پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه PP-GF

بهبود خواص مکانیکی پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه ازطریق بهبود چسبندگی

از آنجا که الیاف شیشه (GF) بعنوان یک عامل تقویت کننده تعادل خوبی بین خواص مواد و هزینه های تولید برقرار می کند، بیشتر در کامپوزیت ها با پایۀ پلی پروپیلن (PP) استفاده می شود. با این حال، خواص نهایی آنها عمدتآ با استحکام و پایداری فاز اینترفاز پلیمر-الیاف تعیین می شود. در صورتی که چسبندگی پایین باشد، این الیاف بعنوان یک ماده تقویت کننده به خوبی عمل نمی کنند. همچنین، چسبندگی بین فازها را می توان به راحتی در شرایط محیطی تهاجمی مانند دماهای بالا و یا رطوبت بالا، و با میدان های تنشی که ممکن است مواد در معرض آن قرار گیرند تجزیه کرد. تلاش های زیادی برای بهبود چسبندگی الیاف پلیمری-شیشه با افزایش سازگاری صورت گرفته است. اکثر تکنیک های مورد استفاده شامل تغییرات در سطح شیشه، ماتریس پلیمری و یا هر دو می شوند. بر همین اساس، نتایج حاصل شده بیانگر رابطه خوبی را برای بهبود هزینه/ خواص نیستند. هدف از انجام این مطالعه، انجام تحلیل دقیقی از روش های بهبود چسبندگی GF/PP و یافتن یک مسیر جدید براساس پلیمریزاسیون درجای پلی پروپیلن روی الیاف است. این مسیر شامل اصلا الیاف با یک آلکیل آلومینیوم و هیدروکسی-آلفا-الفین به منظور فعال کردن رشد زنجیره های پلی پروپیلن با استفاده از کوپلیمریزاسیون مستقیم متالوسنیک است. بهبود چسبندگی اغلب با تست تکه تکه شدن و همچنین اندازه گیری خواص مکانیکی مشخص شد. استحکام و چقرمگی تا سه برابر افزایش می یابد و استحکام سطحی نانوکامپوزیت های PP/GF تهیه شده با الیاف پلیمریزه شدۀ درجا دو برابر می شود.

الیاف شیشه (GF) رایج ترین تقویت کننده برای کامپوزیت های پلیمری محسوب می شوند. مزایای اصلی آنها را می توان در هزینه تولید کم، استحکام کششی بالا، مقاومت شیمیایی بالا و خواص عایقی آنها خلاصه کرد. اما معایبی نیز دارند من جمله مدول کششی کم، وزن نسبتآ بالا، کاهش مقاومت سایشی در حین جابجایی، مقاومت در برابر خستگی و سختی زیاد. الیاف E-glass و S-glass الیافی هستند که بیشتر در صنعت پلاستیک تقویت شده با الیاف کاربرد دارند. E-glass کمترین هزینه را نسبت به الیاف شیشه موجود در بازار دارد که در واقع، علت کاربرد گستردۀ آنها در صنعت صنعت پلاستیک تقویت شده با الیاف محسوب می شود. S-glass که در اصل، برای ساخت اجزای هواپیما و بدنه موشک استفاده می شود، از بالاترین استحکام کششی در بین تمام الیاف برخوردار است. با این حال، تفاوت ترکیبی و هزینه بالای ساخت آن را گران تر از E-glass می کند. فرایند تولید الیاف شیشه شامل چند مرحله می شود. ابتدا، مواد خشک با هم مخلوط شده و در کوره با دمای حدود 1.370 درجه سانتیگراد ذوب می شوند. شیشه مذاب از طریق تعدادی روزنه که در بوشینگ پلاتین وجود دارد، تراوش کرده و به سرعت به رشته هایی با قطر تقریبی 10 میکرومتر کشیده می شوند. سپس قبل از اینکه رشته های منفرد جمع شده و دور درام پیچیده شوند، یک محافظ روی آنها گذاشته می شود. این محافظ از سایش بین رشته ها و عوامل ضد الکتریسیته ساکن که اصطکاک استاتیکی بین رشته ها و بایندر که رشته ها را کنار هم قرار می دهد را کاهش می دهد، جلوگیری می کند. همچنین ممکن است حاوی درصد کمی از عوامل اتصال دهنده (جفت کننده) باشد که چسبندگی بین الیاف و ماتریس خاصی که برای آن فرموله شده است را تقویت می کند. مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف از الیافی با استحکام و مدول بالا تشکیل شده است که در یک ماتریس تعبیه شده اند. هم الیاف و هم ماتریس ماهیت فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ می کنند و ماده جدید حاصل شده ترکیبی از خواصی است که با هر یک از اجزای تشکیل دهنده به تنهایی قابل دستیابی نیست.

