آمیزه‌های پلی‌پروپیلن- الیاف شیشه (بخش هفتم/ سازگارکننده‌ها و خواص مکانیکی)

در مقاله 6 از این مجموعه مقالات، توضیح داده شد که سازگارکننده‌های PP-g-MA در آمیزه‌های پلی‌پروپیلن- الیاف شیشه قادرند از طرفی با ایجاد پیوند کووالانسی قوی بین مالئیک انیدرید و گروه‌های عاملی الیاف شیشه ارتباط برقرار کنند و از سوی دیگر با دنباله پلیمری که دارند با ماتریس پلیمر امتزاج یابند. این پدیده منجر به سازگاری الیاف شیشه در ماتریس پلیمری می‌شود. پیوند شیمیایی بین سازگارکننده‌های PP-g-MA و ماتریس پلیمری در شکل 1 نمایش داده شده است. این برهمکنش نه تنها استحکام و مقاومت به ضربه را افزایش می‌دهد بلکه باعث بهبود در چقرمگی نیز می‌شود.

شکل 1. نمایی از چگونگی برهمکنش سازگارکننده  با الیاف شیشه و ماتریس پلیمری [1].

اثر درصد الیاف شیشه در خواص مکانیکی آمیزه نهایی

از تصاویر 2 و 3 مشاهده می‌شود که استحکام کششی و استحکام ضربه پلی پروپیلن تقویت شده با 30 دصد الیاف شیشه با اندازه متفاوت الیاف، بسیار بهبود می‌یابند. استحکام کامپوزیت در نتیجه افزایش سطح تماس بین الیاف و ماتریس افزایش یافته و ساختار شبکه سه بعدی شکل گرفته با الیاف شیشه در ماتریس، برای انتقال بار سودمند است. حال زمانی که مقداری اضافی از الیاف شیشه افزوده می‌شود، برای مثال بیش از 30 درصد وزنی، استحکام مکانیکی به علت اخلال در توزیع الیاف، کاهش می‌یابد.

شکل 2. اثر مقدار الیاف شیشه  بر استحکام کششی آمیزه پلی پروپیلن و الیاف شیشه [2].

شکل 3.  اثر مقدار الیاف شیشه  بر مقاومت به ضربه آمیزه پلی پروپیلن و الیاف شیشه [2].

همانطور که در شکل 2 و 3 نشان داده شده است با افزایش طول الیاف شیشه در آمیزه‌های پلی‌پروپیلن- الیاف شیشه استحکام کششی و استحکام ضربه هر دو به میزان قابل توجه‌ای افزایش می‌یابند.

اثر  POE بر خواص مکانیکی

شکل 4 و 5 نشان می‌دهند که استحکام کششی با افزایش درصد وزنی POE به طور پیوسته کاهش، در حالیکه استحکام ضربه افزایش می‌یابند. در زمان استفاده از 30 درصد وزنی از الیاف شیشه مشخص است که  POE یک سازگارکننده مناسب نبوده ولی افزودنی مناسب جهت افزایش مقاومت به ضربه است. در حقیقت،  POE نمی‌تواند چسبندگی بین الیاف شیشه و پلی‌پروپیلن را بهبود بخشد اما می‌تواند جذب انرژی را به وسیله ماهیت الاستومری خود (توانایی الاستومر‌ها در جذب نیرو) افزایش دهد. نکته قابل توجه دیگر، افزایش استحکام کششی الیاف شیشه با افزایش مقدار اندک ازPOE است (3 درصد).

شکل  4. اثر مقدار POE  بر استحکام کششی آمیزه پلی پروپیلن و الیاف شیشه [2].

شکل 5. اثر مقدار POE  بر استحکام ضربه ای آمیزه پلی پروپیلن و الیاف شیشه [2].

اثر افزودن POE-g-MAH بر خواص مکانیکی

شکل 6 نشان می‌دهد که استحکام کششی آمیزه‌های پلی‌پروپیلن- الیاف شیشه به مقدار اندک با درصد وزنی POE-g-MAH قبل از 6 درصد وزنی افزایش می‌‍یابد. مالئیک انیدرید موجود در POE-g-MAH می‌تواند با گروه‌های هیدروکسیل بر روی سطح الیاف شیشه برهمکنش دهد و همچنین، POE-g-MAH می‌تواند به خوبی در ماتریس پلی‌پروپیلن پخش شود و سبب بهبود خواص فیزیکی شود. از سوی دیگر، POE-g-MAH می‌تواند چسبندگی بین الیاف شیشه و پلی‌پروپیلن را به میزان خوبی افزایش بدهد. علاوه‌بر ‌این، طول نهایی الیاف شیشه با افزودن POE-g-MAH  افزایش می‌یابد. بنابراین، استحکام آمیزه با افزودن سازگارکننده POE-g-MAH افزایش پیدا می‌کند.

شکل 6.  اثر مقدار POE-g-MAH  بر استحکام کششی آمیزه پلی پروپیلن و الیاف شیشه [2].

شکل 7.  اثر مقدار POE-g-MAH  بر استحکام ضربه ای آمیزه پلی پروپیلن و الیاف شیشه [2].

