تأثیر عوامل اتصال دهنده روی خواص مکانیکی و رفتارهای حرارتی کامپوزیت پلی پروپیلن-الیاف شیشه

مقدمه

پلیمرهای ترموپلاستیک روند تازه ای در توسعه مواد ایجاد کرده اند. این پلیمرها دارای مزایایی از قبیل قیمت پایین تولید، تنوع بالا، منابع کافی، وزن سبک، خواص مکانیکی خوب، مقاومت شیمیایی و هم چنین فرایند تولید با بازده بالا می باشند.

پلی پروپیلن(PP) یکی از پرمصرف ترین پلیمر های دنیا شمار می آید. این ماده به علت ویژگی های فرایندی مناسب، پایداری شیمیایی بالا و عایق الکتریکی، به طور فراگیر در اجزای یدکی وسایل نقلیه، دوچرخه ها، محصولات الکترونیکی، لوازم عمرانی، ابزار پزشکی و محصولات شیمیایی استفاده می شود. با تمام این ها، PP دارای خواص مکانیکی نسبتا پایینی است و به این جهت چارچوب کاربری و استفاده از آن محدود می شود. مطالعات بیشماری بر روی افزایش خواص مکانیکی PP صورت گرفته است. این مطالعات نشان می دهد موادی نظیر نانوذرات، کلسیم کربنات، سیلیکون اکسید و همچنین الیاف شیشه ای، الیاف کربنی و الیاف بازالت و به خصوص الیاف شیشه ای کوتاه باعث استحکام مکانیکی PP می شود.

در مقاله گذشته  درباره کامپوزیت پلی پروپیلن-الیاف شیشه (PP/GF) و اثرات عامل سازگار کننده و مکانیسم آن ها در کامپوزیت پلیمری صحبت شد. در این مقاله به بررسی تأثیر دو عامل اتصال دهنده PP-g-MA و SEBS-g-MA با مونومر یکسان مالئیک انیدرید و با دو پایه پلیمری مختلف روی خواص مکانیکی و حرارتی کامپوزیت PP/GF پرداخته می شود.

تاثیر دو عامل اتصال دهنده SEBS-g-MA و PP-g-MA روی خواص مکانیکی PP/GF

در این قسمت سعی بر آن است به تاثیر عوامل جفت کننده بر خواص مکانیکی کامپوزیت پلی پروپیلن-الیاف شیشه ای پرداخته شود.موادی که در تولید این کامپوزیت استفاده می شود بدین صورت است:

جدول 1- خواص فیزیکی مواد: پلی پروپیلن PP، الیاف شیشه ای کوتاه GF، مالئیک انیدرید پیوند شده با پلی پروپیلن PP-g-MA، مالئیک انیدرید پیوند شده با کوپلیمر استایرن اتیلن بوتیلن استایرنSEBS-g-MA

در نمودار شکل1 و جدول2 زیر مقایسه ای بین خواص کششی کامپوزیت پلی پروپیلن-الیاف شیشه (Polypropylene/ Glass Fibers یا به اختصار PP/GF) در مقادیر مختلف کوپلینگ ایجنت (coupling agent) های PP-g-MA و SEBS-g-MA با پلی پروپیلن-الیاف شیشه ای خالص صورت گرفته است. استحکام کششی کامپوزیت ها وابسته به مقدار این عوامل سازگار کننده است. نتایج نشان می دهد که افزودن عامل اتصال دهنده بر پایه پلی پروپیلن باعث بهبود استحکام کششی کامپوزیت می شود. به عنوان مثال افزودن 8% عامل PP-g-MA استحکام کششی را از 67.6 Mpa به 79.0 Mpa می رساند. این در حالی است که با توجه به ماهیت SEBS به عنوان یک ترموپلاستیک الاستومر، افزودن عامل جفت کننده کاهش استحکام کششی را منجر می شود به گونه ای که همین مقدار از عامل SEBS-g-MA استحکام کششی را به 50.6 Mpa می رساند که نشان می دهد استحکام کششی کامپوزیت با مقدار SEBS-g-MA اضافه شده، کاهش می یابد.

