بهبود خواص کامپاندها و مستربچ کربنات کلسیم با افزودن پلی‌الفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید

    فرمول مستربچ کربنات کلسیم، به‌عنوان یکی از پرکاربردترین فیلرها در پلی‌الفین‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. زیرا PP و PE پرمصرف‌ترین پلاستیک‌ها در جهان هستند که بیش از 60 درصد از کل مصرف جهانی را به خود اختصاص داده‌اند. این دو پلی‌الفین مزایای مهمی از جمله هزینه پایین، خواص مکانیکی مطلوب، مقاومت شیمیایی و رطوبتی عالی دارند که امکان استفاده گسترده آنها را در کاربردهای گوناگون از جمله صنایع لوله، کابل، الیاف، بسته‌بندی، خودرو، ورق و … فراهم کرده‌ است. استفاده از فیلرهای معدنی از جمله کربنات کلسیم می‌تواند علاوه بر کاهش هزینه تمام‌شده محصول، باعث بهبود پایداری ابعادی و افزایش مقاومت به تغییر شکل نیز بشود. فاکتور تعیین‌کننده در عملکرد مؤثر ذرات کربنات کلسیم در ماتریس پلی‌الفینی، برقراری برهم‌کنش مؤثر بین کربنات کلسیم و ماتریس پلیمری و پراکنش یک‌نواخت آنها درون پلیمر است. با توجه به ماهیت قطبی کربنات کلسیم و ماهیت غیرقطبی PP و PE و عدم سازگاری کافی بین این ‌دو با یک‌دیگر، استفاده از یک عامل سازگارکننده که اینترفیس بین ذرات و ماتریس را بهبود بخشد، ضروری است. مهم‌ترین سازگارکننده‌ای که برای بهبود برهم‌کنش بین کربنات کلسیم و ماتریس پلی‌الفینی به‌کار می‌رود، پلی‌پروپیلن یا پلی‌اتیلن گرافت‌شده با مالئیک انیدرید (PP/PE-g-MA) است که با دارا بودن دو بخش قطبی و غیرقطبی، می‌تواند شبکه پلیمر-فیلر قوی ایجاد کند.

شکل 1. ساختار شیمیایی پلی‌پروپیلن، کربنات کلسیم و گرافت

    ساز و کار عمل‌کرد گرافت به این صورت است که هم‌زمان از سر قطبی خود با کربنات کلسیم و از سر غیرقطبی خود با ماتریس پلی‌الفینی پیوند برقرار کرده و بنابراین اینترفیس قوی‌تری بین آنها ایجاد خواهد کرد (شکل 2).

شکل 2. شماتیک عملکرد گرافت به‌عنوان عامل سازگارکننده بین پلی‌پروپین و کربنات کلسیم

    افزودن گرافت به کامپوزیت‌های پلی‌پروپیلن/کربنات‌ کلسیم، باعث بهبود برهم‌کنش‌های پلی‌پروپیلن و ذرات کربنات‌ کلسیم و پخش بهتر ذرات در ماتریس پلیمری می‌شوند؛ لذا خواص نهایی کامپوزیت‌ها از جمله خواص مکانیکی، رئولوژیکی و مورفولوژی آنها تغییر خواهد کرد. علاوه بر خواص ذکرشده، اثر گرافت بر خواص کامپوزیت‌های پلی‌الفینی بازیافتی، اثر افزایش میزان گرافت تا مقادیر 25% بر خواص کامپوزیت و مقایسه اثر گرافت با پوشش‌دار کردن اسیدی کربنات کلسیم در ادامه بررسی می‌شود.

خواص مکانیکی

    بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت‌های پلی‌پروپیلن/کربنات‌ کلسیم در صنعت از اهمیت بالایی برخوردار است. علاوه بر استحکام مکانیکی، با توجه به اینکه یکی از نقاط ضعف پلی‌پروپیلن، استحکام ضربه پایین آن در دماهای پایین است، استحکام ضربه کامپوزیت‌های فوق نیز پس از افزودن گرافت مورد بررسی قرار گرفته‌ است. برای مثال، در کامپوزیت‌های PP/30wt% CaCO₃ با افزودن wt%3 گرافت، استحکام کششی، مدول و استحکام ضربه به‌ترتیب 43.75، 1.84 و 12.12% افزایش نشان داده‌اند (شکل 3).

شکل 3. افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت‌های PP/CaCO3

خواص رئولوژیکی

    شکل 4 ویسکوزیته کامپلکس کامپوزیت‌های PP/CaCO3 را قبل و بعد از افزودن PP-g-MA نشان می‌دهد. ویسکوزیته کامپلکس همه نمونه‌ها با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد که ویژگی ماهیت سودوپلاستیک پلی‌پروپیلن پرشده معدنی است. افزودن PP-g-MA به کامپوزیت PP/CaCO3 (نمونه PP-3C-MA نسبت به نمونه PP-3C)، باعث افزایش چشم‌گیر ویسکوزیته کامپلکس کامپوزیت می‌شود. این رفتار نشان می‌دهد که برهم‌کنش قوی بین فیلر و ماتریس پلیمری تشکیل شده که منجر به افزایش مقاومت در برابر نیروی برشی می‌شود. چرا که اگر عامل سازگارکننده اتصال قوی با فیلر و ماتریس برقرار نکند، به‌عنوان روان‌کننده عمل کرده و ویسکوزیته کامپوزیت کاهش می‌یابد.

