آمیزه های پلی پروپیلن-الیاف شیشه (بخش سوم/ خواص مکانیکی و کاربرد)

امروزه بهره گیری از  آمیزه های پلی پروپیلن-الیاف شیشه بهبود یافته  بدلیل خواص فیزیکی و مکانیکی اصلاح شده مورد توجه تولیدکنندگان قطعات مختلف در صنایع خودرو، لوازم خانگی و …. قرار گرفته است. در این مقاله به بررسی خواص مکانیکی و کاربردهای آمیزه های پلی پروپیلن – الیاف شیشه پرداخته می شود.  در تصویر زیر درصد بهبود  خواص مکانیکی آمیزه های پلی پروپیلن و با %40 وزنی از الیاف شیشه کوتاه از نظر خواص مکانیکی نظیر مقاومت به ضربه، مدول کششی  و استحکام  کششی را در مقایسه با پلی پروپیلن خالص، نشان می دهد [1].

شکل1. درصد تقویت خواص مکانیکی کامپوزیت های پلی پروپیلن و الیاف شیشه [1].

همانگونه که در مقاله قبلی (معرفی آمیزه های پلی پروپیلن-الیاف شیشه) اشاره شد، هدف بکارگیری آمیزه های پلیمری، بهره مندی از خواص هر یک از اجزای مورد استفاده در افزایش خواص مکانیکی و حرارتی آنها در هنگام مصرف است. پلی اولفین ها از جمله پلی پروپیلن، پلیمرهای نیمه بلوری هستند که از دو فاز بی شکل و بلوری به طور همزمان تشکیل شده اند [1]. بلورهای پلیمری نقشی اساسی را در خواص مکانیکی پلیمرها بازی می کنند. در بسیاری از موارد بلورهای پلیمری به تنهایی پاسخگوی خواص مکانیکی مطلوب ما نیستند. بنابراین نیازمندی به استفاده از تقویت کننده هایی همچون الیاف شیشه احساس می شود. الیاف شیشه به سبب ساختار الیافی خود، گزینه ای جذاب برای صنعتگران محسوب می شود چرا که نقش بسزایی در بهبود خواص مکانیکی آمیزه ها ایفا می کند. مکانیزم افزایش خواص مکانیکی آمیزه های پلی پروپیلن – الیاف شیشه آن است که، الیاف مورد استفاده با قرار گرفتن مناسب بین زنجیرهای پلیمری، سبب محدودیت تحرک آنها زنجیره های پلیمری شده و سبب می شود که نیروی وارد شده به قطعه، الیاف شیشه با خواص بالاتر منتقل شود [1].  الیاف شیشه با ساختار معدنی خود (توضیح داده شده در بخش اول مقاله) دارای خواص مکانیکی بالاتری از جمله مدول کششی در مقایسه با پلی پروپیلن می باشد و خواص نهایی آمیزه مذکور بهتر می شود.

استفاده از الیاف شیشه باعث تقویت خواصی همچون مدول و استحکام کششی و مقاومت در برابر ضربه می شود. اگرچه، افزایش طول در نقطه شکست را کاهش می دهد [2]. بنابراین، بر حسب خواص مکانیکی مطلوب در صنعت برخی خواص مکانیکی افزایش و برخی خواص مکانیکی دیگر که در هنگام سرویس دهی  چندان برای ما مهم نیستند، کاهش می یابند. در شکل 2، نقش درصد وزنی الیاف شیشه در بهبود خواص مکانیکی پلی پروپیلن مشاهده می شود.

شکل 2. نقش درصد وزنی الیاف شیشه در بهبود خواص مکانیکی پلی پروپیلن [3].

در شکل فوق نمودار تنش-کرنش پلی پروپیلن خالص و آمیزه های پلی پروپیلن و الیاف شیشه با درصدهای وزنی متفاوت گردآوری شده است که شاهد افزایش مدول و استحکام کششی آمیزه همزمان با افزایش درصد وزنی الیاف شیشه هستیم.

آمیزه های حاوی الیاف شیشه، ممکن است بر اثر تنش وارد شده در دستگاه های آمیزه سازی ( اکسترودرهای کامپاندینگ) و یا فرآیند های شکل دهی ( تزریق) شکسته شده و در نهایت الیاف شیشه با طول های کوچکتری در قطعه نهایی باشند که این خود نقش بسزایی در خواص مکانیکی نهایی محصول خواهد داشت [4]. در آمیزه های پلیمری با الیاف شیشه، طول نهایی  الیاف (پس از شکل دهی) در ماتریس و آرایش یافتگی(پخش) آنها، دو فاکتور  اساسی تعیین کننده خواص نهایی قطعه نهایی می باشند [4]. به عنوان مثال همانطور که در شکل 3 مشاهده می شود، با افزایش طول نهایی الیاف شیشه در قطعه نهایی، مقاومت به ضربه، استحکام و صلبیت نمونه افزایش می‌یابد. لازم به ذکر است که نحوه شکل دهی این آمیزه ها و بخصوص روش های قطعه زنی در فرآیند تزریق پلاستیک بسیار اثرگذار بوده که در بخش بعدی به آنها پرداخته خواهد شد.