بر طبق شکل 7 مشخص است که استحکام ضربه آمیزه با افزایش درصد وزنی POE-g-MAH افزایش می‌یابد. این امر نشان می‌دهد که POE-g-MAH درست مانند POE یک بهبود دهنده عالی مقاومت به ضربه برای آمیزه پلی‌‍پروپیلن و الیاف شیشه می‌باشد. البته تغییرات مقاومت به ضربه آمیزه با سازگارکننده POE-g-MAH متفاوت از POE می‌باشد که ماهیت آن پیش از این توضیح داده شده است.

اثر افزودن  PP-g-MAH بر خواص مکانیکی:

در شکل 8 و 9 مشاهده می‌شود که استحکام کششی و استحکام ضربه به مقدار قابل توجه‌ای با 2 درصد وزنی از PP-g-MAH افزایش پیدا کرده است. نتایج نشان می‌دهد که PP-g-MAH یک سازگارکننده بهتر و کارآمدتر از POE-g-MAH است. در حقیقت، چسبندگی قوی بین الیاف شیشه و پلی‌پروپیلن و سازگاری پایه پلی‌پروپیلن در سازگارکننده و بستر پلیمری (پلی‌پروپیلن) منجر به خواص عالی مکانیکی آمیزه‌های پلی‌پروپیلن و الیاف شیشه می‌شود. بنابراین PP-g-MAH یک سازگارکننده عالی برای آمیزه‌های پلی‌پروپیلن- الیاف شیشه می‌باشد.

شکل8.  اثر مقدار PP-g-MAH  بر استحکام کششی آمیزه پلی پروپیلن و الیاف شیشه [2].

شکل 9. اثر مقدار PP-g-MAH  بر استحکام ضربه ای آمیزه پلی پروپیلن و الیاف شیشه [2].

 خواص ضربه

بر اساس شکل 10، هر دو سازگار کننده در افزایش خواص ضربه موثر هستند. با این حال، برخلاف PP-g-MA، SEBS-g-MA استحکام ضربه را با تغییر اندک در مقاومت کششی افزایش می‌دهد.

شکل 10. مقایسه تاثیر سازگارکننده‌ها بر روری استحکام ضربه و مقاومت کششی آمیزه پلی‌پروپیلن-الیاف شیشه [3].

مقایسه عملکرد سازگارکننده های متفاوت

همانطور که اشاره شد، طول الیاف شیشه نقش کلیدی در تعیین خواص مکانیکی آمیزه‌ پلی‌پروپیلن-الیاف شیشه ایفا می‌کند. همچنین، طول الیاف خوراک شده در هنگام تزریق قطعات پلاستیکی تعیین‌کننده طول نهایی الیاف در آمیزه خواهد بود که البته تا حدود زیادی به شرایط شکل‌دهی(دستگاه تزریق، هندسه ماردون و سرعت روتور) بستگی دارد. نکته جالب و مهم این است که افازیش طول نهایی الیاف شیشه در آمیزه، همیشه سبب افزایش خواص مکانیکی نمی‌شود و می‌بایست به طولی بهینه از الیاف شیشه در آمیزه برای دستیابی به بیشینه خواص مکانیکی، دست یافت. علت این پدیده نیز در ضرورت دستیابی به پخش و آرایش‌یافتگی بهینه الیاف شیشه در بستر پلی‌پروپیلن نهفته است که در مقاله 5 بررسی شد. همانطور که در شکل های 5 و7 نشان داده شده است، هنگامی که PP-g-MAH و POE-g-MAH  افزوده شدند، الیاف شیشه با طول ورودی خوراک 10 میلی‌متر دارای استحکام کششی بالاتری از الیاف شیشه با ورودی خوراک 3 میلی‌متر می‌باشند. همچنین، با توجه به شکل‌های 6 و 8 در بررسی مقاومت به ضربه آمیزه‌ها، مشخص است که  الیاف شیشه با طول ورودی خوراک 10 میلی‌متر دارای استحکام ضربه بالاتری از الیاف شیشه با ورودی خوراک 3 میلی‌متر می‌باشند. نکته قابل توجه از نتایج این آزمون‌های مکانیکی که بار دیگر برجسته می‌شود، ضرورت استفاده از یک درصد وزنی بهینه از سازگارکننده‌ها‌ست. به عنوان مثال، همانطور که از شکل 7 نمایان است، در بهبود مقاومت به ضربه آمیزه، 2 درصد وزنی بهینه خواص را ایجاد می‌کند و با افزودن بیشتر سازگارکننده، مقاومت به ضربه قطعه بهبود نمی‌یابد. زیرا، به علت افزایش چسبندگی الیاف شیشه بین زنجیرهای پلیمری، آرایش‌یافتگی الیاف در آمیزه مختل شده و سبب کاهش استحکام کششی آمیزه بر طبق شکل 8 خواهد شد.

