بررسی تأثیر سازگارکننده های پلی اولفینی بر پایه مالئیک انیدرید در بهبود خواص ...

بررسی تأثیر سازگارکننده های پلی اولفینی بر پایه مالئیک انیدرید در بهبود خواص مکانیکی کامپاندهای الیاف شیشه، کربنات و تالک

سازگارکننده های پلی اولفینی هم چون پلی اتیلن گرافت شده با مالئیک انیدرید و پلی پروپیلن گرافت شده با مالئیک انیدرید از اجزای مهم در فرمولاسیون کامپاندهای پرمصرف هستند.

امروزه پلی اتیلن (PE) و پلی پروپیلن (PP) بیشترین مصرف سالانه را در بین پلاستیک ها دارند. از مهم ترین دلایل مصرف بالای آن ها، می توان به قیمت کم، فرآیندپذیری آسان، در دسترس بودن و خواص فیزیکی مناسب آن ها اشاره کرد. به عنوان مثال PE مقاومت خوبی در مقابل آب، اسیدها، بازها و نمک ها دارد که موجب کاربرد آن در ساخت لوله، بطری های فشرده، فیلم ها و ورق ها می گردد و PP نیز نسبت به PE سفت تر و سخت تر بوده و محدوده عملیات دمایی آن 40 درجه سانتیگراد بالاتر است. به همین دلیل، PP در انواع زمینه ها و حوزه های صنعتی کاربرد دارد. در صنعت اتومبیل در ساخت پانل درب ها، تزیینات داخلی، پروانه ها، کف پوش اتومبیل، جعبه باطری و پدال ها مصرف شده، هم چنین در ساخت بدنه لوازم خانگی، ظروف، فرش، گونی و غیره به کار می رود. اما در عین حال استفاده از این پلیمرها معایبی هم چون سختی پایین PE در مقایسه با بعضی پلاستیک های دیگر، استحکام کششی نسبتا پایین و نیاز به استفاده از مواد تقویت کننده، دارد. در مورد پلیمر PP هم، شکنندگی بالا در دماهای پایین کاربرد آنرا محدود نموده است و همچنین ساختار شیمیایی آن، حاوی کربن نوع سوم است و استعداد اکسید شدن بالایی دارند، بنابراین در این دو پلیمر، نیاز به استفاده از افزودنی ها و ترکیبات بهبود دهنده خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی وجود دارد [1].

شکل 1- نمونه ای از کاربردهای سازگار کننده های پلی اولفینی

با توجه به کاربردهای ذکر شده برای PE و PP، این دو پلیمر اغلب با انواع افزودنی ها به صورت کامپاند به کار می روند به عنوان مثال، کامپاند PP و الیاف شیشه [2]، کامپاند PE یا PP و تالک [3]، کامپاند PE یا PP و کربنات کلسیم [4]، کامپاند PE یا PP و پودر چوب [5] و غیره. اما PE و PP به دلیل ماهیت آب گریزی خود با اغلب مواد پرکننده و تقویت کننده معدنی مانند الیاف شیشه، تالک، کربنات کلسیم و غیره سازگاری ندارند و نیاز به حضور مواد سازگارکننده پلیمری وجود دارد. این مواد 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 [5]. سازگارکننده ها در ترکیب PE و PP با سایر پلیمرهای قطبی مانند پلی آمیدها نیز به کار می روند [6]. امروزه یکی از رایج ترین ترکیبات سازگار کننده، سازگارکننده های PE وPP پیوند خورده با مالییک انیدرید PP-g-Ma می باشد. در این ترکیبات گروه های مالئیک انیدرید بر روی پلی پروپیلن یا پلی اتیلن گرافت شیمیایی می شود. این ترکیبات از یک سو به دلیل قطبی بودن مالئیک انیدرید با سایر افزودنی ها مانند چوب، الک، الیاف شیشه و … که حاوی گروه های عاملی قطبی هستند، برهم کنش برقرار کرده و از سر دیگر خود که زنجیر پلی پروپیلن می باشد با ماتریس پلیمر سازگار است.

شکل 2- نمونه ای از سازگارکننده های پلی اولفینی

در یک پژوهش، از سازگارکننده های Aria Couple 1433 و Aria Couple1405 از شرکت آریا پلیمر پیشگام و پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) وPP به عنوان ماتریس پلیمری، الیاف شیشه (GF)، تالک (Talc) و کربنات کلسیم (CaCO₃) ازگریدهای موجود در بازارداخلی ا یران استفاده شده است.Aria Couple 1433 پلی پروپیلن پیوند خورده با مالییک انیدرید (PP-g-MA) و Aria Couple 1405 پلی اولفین پیوند خورده با مالئیک انیدرید (PO-g-MA) است. سایر مشخصات سازگارکننده ها در جدول 1 بیان شده است: (لازم به ذکر است هر دو گرید مورد استفاده از گرید های با میزان گرافت High level انتخاب شده اند.)

