تأثیر مواد افزودنی بر سختی پلیمرها

    در مقاله آزمون سختی پلیمرها چگونگی سنجش سختی پلیمرها را بررسی کردیم. با توجه به اهمیت بالای مقدار سختی مواد در کاربرد نهایی محصولات، استفاده از افزودنی‌های مختلف جهت دستیابی به یک میزان سختی ایده‌آل، اهمیت بالایی دارد. در این مقاله تأثیر برخی افزودنی‌ها مانند تالک، الیاف شیشه، کلسیم کربنات و نشاسته بر سختی پلیمرهایی نظیر پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و… بررسی خواهند شد. قابل ذکر است که در تمامی نمونه‌ها، 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 بیشتر به‌عنوان پرکننده در صنعت پلاستیک استفاده می‌شود. به‌طور کلی نتایج به‌دست‌آمده از تحقیقات و آزمایش‌ها نشانگر افزایش سختی پلیمر در صورت ترکیب با افزودنی تالک است. در شکل 1، تأثیر افزودن تالک بر سختی پلی‌پروپیلن (PP)، در دمای 25 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 42 درصد بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش غلظت بیش از 9 درصد تالک در پلی‌پروپیلن، سختی به‌تدریج افزایش پیدا می‌کند. قابل توجه است، سختی این ترکیب به‌روش میکروسختی سنجیده شده است.

شکل 1. نمودار تأثیر افزایش غلظت تالک در پلی‌پروپیلن بر سختی مخلوط آنها

    شکل 2 تأثیر افزودن تالک، الیاف شیشه و کربنات کلسیم بر سختی ترکیب پلی‌اتیلنی (HDPE) را نمایش می‌دهد. این سختی به‌ روش Shore D سنجیده شده است. همان‌گونه که مشاهده می‌شود، با افزودن تقریباً 20 درصد تالک، حدود 5 واحد بر سختی ترکیب افزوده می‌شود.

شکل 2. تأثیر افزودن تالک، کربنات کلسیم و الیاف شیشه بر سختی ترکیب پلی‌اتیلن HDPE

    همچنین شکل 3 بیانگر آن است که با افزایش تالک به ترکیب پلی‌استایرن نیز، سختی ترکیب مانند دو نمونه قبل افزایش پیدا می‌کند.

شکل 3. تغییر سختی Shore D براساس افزایش غلظت تالک به ترکیب پلی‌استایرن

    با توجه به نمونه‌های ذکرشده در بالا، می‌توان نتیجه گرفت در بیشتر نمونه‌ها با افزودن تالک، سختی نیز به میزان قابل توجهی افزایش پیدا می‌کند. [1، 2 و 3]

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 پلی‌پروپیلن (RPP) بازیافت‌شده، سختی کامپوزیت ایجادشده به‌ روش راکول (Rockwell) سنجیده شده که در جدول 1 مشاهده می‌شود. با افزودن الیاف شیشه، سختی ترکیب نیز افزایش می‌یابد.

جدول 1– تأثیر افزودن الیاف شیشه بر سختی راکول ترکیب پلی‌پروپیلن

     طبق بررسی‌های انجام‌شده، افزودن الیاف شیشه به پلی‌اتیلن (PE)، در صورت توزیع مناسب در کامپوزیت، سبب افزایش سختی می‌شود. در بررسی نمونه‌ای مطابق شکل 4، مشاهده می‌شود که با افزایش درصد وزنی الیاف شیشه در پلی‌اتیلن، سختی نیز افزایش می‌یابد. سختی در این تحقیق با روش Shore A سنجیده شده است.

شکل 4. نمودار تغییرات سختی کامپوزیت پلی‌اتیلن بر اثر افزودن الیاف شیشه

    شکل 5 نمودار تغییرات سختی پلی‌اتیلن HDPE در صورت افزودن الیاف شیشه و پالم را نشان می‌دهد. الیاف شیشه سبب افزایش و فیبر پالم سبب کاهش سختی شده است.