استحکام مکانیکی آمیزه پلی‌پروپیلن-الیاف شیشه ناشی از پارامترهای زیادی از جمله آرایش‌یافتگی و پخش الیاف شیشه، حفره‌های بین الیاف و ماتریس، طول الیاف، چسبندگی بین الیاف شیشه و ماتریس پلیمری می‌شود. در مورد نمونه‌های آمیزه پلی‌پروپیلن-الیاف شیشه بدون استفاده از سازگارکننده، چسبندگی ضعیف بین الیاف شیشه و پلیمر منجر به استحکام مکانیکی ضعیف می‌شود. اگرچه نمونه با طول الیاف شیشه 3 میلی‌متر دارای آرایش‌یافتگی و پخش بالاتری نسبت به 10 میلی‌متر است، ولی، الیاف با طول 10 میلی‌متر دارای استحکام کششی بالاتری از 3 میلی‌متر می‌باشند.

شکل 11. مقایسه آرایش یافتگی و پخش الیاف شیشه با طول های 3 و 10 میلی متر: (a) 3 میلی متر بدون سازگارکننده وb) 10 میلی متر بدون سازگارکننده و  (c) 3  میلی متر با 6 درصد وزنی از PP-g-MAH و (d) 10 میلی متر با 6 درصد وزنی PP-g-MAH [2].

همانطور که در شکل 11 مشاهده می‌کنیم، شکل‌های(a) و (b) مربوط به آمیزه‌های عاری از سازگارکننده است که آرایش‌یافتگی الیاف شیشه را با طول‌های اولیه خوراک شده 3 و 10 میلی‌متر در هسته و پوسته آمیزه را نشان می‌دهد. همانطور که پیش‌تر توضیح داده شد ما می‌توانیم با دستیابی به طول‌های بلندتر از الیاف شیشه در قطعه به خواص مکانیکی بالاتری برسیم. از طرفی می‌بایست، پخش و آرایش‌یافتگی این الیاف نیز بهینه و بهبود یابد. از‌اینرو، سعی بر آن است که با استفاده از سازگارکننده‌های گوناگون با درصد‌های وزنی متفاوت به این هدف دست یافت. بر طبق نتایج شکل فوق با استفاده از سازگارکننده PP-g-MAH با 6 درصد وزنی، آرایش‌یافتگی در پوسته (نواحی خارجی) قطعه بهبود می‌یابد، ولی در هسته مرکزی مختل می‌شود که این پدیده با افزایش طول الیاف شیشه تشدید می‌شود. در هنگام استفاده از PP-g-MAHو  POE-g-MAH  در درصد‌های وزنی پایین، فصل مشترک بهبود می‌یابد و در‌نتیجه سبب بهبود آرایش‌یافتگی الیاف شیشه در آمیزه خواهد شد. در حالی که در درصد‌های وزنی بالاتر منجر به رفتار رئولوژی بدتر می‌شود و مقدار زیادی از الیاف شیشه با یکدیگر گره می‌خورند که منجر به تشکیل حفره می‌شود. این حفره‌های تشکیل شده بر اساس سازوکار بررسی شده در مقاله 5، سبب شکست قطعه و کاهش خواص مکانیکی خواهد شد. هرچه طول الیاف بلندتر باشد، توزیع و پخش الیاف مشکل‌تر می‌شود. در حقیقت، درصد افزودن کامپاندهای الیاف شیشه به پلی‌پروپیلن خالص در هنگام تولید قطعات پلاستیکی (روش‌تزریق)  نقش اساسی در تعیین خواص مکانیکی خواهد داشت. به این صورت که با درصد بهینه‌ای از الیاف شیشه، الیاف شیشه بلندتر دارای فضای بیشتری در بین زنجیرهای پلیمری بوده و با توجه به شرایط شکل‌دهی می‌توانند به آرایش‌یافتگی و پخش دست یافته و در نتیجه خواص مکانیکی بهتری را در مقایسه با الیاف شیشه کوتاه‌تر (درصد وزنی یکسان)، از خود بروز دهند. بنابراین، همواره در زمان تولید قطعات آمیزه‌ پلی‌پروپیلن-الیاف شیشه‌، عوامل زیادی در تعیین خواص مکانیکی نهایی نقش ایفا می‌کنند و می‌بایست بین مواد اولیه مورد استفاده و درصد افزودنی‌ها (سازگارکننده‌ها) به یک مقدار و شرایط بهینه و مهندسی شده، دست یافت.

گردآورنده: رسول ریزان/ جمال الدین شاکری

منابع

1) https://en.ariapolymer.ir/optimized-compatibilizer-in-glass-fiber-filled-polypropylene-compounds-pp-gf-sefs-g-ma-poe-g-ma-or-pp-g-ma/

2) Xian Chen, Bobing He and Xiang Fu, Effects of compatibilizers on mechanical properties of long glass fiber reinforced. Journal of Reinforced Plastics and Composites published online 2 June 2009.

3) Na Wang, Na Gao, Sen Jiang, Effect of different structure MCM-41 fillers with PP-g-MA on mechanical and crystallization performances of polypropylene. http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2011.04.012

3) https://en.ariapolymer.ir/optimized-compatibilizer-in-glass-fiber-filled-polypropylene-compounds-pp-gf-sefs-g-ma-poe-g-ma-or-pp-g-ma/