عوامل مؤثر بر افزایش استحکام کامپاندهای پلیمری

    استحکام یک ماده برابر با ماکزیمم تنشی است که آن ماده، تحت کشش یک‌نواخت، می‌تواند تحمل کند که گاهی برابر با تنش تسلیم و گاهی برابر با تنش پارگی آن ماده است. در مورد کامپوزیت‌های پلیمری که شامل ذرات معدنی با سایز میکرو یا نانو هستند، استحکام کامپاند تحت تأثیر انتقال تنش بین ماتریس و پرکننده‌ها قرار دارد که عواملی مانند اندازه ذرات، مقدار ذرات و سازگاری ذرات با ماتریس پلیمری بر آن اثرگذار است و در ادامه هر یک بررسی می‌شوند.

1- اثر اندازه ذرات بر استحکام کامپاند

    اثر اندازه ذرات کربنات کلسیم بر تنش تسلیم کامپوزیتهای پلی‌پروپیلن حاوی کربنات کلسیم در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1. اثر اندازه ذرات کربنات کلسیم بر تنش تسلیم کامپوزیت‌های پلی‌پروپیلن حاوی کربنات کلسیم

    نمودار شکل 1 مقدار تنش تسلیم کامپوزیت‌های پلی‌پروپیلن حاوی ذرات کربنات کلسیم با اندازه‌های مختلف را بر اساس کسر حجمی آنها نشان می‌دهد. همان‌طور که از نمودار مشخص است، در مقادیر کسر حجمی ثابت از کربنات کلسیم، با کاهش اندازه ذرات کربنات کلسیم، مقدار استحکام کشش کامپوزیت‌ها افزایش می‌یابد؛ زیرا ذرات ریزتر مساحت سطح بالاتری دارند و استحکام کشش کامپوزیت‌ها با افزایش مساحت سطح ذرات پرکننده و به‌دنبال آن، انتقال تنش مؤثرتر، افزایش می‌یابد. هم‌چنین نکته دیگری که از نمودار شکل 1 مشخص می‌شود، این است که در مورد ذرات کربنات کلسیم با اندازه بزرگ‌تر از 80 nm، استحکام کامپوزیت با افزایش کسر حجمی ذرات، کاهش می‌یابد اما در مورد ذرات با اندازه 10 nm، با افزایش کسر حجمی ذرات، مقدار استحکام افزایش می‌یابد.

    اثر اندازه ذرات بر استحکام نانوکامپوزیت‌های پلی‌آمید 6/سیلیکا، در شکل 2 نشان داده شده است و اندازه متوسط ذرات برابر با 12، 25 و 50 نانومتر است.

شکل 2. اثر اندازه ذرات سیلیکا بر تنش تسلیم کامپوزیت‌های پلی‌آمید 6 حاوی سیلیکا

    از نمودار شکل 2 مشخص است که افزایش درصد وزنی ذرات سیلیکا باعث افزایش استحکام نانوکامپوزیت‌ها شده و هرچه اندازه ذرات ریزتر باشد، استحکام بیش‌تر افزایش می‌یابد.

    هم‌چنین در یک بررسی دیگر در مورد کامپوزیت‌های اپوکسی/سیلیکا، استحکام کشش بر اساس اندازه متوسط ذرات (d_p) بررسی شده است که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3. اثر اندازه ذرات سیلیکا بر استحکام کشش کامپوزیت‌های اپوکسی پرشده با 64 و 55 درصد وزنی سیلیکا

    همان‌طور که از شکل 3 مشخص می‌شود، با افزودن 55 و 64 درصد وزنی سیلیکا به اپوکسی، کامپوزیت حاصل استحکام کشش بالاتری نشان می‌دهد و هرچه اندازه ذرات ریزتر شود، استحکام بیش‌تر افزایش می‌یابد.

2- اثر چسبندگی بین ذرات و ماتریس پلیمری بر استحکام کامپاند

    در کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف، کیفیت چسبندگی بین سطحی در تعیین رفتار کامپوزیت‌ها اهمیت زیادی دارد. استحکام چسبندگی بین سطحی تعیین‌کننده انتقال تنش بین اجزا است و استحکام کشش، بیش‌تر از مدول کشش وابسته به این عامل است. چنان‌چه در شکل 4 نشان داده شده است، استحکام کشش کامپوزیت پلی‌استایرن پرشده با دانه‌های شیشه، تحت تأثیر چسبندگی بین دانه‌های شیشه و پلی‌استایرن قرار می‌گیرد؛ به‌طوری‌که با به‌کارگیری عامل جفت‌کننده که چسبندگی بین دو فاز را افزایش می‌دهد، میزان استحکام کشش، نسبت به حالتی که از آن استفاده نمی‌شود، بیش‌تر است. هنگامی که از عامل جفت‌کننده استفاده می‌شود، چسبندگی بین سطحی عالی می‌شود، ولی در صورت عدم استفاده از آن، چسبندگی بین سطحی ضعیف است.

شکل 4. استحکام کشش کامپوزیت‌های پلی‌استایرن پرشده با دانه‌های شیشه، در دو حالت از نظر کیفیت چسبندگی بین سطحی

    هم‌چنین در یک بررسی دیگر، برای بهبود چسبندگی ذرات سیلیس (با سایز 50 تا 110 نانومتر) به نایلون 6، سطح این ذرات با آمینو بوتریک اسید پوشش داده شد و سپس با نایلون 6 مخلوط شده و استحکام نانوکامپوزیت‌های فوق، با حالتی که ذرات بدون پوشش هستند، با یک‌دیگر مقایسه شده است (شکل 5).

شکل 5. استحکام کشش نانو کامپوزیت‌های نایلون 6 پرشده با ذرات سیلیس

    از شکل 5 مشخص می‌شود که استحکام کشش نانوکامپوزیت نایلون 6 پرشده با ذرات سیلیس اصلاح‌نشده، با افزایش کسر وزنی ذرات سیلیس، کاهش می‌یابد؛ اما در حالتی که ذرات سیلیس پوشش داده شده‌اند، استحکام کشش ابتدا با افزایش کسر وزنی ذرات سیلیس، افزایش و سپس کاهش می‌یابد و در تمام حالات، مقدار استحکام کشش بیش‌تری نسبت به ذرات بدون پوشش ایجاد می‌کنند که این به‌دلیل پخش مناسب و چسبندگی بین سطحی مناسب بین ذرات و ماتریس پلیمری است.

3- اثر مقدار ذرات معدنی بر استحکام کامپاند

    اثر مقدار ذرات معدنی بر استحکام کشش بستگی به سایر عوامل مانند پخش مناسب ذرات، اندازه ذرات و چسبندگی به ماتریس پلیمری دارد. به‌عنوان مثال، از شکل 1 مشخص می‌شود که در یک اندازه ذرات خاص، با افزایش مقدار ذرات معدنی، استحکام کشش افزایش داشته، اما در سایر اندازه ذرات، با افزایش میزان ذرات، استحکام کشش کاهش داشته است و یا در شکل 5 نشان داده شده است که در استفاده از ذرات معدنی پوشش‌دار، افزایش درصد وزنی ذرات باعث افزایش استحکام کشش تا رسیدن به درصد بهینه شده است، اما استفاده از همان ذرات، بدون پوشش که چسبندگی ضعیف‌تری به ماتریس پلیمر دارند، باعث کاهش استحکام کشش شده است.