بهبود خواص کامپاندها و مستربچ کربنات کلسیم با افزودن پلی الفین گرافت شده با مالئیک انیدرید

فرمول مستربچ کربنات کلسیم، به عنوان یکی از پرکاربردترین فیلرها در پلی الفین‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. زیرا PP و PE پرمصرف‌ترین پلاستیک‌ها در جهان هستند، که بیش از ۶۰ 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، بسته بندی، خودرو، ورق و … فراهم کرده‌ است. استفاده از فیلرهای معدنی از جمله کربنات کلسیم می‌تواند علاوه بر کاهش هزینه تمام شده محصول، باعث بهبود پایداری ابعادی و افزایش مقاومت به تغییرشکل نیز بشود. فاکتور تعیین کننده در عملکرد موثر ذرات کربنات کلسیم در ماتریس پلی الفینی، برقراری برهمکنش موثر بین کربنات کلسیم و ماتریس پلیمری و پراکنش یکنواخت آن‌ها درون پلیمر می‌باشد. 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 می‌باشد. مهم‌ترین سازگارکننده‌ای که برای بهبود برهمکنش بین کربنات کلسیم و ماتریس پلی‌الفینی به‌کار می‌رود، پلی‌پروپین یا پلی‌اتیلن گرافت شده با مالئیک انیدرید (PP/PE-g-MA) می‌باشد، که با دارا بودن دو بخش قطبی و غیرقطبی می‌تواند شبکه پلیمر-فیلر قوی ایجاد کند.

شکل ۱ ساختار شیمیایی پلی‌پروپیلن، کربنات کلسیم و گرافت

سازوکار 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 ۲).

شکل ۲ شماتیک عملکرد گرافت به عنوان 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 پلی الفینی بازیافتی، اثر افزایش میزان گرافت تا مقادیر ۲۵% بر خواص کامپوزیت و مقایسه اثر گرافت با پوشش دارکردن 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 به ترتیب ۴۳٫۷۵، ۱٫۸۴ و ۱۲٫۱۲% افزایش نشان داده‌اند (شکل ۳).

شکل ۳ افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت‌های PP/CaCO3

خواص رئولوژیکی

شکل ۴ 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 می‌باشد. 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 سازگار کننده اتصال قوی با فیلر و ماتریس برقرار نکند، به عنوان روان‌کننده عمل کرده و ویسکوزیته کامپوزیت کاهش می‌یابد.

شکل ۴ تغییرات ویسکوزیته کمپلکس با افزودن گرافت به کامپوزیت‌های PP/CaCO3

فاکتور اتلاف (tan δ) به عنوان یک شاخص از میزان الاستیسیته سیستم لحاظ می‌شود. به ‌طور کلی، مقدار فاکتور اتلاف بزرگتر از یک، بیانگر غالب بودن جز ویسکوز و مقادیر کوچکتر از یک بیانگر غالب بودن جز الاستیک سیستم دارد. همان‌طور که شکل ۵ 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 به‌ خاطر برهمکنش بهتر بین پلیمر و فیلر می‌باشد.

شکل ۵ تغییرات فاکتور اتلاف کامپوزیت‌های PP/CaCO3 با افزودن گرافت

اثر گرافت بر خواص کامپوزیت‌های حاوی پلی الفین‌های 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 ۶ شده‌ است. همچنین درصد بهینه گرافت برای کامپوزیت فوق wt%4 گزارش شده ‌است.

شکل ۶ 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 ۲۵% بر خواص مکانیکی کامپوزیت‌های PP/CaCO3 نشان می‌دهد که، مقادیر گرافت بالاتر از ۵۵ تاثیری بر خواص نشان نمی‌دهند (شکل ۷)، بنابراین با مقادیر نسبتاً کمی از گرافت می‌توان کامپوزیت‌های با خواص مطلوب و هزینه تمام شده مقرون به صرفه تولید نمود.

شکل ۷ 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 می‌باشد، 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 (به ترتیب ۴ و wt%1). سپس خواص کامپوزیت‌های HDPE/CaCO3 حاوی wt%1 اسید استئاریک و wt%4 گرافت مورد بررسی قرار گرفت. شکل ۸ نتایج این مقایسه را نشان می‌دهد. همان طور که دیده می‌شود، افزودن گرافت به مراتب تاثیر بیشتری در بهبود خواص کامپوزیت‌های مربوطه نشان دادند.

شکل ۸ مقایسه راندمان افزودن گرافت با اصلاح اسیدی کربنات کلسیم

شکل ۹ مورفولوژی کامپوزیت‌های ذکر شده را نشان می‌دهد، که تاییدکننده این موضوع است که افزودن گرافت برهمکنش بهتر و یکنواخت‌تر و در نتیجه خواص بهتری را می‌دهد.

شکل ۹ مقایسه مورفولوژی کامپوزیت‌های PP/CaCO3 با افزودن گرافت و اصلاح اسیدی کربنات کلسیم

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