به طور کلی، الیاف اعضای اصلی باربر هستند، در حالی که عملکردهای ماتریس عبارتند از انتقال تنش بین الیاف، ایجاد مانع در برابر محیط نامطلوب و محافظت از سطح الیاف در برابر سایش مکانیکی. کامپوزیت های پلیمری کاربردهای صنعتی گسترده ای همچون هوانوردی، دریایی، ساختمانی، کالاهای ورزشی، لوازم خانگی، مبلمان و غیره دارند. آنها بیش از 50 سال است که به بازار معرفی شده و عمومآ جایگزین مناسبی برای چوب، آلومینیوم و فولاد هستند. از مزایای آنها در مقایسه با مواد سنتی می توان به استحکام مکانیکی بیشتر، وزن سبک تر، پایداری ابعادی بهتر، استحکام دی الکتریک بالاتر، مقاومت سایشی و انعطاف پذیری در طراحی اشاره کرد. داشتن این مزیت ها به این کامپوزیت ها کمک می کند تا نسبت به فلزات و سرامیک، کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف داشته باشند. با این وجود، تنظیم فازهای متصل و یا با دوام بین ماتریس و تقویت کننده به موضوعی کلیدی در این نوع مواد تبدیل شده است. این فاکتور برای ماتریس های پلیمری ترموپلاستیک مانند پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP)، پلی وینیل کلراید (PVC)، پلی استایرن (PS) و پلی آمید (PA) بسیار ضروری است. اثربخشی آن به چسبندگی بین ماتریس و الیاف بستگی دارد. با این حال، یک عامل مهم در تعیین خواص نهایی ماده کامپوزیت، به ویژه خواص مکانیکی آن محسوب می شود. چسبندگی ماتریس الیاف محدود به یک محدوده یا "فاز سوم" معروف به اینترفاز است که در آن انتقال رخ می دهد. اینترفاز بعنوان محدوده سه بعدی که بین الیاف و ماتریس قرار دارد، تعریف می شود. از طرفی، بعنوان یک منطقۀ گذار یا فاز سوم با خواص خاص خود در نظر گرفته می شود که با خواص الیاف یا ماتریس مطابقت ندارد.

روش پلیمریزاسیون متالوسنیک پروپیلن بر روی سطح الیاف شیشه (GF) یک مسیر امیدوارکننده برای افزایش چسبندگی بین ماتریس پلی پروپیلن (PP) و GF بعنوان تقویت کننده ایجاد می کند زیرا دستیابی به سازگاری افزایش یافته بین آنها از این طریق امکان پذیر است. در نهایت، نتایج حاصل از این مطالعه به این صورت است که:

- پلی پروپیلن را می توان با استفاده از کاتالیزور متالوسنیک روی GF ها کوپلیمریزه کرد.

- زنجیره های PP روی سطح شیشه رشد کرده و با درهم تنیدگی با ماتریس PP در کامپوزیت های پلیمری، میزان چسبندگی را افزایش می دهند.

- به نظر می رسد مقدار PP پلیمریزه شده روی الیاف و چسبندگی سطحی از لحاظ پوشش PP با مقاومت برشی سطحی اندازه گیری شده دارای شرایط بهینه و مناسبی است.

- استحکام برشی سطحی کامپوزیت های PP/GF اندازه گیری شده با تست تکه تکه شدن، به طور قابل ملاحظه ای در کامپوزیت های الیاف تیمار نشدۀ PP بهبود یافته است.

- ترک ماتریس شعاعی ایجاد شده در حین تست تکه تکه شدن نشان دهندۀ چسبندگی بالای الیاف-ماتریس در تمام الیاف پلیمریزه شدۀ درجا است.

- پلیمر پس از شکست کرایوژنیک در تمام نمونه های تحت پلیمریزاسیون همچنان به سطح الیاف چسبیده باقی می ماند.

- کامپوزیت های تک محوری PP کوپلیمریزه شدۀ GF در مقایسه با کامپوزیت های تهیه شده از الیاف تیمار نشده، شکل پذیری و چقرمگی بالاتری بدون کاهش استحکام مواد دارند. این خواص بهبود یافته تنها به افزایش چسبندگی ناشی از درهم تنیدگی های مولکولی بین ماتریس PP و GF پیوند شده با PP اختصاص داده می شود.

- پیش تیمار MAO خواص مکانیکی PP/GF را تغییر نمی دهد زیرا هر دو هیچ تغییری در خاصیت چسبندگی و الیاف ایجاد نمی کنند.

- این تیمار به شدت رفتار شکست کامپوزیت را اصلاح می کند. جدا شدگی الیاف همان رابط مکانیسم اصلی برای کامپوزیت های تیمار نشده است، در حالی که گسستگی PP باعث شکست کامپوزیت های الیاف پلیمریزه شده است. روش پلیمریزاسیون درجا به وضوح یک رویکرد کاملآ مناسب برای بهبود سازگاری GF و PP محسوب می شود. با شواهد ارائه شده در بالا، می توان به افزایش چسبندگی و همچنین بهبود خواص مکانیکی دست یافت. علاوه براین، به نظر می رسد که یک رویکرد امیدوارکننده به منظور به دست آوردن پیش آغشته های PP برای افزایش عملکرد کامپوزیت های PP/GF با استفاده از تقویت کننده های مات باشد.