بخشی از مقاله
معرفی و ساخت آلیاژ جدیدي از الاستومر جهت استفاده در روکش مقره کامپوزیتی
چکیده در این تحقیق سعی شده است که ترکیب لاستیکی جدیدي با خواص مطلوب به منظور جایگزینی لاستیک سیلیکون1معرفی و خواص آن بررسی شود. لاستیک سیلیکون بخاطر خواص منحصر به فرد خود، امروزه به طور وسیعی به عنوان روکش مقره هاي کامپوزیتی به کار میرود، اما این ماده در مقایسه با مواد دیگر بسیار گران قیمت میباشد؛ لذا براي کاهش هزینه و با حفظ خواص، آمیزه جدیدي برپایه آلیاژ2 لاستیک سیلکون و لاستیک 3EPDMمعرفی شده و خواص سطحی، الکتریکی . مکانیکی آن ضمن بررسی، بالاستیک سیلکون خالص مقایسه شده است. لازم به ذکر است که قیمت لاستیک EPDM در حدود یک پنجم قیمت لاستیک سیلیکون میباشد و خواص آن نیز براي کاربردهاي الکتریکی مناسب است.
1ـ مقدمه همانگونه که میدانیم لاستیک سیلیکون بطور وسیعی در کاربردهاي الکتریکی و از جمله بعنوان روکش مقرههاي
کامپوزیتی به کار برده میشوند، که این امر بخاطر خواص ویژه لاستیک سیلیکون، از جمله، پایداري حرارتی عالی، مقاومت عالی در برابر عوامل محیطی، خواص الکتریکی عالی، خواص پیرشدگی عالی (بگونهاي که با گذشت زمان و تحت شرایط سخت الکتریکی و محیطی خواص اولیه خود را تاحدود زیادي حفظ می کند) و مقاومت خوب در برابر حلالها و روغن میباشد.[1]
اما مسئلهاي که در کار با لاستیک سیلیکون وجود دارد، قیمت بالاي آن میباشد؛ لذا این امر موجب شده است که تمایل به یافتن الاستومري دیگر براي ترکیب با الاستومر سیلیکون براي کاهش هزینه در عین حال بدست آوردن خواصی قابل قبول، گسترش یابد.
از طرف دیگر لاستیک EPDM نیز، الاستومري است که بطور وسیعی در کاربردهاي الکتریکی، از جمله روکش مقرههاي کامپوزیتی، عایقبندي سیم و کابل و غیره بکار میرود. این لاستیک نیز بعلت طبیعت اشباع ساختار اصلی آن،
مقاومت خوبی در برابر اوزون و هوازدگی دارد و در دماهاي بالا را تا 100 o C به راحتی تحمل میکند، خواص الکتریکی آن نیز از جمله مقاومت ديالکتریکی بالا، فاکتور اتلاف پایین و مقاومت بالا در برابر تخلیههاي کرونا، عالی میباشد 5]،4،3،.[2
اما با وجود تمام این مزایا، در مقایسه با لاستیک سیلیکون، داراي مشکلاتی از قبیل مقاومت کمتر در برابر نور خورشید
,(UV) مقاومت کمتر در برابر هوازدگی و شرایط محیطی و پایداري حرارتی کمتر در دماهاي بالا میباشد. در عین حال مقاومت حجمی EPDM و بطور کلی مقاومت عایقی اولیه آن بهتر از لاستیک سیلیکون میباشد .[6] همچنین دیگر مزیت EPDM، مقاومت بهتر آن در برابر شزایط هوازدگی هیدروترمال1 است. [7]
در حقیقت توسط اختلاط لاستیک سیلیکون با EPDM، مقاومت دماي بالاـ رطوبت2 لاستیک سیلیکون بهبود مییابد؛ این اصلاح خواص کاربردهاي زیادي در شرایط دماي بالا و در محیط هاي مرطوب دارد .[7]
از طرف دیگر مشخص شده که خواص پیرشدگی EPDM بطور مؤثري توسط اختلاط آن با لاستیک سیلیکون بهبود مییابد .[6] بدلایل ذکر شده و بخاطر خواص منحصر بفرد هر یک از لاستیکهاي فوقالذکر و نیز کاهش قیمت ناشی از مصرف EPDM در قیاس با سیلیکون خالص، ترکیب این خواص توجه محققان را براي توسعه مخلوطهاي مناسب از لاستیک سیلیکون و EPDM جلب کرده است .[8] در این تحقیق آمیزه هایی با ترکیب درصدهاي مختلف از دو لاستیک سیلیکون و EPDM تهیه شده و خواص مختلف آنها بررسی و با خواص لاستیک سیلیکون خالص مقایسه گردیده است.
