کامپوزیت پلی آمید 6 بازیافتی و الیاف شیشه

کامپوزیت پلی آمید 6 بازیافتی و الیاف شیشه

 

بررسی و بهینه سازی خواص مکانیکی و ضربه پذیری کامپوزیت پلی آمید 6 بازیافتی و الیاف شیشه کوتاه

محمدجواد شیرکوند *1 ، داریوش بهرامیان 2، علیرضا تاجی 3

  1. واحد تحقیق و توسعه، شرکت مهندسی نیرومند پلیمر پارس، r-d@npolymer.com
  2. واحد تحقیق و توسعه، شرکت مهندسی نیرومند پلیمر پارس، dbahram@aut.ac.ir
  3. واحد تحقیق و توسعه، شرکت مهندسی نیرومند پلیمر پارس، r-d@npolymer.com

 مقدمه 

 پلی آمید 6 یکی از پلیمرهای مهندسی است که خواص مکانیکی و حرارتی خوب این پلیمر استفاده از آن را در شرایط ویژه ممکن ساخته است. در کاربردهایی که به یک پلیمر مستحکم و در عین حال دارای پایداری حرارتی و ابعادی مطلوب دردمای بالا نیاز است، پلی آمید6 یکی از انتخاب های اصلی است(Meincke, 2004:739). علیرغم اینکه پلی‌آمید 6 دارای خواص مکانیکی بسیارخوب مانند مدول و استحکام بالا است، نقطه ضعف عمده این پلیمر چقرمگی کم و مقاومت به ضربه پایین آن است. به همین دلیل، به منظور افزایش چقرمگی در آمیزه های ساخته شده بر پایه پلی آمید 6  معمولا از یک پلیمر ضربه پذیرتر همانند کوپلیمرهای پلی‌پروپلین استفاده می شود(Gonzalez-Montiel, 1995:4587). با وجود اینکه آلیاژ پلی‌آمید 6 با پلی‌پروپیلن باعث افزایش مقاومت به ضربه محصول نهایی می‌شود اما در عین حال ممکن است تاثیر منفی بر سایر خواص مکانیکی مانند مدول و استحکام خمشی و کششی آمیزه نهایی بگذارد. به همین دلیل، معمولا در اهداف طراحی برقرار نمودن تعادل مناسب بین چقرمگی و استحکام کافی در آمیزه نهایی، بسته به کاربردهای مورد انتظار، یکی از چالش‌های بنیادی است(Bai, 2004:3063).   

    از سویی دیگر معمولا در مواردی که به دست آوردن مدول بالاتر در کنار حفظ خواص دیگر اهمیت دارد، از تقویت کننده هایی نظیر الیاف شیشه(GF) استفاده می شود و یا پرکننده های معدنی به کامپوزیت افزوده می شوند. با این وجود، بهینه کردن خواص مکانیکی در سامانه‌های سه جزئی بر پایه PA6/PP/GF به منظور تولید یک کامپوزیت با سفتی بالا و چقرمگی کافی با چالش همراه بوده است(Laura, 2003:3347).

    چالش دیگر در تهیه آمیزه های پلی آمید6 پلی پروپیلن ماهیت متفاوت این دو ماده از نظر سازگاری در فرآیند اختلاط است. پلی آمید6 پلیمری با گروه های عاملی قطبی و پلی‌پروپیلن یک پلیمر غیرقطبی است بنابراین این دو پلیمر از نظر ترمودینامکی امتزاج ناپذیر می‌باشند. برای غلبه بر این مشکل معمولا از مواد سازگارکننده در فرمولاسیون آمیزه مورد نظر استفاده می شود. سازگارکننده ها عموما به عنوان الیگومرها یا پلیمرهای دارای ماهیت دوگانه دوستی شناخته می‌شوند. عمده این مواد به صورت زنجیرهای پلی الفینی یا ترموپلاستیک الاستومر های عامل دار شده با مالئیک انیدرید به عنوان بخش قطبی سازگارکننده مورد استفاده قرار می‌گیرند(Chow, W. S., 2003:7427).   

     در این مطالعه، ابتدا با به کارگیری یک افزودنی اصلاح کننده سطحی، تاثیر عامل تقویت‌کننده سطح مشترک در کامپوزیت پلی‌آمید6-الیاف شیشه بررسی و بر روی خواص مکانیکی نمونه های کامپوزیتی  بحث شده است. سپس اثر افزودن یک ترموپلاستیک الاستومر بر روی خواص مکانیکی و ضربه پذیری کامپوزیت مورد بررسی قرار گرفته است.

