تأثیر مواد افزودنی بر سختی پلیمر ها

در مقاله آزمون سختی پلیمر ها چگونگی سنجش سختی پلیمر ها را بررسی کردیم. با توجه به اهمیت بالای مقدار سختی مواد در کاربرد نهایی محصولات، استفاده از افزودنی های مختلف جهت دستیابی به یک میزان سختی ایده آل اهمیت بالایی دارد. در این مقاله تأثیر برخی افزودنی ها مانند تالک، الیاف شیشه، کلسیم کربنات و نشاسته بر سختی پلیمرهایی نظیر پلی اتیلن، پلی پروپیلن و …. بررسی خواهند شد. قابل ذکر است که در تمامی نمونه ها توزیع مناسب و پراکنده افزودنی در کامپوزیت شکل گرفته است. توزیع نامناسب افزودنی در کامپوزیت ممکن است سبب کاهش سختی محصول نهایی شود.

1) تالک

تالک، کانی سیلیکات منیزیم آبدار با ترکیب شیمیایی Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ است. این افزودنی بیش تر به منظور پر کننده در صنعت پلاستیک استفاده می شود. به طور کلی نتایج به دست آمده از تحقیقات و آزمایش ها نشانگر افزایش سختی پلیمر در صورت ترکیب با افزودنی تالک است.

در شکل 1، تأثیر افزودن تالک بر سختی پلی پروپیلن (PP)، در دمای 25 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 42 درصد بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که با افزایش غلظت بیش از 9 درصد تالک بر پلی پروپیلن، سختی به تدریج افزایش پیدا می کند. قابل توجه است سختی این ترکیب به روش میکروسختی سنجیده شده است.

شکل 2، تأثیر افزودن تالک، الیاف شیشه و کربنات کلسیم بر سختی ترکیب پلی اتیلنی (HDPE) را نمایش می دهد. این سختی به روش Shore D سنجیده شده است. همان گونه که مشاهده می شود با افزودن تقریباً 20 درصد تالک، حدود 5 واحد بر سختی ترکیب افزوده می شود.

هم چنین شکل 3 بیانگر آن است که با افزایش تالک به ترکیب پلی استایرن نیز مانند دو نمونه قبل سختی ترکیب افزایش پیدا می کند.

با توجه به نمونه های ذکر شده در بالا می توان نتیجه گرفت در بیش تر نمونه ها با افزودن تالک، سختی نیز به میزان قابل توجهی افزایش پیدا می کند. [1و2و3]

2) الیاف شیشه

الیاف شیشه از دیگر مواد افزودنی پرکاربرد در صنعت پلیمر و کامپوزیت هستند. تأثیر افزودن الیاف شیشه بر سختی یک کامپوزیت اغلب با افزایش سختی همراه است. لازم به ذکر است سختی یک کامپوزیت وابسته به توزیع الیاف در ساختار ماتریس پلیمر است.
در بررسی یک نمونه از افزودن الیاف شیشه (GRPP)  و آرد چوب (WGFRPP) به پلی پروپیلن (RPP) بازیافت شده، سختی کامپوزیت ایجاد شده به روش راکول (Rockwell) سنجیده شده که در جدول 1 مشاهده می شود. با افزودن الیاف شیشه، سختی ترکیب نیز افزایش می یابد.

جدول 1– تأثیر افزودن الیاف شیشه بر سختی راکول ترکیب پلی پروپیلن

نمونه	سختی
RPP	36/2
WGFRPP	39/7
GRPP	62/4

 

 

 

طبق بررسی های انجام شده، افزودن الیاف شیشه به پلی اتیلن (PE)، در صورت توزیع مناسب در کامپوزیت، سبب افزایش سختی می شود. در بررسی نمونه ای مطابق شکل 4 مشاهده می شود که با افزایش درصد وزنی الیاف شیشه در پلی اتیلن سختی نیز افزایش می یابد. سختی در این تحقیق با روش Shore A سنجیده شده است.

