ساخت و خواص کامپوزیت های چند لایۀ PEEK-PEI
ترکیبات پلی اتر اترکتون (PEEK) و پلی اتر امید (PEI) که فاز کریستالی PEEK را حفظ می کند، با انباشته شدن لایۀ متناوب PEEK-PEI بدست آمده است. این استراتژی از اختلاط کامل هر دو پلیمر جلوگیری می کند؛ لایه های PEEK و PEI را در ضحامت نمونه بدون اختلاط حفظ می کند؛ و همچنین تشکیل یک لایه سطحی صاف که PEEK و PEI در آن مخلوط می شوند را ارتقاء می دهد. خواص این رابط پس از پردازش در حالت مذاب و زمان های مختلف توسط DMA، DSC و سنکروترون اشعه ایکس مورد مطالعه قرار گرفتند. این تکنیک ها امکان نظارت بر تکامل انتقال شیشه را فراهم می کنند؛ جایی که Tg های جداشده برای هر دو پلیمر بکر، حتی پس از پردازش طولانی، مشاهده می شود. بلورینگی PEEK بدون تغییر پارامترهای آن، در حین فرایند ساخت اندکی کاهش یافت. این مشاهدات نشان می دهد که علیرغم افزایش سطح مشترک، لایه های دارای پلیمر بکر حتی پس از پردازش طولانی همچنان باقی مانده اند. همچنین حفظ تبلور PEEK در خواص مکانیکی فیلم های چندلایه PEEK-PEI مشاهده شد که با فیلم های بکر PEEK و PEI مقایسه شدند. نمونه های چندلایه ای که زمان پردازش کوتاه تری داشتند، نشان دهندۀ مدول یانگ، استحکام کششی و کرنش در حین شکست بودند.
توسعه ترکیبات پلیمری مرتبط با تکنولوژی و کامپوزیت های پلیمری به ترکیب هم افزایی دو یا چند پلیمر با هدف بهبود خواص نهایی بستگی دارد. اغلب اجزای تک پلیمری تا تولید نهایی محصول ثابت نمی مانند و ضرورت استفاده از ترکیب دو یا چند پلیمری را نشان می دهد. خواص ماده نهایی به شدت به مورفولوژی، سابقه پردازش، فرمولاسیون و برهمکنش بین اجزای جداگانه بستگی دارد. یکی از روشهای ترکیب دو یا چند پلیمر ایجاد یک ساختار لایه ای است که ممکن است به طیف وسیعی از خواص بهبود یافته منجر شود. برای بیش از 6 دهه، فیلم های چندلایه در بازار تجاری به دلیل خواص عالی نوری، مانع گازی، خواص مکانیکی یا دی الکتریک بسیار مورد توجه بودند. این خواص منحصر به فرد این فیلم ها را قادر می سازد تا در کاربردهای متعدد مانند بازتاب دهنده های نور مادون قرمز (IR)، مرئی یا فرابنفش (UV)، فیلم هایی برای افزایش چقرمگی و انتخاب پذیری فیلتر IR یا اشعه UV در پنجره های شیشه ای، موانع انعطاف پذیر در بسته بندی مواد غذایی و همچنین کاربردهای پزشکی و غیره مورد استفاده قرار گیرند. پلی اتر اترکتون (PEEK) یک پلیمر ترموپلاستیک مهندسی نیمه کریستال با کارایی بالا، خواص مکانیکی قابل ملاحظه، مقاومت شیمیایی و حرارتی خوب است که طیف گسترده ای از کاربردهای تجاری من جمله کامپوزیت های دارای الیاف کربن یا شیشه را به خود اختصاص داده است. پلی اترامید (PEI) یک پلیمر ترموپلاستیک آمورف با کارایی بالا است و از آنجا که دمای انتقال شیشۀ آن بالاتر از 220 درجه سلسیوس است، از استحکام بالایی در دمای بالاتر برخوردار است. با این حال، کاربرد PEI به دلیل مقاومت کم حلال آن محدود شده است. ترکیبات PEEK-PEI به دلیل امتزاج پذیری بالا مورد بررسی قرار گرفته اند که می تواند فرصتی برای متعادل کردن خواص آنها و به حداقل رساندن معایب شان باشد. بسیاری از مطالعات به بررسی امتزاج پذیری بالای هر دو پلیمر در تمام ترکیبات مخلوط پرداخته اند و باتوجه به نتایج حاصل شده میتوان گفت که به یک دمای انتقال شیشۀ منفرد اما متفاوت دست یافته اند. این امتزاج پذیری بالا اثرات مهمی در تبلور PEEK در پی دارد زیرا زنجیره های پلیمری PEI از نقاط کریستالی PEEK عبور کرده و دو اثر مختلف ایجاد می کنند: اول، کاهش شدید نرخ تبلور PEEK و دوم، کاهش تبلور ترکیب PEEK-PEI که بطور کامل مانع می شود؛ بویژه در خنک کنندگی بالا که محتوای PEI، 50 درصد است.
