با تنش تسلیم و گاهی برابر با تنش پارگی آن ماده است. در مورد کامپوزیت های پلیمری که شامل ذرات معدنی با سایز میکرو یا نانو هستند استحکام تحت تاثیر انتقال تنش بین ماتریس و پرکننده ها قرار دارد که عواملی مانند اندازه ذرات، مقدار ذرات و سازگاری ذرات با ماتریس پلیمری بر آن اثر گذار است و در ادامه هر یک بررسی می شوند:

1- اثر اندازه ذرات

اثر اندازه ذرات کربنات کلسیم بر تنش تسلیم کامپوزیت های پلی پروپیلن حاوی کربنات کلسیم در شکل 1 نشان داده شده است:

شکل 1 : اثر اندازه ذرات کربنات کلسیم بر تنش تسلیم کامپوزیت های پلی پروپیلن حاوی کربنات کلسیم

نمودار شکل 1 مقدار تنش تسلیم کامپوزیت های پلی پروپیلن حاوی ذرات کربنات کلسیم با اندازه های مختلف را بر اساس کسر حجمی آن ها نشان می دهد. همان طور که از نمودار مشخص است در مقادیر کسر حجمی ثابت از کربنات کلسیم، با کاهش اندازه ذرات کربنات کلسیم، مقدار استحکام کشش کامپوزیت ها افزایش می یابد زیرا ذرات ریزتر مساحت سطح بالاتری دارند و استحکام کشش کامپوزیت ها با افزایش مساحت سطح ذرات پرکننده و به دنبال آن انتقال تنش مؤثرتر، افزایش می یابد. همچنین نکته دیگری که از نمودار شکل 1 مشخص می شود این است که در مورد ذرات کربنات کلسیم با اندازه بزرگتر از 80 nm ، استحکام کامپوزیت با افزایش کسر حجمی ذرات، کاهش می یابد اما در مورد ذرات با اندازه10 nmبا افزایش کسر حجمی ذرات، مقدار استحکام افزایش می یابد.

اثر اندازه ذرات بر استحکام نانو کامپوزیت های پلی آمید6 / سیلیکا در شکل 2 نشان داده شده است و اندازه متوسط ذرات برابر با 12، 25 و 50 نانومتر است.

شکل 2: اثر اندازه ذرات سیلیکا بر تنش تسلیم کامپوزیت های پلی آمید6 حاوی سیلیکا

از نمودار شکل 2 مشخص است که افزایش درصد وزنی ذرات سیلیکا باعث افزایش استحکام نانو کامپوزیت ها شده و هرچه اندازه ذرات ریزتر باشد استحکام بیشتر افزایش می یابد.

همچنین در یک بررسی دیگر در مورد کامپوزیت های اپوکسی/سیلیکا استحکام کشش بر اساس اندازه متوسط ذرات (d_p) بررسی شده است که در شکل 3 نشان داده شده است:

همان طور که از شکل 3 مشخص می شود با افزودن 55 و 64 درصد وزنی سیلیکا به اپوکسی، کامپوزیت حاصل استحکام کشش بالاتری نشان می دهد و هرچه اندازه ذرات ریزتر شود استحکام بیشتر افزایش می یابد.

شکل 3 : اثر اندازه ذرات سیلیکا بر استحکام کشش کامپوزیت های اپوکسی پر شده با 64 و 55 درصد وزنی سیلیکا

2- اثر چسبندگی بین ذرات و ماتریس پلیمری

در کامپوزیت های تقویت شده با الیاف، کیفیت چسبندگی بین سطحی در تعیین رفتار کامپوزیت ها اهمیت زیادی دارد. استحکام چسبندگی بین سطحی تعیین کننده انتقال تنش بین اجزا می باشد و استحکام کشش بیشتر از مدول کشش وابسته به این عامل می باشد چنانچه در شکل 4 نشان داده شده است استحکام کشش کامپوزیت پلی استایرن پر شده با دانه های شیشه (با قطر ) تحت تاثیر چسبندگی بین دانه های شیشه و پلی استایرن قرار می گیرد به طوری که با به کارگیری عامل جفت کننده که چسبندگی بین دو فاز را افزایش می دهد میزان استحکام کشش نسبت به حالتی که از آن استفاده نمی شود بیشتر است. هنگامی که از عامل جفت کننده استفاده می شود چسبندگی بین سطحی عالی می شود ولی در صورت عدم استفاده از آن چسبندگی بین سطحی ضعیف است.

شکل 4 : استحکام کشش کامپوزیت های پلی استایرن پر شده با دانه های شیشه در دو حالت از نظر کیفیت چسبندگی بین سطحی

همچنین در یک بررسی دیگر برای بهبود چسبندگی ذرات سیلیس (با سایز 50 تا 110 نانومتر) به نایلون 6، سطح این ذرات با آمینو بوتریک اسید پوشش داده شد و سپس با نایلون 6 مخلوط شده و استحکام نانو کامپوزیت های فوق با حالتی که ذرات بدون پوشش هستند با یکدیگرمقایسه شده است. (شکل 5)

شکل 5 : استحکام کشش نانو کامپوزیت های نایلون 6 پر شده با ذرات سیلیس

از شکل 5 مشخص می شود که استحکام کشش نانو کامپوزیت نایلون 6 پر شده با ذرات سیلیس اصلاح نشده، با افزایش کسر وزنی ذرات سیلیس، کاهش می یابد اما در حالتی که ذرات سیلیس پوشش داده شده اند، استحکام کشش ابتدا با افزایش کسر وزنی ذرات سیلیس، افزایش و سپس کاهش می یابد و در تمام حالات مقدار استحکام کشش بیشتری نسبت به ذرات بدون پوشش ایجاد می کنند که این به دلیل پخش مناسب و چسبندگی بین سطحی مناسب بین ذرات و ماتریس پلیمری می باشد.

3- اثر مقدار ذرات معدنی

اثر مقدار ذرات معدنی بر استحکام کشش بستگی به سایر عوامل مانند پخش مناسب ذرات، اندازه ذرات و چسبندگی به ماتریس پلیمری دارد به عنوان مثال از شکل 1 مشخص می شود که در یک اندازه ذرات خاص، با افزایش مقدار ذرات معدنی استحکام کشش افزایش داشته اما در سایر اندازه ذرات، با افزایش میزان ذرات استحکام کشش کاهش داشته است و یا در شکل 5 نشان داده شده است که در استفاده از ذرات معدنی پوشش دار، افزایش درصد وزنی ذرات باعث افزایش استحکام کشش تا رسیدن به درصد بهینه شده است اما استفاده از همان ذرات بدون پوشش که چسبندگی ضعیف تری به ماتریس پلیمر دارند باعث کاهش استحکام کشش شده است.