2ـ مواد مصرفی و روش آزمایش
2ـ1ـ مواد مصرفی مواد بکار برده شده در این تحقیق عبارتند از:
1ـ :EPDM از نوع Kep 7141 حاوي مونومر سوم نوع ENB، داراي 4/5% مونومر سوم، با ویسکوزیته4 مونسی (ML 1+4) در دماي 120 o C بـرابـر با 27، با دانسیته , 0/86 gr/cm3 و حاوي 52% وزنی مونومر اتیلن. 2ـ لاستیک سیلیکون: از نوع VMQ (پلی دي متیل وینیل/ سیلوکسان)، با دانسیته 1/31 gr/ cm3
3ـ DCP، دي کیومیل پراکسید 99%
2ـ2ـ اختلاط و ولکانیزاسیون
فهرست کامل آمیزههاي با ترکیب درصدهاي مختلف از لاستیک EPDM که در این تحقیق تهیه شدهاند در جدول (1)
ارائه شده است. عمل اختلاط این دو لاستیک در یک مخلوط کننده داخلی از نوع بنبوري آزمایشگاهی هک5 در دماي
120 o C و به مدت 5 دقیقه و سرعت روتور 100rpm انجام گردید.
در بنبوري میزان تنش اعمالی بسیار متنوع میباشد و بهمین علت توانایی بالایی براي انجام عمل اختلاط و پراکنش خوب دو فاز در یکدیگر دارد. همچنین بعلت تنش بالاي اعمالی، نسبت به سایر تجهیزات اختلاط نظیر غلطک6، فاز پراکنده داراي ابعاد ریزتري میباشد.
پس از انجام عمل اختلاط، سیستم پخت پراکسید برروي غلطک در دماي برروي آمیزه بدست
آمده افزوده میشود. عمل پخت در یک قالب مسطح و توسط پرس در دماي و به مدت 12 دقیقه انجام میشود. عملیات پخت تکمیلی7 در آون هواي گرم در و به مدت 4 ساعت انجام میگردد.
3ـ نتایج و بحث
3ـ1ـ خواص فیزیکی
استحکام کششی و ازدیاد طول در نقطه شکست هر یک از نم.نهها برطبق استاندارد D ASTM- 412 در دستگاه کشش با سرعت 500 mm/min بدست آمدهاند. بدین ترتیب که ابتدا نمونه ها بصورت دمبلی شکل تهیه شده و تحت
آزمون کشش قرار میگیرند. نتایج گزارش شده، میانگین آزمون کشش برروي پنج نمونه از هر کدام از ترکیب درصدهاي
EPDM-SR میباشد. اثر ترکیب درصد مخلوط برروي خواص مکانیکی در جدول (2) ارائه شده است. همانگونه که در این جدول ملاحظه می شود، مخلوط 50:50 سیلیکون و EPDM داراي استحکام کششی بین مقادیر سیلیکون خالص و EPDM خالص میباشد. در عین حال EPDM خالص کمترین استحکام کششی را نشان میدهد.
از طرف دیگر با افزایش میزان EPDM، مدول کاهش مییابد. سختی نمونهها نیز بر اساس استاندارد ASTM-2240 D انجام شده است. همانگونه که در جدول (2) مشخص است سختی نمونهها نیز با افزایش درصد EPDM در مخلوط کاهش مییابد.
3ـ2ـ بررسی خواص سطحی ـ آبگریزي8
در این تحقیق براي بررسی میزان آبگریزي نمونهها از روش اندازهگیري زاویه تماس استاتیک که بطور کمی معرف میزان آبگریزي ماده است استفاده گردید .[9] هر چه زاویه تماس بزرگتر باشد، نشان دهنده آبگریزي بیشتر ماده است
بگونهاي که براي زوایاي ماده آبگریز میباشد.
تغییرات زوایاي تماس استاتیک با ترکیب درصد نمونههاي مختلف در شکل (1) ارائه شده است. همانگونه که از این منحنی ملاحظه میشود؛ با افزودن مقادیر مختلف EPDM به لاستیک سیلیکون خالص، ابتدا زاویه تماس کاهش مییابد که این امر بعلت کمتر بودن زاویه تماس لاستیک EPDM خالص نسبت به لاستیک سیلیکون است؛ اما با افزودن مقادیر بیشتر لاستیک EPDM مشاهده میشود که نهتنها زاویه تماس به کاهش خود ادامه نمیدهد، بلکه با افزایش مقدار EPDM، به تدریج افزایش نیز می یابد، تا جائیکه در ترکیب درصدهاي %70 و %80 از EPDM، زاویه تماس سیلیکون خالص نیز بیشتر می شود.