شکل 5 نمودار تغییرات سختی پلی اتیلن HDPE در صورت افزودن الیاف شیشه و پالم را نشان می دهد. الیاف شیشه سبب افزایش و فیبر پالم سبب کاهش سختی شده است.

تغییرات سختی کامپوزیت پلی استرها تحت تأثیر افزودن الیاف شیشه نیز در شکل 6 بررسی شده است که این سختی با روش برینل (Brinell) سنجیده شده است. طبق مشاهدات، افزایش سختی این کامپوزیت نسبت مستقیمی با درصد الیاف شیشه دارد. [4و5و6و7]

3) کربنات کلسیم (CaCO₃)

کربنات کلسیم در صنعت پلیمر در اغلب موارد به صورت پرکننده استفاده می شود. بیش ترین کاربرد آن در صنایع پلاستیک، کاغذسازی و رنگ سازی است. این ماده به دلیل بی خطر بودن برای انسان در صنایع غذایی و دارویی نیز کاربرد دارد. معمولاً افزودن کربنات کلسیم به ترکیب پلیمری سبب افزایش سختی کامپوزیت شده که در ادامه این مطلب را بررسی می کنیم.

افزودن کربنات کلسیم به پلی پروپیلن PP به صورت نانو کامپوزیت باعث افزایش سختی محصول نهایی می شود. جدول 2 خواص مکانیکی و سختی Shore D پلی پروپیلن در اثر افزودن مقادیر (3، 5 و 7 درصد وزنی) کربنات کلسیم را نمایش می دهد.

جدول 2– تغییرات خواص مکانیکی پلی پروپیلن در اثر افزودن مقادیر مختلف کربنات کلسیم

ماده	استحکام تنش-کرنش (MPa)	مدول یانگ (GPa)	کرنش در نقطه شکست (%)	مقاومت به ضربه (KJ/m2)	سختی Shore D
PP	33/26	1/06	37/14	2/85	66/7
PP/3% CaCO3	31/06	1/12	80/79	4/72	68/7
PP/5% CaCO3	30/51	1/08	68/91	4/69	69/9
PP/7% CaCO3	29/78	1/11	56/07	4/17	70/3

 

 

پلی اتیلن سنگین پر شده با کربنات کلسیم، سختی بیش تری نسبت به حالت بدون پر شونده دارد (شکل 7).  آزمون سختی این نمونه به روش ویکرز (Vickers) صورت گرفته است. مشاهده می شود که با افزایش درصد حجمی کربنات کلسیم تا 40 درصد، مقدار سختی کامپوزیت تقریباً 20 واحد افزایش پیدا می کند.

4) نشاسته (Starch)

نشاسته یک پلیمر طبیعی، تجدید پذیر و ارزان است که در طبیعت به فراوانی یافت می شود. این پلیمر از گیاهانی هم چون گندم، ذرت و حبوبات به دست می آید. در صنعت کامپوزیت می توان از نشاسته به عنوان افزودنی استفاده کرد. به نمونه زیر توجه کنید.

افزایش سختی کامپوزیت بر پایه پلی پروپیلن با افزودن نشاسته در شکل 10 آورده شده است. G906PF و G906PJ دو نوع پلی پروپیلن گرفت شده با نشاسته هستند که سختی آن ها به روش Shore D سنجیده شده است. الیاف کناف بلند (long kenaf fibres) یا LKF و الیاف کناف کوتاه (Short kenaf fibres) یا SKF هستند. همان گونه که مشاهده می شود با افزایش درصد وزنی نشاشته سختی نیز افزایش یافته است.

5) پودر چوب (Wood flour)

در سال های اخیر استفاده از کامپوزیت های چوب-پلیمر که همان پلیمرهای تقویت شده با پودر چوب هستند بسیار رایج شده است. این کامپوزت ها در صنعت ساختمان سازی و خودروسازی کاربرد گسترده ایی دارند.
اثر پودر چوب بر سختی افزایشی است. به نمونه های زیر توجه کنید.

