بهبود کارایی آمیزه های به شدت پرشده

بهبود کارایی آمیزه های به شدت پرشده

پرکننده ها به چندین روش در پلیمرها استفاده می شوند تا خواص را بهبود بخشیده و یا قیمت را کاهش دهند. محدوده وسیعی از انواع پرکننده های مختلف در اختیار فرایندکار می باشد. تقریبا تمامی خواص ماتریس (یعنی خواص مکانیکی، اشتعال پذیری و رفتار حرارتی) را می توان با هدف مشخص و با استفاده از پرکننده های مناسب تحت تاثیر قرار داد. چالش آمیزه کار به خصوص در مورد میزان بالای پرکننده، سختی فرایند کردن آمیزه و نیز تاثیر منفی آمیزه سازی بر مجموع خواص مکانیکی پلیمر می باشد. دلیل این امر را می توان در پراکنش غیر بهینه پرکننده ها و یا استفاده از کمک فرایندها یا سایر افزودنی ها به صورت غیر بهینه جستجو کرد. به تازگی یک مفهوم توسعه یافته در مورد ماده افزودنی از سوی شرکت BYK-Chemie GmbH آلمان، اکنون این امکان را به آمیزه ساز می دهد تا آمیزه های به شدت پرشده را با اطمینان از خواص مکانیکی عالی و صرفه اقتصادی تولید و فرایند نماید. بدین طریق امکان حصول ارزش افزوده بیشتر برای محصول نهایی نیز وجود دارد. بهبود اتصال بین سطحی به خصوص برای فرایندکاران آمیزه های به شدت پرشده استفاده از مواد افزودنی، مانند پلی الفین های پیوند خورده یا سیلان ها، جهت حصول چسبندگی خوب در سطح مشترک پرکننده/ ماتریس امری ضروری به حساب می آید. به هر حال بسته به پرکننده مورد استفاده، همواره امکان حصول نتیجه مطلوب ممکن نخواهد بود. به علاوه اغلب نیاز به افزودن کمک فرایندهای اضافی (مثل واکس ها یا استئارات ها) می باشد تا فرایند تسهیل گردد. البته این مواد افزودنی اغلب تاثیری منفی بر روی خواص مکانیکی دارند. سیستم افزودنی BYK-P 4101 که به تازگی توسعه یافته است جهت تسهیل این سناریوی پیچیده فرایندی طراحی شده است. در آمیزه های به شدت پرشده حاوی BYK-P 4101، پارامترهای فرایندی نظیر گرانروی، گشتاور مورد نیاز و میزان خروجی بهبود می یابد. مشخصات مکانیکی مانند استحکام کششی و مدول کشسانی نیز افزایش می یابند. BYK-P 4101 به عنوان یک کوپلیمر بلوکی یک ساختار به اصطلاح AB دارد. شکل 1 در یک طرف گروه خیس کننده بسیار فعال (آبی) را نشان می دهد که جذب پرکننده می شود. در طرف دیگر یک جزء بلوکی (قرمز) وجود دارد که با محدوده وسیعی از پلیمرها سازگار است. BYK-P 4101 از طریق مکانیسم اتصال خود می تواند کشش بین سطحی در مرز پلیمر/ پرکننده را کاهش دهد. ساختار مولکولی آن در بهبود اتصال بین ذرات پرکننده و پلیمر سهیم است.
از طریق ترکیب بهینه ای از وزن مولکولی و عاملیت، اتصال فازی پرکننده به ماتریس پلیمری تقویت می شود. این امر را می توان به کمک این تئوری توضیح داد که با توجه به خواص مکانیکی، یک وزن مولکولی گره خوردگی بحرانی وجود دارد. این وزن مولکولی گره خوردگی بحرانی بسته به نوع پلیمر متغیر است، برای مثال برای پلی پروپیلن (PP) g/mol 7000 است، برای پلی اتیلن (PE) g/mol 4000 است و برای پلی آمید (PA) g/mol 4000 تا g/mol 5000 می باشد. این اثر با سازگاری گروه لنگر اسیدی برای بیشتر انواع پرکننده های متداول تایید می شود. ساختار شیمیایی آن امکان عملکرد محصول به صورت یک عامل پراکنش مرسوم را میسر می سازد، یعنی هنگامی که برش در حین آمیزه سازی، تجمعات پرکننده را می شکند، سطح جدید پرکننده به سرعت توسط BYK-P 4101 پوشیده می شود. انرژی سطحی پرکننده با انرژی سطحی پلیمر منطبق شده و در نتیجه گرانروی کاهش می یابد. با این فرایند از تجمع مجدد جلوگیری می شود و ذرات پرکننده پایدار می گردند. این امر منجر به آمیزه پلیمری یکنواخت تری نسبت به کمک فرایندهای مرسوم می گردد. جهت نمایش افزایش خوب پرکننده، سطوح شکست آمیزه های پلی الفینی به شدت پرشده توسط یک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی گردید. به عنوان مثالی از این مورد سطوح شکست PP پرشده با تالک در شکل 2 نشان داده شده است. در نمونه کنترلی صفحات تالک به خاطر چسبندگی ضعیف از ماتریس پلیمری جدا شده است (شکل 2 چپ). نمونه حاوی افزودنی در سمت راست شکل 2 کاملا متفاوت است. در اینجا ذرات پرکننده به قدری محکم متصل شده اند که خود پرکننده شکسته است. در این مورد ماده افزودنی در نقش یک عامل اتصال متداول عمل می کند.