تجربی

مواد

    پلی آمید6 استفاده شده در این پژوهش با نام تجاری  6AB-24R از شرکت نیرومند پلیمر تهیه و به کار گرفته شد. این نوع پلی آمید6 از نوع بازیافتی می باشد و باید قبل از مصرف 4-6 ساعت در دمای 90 درجه گازگیری شود. عامل اصلاح کننده سطحی که برای تقویت سطح مشترک کامپوزیت مورد استفاده قرار گرفت نیز از شرکت نیرومند پلیمر تهیه شد. این افزودنی که ترکیبی از چندین عامل اصلاح سطحی و سازگار کننده های شیمیایی است، با نام تجاری NB-NX100 مورد استفاده قرار می گیرد. پلی الفین الاستومر محصول شرکت LG و دارای سختی 60 A به منظور بهبود و تقویت ضربه پذیری کامپوزیت های ساخته شده به کار گرفته شد. الیاف شیشه اصلاح سطحی شده متناسب با پلی آمید و از نوع الیاف کوتاه و با طول 4 mm برای تقویت کامپوزیت استفاده شد.

 

ساخت کامپوزیت های پلی آمید و الیاف شیشه

    فرایند تولید کامپوزیت های پلی آمید6 و الیاف شیشه با استفاده از یک اکسترودر دو پیچه همسو گرد دارای نسبت طول به قطر 36 و مجهز به side feeder انجام گرفت. نمونه های دارای ترکیب درصد های مختلف با اعمال شرایط فرایندی یکسان تولید شدند، قطعات مورد نیاز برای اندازه گیری خواص مکانیکی با دستگاه تزریق ساخته و آزمایش شدند.

نتایج و بحث

   پلی آمید6 به دلیل عدم چقرمگی و شکننده بودن، دارای فرایند پذیری مشکلی است. بدیهی است که با افزودن 30% الیاف شیشه به ماتریس، شکنندگی کامپوزیت حاصل شده بیشتر خواهد شد. آنچه که برای بهبود فرایند پذیری صنعتی کامپوزیت پلی آمید و الیاف شیشه موثر است، تقویت سطح مشترک کامپوزیت و نیز اضافه کردن مقداری نرم کننده برای کم کردن شکنندگی مواد سرد شده می باشد. یکی از روش هایی که در صنعت برای تقویت سطح مشترک و در عین حال بهبود ضربه پذیری کامپوزیت پلی آمید 6 و الیاف شیشه مورد استفاده قرار میگیرد، استفاده از یک کوپلیمر یا ترپلیمر بر پایه اتیلن است که در هنگام پلیمریزاسیون این ماده گروه های قطبی بر روی زنجیره نشانده شده اند. همچنین یک افزودنی دیگری نیز برای ایجاد پایداری حرارتی این پلیمر در واکنش پلیمریزاسیون به آن اضافه می شود. این روش خواص نهایی کامپوزیت را با محدودیت روبرو می کند در عین حال هزینه تمام شده را بالا می برد. در این پژوهش، با در نظر گرفتن جنبه اقتصادی محصول نهایی، ابتدا مقادیر مشخصی از افزودنی NB-NX100 به کامپوزیت اضافه شد و پس از بهینه کردن فرایند تولید کامپوزیت، جهت بدست آوردن همزمان خواص مکانیکی و ضربه پذیری مناسب از یک ترموپلاستیک الاستومر با درصد های مختلف استفاده شده است.

    به این ترتیب مشاهده شد با افزودن 5% از اصلاح کننده سطحی، فرایند پذیری مناسبی ایجاد می شود. این در حالی است که افزودنی مشابه خارجی آن با اضافه کردن مقادیر بیشتری از مقدار فوق فرایند پذیری را بهبود داد و قابل اجرا کرد. از آنجا که مولکولهای پلی آمید ها قطبی هستند، افزودنی سازگار کننده که خود قطبی است با ایجاد اتصال بین مولکول های پلی آمید و الیاف شیشه باعث یکنواختی مذاب و توانایی مقاومت در برابر تنش های پس از خروج از دای می شود. میزان اصلاح کننده سطحی نیز تاثیر مستقیم بر چسبندگی پلی آمید به الیاف شیشه دارد، به طوریکه با افزودن مقدار آن در کامپوزیت، مشاهده می شود که یکنواختی مذاب خروجی به دلیل تقویت بیشتر سطح مشترک کامپوزیت بیشتر می شود.