آبگریزي هر مادهاي نهتنها به ترکیب شیمیایی سطح و طبیعت آن بستگی دارد، بلکه به مورفولوژي و پستی و بلنديهاي سطح نیز وابسته است؛ بدین ترتیب که با افزایش ناهمواري و غیرهموژن شدن ساختار سطحی یک ماده آبگریز، آبگریزي افزایش مییابد.
در این نمونهها نیز، علت افزایش زوایاي تماس، از ترکیب درصدهاي EPDM 30% تا 80% را میتوان به غیرهموژن شدن هرچه بیشتر ساختار سطحی این مخلوطها با افزایش میزان EPDM و تخلخل بیشتر سطح و مشارکت ابهاي هواي9 هیدروفوب مربوط دانست.
3ـ3ـ خواص الکتریکی
3ـ3ـ1ـ ولتاژ شکست عایقی
این آزمون براساس استاندارد C2110-1975 JIS– برروي ترکیب درصدهاي مختلف انجام گرغت. نتایج گزارش شده در اینجا، میانگین انجام آزمون برروي سه نمونه از هر کدام از ترکیب درصدهاي مختلف EPDM -SR میباشد.
در شکل (2) نتایج بدست آمده از این آزمون براي ترکیب درصدهاي مختلف ارائه شده است.
همانگونه که در این شکل ملاحظه میشود، ولتاژ شکست عایقی EPDM خالص بیشتر از لاستیک سیلیکون میباشد و با افزایش مقدار EPDM در نمونههاي با ترکیب درصد مختلف، ولتاژ شکست عایقی آنها نیز افزایش مییابد؛ این بدان
معنی است که خواص عایقی مخلوطهاي مختلف سیلیکون و EPDM در محدوده سیلیکون خالص و EPDM
خالص میباشد و از قانون مخلوطهاپیروي میکند.
3ـ3ـ2ـ ضریب تلفات عایقی و ثابت ديالکتریک
تلفات عایقی نمونههاي مختلف براساس استاندارد IEC 243-1 اندازهگیري شدند. نتایج گرفته شده از این آزمون براي ترکیب درصدهاي مختلف در شکل (3) آورده شده است.
همانگونه که از این منحنی ملاحظه میشود، با افزایش درصد EPDM در مخلوط، ضریب تلفات عایقی افزایش مییابد، بگونهاي که EPDM خالص بیشترین ضریب تلفات عایقی را دارا میباشد و ضریب تلفات عایقی نمونههاي با ترکیب درصد مختلف از مخلوط سیلیکون و EPDM، مقادیري بین ضرایب تلفات عایقی سیلیکون و EPDM خالص میباشد.
3ـ4ـ خواص پیرشدگی10
یکی از مهمترین خواصی که باید بررسی شود، عملکرد طولانی مدت نمونههاي ساخته شده تحت شرایط محیطی کارکرد میباشد. از آنجایی که بررسی پیرشدگی طولانی مدت نمونهها عملاّ بسیار طولانی و زمانبر میباشد، بهمین دلیل روشهایی براي آزمون پیرشدگی تسریع شده نمونهها در زمان کوتاهتر ارائه شده است.
از آنجاییکه یکی از مهمترین عوامل محیطی موثر برروي کارکرد طولانی مدت روکش مقره ها، اثرات نور خورشید
(طیف (UV میباشد؛ بنابراین نمونههایی تهیه شده تحت آزمون UV قرار گرفتند.
از طرف دیگر از آنجایی که میتوان با افزایش دماي اعمالی برروي نمونهها (البته تا حدي که سبب تخریب ماده اولیه نشود و متناسب با دماي محیط کارکرد باشد) تا حدودي طول عمر ماده را بررسی کرد؛ نمونههاي با ترکیب درصدهاي مختلف تحت دماي بالا نیز قرار گرفتند.
پس از اعمال آزمونهاي پیرشدگی فوقالذکر برروي نمونههاي مورد نظر، خواص کششی و الکتریکی آنها اندازهگیري شدند و با خواص اولیه مواد، قبل از آزمون پیرشدگی مقایسه و نتایج بررسی شدند.
3ـ4ـ1ـ آزمون پیرشدگی در دماي بالا
این آزمون براساس استاندارد ASTM -573D انجام گرفته است. در این آزمون، نمونههاي دمبلی و مستطیل شکل از
نمونههاي مورد نظر تهیه و در آون هواي گرم در دماي , 100 o C و به مدت 96و168 ساعت قرار گرفتند. پس از
گذشت زمانهاي مذکور، خواص الکتریکی و مکانیکی نمونههاي پیرشده اندازهگیري شدند. نتایج بدست آمده از این آزمونها در اشکال (5)، (6)، (7)، (8) و((9 به ترتیب براي استحکام کششی، ازدیاد طول در نقطه شکست، تغییرات ولتاژ شکست، ضریب تلفات عایقی و ثابت ديالکتریک، براي ترکیب درصدهاي مختلف EPDM، قبل و بعد از پیرشدگی ارائه شده است.