هم چنین مدول کششی کامپوزیت با افزایش میزان سازگار کننده پایه پلی پروپیلن افزایش می یابد به عنوان مثال افزودن 8% عامل PP-g-MA از 1998 Mpa به 2004 Mpa افزایش پیدا می کند. بنابراین مدول کاموزیت به شدت تحت تأثیر مقدار PP-g-MA است. برعکس، با افزایش میزان عامل اتصال دهنده بر پایه SEBS مدول کاهش می یابد. به عنوان مثال افزودن 8 درصد از عامل SEBS-g-MA مدول را تا مقدار 1683.6 Mpa پایین می آورد.

جدول2: خواص مکانیکی PP خالص و کامپوزیت PP/GF با مقادیر مختلف عوامل سازگار کننده

همنین نمودار و جدول زیر خواص خمشی کامپوزیت پلی پروپیلن-الیاف شیشه را به ازای مقادیر مختلف عوامل اتصال کننده مذکور نشان می دهد. افزودن 8% عامل PP-g-MA استحکام خمشی را از Mpa99.3 به Mpa123.4 می رساند که نشان دهنده ارتباط مستقیم بین مقادیر PP-g-MA و استحکام خمشی است. ولی وقتی همین درصد از عامل SEBS-g-MA افزوده می شود استحکام کششی تا مقدار 81.3 Mpa کاهش می یابد که این مورد هم حاکی از رابطه عکس استحکام خمشی و مقدار SEBS-g-MA است.

در شکل 2 و جدول 1، همچنین می توان مشابه مقایسه هایی که در مورد خواص کششی ذکر شد، مشاهده نمود.

مشاهده می شود که تقریبا در تمام موارد، افزایش خاصیت مکانیکی با افزایش مقدار PP-g-MA رابطه مستقیم و با SEBS-g-MA رابطه عکس دارد. تنها موردی که در این گزاره صدق نمی کند، خاصیت ضربه پذیری است. همانطور که از داده ها مشخص می شود، افزودن 8% از دو عامل PP-g-MA و SEBS-g-MA به ترتیب میزان ضربه پذیری را از 73.6 J/m برای کامپوزیت بدون عامل اتصال دهنده را به 97.5 J/m و 90.2 J/m می رساند. این موضوع حاکی از آن است افزایش مقدار هردو عامل، تاثیر مستقیمی بر میزان خواص ضربه پذیری PP دارد.

حال باید بررسی نمود که ریشه این تغییرات در چه پارامترهایی قرار دارد. در این بررسی باید تاثیر فاکتورهای مختلف همچون عدم سازگاری پایه پلیمر ماتریس (PP)، با پایه عامل جفت کننده SEBS، خاصیت سازگارکنندگی SEBS-g-MA و جریان پذیری مذاب در پدیده خیس شوندگی بررسی شود. همانطور که گفته شد با اضافه کردن عامل SEBS-g-MA استحکام کششی و خمشی PP دچار افت می شود. SEBS-g-MA یک ماده ترموپلاستیک الاستومر است و پایه پلیمری الاستومری آن منجر به کاهش استحکام کششی و خمشی کامپوزیت حاصل شده می گردد. هرچه مقدار SEBS-g-MA بیشتر شود، کاهش استحکام بیشتر خواهد بود. با این حال در خواص ضربه، بهبود در سازگاری بین SEBS-g-MA و GF پدید می آید که تا حدی منجر به تقویت خواص کامپوزیت می شود. شکل 5 نشان می دهد که اختلاط یک SEBS-g-MA منجر به واکنشی شیمیایی بین PP و GF می شود که سازگاری سطح مشترک آن ها را دربر دارد.این بهبود سازگاری در سطح مشترک به تغییر شکل کامپوزیت تحت ضربه کمک می کند؛ و همین تغییر شکل می تواند انرژی حاصل از ضربه را جذب کند و کامپوزیت را چقرمه تر کند. همین امر منجر به افزایش استحکام ضربه پذیری می شود. اگر چه چقرمگی کامپوزیت به سبب وجود SEBS-g-MA بالا می رود، ولی استحکام کششی و خمشی کم می شوند. در واقع الاستومر ها چقرمگی کامپوزیت را به ازای قربانی کردن سفتی و ثبات شکل آن ها، افزایش می دهند.

