ارزیابی خواص مکانیکی مخلوط های پلی یورتان نرم کننده ها با PVC و ترموپلاستیک با PVC از پردازش اکستروژن
در اینجا مقایسه ای بین خواص مکانیکی و پردازشی مخلوط های پلی وینیل کلرید PVC، دی ایزودسیل فتالات (DIDP) و پلی یورتان ترموپلاستیک (TPU) با دی-2- اتیل هگزیل فتالات (DOP) انجام شد. تأثیر شرایط پردازش بر خواص مکانیکی با تغییر محتوای افزودنی ها و استفاده از سرعت های مختلف پیچ دوقلو نیز مورد بررسی قرار گرفت. خواص مکانیکی (مقاومت کششی، مدول و انرژی) PVC-DIDP همان رفتار PVC-DOP را در تمام غلظت ها نشان می دهد. خواص مکانیکی PVC-DIDP و PVC-DOP نشان می دهد که این سیستم ها تحت تأثیر سرعت پیچ دوقلو قرار می گیرند. مخلوط های پلی یورتان در مقایسه با سایر نرم کننده ها، خواص ساختاری بهتری از خود نشان می دهند. سرعت پیچ دوقلو هیچ تأثیری بر خواص تنش- کرنش مخلوط PVC-TPU ندارد. نتایج حاصل شده بیانگر تأثیر نسبی بر کاهش خواص PVC درصورت استفاده از نرم کنندۀTPU است.
پلی وینیل کلرید PVC بعنوان یکی از پرکاربردترین ترموپلاستیک ها نقش مهمی در صنعت پلاستیک ایفا می کند، اما قبل از پردازش بایستی با تعدادی از مواد افزودنی ترکیب شود. نرم کننده با وزن مولکولی کم یکی مواد افزودنی اصلی مورد استفاده در ترکیب PVC است. با افزودن نرم کننده به فرمول PVC، بسیاری از خواص مکانیکی PVC (سختی، استحکام کششی، مدول و غیره) کاهش می یابد. با این حال، خواصی همچون انعطاف پذیری در دمای پایین، کشسانی و سهولت پردازش بهبود می یابند. پر مصرف ترین نرم کننده با وزن مولکولی کم دی-2-اتیل هگزیل فتالات (DOP) است. این نوع مخلوط ها مشکلاتی مانند مهاجرت (دائم) و در نتیجه، از دست دادن خواص مخلوط را در پی دارند. تنها راه حلی که برای این مسئله وجود دارد، استفاده از نرم کنندۀ پلیمری است. مطالعات امتزاج پذیری پلی استر- PVC نشان داده است که برخی از پلی استرهای پلیمری تا حدی با PVC قابل اختلاط هستند و سایر مطالعات نیز نشان داده اند که برخی از پلی یورتان ها هم با PVC قابل اختلاط هستند. پلی یورتان ترموپلاستیک بر پایۀ پلی استر (TPU) معمولآ با PVC نرم مخلوط شده و در نتیجه، یک ترکیب PVC با مقاومت سایشی بهبود یافته حاصل می شود. با این حال، مانند اکثر مخلوط های PVC- ترموپلاستیک، پردازش آنها با ابزار پردازش PVC معمولی به دلیل ویسکوزیتۀ مذاب بالا و پایداری حرارتی محدود آنها دشوار است. افزودن نرم کننده های TPU به PVC برای تشکیل یک ترکیب پلیمری می تواند به روش های مختلفی انجام شود. اکستروژن دو پیچ یکی از این موارد است. به این ترتیب، خواص رئولوژیکی را میتوان مشاهده کرد و به خواص مکانیکی بدست آمده از شرایط مختلف پردازش مربوط می شود. این کار بخشی از بررسی اثرات نوع نرم کننده است که شامل روابط بین خواص نرم کننده- PVC و خواص پردازش ترکیب PVC می شود. این مطالعه، خواص مکانیکی مخلوط های PVC-TPU و ترکیبات جایگزین PVC-DIDP را ارزیابی کرده و آنها را با فرمول سنتی PVC-DOP مقایسه می کند. همه مخلوط ها در یک اکسترودر دو پیچ آماده شدند و رفتار مکانیکی آنها تحت شرایط مختلف پردازش مقایسه می شود.
منحنی های تنش- کرنش در کشش مخلوط های PVC-DOP تهیه شده در 30 دور- دقیقه در شکل زیر ارائه شده است.
شکل 1:
این نتایج برای مواد سخت و شکننده در مخلوط هایی با 10 phrDOP و همچنین مواد نرم و سخت برای مخلوط هایی با 50-90 phr است. این خواص برای مخلوط هایی با DIDP اکسترود شده در این سرعت پیچ یکسان بود. در شکل زیر نتایج حاصل از تغییر سرعت به 100 دور- دقیقه ارائه شده است.