از بین نمونههاي با ترکیب درصدهاي مختلف که در آون قرار داده شدند، سطوح نمونههاي با ترکیب درصدهاي 50%
الی 100%،EPDM، بشدت چسبناك شدند که این امر نشاندهنده اکسیداسیون این نمونهها بواسطه قرارگیري در دماي بالا در زمان طولانی و در حضور اکسیژن هوا میباشد؛ از این رو فقط نمونه سیلیکون خالص و نمونههاي حاوي مقادیر زیر 50% از EPDM بررسی شدند.
علت این امر بواسطه مقاومت حرارتی کمتر EPDM نسبت به لاستیک سیلیکون و اکسیداسیون سطحی و تخریب آن بدلیل واکنش اکسیژن با باندهاي دوگانه زنجیر EPDM میباشد.
در جدول (3) درصد تغییرات خواص الکتریکی و کششی نمونههاي پیرشده ارائه شده است.
3ـ4ـ2ـ آزمون UV
این آزمون براساس استانداردهاي 3 ISO 4665 –،2 در یک محفظه UV انجام گرفت. طول موج نور برابر با (nm) 400ـ290 که برابر با طول موج نور طبیعی خورشید میباشد، انتخاب شده است و شدت تابش نیز 250 w/m2 انتخاب
شد. رطوبت نسبی محفظه UV برابر با 20% و دماي محفظه طی آزمون تا 40 o C افزایش یافت.
براي بررسی تغییرات انجام شده در حین تابش نور UV، بعد از گذشت زمانهاي متفاوت، نمونهها بازبینی شده و تغییرات آنها ثبت گردید. مدت زمان کل آزمون، 500 ساعت میباشد.
نتایج گرفته شده نشان میدهند که بعد از گذشت زمان مذکور سطوح نمونه هاي حاوي %70 و EPDM %80 بشدت
چسبناك شدند، که این امر نشان دهنده تخریب سطحی کامل آنها میباشد؛ از طرف دیگر سطوح نمونههاي %50، %60 و MEPD %100 نیز بطور کامل چسبناك شدند و سطح نمونه EPDM %40 تا حدود بسیار اندکی چسبناك گردید و در سطوح نمونههاي دیگر نیز هیچگونه تغییري مشاهده نشد.
لازم به ذکر است که تاثیر مخرب UV برروي EPDM خالص بصورت ترك خوردگی سطحی و بروز پدیده گچی شدن (Chalking) شناخته شده است که در نمونههاي آلیاژي ساخته شده، این پدیده ها ایجاد نگردید.
4ـ نتیجه گیري بطور کلی با توجه به نتایج آزمونهاي فیزیکی، الکتریکی و سطحی و همچنین آزمونهاي پیرشدگی بدست آمده از
نمونههاي سیلیکون خالص، EPDM خالص و درصدهاي مختلفی از مخلوط این دو الاستومر ملاحظه میشود که افزایش EPDM تا %40 وزنی به سیلیکونی خالص سبب افت قابل توجه خواص این ترکیب نمیشود همچنین از نظر برخی خواص از جمله ولتاژ شکست عایقی عملکرد بهتري داشته و این امر حتی پس از پیرشدگی نیز قابل ملاحظه میباشد. بنابراین میتوان به منظور کاهش استفاده از سیلیکون خالص بعنوان روکش مقره هاي کامپوزیتی، تاحدود حداکثر %40 وزنی، آن را با لاستیک EPDM مخلوط نمود، بدون آنکه تغییر خواص در عملکرد نهایی روکش مقره تاثیر منفی داشته باشد.
شایان توجه است که میتوان با بکار بردن فرمولاسیونهاي خاص و افزودن موادي از قبیل ضد تخریبها11، نظیر آنتی اکسیدانتها12، فیلرها، عوامل اتصال دهنده13 و غیره و همچنین بکار بردن مقادیر بهینه سیستم پخت، از درصدهاي وزنی بالاي EPDM در مخلوط آن با لاستیک سیلیکون استفاده نمود به گونهاي که خواص الکتریکی و مکانیکی مطلوب را نیز دارا باشد.
با توجه به قیمت بالاي سیلیکون در بازار جهانی، جایگزینی این ماده با EPDM باعث کاهش قیمت آمیزه مطابق با شکل 10 خواهد شد.
