بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
قویت و بهبود خواص پلی پروپیلن با استفاده از افزودنیهای پلیمری و معدنی
چکیده
به منظور بهبود خواص پلیپروپیلن (PP)، از برخی الاستومرها و پرکنندهها استفاده میشود. در این تحقیق، اثر پرکنندهها و الاستومرهای مختلف بر روی خواص مکانیکی پلیپروپیلن بررسی گردید. خواص ضربهپذیری و قدرت کششی پلیپروپیلن از طریق افزودنیهای معدنی و پلیمری تقویت میگردند. همچنین این افزودنیها خواص حرارتی پلیپروپیلن را بهبود میبخشند. افزودن پلیاتیلن سبک (LDPE) ، پلیاتیلن سنگین (HDPE) یا کوپلیمر استایرن-
بوتادین - استایرن (SBS)، خواص ضربهپذیری پلی پروپیلن را تقویت مینمایند. در ضمن کوپلیمر پروپیلن- اتیلن از نظر خواص مکانیکی نسبت به مخلوط فیزیکی پلیپروپیلن با پلیاتیلن بسیار مقاومتر میباشد. کوپلیمراتیلن- وینیل استات
(EVA) خواص چاپی پلی پروپیلن را بهبود میبخشد. همچنین کربنات کلسیم که با عامل جفت کننده تیتانات اصلاح شده است، خواص پلی پروپیلن را بهبود میدهد. نتایج آزمایشات نشان می دهد کوپلیمر استایرن-بوتادین- استایرن
(SBS) بیش از کوپلیمر اتیلن- وینیل استات (EVA) خواص مکانیکی پلیپروپیلن را بهبود میبخشد. در نهایت خواص مکانیکی ترکیبهای پلی پروپیلن کوپلیمر بررسی گردید که نتایج نشاندهنده بهبود خواص مکانیکی این ترکیبات نسبت به ترکیبات پلی پروپیلن می باشد.
کلمات کلیدی: پلی پروپیلن – پرکننده – کوپلیمر – آلیاﮊ
مقدمه
پلیپروپیلن بدلیل مقاومت در برابر آب، بنزین و همچنین مقاومت شیمیائی مناسب، بطور گستردهای به صورت ورقهها و اجسام قالبگیری شده استفاده میشود. علاوه بر مزایای فوق پلیپروپیلن دارای جرم حجمی پائین، خواص مکانیکی خوب و هزینه تولید پائین میباشد، اما خاصیت ضربهپذیری پلیپروپیلن در دماهای پایین بسیار ضعیف میباشد.
لذا برای تقویت و اصلاح آن، الاستومرها و پلیمرهای مختلف به آن اضافه میگردند. بعنوان مثال پلیمر سه گانه اتیلن-
پلی پروپیلن- دیان (EPDM) خاصیت ضربهپذیری پلیپروپیلن را به شدت بهبود میبخشد. در ضمن پلیمر سه گانه بوتادین- دیان- استایرن (BDS) نیز باعث اصلاح خواص ضربهپذیری پلیپروپیلن میگردد. تحقیقات مختلف نشان دهنده بهبود خواص ضربهپذیری مخلوط پلیپروپیلن با الاستومر ترانس- پلیاکتنام (TOR) نسبت به پلیپروپیلن اصلاح نشده میباشد.
در ترکیب پلیپروپیلن با دیگر پلیمرها، سازگاری عامل بسیار مهمی است. برخی پلیمرهای سبک، سازگاری خوبی با پلیپروپیلن ایجاد مینمایند . در مجموع، مناسبترین حالت در ترکیب پلیپروپیلن با دیگر پلیمرها آنست که ، بین پلیپروپیلن و پلیمر افزوده شده یک پیوند شیمیائی ایجاد شود. بعنوان مثال اگر چه استحکام پلیپروپیلن در اثر اختلاط با پلیاتیلن افزایش مییابد، اما خواص کوپلیمر پلی پروپیلن ـ پلی اتیلن، بهتر از خواص آلیاﮊ پلیپروپیلن ـ پلیاتیلن میباشد، چرا که در کوپلیمر پلیپروپیلن- پلیاتیلن، یک زنجیره جدید پلیمری در اثر پیوند شیمیائی ایجادشده است.
با افزودن برخی پرکنندهها از جمله، تالک، کربنات کلسیم، اکسید تیتانیوم، هیدروکسید منیزیم و الیاف شیشه میتوان کاربردهای پلی پروپیلن را توسعه داد . در تقویت پلیپروپیلن با استفاده از این پرکنندهها، امتزاجپذیری و چسبندگی پر کنندهها با ماتریس پلیپروپیلن، عوامل تأثیرگذار بر ساختار و خواص پلیپروپیلن هستند و هر تغییری که دو عامل فوق را بهبود بخشد، منجر به تقویت خواص مکانیکی پلیپروپیلن میگردد. در ضمن از طریق فرآورش سطح پرکننده، بر همکنش پلیپروپیلن- پرکننده بهبود مییابد.