    در مرحله بعدی ساخت کامپوزیت، مقادیر مختلفی از یک ترموپلاستیک الاستومر به ترکیب درصد اضافه گردید. با اضافه شدن این ماده نرم کننده به محتوای فرمولاسیون، علاوه بر بهبود فرایند پذیری و همچنین یکنواخت کردن بیشتر مذاب خروجی از اکسترودر، خواص ضربه پذیری کاموزیت نهایی نیز به طور چشمگیری افزایش نشان داد. یکی دیگر از  نکاتی که باید به آن توجه کرد این است که چون ترموپلاستیک الاستومر به دلیل دارا بودن پایه اتیلنی ماهیتی غیر قطبی دارد، درصورتیکه از یک حد مشخص در ماتریس کامپوزیت بیشتر شود علاوه بر افت خواص مکانیکی باعث عدم قرارگیری مناسب و یکنواخت در ماتریس پلی آمید می شود که کیفیت کامپوزیت را به شدت کاهش می دهد.

    به دلیل اینکه دمای فرایند کردن پلی آمید بالا و در حدود 260 درجه سانتی گراد می باشد، و این دما باعث تخریب ترمو پلاستیک الاستومر می شود، تنظیم دمای فرایندی مناسب و بهینه از اهمیت زیادی برخوردار است. جدول1 فرایندپذیری انواع کامپوریت‌های با درصدهای مختلف از اصلاح‌کننده سطحی را نشان می‌دهد.  

     همان‌طور که در جدول 1 مشخص است با افزودن 5٪ از مستربچ اصلاح‌کننده سطحی فرآیندپذیری صنعتی با کیفیتی مناسب امکان‌پذیر شده است. بدیت ترتیب این اطمینان حاصل می‌شود که الیاف شیشه با سطح مشترک مستحکم و مناسب به ماتریس پلی‌آمید6 متصل شده است.

 

جدول 1 فرایندپذیری انواع کامپوزیت‌های پلی‌آمید6 و الیاف شیشه دارای درصدهای مختلف افزودنی اصلاح کننده سطحی

نام نمونه

درصد الیاف شیشه

درصد افزودنی NB-NX100

فرایندپذیری

6AB-24R

تقریبا نامناسب

PA2G

30

2

بسیار نامناسب

PA4G

30

4

نامناسب

PA5G

30

5

مناسب

PA6G

30

6

مناسب

در مرحله بعد برای تقویت مقاومت به ضربه و نیز کنترل سایر خواص مکانیکی کامپوزیت از ترموپلاستیک الاستومر استفاده شد. نتایج به دست آمده از نمونه‌های ساخته شده در جدول2 مشاهده می‌شود. همان‌طور که نتایج نشان می‌دهد با افزودن مقداری بهینه از مستربچ اصلاح‌کننده سطحی به کامپوزیت علاوه بر بهبود فرآیندپذیری، استحکام خمشی و مدول خمشی نیز افزایش چشمگیری نشان می‌دهند. دلیل این افزایش در خواص به وجود آمدن سطح مشترک مناسب و قوی بین الیاف شیشه و ماتریس پلی‌آمید می‌باشد که این سطح مشترک در درصدهای کمتر از افزودنی به خوبی شکل نگرفته است.

   همچنین با افزودن ترموپلاستیک الاستومر به ترکیب درصد کامپوزیت (Toughened PA5 G) مشاهده می‌شود که مقاومت به ضربه به طور قابل توجهی افزایش یافته است. همچنین افزودن این ماده چقرمه باعث افزایش مقاومت در برابر رشد ترک نیز می‌شود.

 

جدول 2 خواص مکانیکی و ضربه پذیری کامپوزیت های پلی آمید 6 و الیاف شیشه و اثر مقادیر مختلف اصلاح کننده سطحی

ام نمونه

استحکام کششی (MPa)

کرنش در شکست

(%)

استحکام ضربه Izod

(Kj/m2)

مدول خمشی

(MPa)

6AB-24R

50

10

3.5

2200

PA4G

90

7

4

6000

PA5G

130

8

6

8000

Toughened-PA5G

125

13

10

7500