شکل 3. اثر طول الیاف شیشه بر خواص مکانیکی حرارتی [4].

مدول کششی یکی از خواص مکانیکی بسیار مهم در صنعت به شمار می رود زیرا، توانایی پلیمر در جذب نیرو و شکنندگی و صلبیت آن را نشان می دهد. خواصی دیگر از جمله تنش و کرنش (افزایش طول) در شکست، بیان کننده حداکثر تنش و افزایش طول قطعه قبل از شکست می باشد. چقرمگی (سطح زیر نمودار)به توانایی قطعه در جذب نیرو قبل از شکست تعریف می شود [3]. همچنین، خواصی چون استحکام ضربه نیز در تعیین مقاومت قطعه در هنگام ضربه با استانداردهای مشخصی (آزمون چارپ بدون شکاف و یا با شکاف notched ) اندازه گیری می شود. جهت آشنایی با سایر خواص خواص مکانیکی پلیمرها می توانید به سایر مقالات سایت مراجعه بفرمایید.

در صنعت پلیمر و پلاستیک ما نیاز به پیش بینی رفتار قطعه در هنگام سرویس دهی به مشتریان داریم که پارامترهای زیر از جمله مهترین آنها می باشند. با مشاهده نتایج (بر طبق استانداردهای ISO) به اهمیت استفاده از آمیزه های پلی پروپیلن با الیاف شیشه پی می بریم. با توجه به شکل های 2 و 3، افزایش 15 درصدی در مدول کششی، افزایش 30 درصدی در استحکام کششی و افزایش 35 درصدی استحکام ضربه را مشاهده می کنیم. علت این افزایش در خواص مکانیکی یاد شده در آمیزه های پلی پروپیلن یاد شده با الیاف شیشه آن است که الیاف شیشه با ساختار استوانه ای خود در نقش یک تقویت کننده عمل می کنند که پلی پروپیلن به عنوان ماتریس در نقش انتقال دهنده نیرو به این الیاف شیشه با خواص مکانیکی بالاتر عمل کرده و باعث افزایش خواص مکانیکی آمیزه پلی پروپیلن و الیاف شیشه در مقایسه با پلی پروپیلن بدون افزودنی می گردد [3].

کاربردهای آمیزه پلی پروپیلن و الیاف شیشه:

آمیزه های پلی پروپیلن-الیاف شیشه در صنایع خودروسازی از جمله سپر خودرو و قطعات داخلی، تانک های سیستم های خنک کننده، پایه های فن ها، پوشش کمربندهای ایمنی و… کاربرد گسترده ای دارند [3]. در شکل 4 نمایی از قطعات ساخته شده با آمیزه های پلی پروپیلن-الیاف شیشه در بخش ها گوناگون یک خودرو مشاهده می شود.

شکل 4. نمایی از کاربرد آمیزه های پلی پروپیلن و الیاف شیشه در قطعات مختلف خودرو [5].

همچنین، آمیزه های پلی پروپیلن-الیاف شیشه کاربرد زیادی در لوازم خانگی مانند ماشین های لباس شویی، لوله و اتصالات، دستگاه های الکترونیک، ساختمان سازی و… دارند. شکل های 5 و 6، نمونه هایی از قطعات تولید شده با آمیزه های پلی پروپیلن الیاف شیشه را ملاحظه می شود.

شکل 5. نمایی از کاربرد آمیزه های پلی پروپیلن و الیاف شیشه در صنایع مختلف [6].

شکل 6. نمایی از کاربرد آمیزه های پلی پروپیلن و الیاف شیشه در لوازم خانگی [7].

گردآورنده: رسول ریزان/ جمال الدین شاکری

منابع

1. https://images.app.goo.gl/BnvgGRWMdwEAafC38
2. https://images.app.goo.gl/2iQZwwSb1zhVovTT8. 3. https://images.app.goo.gl/2T5nnzHSSTpQhVSV9
3. COMPOSITES MANUFACTURING; MATERIALS, PRODUCT, AND PROCESS ENGINEERING.SANJAY
4. Advances in POLYOLEFIN COMPOSITES,Vikas Mittal
5. HANDBOOK OF POLYPROPY1ENE AND POLYPROPYLENE COMPOSITES,Second Edition, Revised and Expanded
6. https://images.app.goo.gl/sPZu4R2vZdhFjqXs9
7. https://images.app.goo.gl/z8mcmqPcHtCd1ctE9