شکل 4. تغییرات ویسکوزیته کمپلکس با افزودن گرافت به کامپوزیت‌های PP/CaCO3

    فاکتور اتلاف (tan δ) به‌عنوان یک شاخص از میزان الاستیسیته سیستم لحاظ می‌شود. به‌طور کلی، مقدار فاکتور اتلاف بزرگ‌تر از یک، بیانگر غالب بودن جزء ویسکوز و مقادیر کوچک‌تر از یک، بیانگر غالب بودن جزء الاستیک سیستم دارد. همان‌طور که شکل 5 نشان می‌دهد، با افزودن گرافت به کامپوزیت PP/CaCO3، فاکتور اتلاف کاهش قابل ملاحظه‌ای نشان داده و به یک نزدیک می‌شود که نتیجه افزایش الاستیسیتی سیستم به‌‌خاطر برهم‌کنش بهتر بین پلیمر و فیلر است.

شکل 5. تغییرات فاکتور اتلاف کامپوزیت‌های PP/CaCO3 با افزودن گرافت

اثر گرافت بر خواص کامپوزیت‌های حاوی پلی‌الفین‌های بازیافتی

    استفاده مجدد از پلاستیک‌های بازیافتی، با توجه به حجم رو به رشد استفاده از پلاستیک‌ها و در نتیجه افزایش پسماند حاصل از آنها امری ضروری است. افزودن گرافت می‌تواند خواص کامپوزیت‌های پلی‌الفین بازیافتی/کربنات کلسیم را نیز بهبود بدهد. برای مثال افزودن گرافت به کامپوزیت r-HDPE حاوی wt%10 کربنات کلسیم، باعث بهبود خواص کششی و ضربه آن‌ها مطابق شکل 6 شده‌ است. هم‌چنین درصد بهینه گرافت برای کامپوزیت فوق wt%4 گزارش شده ‌است.

شکل 6. افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت‌های r-HDPE/CaCO3 با افزودن مقادیر مختلف گرافت

اثر افزایش مقادیر گرافت بر خواص کامپوزیت‌های PP/CaCO3

     اثر افزایش مقدار گرافت تا مقادیر 25% بر خواص مکانیکی کامپوزیت‌های PP/CaCO3 نشان می‌دهد که مقادیر گرافت بالاتر از 5 تأثیری بر خواص نشان نمی‌دهند (شکل 7). بنابراین با مقادیر نسبتاً کمی از گرافت می‌توان کامپوزیت‌های با خواص مطلوب و هزینه تمام‌شده مقرون‌به‌صرفه تولید نمود.

شکل 7. اثر افزایش مقادیر گرافت بر خواص کامپوزیت‌های PP/CaCO3

مقایسه راندمان PP-g-MA با پوشش‌دار کردن اسیدی کربنات کلسیم

    با توجه به اینکه یکی دیگر از روش‌های بهبود سازگاری بین پلی‌پروپیلن و کربنات کلسیم، اصلاح اسیدی کربنات کلسیم و لذا کاهش قطبیت آن است، راندمان این روش با افزودن گرافت در کامپوزیت‌های HDPE/CaCO3 مورد مقایسه قرار گرفته‌ است. ابتدا هر دوی گرافت و اسید استئاریک در درصدهای مختلف، اضافه و درصد بهینه هر کدام مشخص گردید (به‌ترتیب 4 و wt%1)؛ سپس خواص کامپوزیت‌های HDPE/CaCO3 حاوی wt%1 اسید استئاریک و wt%4 گرافت مورد بررسی قرار گرفت. شکل 8 نتایج این مقایسه را نشان می‌دهد. همان‌طور که دیده می‌شود، افزودن گرافت به‌مراتب تأثیر بیش‌تری در بهبود خواص کامپوزیت‌های مربوطه نشان دادند.

شکل 8. مقایسه راندمان افزودن گرافت با اصلاح اسیدی کربنات کلسیم

     شکل 9 مورفولوژی کامپوزیت‌های ذکرشده را نشان می‌دهد که تأییدکننده این موضوع است که افزودن گرافت برهم‌کنش بهتر و یکنواخت‌تر و در نتیجه خواص بهتری را می‌دهد.

شکل 9. مقایسه مورفولوژی کامپوزیت‌های PP/CaCO3 با افزودن گرافت و اصلاح اسیدی کربنات کلسیم

    لطفاً برای کسب اطلاعات بیش‌تر درباره سازگارکننده‌های پلی‌الفین/کربنات کلسیم شرکت آریا پلیمر پیشگام اینجا را کلیک کنید.