معمولاﹰ بدین منظور از سه گروه زیر استفاده میگردد:
١- اسیدهای چرب (اشباع و غیراشباع) و مشتقات آنها ٢- ترکیبات فعال سطحی مانند عوامل فعال کاتیونی، آنیونی و غیر یونی
٣- عوامل جفت کننده ، خصوصاﹰ عوامل جفت کننده تیتاناتی
آزمایشات
الف) مواد مورد استفاده
شاخص ذوب پلیپروپیلن و پلیاتیلن مورد استفاده، به ترتیب gr/min ٥/٠ –٣/٠ و اندازه ذرات کربنات کلسیم مصرفی بیش از m ١٠ میباشد. وزن مولکولی پلیاتیلن سبک (LMPE) و پلیپروپیلن سبک (LMPP) به ترتیب حدود ٥٠٠٠ و ٦٥٠٠ میباشد که به وسیله کراکینگ حرارتی تهیه میشوند.
کوپلیمر استایرن-بوتادیان- استایرن مصرفی دارای ساختار خطی با وزن مولکولی حدود ٩٠٠٠٠ (میزان استایرن حدود ٦٥ درصد) و کوپلیمر اتیلن- وینیل استات مصرفی دارای وزن مولکولی ٢٨٠٠٠ (میزان وینیل استات حدود ٢٦ درصد) و پلیاستایرن مورد استفاده دارای وزن مولکولی ٤٠٠٠٠ میباشد.
ب) تهیه نمونههای آزمایشگاهی
ابتدا کربنات کلسیم در یک مخلوط کن که مجهز به همزن مکانیکی است به مدت ٥ دقیقه تا دمای ١٠٠ درجه سانتیگراد حرارت داده میشود. سپس عامل جفت کننده تیتانات، جهت فرآورش سطح کربنات کلسیم با آن مخلوط میشود. در مرحله بعد پلیپروپیلن و دیگر پلیمرهای مورد استفاده، به مخلوط اضافه میگردند و این ترکیب در یک اکسترودر دومارپیچی در دمای ٢١٠ درجه سانتیگراد ذوب و مخلوط میشوند. در نهایت نمونهها به وسیله قالبگیری تزریقی برای اندازهگیری خواص مکانیکی تهیه میشوند. ترکیب نمونههای تهیه شده در جدول (١) گزارش شده است.
ج) اندازهگیری خواص مکانیکی
پس از تهیه نمونهها، خواص کششی با استفاده از دستگاه ١٠٠XL- و طبق استاندارد ASTM D 638 و قدرت کششی با استفاده از دستگاه برخورد 40–Izod Uj و طبق استاندارد ASTM 256 اندازه گیری گردید.
قدرت انعطافپذیری نمونهها با استفاده از دستگاه ٥٠٠LJ- و برطبق استاندارد ASTM D 790 و انحراف حرارتی نمونهها بر طبق استاندارد ASTM D 648 اندازهگیری شدند. تمام آزمایشات در دمای ٢٣ درجهسانتیگراد انجام شد و متوسط پنج مقدار اندازهگیری شده، بعنوان نتیجه هر آزمایش گزارش گردید. نتایج آزمایشات انجام شده بر روی ترکیبهای ذکر شده در جدول (١)، در جدول (٢ ) گزارش شده است.
تجزیه و تحلیل نتایج
همانگونه که در جدول (٢) ملاحظه میشود پلیمرهای مختلف، اثرات متفاوتی روی خواص پلی پروپیلن دارند، بطوریکه کوپلیمر استایرن- بوتادیان- استایرن (SBS) و پلیاتیلن (LDPE) ، بیشترین قدرت ضربهپذیری را به پلیپروپیلن میدهد. علت این امر آن است که پلی اتیلن با دانسیته پائین (LDPE) یک پلیمر شدیداﹰ شاخهپذیر است که از انعطاف پذیری بالائی برخوردار است، همچنین برهمکنش بین کوپلیمر استایرن- بوتادین- استایرن و پلی اتیلن با پلی پروپیلن قویتر از برهمکنش بین پلیپروپیلن و کوپلیمر اتیلن وینیل استات میباشد.
