بخشی از مقاله
چکیده -
ترموپلاستیک الاستومرهای ولکانیزه شده - TPV - ، جایگزین مناسبی برای لاستیکهای معمولی در کاربردهای نظیر صنعت اتومبیل-سازی - داشبرد، سپر و ... - ، پوشش کابل میباشد که جزء الاستومری آنها بصورت درجا - in-situ - در حین اختلاط مذاب با ترموپلاستیک ولکانیزه میشوند.
هدف از انجام این پروژه، مطالعه روابط بین رفتار شکست و مورفولوژی آلیاژهای پخت نشده و پخت شده پلیپروپیلن/ اتیلن- پروپیلن-دیمونومر - PP/EPDM - با دو ترکیب درصد 40 و 60 درصد فاز لاستیک EPDM با فرایند پخت دینامیکی میباشد و تأثیر سیستمهای پخت گوگردی - با مقدار گوگرد ثابت در هر ترکیب درصد - از جمله پخت گوگردی معمولی، نیمه مفید و مفید را بر روی رفتار شکست TPVها بررسی شد.
آزمون کشش با تقریب کار ضروری شکست - EWF - به منظور بدست آوردن پارامترهای شکست ZH - و - we برروی نمونههایی با شکاف دو طرفه - DENT - انجام گرفت. ساختار میکروسکوپی برای بررسی موفولوژی و سطح آلیاژهای پخت نشده و پخت شده PP/EPDM با استفاده از روش SEM مورد مطالعه قرار گرفت.
نتایج انجام آزمون EWF نشان داد که کار ویژه ضروری برای شکست - we - در شرایط تنش صفحهای در آلیاژها بعد از پخت بیشتر از قبل از پخت که حاکی از چسبندگی قوی فصل مشترک دو فاز در اثر اعمال سیستم پخت بر آلیاژهای قبل از پخت است. همچنین we در TPVهای با 60 درصد فاز EPDM، بیشتر از آلیاژهای با 40 درصد شد که علت آن به ساختار مورفولوژی بر میگردد که در تصاویر SEM از سطح مشترک و مورفولوژی مشخص شد. از طرفی سیستم پخت گوگردی معمولی we کمتری نسبت به دو حالت پخت گوگردی دیگر دارد و فرآیندهای پخت گوگردی از نوع نیمه مفید بهترین حالت برای افزایش چقرمگی در این آلیاژها است. کلید واژه ها- ترموپلاستیک الاستومر، آلیاژ، ولکانیزه شده، پخت گوگردی، مورفولوژی، کار ویژه ضروری شکست.
1. مقدمه
ترموپلاستیک الاستومرها - TPEs - گروهی از مواد پلیمری هستند که ضمن برخورداری از بسیاری ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی لاستیکهای پخت شده، از قابلیت فرآیند شدن و بازیافت همانند یک ترموپلاستیک برخوردارند .
پخت دینامیکی در هنگام فرآیند اختلاط مذاب آمیزه بصورت درجا برای بهبود پایداری مورفولوژی آمیزه باعث تقویت سطح مشترک دو فاز بوسیله مکانیسم اتصال پوسته میگردد. خصوصیات منحصربفرد ترموپلاستیک الاستومرها باعث شده است که از آنها به عنوان جایگزین مناسبی برای لاستیکهای معمولی در کاربردهای متفاوت مانند صنعت اتومبیل سازی - داشبرد، سپر و... - ، پوشش کابل استفاده شود.
ترویج و گسترش کاربرد آلیاژهای پلیمری مستلزم برقراری ارتباط صحیح بین رفتار شکست ماکروسکوپیک و مورفولوژی آنهاست. تقریب کار ضروری شکست - EWF - 1 یکی از این روشهای مکانیک شکست جهت ارزیابی چقرمگی در یک محیط پیوسته میباشد .
این روش بیان میکند که وقتی یک نمونه دارای شکاف از پیش تعبیه شده میشکند، کل انرژی مورد نیاز برای شکست - Wf - میتواند به کار ضروری شکست - We - و کار غیر ضروری شکست - Wp - تقسیم شود. We عبارت است از کار مصرف شده برای توسعه ترک و ایجاد صفحه جدید در ناحیه داخلی شکست - IFPZ - و Wp کار مصرفی در ناحیه بیرونی تغییر شکل پلاستیک - OPDZ - که به بیان مکانیسمهای مختلف اتلاف انرژی اعم از حفرهزایی2، ترکچهزایی و تسلیم برشی میپردازد .