شکل 2:
نتایج حاصل از آزمایش خواص مکانیکی یک خواص سخت و مقاوم را برای مخلوط هایی با 10 phr نرم کننده ها با وزن مولکولی کم و همچنین رفتار بدون تغییر در 50-90 phr را نشان می دهد. در صورتی که محتوای TPU به 100 بخش در صد رزین برسد، رفتار نیز تغییر می کند. منحنی های بدست آمده در تغییر چرخش پیچ از همان الگو در شکل زیر ارائه شده اند.
شکل 3:
این رفتارها نشان دهندۀ تأثیر نرم کنندۀ TPU بر این نوع مخلوط است. همانطور که انتظار می رفت، افزودن نرم کننده با وزن مولکولی کم به فرمول PVC مدول محصول PVC را کاهش می دهد. با این حال، تفاوت هایی بین رفتار ترکیبی DOP و DIDP مشاهده شد که نشان می دهد مخلوط در یک اکسترودر دو پیچ در 30 دور- دقیقه تحت تأثیر تفاوت ساختار مولکولی بین آنها قرار نمی گیرد. بطور مشابه، مدول یانگ برای سیستم های PVC-PTU کاهش می یابد. مقادیر مدول یانگ برای مخلوط های PVC-PTU نیز در اینجا بعنوان تابعی از محتوای PTU در سه سرعت مختلف پیچ ارائه شده است. با این حال، پروفیل ها اندکی متفاوت بود؛ کاهش هم بسیار کندتر بود و در نتیجه، کاهش خواص PVC نیز بسیار کندتر بود. به نظر می رسد که این پروفیل ها تحت تأثیر سرعت چرخش پیچ نیستند. البته انتظار می رود برخی از تأثیرات که به وزن مولکولی بالای TPU نسبت داده می شود، خواص مکانیکی را نیز تحت تأثیر قرار دهند. در صورت تغییر وزن مولکولی، برخی از خواص نیز تغییر می کنند؛ که نشان دهندۀ تابعی از افزایش درهم تنیدگی است. بنابراین، بدیهی است که PVC در صورت مخلوط شدن با TPU، سطح مدول را به همان روشی که با افزودن نرم کننده ها با وزن مولکولی کم کاهش می دهد، کاهش نمی دهد اما اثر نرم کنندۀ TPU را میتوان مشاهده کرد. تفاوت ساختار مولکولی بین DOP و DIDP نمایه مدول ترکیبی که با این سرعت پیچ اکسترود می شود، را تحت تأثیر قرار نمی دهد. از آنجا که خواص مکانیکی PVC به میزان برهمکنش دو قطبی بستگی دارد، هر گونه اختلال در این برهم کنش اثرات منفی بر خواص مواد خواهد داشت. افزودن DOP و DIDP به دلیل برهمکنش قوی آن با PVC، باعث ایجاد اختلال در جذب زنجیرۀ PVC با عمل بعنوان موانع خاص بین زنجیره های PVC شد. از طرفی، این اختلال باعث کاهش خواص مکانیکی در مخلوط ها شد. به همین دلیل، در صورت افزایش محتوای DOP یا DIDP در ترکیب، اختلال بیشتری در برهمکنش های زنجیره ای PVC ایجاد شد که کاهش بیشتر در مقدار تنش تسلیم را به دنبال داشت.
خواص مکانیکی سیستم های مورد مطالعه نشان دهندۀ خواص ناشناختۀ رفتار مکانیکی دو نوع افزودنی به PVC است. افزایش محتوای نرم کنندۀ در ترکیبات PVC زمانی رخ می دهد که نرم کنندۀ ترکیبی با وزن مولکولی کم باعث تغییر سریع خواص PVC می شود. از طرف دیگر، افزایش محتوای TPU تأثیر مستقیمی بر خواص اولیۀ PVC دارد اما از فرایند پلاستیک سازی اجتناب نمی کند. این حقایق نشان می دهد که ساختار مخلوط های PVC-TPU را می توان تا 50 phr محتوای TPU با کارایی بیشتر حفظ کرد. بطور کلی، سیستم های PVC-TPU جذب انرژی الاستیک بالاتری را ارائه می دهند. با این حال، تغییرات کوچک در محتوای TPU به راحتی می تواند خواص مورد نظر را برای کاربردهای انتخاب شده ارتقا دهد. در نتیجه، مخلوط های نرم با DOP و DIDP حتی در تغییرات غلظت کم، تغییرات قابل توجهی در خواص محصول نشان دادند. همچنین نتایج بدست آمده نشان داد که منحنی های تنش- کرنش مخلوط های PVC-TPU تحت تأثیر تغییرات در شرایط پردازش مخلوط قرار نمی گیرند. با این حال، این امکان وجود دارد که داده های چقرمگی تحت تأثیر سرعت پیچ قرار گیرند. استفاده از TPU بعنوان یک نرم کننده همچنین می تواند افق های جدیدی را با توجه به تعداد زیادی از احتمالات به منظور تغییر در ساختار زنجیرۀ پلی یورتان به دست آورد.