از آنجائیکه انتقال تنش به اندازه سطح مشترک و ضخامت سطح مشترک بر روی لایه مرزی فازهای مختلف بستگی دارد، از این رو تنش تسلیم کششی در سیستمهای پلیمری ناهمگن، یک خاصیت مفید به منظور پیشبینی بر همکنش سطح مشترک است. در اینحالت تنش تسلیم با کاهش سطح مقطع بارگذاری شده و به وسیله بار منتقله برفاز پراکنده، تعیین میشود. همانطور که در جدول (٢) مشاهده میشود، خواص حرارتی پلیپروپیلن در نتیجه ترکیب با دیگر پلیمرها کاهش یافته است. از طرفی به علت پائین بودن قدرت انعطافپذیری پلیمرهای افزوده شده، ضریب انعطاف پذیری ترکیبات پلیپروپیلن با دیگر پلیمرها، پائینتر از پلیپروپیلن اصلاح نشده میباشد. این نتایج نشان میدهد که اصلاح ضربهپذیری پلیپروپیلن میتواند از طریق افزودن پلیاتیلن بادانسیته کم (LDPE) به پلی پروپیلن حاصل گردد، اما پلیاتیلن دیگر خواص پلی پروپیلن را به شدت کاهش میدهد، چرا که پلی اتیلن بطور نسبی استحکام کششی پائینی دارد. بنابراین در آزمایشهای دیگر پلیاتیلن با دانسیته بالا (HDPE) جایگزین پلی اتیلن با دانسیته پائین (LDPE)
گردید. درضمن جهت بهبود خواص انعطافپذیری و قدرت کششی پلی پروپیلن، حدود ٣٠% وزنی کربنات کلسیم به ترکیبهای ذکر شده در جدول (١) اضافه گردید. همانگونه که در جدول (٢) ملاحظه میشود، تاثیر پلیاتیلن سبک
(LMPE) بر روی خواص پلی پروپیلن نسبت به پلیپروپیلن سبک (LMPP) مناسبتر است. بنابراین در آزمایش بعد به همراه کربنات کلسیم، اثر افزایش پلیاتیلن سبک (LMPE) و کوپلیمر اتیلن وینیل استات (EVA) با همان درصد وزنی آزمایش قبل بر روی خواص پلی پروپیلن بررسی گردید. ترکیبات تهیه شده عبارتند از:
بر روی ترکیبات فوق آزمایشات لازم انجام گردید که نتایج آزمایشات در جدول (٣) گزارش شده است.
همانگونه که در جدول (٣) مشاهده میگردد، کربنات کلسیم بدلیل استحکام لایههای بین سطحی که در اثر فرآورش آن با یک عامل جفت کننده تیتانات حاصل میشود، استحکام آلیاﮊهای پلی پروپیلن را بطور قابل ملاحظهای افزایش میدهد. در حالیکه خواص حرارتی و کششی پلیپروپیلن اصلاح نشده پائینتر است. در ضمن کوپلیمرهای اتیلن وینیل استات، استایرن- بوتادیان- استایرن و پلیاتیلن، باعث بهبود خاصیت ضربهپذیری پلی پروپیلن میگردند.
از آنجائیکه واکنش شیمیائی بین پلی پروپیلن با پلیمرهای دیگر، حتی پلیاتیلن با دانسیته کم (LDPE) در این شرایط رخ نداده است، خواص پلی پروپیلن تغییر قابل توجهی ننموده است. از این رو در آزمایش بعد اثر پلیپروپیلن کوپلیمر بر روی خواص مکانیکی ترکیباتی که در جدول (٤) بیان شده است، بررسی گردید.
بر روی ترکیبات جدول (٤) آزمایشات مورد نظر انجام گردیده و نتایج حاصل در جدول (٥ ) گزارش شده است.
از آنجاییکه پلیپروپیلن کوپلیمر خواص ضربهپذیری بالاتری نسبت به هموپلیمر پلیپروپیلن دارد، لذا این ترکیبات قدرت ضربهپذیری بالاتری نسبت به هموپلیمر پلیپروپیلن دارند. از مقایسه ترکیبهای ٢ و ٤ ذکر شده در جدول (٤)
مشاهده می شود که افزایش اندکی کوپلیمر استایرن-بوتادین- استایرن به پلی پروپیلن کوپلیمر، خواص ضربهپذیری ترکیبات به دلیل واکنش بین سطحی بین کوپلیمر استایرن- بوتادیان- استایرن و پلیاستایرن به شدت افزایش مییابد.
پلی اتیلن با دانسیته بالا (HDPE) قدرت ضربه پذیری ترکیب را ٥ برابر پلی پروپیلن کوپلیمر افزایش می دهد. در ضمن با مقایسه ترکیبهای ٢ و ٤ جدول (٤) مشاهده می شود که استایرن موجود در پلی استایرن به اندازه استایرن موجود در استایرن-بوتادیان- استایرن نمیتواند خواص ضربهپذیری را تقویت نماید. از مقایسه ترکیبهای ١ و ٣ نیز درمییابیم که پلیاتیلن با دانسیته بالا (HDPE) قدرت کششی بالاتری نسبت به پلیاستایرن و کوپلیمر استایرن – بوتادیان- استایرن به سیستم میدهد. بعبارت دیگر پلی استایرن با دیگر پلیمرها بطور یکنواخت مخلوط نمیگردد.
کربنات کلسیم در ترکیبهای ١ و ٣ به افزایش خواص انعطافپذیری نسبت به دو ترکیب دیگر کمک نموده است.
در ضمن ترکیب