تحقیقات زیادی بر روی خواص رئولوژیکی و مورفولوژیکی ترموپلاستیک الاستومرها و نانوکامپوزیتهای بر پایهی PP/EPDM صورت گرفته است . اما انگشت شمار به بررسی اثر سیستم پخت بر رفتار شکست آلیاژهای ترموپلاستیک الاستومر پرداختهاند. به همین منظور هدف از انجام پروژه حاضر بررسی تأثیر پارامترهای مختلف نظیر نوع پخت دینامیکی بر روی رفتار شکست و پیشبینی میکرومکانیزمهای درگیر در فرآیند شکست آلیاژهای PP/EPDM پخت شده و پخت نشده میباشد.
.2 مواد اولیه و تجهیزات آزمایشگاهی
در انجام این پروژه از گونهای پلیپروپیلن، کوپلیمر SI- - - 080 از پتروشیمی پلینار با دانسیته 0/9 g/cm3 و شاخص جریان مذاب 8/0 g/10 min، و لاستیک سنتزی - KEP240 - EPDMبا مشخصات - دانسیته 0/96 g/cm3، %57 وزنی اتیلن، %4/5 وزنی ENB و مونی ویسکوزیته - 0/1+4'125 & 71 محصول کشور کره Kumho Polychem استفاده شد. سیستم پخت مورد استفاده در این پروژه، سیستم پخت گوگردی بود.
این سیستم پخت شامل گوگرد - S - به عنوان عامل پخت، اکسید روی - ZnO - و استارئیک اسید - St.ac - به عنوان فعالکننده و مرکاپتوبنزوتیازول - MBTS - و تترامتیلتیورامدیسولفید - TMTD - به عنوان شتاب دهنده میباشد. نسبت مواد سیستم پخت و فرمولاسیون مطابق جدول 1، انتخاب شد. از سیکلوهگزان و زایلن تولیدی شرکت MERCK به عنوان حلال استفاده گردید. در هر ترکیب درصد از آلیاژهای پخت شده با پختهای متفاوت گوگردی شامل معمولی5، کارا6 و نیمه کارا 7 مقدار پارت گوگردی را ثابت فرض کردیم.
نمونههای مختلف ابتدا در دستگاه بنبوری Brabender - - W50EHT ساخت شرکت برابندر آلمان با حجم محفظهی 55cc با توجه به جدول 2 مخلوط شدند و جهت انجام آزمون EWF، از یک دستگاه پرس حرارتی ساخت شرکت Brabender استفاده شد. مراحل قالبگیری فشاری براساس استاندارد ISO293 انجام گرفت
برای انجام تست EWF نمونههایی با ابعاد 1* 23*80 mm - براساس توصیه پروتکل - ESIS مورد استفاده قرار گرفتند. هر نمونه دارای شکاف تعبیه شده در دو طرف - DENT - بودند که شکافهای تعبیه شده بر آنها توسط تیغ تیز اعمال شده بود. در آزمونهای EWF، این نمونهها در 4 طول لیگامنت مختلف و با 4 تکرار برای هر طول لیگامنت مورد استفاده قرار گرفتند. این آزمونها همگی در دمای 23 oC و با سرعت 5 mm/min انجام شدهاند. هر نمونه دارای شکاف تعبیه شده در دو طرف - DENT - بودند. به منظور ارزیابی خواص کششی نمونهها از دستگاه تست کشش - مدل Z010، ساخت شرکت - Zwick/Roell طبق استاندارد ASTM-D638 استفاده شد. همچنین جهت ارزیابی توزیع، نحوه پراکنش فاز پراکنده و مورفولوژی ذرات در آمیزه ها و نواحی مختلف سطح شکست آزمون EWF، از دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مدل Cam Scan MV2200 - ساخت شرکتVega Tescan کشور چک - استفاده گردید.