• نمودار تغییرات سختی پلی اتیلن سنگین بر اثر افزودن پودر چوب در شکل 9 آورده شده است. سختی این نمونه به روش Shore A سنجیده شده است. همان گونه که مشاهده می شود با بالا رفتن درصد پودر چوب سختی پلی اتیلن نیز افزایش می یابد.

• سختی پلی پروپیلن نیز همانند پلی اتیلن با افزودن پودر چوب افزایش می یابد. در نمونه بررسی شده، پودر چوب از 50 تا 70 درصد وزنی ترکیب را در بر گرفته است که با توجه به شکل، سختی کامپوزیت روند افزایشی دارد. سختی این نمونه به روش Shore D سنجیده شده است.

• در نمونه ای دیگر پودر چوب در مقادیر 30، 35 و 40 درصد وزنی با پلی پروپیلن ترکیب می شود که در این نمونه نیز شاهد افزایش سختی با افزایش درصد وزنی پودر چوب در ترکیب هستیم. میزان سختی مورد نظر بر اساس فشار وارد شده (کیلو نیوتون) است. نتایج نشان می دهد با افزودن پودر چوب سختی کامپوزیت زیاد می شود.

منابع:

1. Lapcik, L., Jindrova, P., Lapcikova, B., Tamblyn, R., Greenwood, R., & Rowson, N. (2008). Effect of the talc filler content on the mechanical properties of polypropylene composites. Journal of Applied Polymer Science, 110(5), 2742–2747. doi:10.1002/app.2879
2. MÜNIR TASDEMIR SEZGIN ERSOY , Mechanical, morphological and thermal properties of hdpe polymer composites filled with talc, calcium carbonate and glass spheres
3. Hachani Salah Eddine, and Meghezzi Ahmed ,Effect of Talc Addition on the Properties of Polystyrene/Talc Composites
4. Al-Maadeed, M. A., Shabana, Y. M., & Khanam, P. N. (2014). Processing, characterization and modeling of recycled polypropylene/glass fibre/wood flour composites. Materials & Design, 58, 374–380. doi:10.1016/j.matdes.2014.02.044
5. Merajul Haque and Mahbub Hasan Mechanical properties of betel nut and glass fibre reinforced hybrid polyethylenecomposites
6. Aldousiri, M. Alajmi, and A. Shalwan, Mechanical Properties of Palm Fibre Reinforced Recycled HDPE
7. A. Buasri, N. Chaiyut, K. Borvornchettanuwat, N. Chantanachai and K. ThonglorThermal and Mechanical Properties of ModifiedCaCO /PP Nanocomposites3Vol:6, No:8, 2012
8. Suwanprateeb, J. (2000). Calcium carbonate filled polyethylene: correlation of hardness and yield stress. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 31(4), 353–359. doi:10.1016/s1359-835x (99)00076-7
9. Hamma, M. Kaci, Z.A. Mohd Ishak, A. Pegoretti, Starch-grafted-polypropylene/ kenaf fibres composites. Mechanical performances and viscoelastic behavior
10. Slovak Research and Development Agency under the contract No. APVV-0694-12. EPDM Composites filled with Corn Starch and thermoplastic Starch, www.kgk-rubberpoint.de
11. Maiti, S. N., & Singh, K. (1986). Influence of wood flour on the mechanical properties of polyethylene. Journal of Applied Polymer Science, 32(3), 4285–4289. doi:10.1002/app.1986.070320341
12. Hamidreza Pirayesh, Manufacturing of Wood-Plastic Composite from Completely Recycled
Materials, Key Engineering Materials, February 2011
13. Behzad Kord, Effect of Wood Flour Content on the Hardness and Water Uptake of Thermoplastic Polymer Composites

گردآورنده:

علی باقری