تکامل سطح مشترک در فیلم چند لایه PEEK-PEI پس از پردازش های مختلف در دمای بالاتر می تواند توسط DSC ارزیابی شود. اثبات شده است که امتزاج پذیری PEEK و PEI بالا بوده و کاهش ظرفیت تبلور PEEK نیز یکی از پیامدهای این اختلاط محسوب می شود. در نمونه های چندلایه که استفاده کردیم، امتزاج پذیری بالا باعث نفوذ زنجیره ها بین لایه ها در حین پردازش در دمای بالا می شود. این واقعیت چسبندگی خوب بین لایه های PEEK و PEI را به دلیل تشکیل یک سطح مشترک که در آن هر دو پلیمر PEEK و PEI با هم مخلوط می شوند نشان می دهد. بنابراین، افزایش سطح مشترک در این نمونه در حین پردازش با دمای 400 درجه سلسیوس بایستی با در نظر گرفتن سطح مشترک بعنوان نقطۀ اختلاط PEEK و PEI، با کاهش تبلور PEEK همراه باشد که با کمک DSC قابل کنترل است. برای بررسی این پدیده، یک نمونه چندلایه از PEEK-PEI در دمای 380 درجه سلسیوس به مدت 10 دقیقه آماده شد و در معرض شش سیکل گرمایش، بازپخت هم دما، خنک سازی از RT تا 400 درجه سلسیوس در DSC قرار گرفت؛ مدت زمان هر بازپخت هم دما در این دما حدود 30 دقیقه بود. در شکل زیر پروفیل های گرمایش و سرمایش DSC در این آزمایش ارائه شده است.
شکل 1:
مخلوط همگن PEEK که یک پلیمر نیمه کریستالی است، با PEI که یک پلیمر آمورف است، منجر به ایجاد مخلوطی با خواص مکانیکی متوسط می شود که در کاربردهای ساختاری قابل استفاده نیست؛ دلیل اصلی آن را میتوان کاهش تبلور PEEK به دلیل نفوذ زنجیره های مولکولی در هر دو پلیمر دانست که مانع از اتصال فشردۀ زنجیره های PEEK می شود. به منظور بهبود امتزاج پذیری هر دو پلیمر در عین حفظ تبلور PEEK، تراکم متناوب PEEK-PEI با پرس داغ ساخته شدند. از طرفی، امتزاج پذیری خوب آنها باعث نفوذ متقابل زنجیره های بین لایه ای با ضخامت مشخص در حین پردازش در حالت مذاب شد و یک ناحیه سطحی ایجاد کرد که در آن هر دو پلیمر با هم مخلوط شدند. این سطح مشترک چسبندگی خوب بین لایه ها را تضمین می کند. همچنین مشاهده شده است که تبلور PEEK، دمای تبلور و تکامل از دو انتقال شیشه ای مجزا به یک واحد با محدوده دمایی وسیع تر در پردازش طولانی کاهش می یابد. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که زمان پردازش تعیین کنندۀ اندازۀ این سطح مشترک است. در خارج از این سطح، هم PEEK و هم PEI هر دو بعنوان پلیمرهای بکر باقی می مانند. برای اثبات این فرضیه، به بررسی یک نمونه چندلایه با کمک SAXS و WAXS پرداختیم. فواصل طولانی، ضخامت لایه ای، بلورهای خطی و دمای تبلور مقادیر بسیار متفاوتی را در نمونه های بکر PEEK و همچنین نمونه های چندلایۀ PEEK-PEI نشان دادند. بنابراین محدوده های بدون تغییر PEEK را میتوان در این نمونه های چندلایه مشاهده کرد. علت اصلی کاهش کلی تبلور را میتوان کاهش ضخامت در محدودۀ بکر PEEK دانست. کامپوزیت های چندلایۀ PEEK-PEI که در مدت کوتاهی (10 دقیقه) در دمای 380 درجه سلسیوس پردازش شدند، نشان دهندۀ مدول ذخیره سازی نزدیک به PEEK بودند. علاوه براین، این مدول در دمای بیش از 150 درجه سلسیوس در نمونه های چندلایه بالاتر از PEEK بکر بوده است که به احتمال زیاد از فاز کریستالی PEEK همراه با انتقال شیشه ای بالا در PEI ناشی شده است. در نتیجه، نمونه های چندلایۀ PEEK-PEI با پردازش کوتاه (10 دقیقه) در دمای 380 درجه سلسیوس از خواص مکانیکی بسیار خوبی برخوردار هستند؛ بویژه از لحاظ الاستیک و استحکام به PEEK نزدیک هستند. این خواص همراه با مقدار معقولی از کرنش در حین شکست و قیمت رقابتی PEI، کامپوزیت های چندلایۀ PEEK-PEI را به پلیمر بسیار امیدوارکننده ای در کاربردهای ساختاری تبدیل کرده است.