جدول :1 فرمولاسیون TPVها
.3 نتایج و بحث
.3,1 مورفولوژی آلیاژهای پخت نشده و پخت شده PP/EPDM
شکلهای 1 و 2، تصاویر SEM گرفته شده از سطح شکست آلیاژهای PP/EPDM پخت نشده و پخت شده با ترکیب درصدهای مختلف فاز لاستیکی را نشان میدهد. در شکل 1، حفرات سیاه فاز EPDM میباشد که توسط حلال سیکلوهگزان از فاز PP بیرون کشیده شده است. در آلیاژهای با 40 درصد فاز EPDM با مورفولوژی فازی ماتریس- پراکنده به دلیل تجمع ذرات لاستیکی اندازه ذرات 2 الی 4 میکرون میباشد - شکل1 الف - . در ترکیب درصد 40/60 هر دو فاز PP و EPDM پیوسته درون هم قرار دارند و مورفولوژی فازی برای این نوع آلیاژها بصورت بهم پیوسته میباشد - شکل1 ب - .
شکل 2، TPVهای با پخت گوگردی نیمه کارا نشان می-دهد. در دو تصویر حفرات بهجا مانده فاز PP هستند که با قرار دادن نمونهها در زایلن جوشان فاز PP از آلیاژهای پخت شده استخراج شدهاند و قطرات حفرهدار به هم چسبیده، EPDMهای پخت شده هستند. هر دو ترکیب درصدی از TPVها دارای ساختار مورفولوژیکی ماتریس- پراکنده میباشد. همچنین در مقایسه با آلیاژهای متناظر با قبل از پخت، اندازه ذرات لاستیک پخت شده بزرگتر شده است.
هر ترکیب درصدی از آلیاژهای PP/EPDM پخت شده دارای ساختار مورفولوژیکی ماتریس- پراکنده میباشد. همچنین در مقایسه با آلیاژهای متناظر با قبل از پخت، اندازه ذرات لاستیک پخت شده بزرگتر شده است. علت این موضوع را چنین میتوان بیان کرد: بعد از اعمال سیستم پخت به آلیاژهای پخت نشده در ترکیب درصدهایی که فاز غالب PP میباشد، بین زنجیرهای لاستیک اتصالات عرضی شیمیایی ایجاد میشود و ذرات میکروژلی EPDM تشکیل شده تحت فرآیندهای تراکم و شکست قرار میگیرند. PP های مذاب به اطراف آنها جریان می-یابند، در هنگامی که ذرات لاستیک تجمع میکنند و انباشته میشوند زنجیرهای PP در اطراف آنها به دام میافتند. احتمال دارد بعضی از زنجیرهای PP با ذرات EPDM در فصل مشترک-شان تشکیل کوپلیمر بصورت پیوندی میدهند. به همین علت اندازه ذرات لاستیک بعد از پخت افزایش مییابد.
انتظار میرفت که مورفولوژی TPV های PP/EPDM با ترکیب درصد 40/60 بصورت بهم پیوسته باشد. اما مورفولوژی فازی بصورت ماتریس - پراکنده میباشد. بعد از اعمال سیستم پخت، ذرات میکروژلی EPDM تشکیل شده موثر واقع شده و شروع به تغییرفرم در فاز پیوسته EPDM کرده و با افزایش اتصالات عرضی بین زنجیرهای لاستیک، فاز لاستیک پخت شده الاستیک میشود.
با قرار گرفتن تحت میدانهای جریان کششی و برشی در مخلوطکن ابتدا نیروی کششی بر نیروی برشی لاستیک غلبه میکند و تا حد امکان کشیده میشود از طرفی PP شروع به ائتلاف میکند و پیوستهتر میشود. در اثر کشیدگی زیاد هر دو فاز ساختار فیبریل-لایه تشکیل میشود. فاز EPDM الاستیکتر میشود تا جایی که نیروی برشی بر نیروی کششی غلبه میکند در نهایت جزء EPDM شکسته و خرد میشود. PP مذاب به اطراف آنها جریان مییابد و به صورت لایهای نازک آنها را در بر میگیرد و EPDMها بصورت فاز متفرق و یکنواخت اما بسیار نزدیک بهم درون PP توزیع میشود .