جدول 1- مشخصات سازگارکننده های 1433 و 1405

Ma Graft Level	MFI @ 190C & 2.16 Kg	Density	Compatibilizer
High	12	0.93	1433
High	10	0.94	1405

در نام گذاری کامپاندهای تولید شده نمونه های حاوی سازگارکننده و بدون سازگارکننده به ترتیب شماره گذاری گردید، به این صورت که کامپاند PP همراه با 30 درصد وزنی الیاف شیشه Comp 1 و با افزودن 3 درصد وزنی Aria Couple 1433 به آن، Comp 2 نام گذاری شد، کامپاند PP همراه با 25 درصد وزنی تالک Comp 3 و با افزودن 2 درصد وزنی Aria Couple 1405 به آن، Comp 4 و کامپاند HDPE همراه با 40 درصد کربنات کلسیم اصلاح شده با اسید استئاریک، Comp 5 و با افزودن 2 درصد وزنی Aria Couple 1405 به آن، Comp 6 نامیده می شوند.
لازم به ذکر است کلیه ترکیبات مورد بررسی حاوی سایر افزودنی های رایج در فرمولاسیون های کامپاندهای صنعتی هم چون روان کننده ها، بهبود دهنده های مختلف و غیره بوده است که در فرمول ها ثابت فرض شده است. کامپاندهای تولید شده مربوط به هر افزودنی، با سازگارکننده و یا بدون آن، به وسیله اکسترودر دومارپیچ موجود در کارخانه مشتریان و در شرایط فرآیندی یکسان تهیه شده و سپس مطابق استاندارد تحت آزمون های کشش، خمش و ضربه قرار می گیرند.

نتایج

نتایج حاصل از آزمون کشش و ضربه برای نمونه های حاوی الیاف شیشه Comp 1 و Comp 2 در جدول 2 آمده است:

جدول 2- نتایج کشش و ضربه بر روی نمونه های حاوی 30% الیاف شیشه

(Izod notch impact strength (Kj/m2	(Tensile strength (MPa	Compound
8	53	Comp 1
12.16	78.9	Comp 2

نتایج جدول 2 بیانگر این واقعیت است که با افزودن 3 درصد وزنی Aria Couple 1433 به کامپاند PP حاوی 30 درصد الیاف شیشه، استحکام کشش 49 درصد و استحکام ضربه 52 درصد افزایش می یابد و دلیل این تقویت خواص مکانیکی، بهبود سازگاری بین سطحی PP و الیاف شیشه است، بدین صورت که بین گروه های عاملی هیدروکسیل موجود روی سطح الیاف شیشه و گروه اسید انیدرید موجود در سازگار کننده پیوند کوالانسی پدید می آید [2]. شکل 3 بیان گر این موضوع است:

شکل 1- پیوند شیمیایی بین سازگارکننده PP-g-MA و الیاف شیشه [2]

نتایج حاصل از آزمون کشش، خمش و ضربه برای نمونه های حاوی تالک 3 و Comp 4 در جدول 3 آمده است:

جدول 3- نتایج آزمون های کشش و ضربه برای نمونه های تالک

(Izod notch impact strength (Kj/m2	(Tensile strength (MPa	Elongation at break (%)	Compound
17.64	10.83	10.81	Comp 3
22.75	14.19	20	Comp 4

نتایج جدول 3 نشان می دهد که با افزودن 2 درصد وزنی Aria Couple 1405 به کامپاندPP حاوی 25 درصد تالک استحکام کششی،کرنش شکست واستحکام ضربه به ترتیب 31%، 85% و 29% افزایش می یابد. دلیل این افزایش در خواص مکانیکی ایجاد برهم کنش فیزیکی بین گروه قطبی کربونیل در مالئیک انیدرید در سازگارکننده Aria Couple 1405 و سطح ذرات تالک می باشد [3].

نتایج حاصل از آزمون کشش، خمش و ضربه برای نمونه های Comp 5 و Comp 6 در جدول4 آمده است:

جدول 4- نتایج آزمون های کشش و ضربه برای نمونه های کربنات کلسیم

Elongation at break (%)	Flexural Strength	(Izod notch impact strength (Kj/m2	(Tensile strength (MPa	Compound
21.65	21.93	11.23	15.68	Comp 5
25.24	25.22	14.82	18.50	Comp 6

نتایج جدول 4 نشان می دهد که با افزودن 2 درصد وزنی Aria Couple 1405 به کامپاند پلی اتیلن با دانسیته بالا(HDPE) حاوی 40 درصد کلسیم کربنات اصلاح شده با اسید استئاریک، استحکام کشش، خمش، ضربه و درصد کرنش به ترتیب18، 15، 32 و 16 درصد افزایش می یابد. این افزایش در خواص مکانیکی 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 سازگارکننده PO-g-MA به دلیل حضور گروه قطبی کربونیل در مالئیک انیدرید امکان برقراری پیوند هیدروژنی با گروه استری پوشش استئارات روی سطح کلسیم کربنات دارد و از طرف دیگر زنجیرهای پلیمری آن با ماتریس HDPE مخلوط شده است [4].