تحرک و بهره وری طراحی مولکولی BYK-P 4101 به آن تحرک مذاب خوبی می دهد. این تحرک و خواص کاهشی در گرانروی، برای مثال، منجر به بهره وری بالاتر در حین اکستروژن می گردد (یعنی از طریق زمان چرخه و خروجی بالاتر). پلیمرهای حاوی این افزودنی را می توان در دماهای پایین تری نیز فرایند کرد. این خاصیت به خصوص برای آمیزه هایی که تمایل به تخریب در دماهای بالا دارند می تواند سودمند واقع شود. در حین فرایند، ماده افزودنی به سرعت به تمام لایه های بین سطحی که محل تماس بین پلیمر و دیواره سیلندر اکسترودر به علاوه مرز بین پلیمر و پرکننده است، خواهد رسید. ضریب اصطکاک و در نتیجه مقاومت فرایندی در مذاب کاهش می یابد که منجر به خروجی بالاتری خواهد شد. این خاصیت را به وضوح می توان در قالب گیری تزریقی با جریان حلزونی مشاهده کرد. نمونه کنترلی مسیر جریان کوتاه تری نسبت به نمونه BYK-P 4101 دارد که به وضوح دارای مسیر مارپیچ طولانی تری است و این بدین معنی است که در فشار برابر ماده بیشتری تولید می شود.
با افزودن یک افزودنی پراکنشی جدید برای مثال خروجی آمیزه PP پرشده با کربنات کلسیم افزایش می یابد (چپ: 0%، راست: 1% افزودنی).
مطالعات موردی برای افزودنی ها و پلیمرها یک روند در حال افزایش در آمیزه سازی به طرف استفاده از میزان بالای پرکننده وجود دارد. با استفاده از BYK-P 4101 کیفیت بالاتری از آنچه قابل حصول بوده است به دست می آید. مزایای ماده افزودنی توصیف شده نه تنها در مورد کربنات کلسیم به عنوان یک پرکننده استاندارد قابل حصول است بلکه برای تری هیدروکسید آلومینیوم و تالک نیز کارایی دارد. در واقع بهبود در خواص مکانیکی حتی در مورد وولاسونیت سوزنی شکل نیز مشاهده گردید. البته در اینجا به عنوان مثال تنها پرکننده های متداول مانند کربنات کلسیم و تالک در هموپلیمرهای PE و PP ارائه شده اند. BYK-P 4101 در این فرمولاسیون های پایه در غلظت های مختلف مورد آزمون قرار گرفت تا تاثیر میزان افزودنی به دست آید. در برخی موارد تنها نتایج بهینه نشان داده شده اند. خواص مکانیکی با استفاده از استحکام تسلیم و شکست، ازدیاد طول در نقطه تسلیم و شکست به علاوه مدول کشسانی مورد ارزیابی قرار گرفته است. مقادیر، توسط یک ماشین آزمون جهانی Zwick Material Testing 1465 دارای نرم افزار بروز شده Zmart.Pro به دست آمده اند. تمام آمیزه ها توسط یک اکسترودر Berstdorff ZE 25 UT (مارپیچ 25 میلی متری، LD برابر 40، سرعت مارپیچ rpm 1200، سرعت مارپیچ تغذیه کننده جانبی rpm 450) تهیه گردیدند. قطعات آزمون توسط دستگاه قالب گیری تزریقی Engel ES 200/75 HL-V تهیه شدند.
سیستم PP/ تالک: در مقایسه با آزمونه کنترلی، افزودن BYK-P 4101 منجر به مدول کششی بالاتر به علاوه ازدیاد طول بیشتر در نقطه تسلیم و شکست گردید در حالی که در عین حال خواص جریان (MVR) نیز بهبود یافت. از سوی دیگر استفاده از اسید استئاریک به وضوح مدول کششی را کاهش می دهد. استفاده از BYK-P 4101 در سیستم های واقعی تنظیم فرایند بدون از دست دادن استحکام قطعه نهایی را میسر می کند.
سیستم PP/ کربنات کلسیم: در مقایسه با تالک که یک سیلیکات لایه ای مونوکلینیک با نسبت مشخصه بین 5 و 100 می باشد، کربنات کلسیم یک ماده معدنی بلورین ریز با نسبت مشخصه در حدود 1 است (نسبت مشخصه برابر طول ذره تقسیم بر ضخامت آن می باشد). بنابراین بهبود در خواص سیستم PP/ کربنات کلسیم بسیار سخت تر از سیستم PP/ تالک است. پلی الفین های پیوند خورده تجاری موجود یا سیلان ها برای پرکننده ها اثر مناسبی را در این مورد نشان نمی دهند. از آنجا که کربنات کلسیم از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است، در صنعت نیز ترجیح داده می شود. با استفاده از BYK-P 4101 افزایش قابل توجهی در مدول کششی حتی با این پرکننده نیز قابل حصول است. در آزمون ها نمونه کنترلی مدول کششی GPa 36 نشان داد. با افزودن تنها 5/0% از این افزودنی مدول کششی تا GPa 68 افزایش یافت. بهبود در پارامترهای فرایندی (یعنی MVR از 9 تا 17 سانتی متر مکعب بر 10 دقیقه) در مقایسه با اسید استئاریک حتی واضح تر می باشد .
سیستم PE/ کربنات کلسیم: نتایج در مورد BYK-P 4101 بار دیگر در PE پرشده با کربنات کلسیم مورد تایید واقع شد. در این مورد نیز ماده افزودنی یک افزایش واضح در مدول کششی از 69 تا GPa 90 ایجاد نمود. همانند قبل بهبود در پارامترهای فرایندی بار دیگر مورد تایید قرار گرفت (MVR از 15 تا 34 سانتی متر مکعب بر 10 دقیقه) . به خصوص در مورد کربنات کلسیم یک بهبود قابل توجه در کیفیت محصول نهایی با افزودن BYK-P 4101 قابل حصول است.

برگردان: مهندس ابوالفضل کیانی

منبع: مجله بسپار