شکل 5- تغییرات سختی HDPE با افزودن الیاف شیشه و پالم

    تغییرات سختی کامپوزیت پلی‌استرها تحت تأثیر افزودن الیاف شیشه نیز در شکل 6 بررسی شده که این سختی با روش برینل (Brinell) سنجیده شده است. طبق مشاهدات، افزایش سختی این کامپوزیت نسبت مستقیمی با درصد الیاف شیشه دارد. [4، 5، 6 و 7]

شکل 6. افزایش سختی کامپوزیت پلی‌استر در حضور الیاف شیشه

3) کربنات کلسیم (CaCO₃)

    کربنات کلسیم در صنعت پلیمر در اغلب موارد به‌صورت پرکننده استفاده می‌شود. بیشترین کاربرد آن در صنایع پلاستیک، کاغذسازی و رنگ‌سازی است. این ماده به‌دلیل بی‌خطر 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 می‌کنیم.

    افزودن کربنات کلسیم به PP به‌صورت نانو کامپوزیت، باعث افزایش سختی محصول نهایی می‌شود. جدول 2 خواص مکانیکی و سختی Shore D پلی‌پروپیلن در اثر افزودن مقادیر (3، 5 و 7 درصد وزنی) کربنات کلسیم را نمایش می‌دهد.

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

    پلی‌اتیلن سنگین پرشده با کربنات کلسیم، سختی بیشتری نسبت به حالت بدون پرشونده دارد (شکل 7). آزمون سختی این نمونه به‌ روش ویکرز (Vickers) صورت گرفته است. مشاهده می‌شود که با افزایش درصد حجمی کربنات کلسیم تا 40 درصد، مقدار سختی کامپوزیت تقریباً 20 واحد افزایش پیدا می‌کند.

شکل 7. نمودار تغییرات سختی پلی‌اتیلن سنگین بر اثر افزودن مقدار حجمی کربنات کلسیم

4) نشاسته (Starch)

    نشاسته یک پلیمر طبیعی، تجدیدپذیر و ارزان است که در طبیعت به‌فراوانی یافت می‌شود. این پلیمر از گیاهانی همچون گندم، ذرت و حبوبات به‌دست می‌آید. در صنعت کامپوزیت، می‌توان از نشاسته به‌عنوان افزودنی استفاده کرد. به نمونه زیر توجه کنید.

    افزایش سختی کامپوزیت برپایه پلی‌پروپیلن با افزودن نشاسته در شکل 10 آورده شده است. G906PF و G906PJ دو نوع پلی‌پروپیلن گرفت‌شده با نشاسته هستند که سختی آنها 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. همان‌گونه که مشاهده می‌شود، با افزایش درصد وزنی نشاشته، سختی نیز افزایش یافته است.

شکل 8. تغییرات سختی Shore D نسبت به درصد افزایش نشاسته به الیاف

5) پودر چوب (Wood flour)

    در سال‌های اخیر، استفاده از کامپوزیت‌های چوب-پلیمر که همان پلیمرهای تقویت‌شده با پودر چوب هستند، بسیار رایج شده است. این کامپوزت‌ها در صنعت ساختمان‌سازی و خودروسازی کاربرد گسترده‌ای دارند. اثر پودر چوب بر سختی افزایشی است. به نمونه‌های زیر توجه کنید.

• نمودار تغییرات سختی پلی‌اتیلن سنگین براثر افزودن پودر چوب در شکل 9 آورده شده است. سختی این نمونه به‌ روش Shore A سنجیده شده است. همان‌گونه که مشاهده می‌شود، با بالا رفتن درصد پودر چوب، سختی پلی‌اتیلن نیز افزایش می‌یابد.

شکل 9. نمودار تغییرات سختی Shore A پلی‌اتیلن سنگین با افزایش پودر چوب

• سختی پلی‌پروپیلن نیز همانند پلی‌اتیلن با افزودن پودر چوب افزایش می‌یابد. در نمونه بررسی‌شده، 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.

شکل 10. نمودار تغییرات سختی Shore D پلی‌پروپیلن بر اثر افزودن پودر چوب

• در نمونه‌ای دیگر، پودر چوب در مقادیر 30، 35 و 40 درصد وزنی با پلی‌پروپیلن ترکیب می‌شود که در این نمونه نیز شاهد افزایش سختی با افزایش درصد وزنی پودر چوب در ترکیب هستیم. میزان سختی مورد نظر براساس فشار واردشده (کیلونیوتون) است. نتایج نشان می‌دهد با افزودن پودر چوب، سختی کامپوزیت زیاد می‌شود.

شکل 11. نمودار تغییرات سختی پلی‌اتیلن براثر افزودن پودر چوب

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