جدول3: تغییرات خواص کششی، خمشی و ضربه پذیری بر حسب درصد

تاثیر دو عامل سازگار کننده SEBS-g-MA و PP-g-MA روی رفتار های حرارتی PP/GF

طبق مقایسات انجام شده بین دمای بلورینگی(T_c) و نقطه ذوب(T_m) PP خالص و کامپوزیت PP/GF، کامپوزیت های PP/GF که دارای عامل PP-g-MA هستند، دارای T_c و T_m کمی بالاتری هستند. می توان در شکل های زیر این مقایسه را بررسی کرد.

پیک های موجود در منحنی های شکل های a و b به ترتیب نمایانگر نقطه ذوب و نقطه بلورینگی می باشد.

همانطور که مشاهده می شود، افزودن 8% از PP-g-MA به کامپوزیت PP/GF دمای بلورینگی از 116.4°C به 118.8°C افزایش پیدا می کند. در کامپوزیت پلی پروپیلن-الیاف شیشه، وجود رشته GF در PP خالص، خود باعث افزایش دمای بلورینگی می شود و افزودن PP-g-MA به GF کمک می کند تا موثر تر عمل کند و سازگاری بیشتری با ماتریس PP نشان دهد. در نهایت، GF مساحت سطح بیشتری با PP پیدا می کند که منجر به پدیده هسته گذاری می شود و می تواند دمای بلورینگی را بالا ببرد.

نقطه ذوب کامپوزیت PP/GF با حضور PP-g-MA در حدود 165.4°C می باشد. همچنین مشاهده می شود دمای ذوب به مقدار PP-g-MA وابسته نیست. بدان معنی که پیوند عامل PP-g-MA به ساختار کریستالی و پایداری حرارتی PP ارتباطی ندارد. افزودن 8% از SEBS-g-MA به کامپوزیت PP/GF، دمای بلورینگی را از 116.4°C تا 118.8°C بالا می برد. در کامپوزیت PP/GF، پیوند های رشته GF باعث افزایش T_c می شوند. SEBS-g-MA به عنوان یک عامل هسته گذار وارد کامپوزیت می شود و باعث پدیده هسته گذاری PP و در نتیجه باعث افزایش T_c می شود. همچنین T_m کامپوزیت پلی پروپیلن-الیاف شیشه با افزودن 8% از SEBS-g-MA از 166.21°C به 167.51°C می رسد. نتایج نشان می دهد افزودن این عامل هم در تغییر دمای ذوب بی تاثیر است.

به طور خلاصه، افزودن هرکدام از دو عامل PP-g-MA و SEBS-g-MA موجب افزایش اندکی در T_c می شود که هرچه مقدار عامل بیشتر باشد، به این روند افزایشی کمک می شود؛ همچنین افزودن این دو عامل باعث افزایش T_m می شود اما زیادتر کردن مقدار عامل در کامپوزیت، تاثیری روی نقطه ذوب ندارد.

 

گردآورنده: حسین چیانی

منبع:

Lin, J.-H.; Huang, C.-L.; Liu, C.-F.; Chen, C.-K.; Lin, Z.-I.; Lou, C.-W. Polypropylene/Short Glass Fibers Composites: Effects of Coupling Agents on Mechanical Properties, Thermal Behaviors, and Morphology. Materials 2015, 8, 8279-8291.