به گزارش سرویس بین‌الملل «فراز انرژی» از Bioengineer، پژوهشگران دانشگاه Chung-Ang کره جنوبی، دانشگاه تگزاس در آستین و آکادمی نظامی ایالات متحده، عملکرد پلی‌پروپیلن تقویت‌شده با الیاف شیشه و نانوخاک رس را بررسی کرده‌اند. هدف اصلی این بود که مشخص شود ترکیب تقویت‌کننده‌های میکرومتری و نانومتری می‌تواند اثری فراتر از مجموع عملکرد جداگانه آنها ایجاد کند یا خیر.

نتایج این پژوهش در نشریه علمی Polymer Bulletin منتشر شده است.

آزمایش پلی‌پروپیلن با ۳۰ درصد الیاف شیشه

پژوهشگران نمونه‌هایی با ترکیب‌های مختلف تولید کردند که میزان مونتموریلونیت یا نانوخاک رس آنها بین صفر تا ۷ درصد و سهم الیاف شیشه بین صفر تا ۳۰ درصد متغیر بود.

برای بهبود سازگاری میان پلی‌پروپیلن و افزودنی‌ها نیز از پلی‌پروپیلن گرافت‌شده با مالئیک انیدرید یا PP-g-MA استفاده شد. آزمایش‌های مقدماتی نشان داد برای سیستم پلی‌پروپیلن و نانوخاک رس، میزان ۴ درصد وزنی PP-g-MA شرایط مناسب‌تری ایجاد می‌کند.

نمونه‌ها سپس با استفاده از میکروسکوپی، آزمون کشش و آزمون ضربه بررسی شدند.

نتیجه اصلی روشن بود: با اضافه‌شدن الیاف شیشه، بخش غالب بهبود خواص مکانیکی پلی‌پروپیلن ــ چه از نظر سفتی و چه استحکام ــ از همین الیاف حاصل شد و نانوخاک رس تنها بهبود محدودی ایجاد کرد.

چرا نانوخاک رس عملکرد مورد انتظار را نداشت؟

مسئله به ساختار شیمیایی پلی‌پروپیلن بازمی‌گردد. پلی‌پروپیلن یک پلیمر غیرقطبی است و به‌طور طبیعی برهم‌کنش مناسبی با صفحات سیلیکاتی نانوخاک رس ندارد.

برای آنکه صفحات بسیار نازک خاک رس از یکدیگر جدا و در ماتریس پلیمر پراکنده شوند، وجود سازگارکننده PP-g-MA اهمیت دارد.

اما هنگامی که الیاف شیشه و نانوخاک رس به‌طور هم‌زمان وارد پلی‌پروپیلن شدند، هر دو برای استفاده از همین سازگارکننده رقابت کردند. نتایج پژوهش نشان داد الیاف شیشه سهم بیشتری از PP-g-MA را به خود اختصاص می‌دهد و در نتیجه نانوخاک رس از شرایط شیمیایی لازم برای پراکندگی مناسب محروم می‌شود.

صفحات سیلیکاتی در این وضعیت به‌خوبی از یکدیگر جدا نمی‌شوند و مزیت بالقوه تقویت پلیمر در مقیاس نانو کاهش می‌یابد.

خبری از «اثر هم‌افزایی» نبود

پژوهشگران نتایج آزمایشگاهی را با چند مدل شناخته‌شده مکانیکی کامپوزیت‌ها نیز مقایسه کردند.

داده‌ها نشان داد افزایش مدول کامپوزیت را می‌توان تقریباً با جمع اثر مستقل الیاف شیشه و نانوخاک رس توضیح داد و اثر هم‌افزایی فراتر از این مقدار مشاهده نشد.

این یافته از آن جهت اهمیت دارد که در برخی پلیمرها مانند پلی‌آمید ۶، ترکیب الیاف شیشه و نانوخاک رس می‌تواند عملکرد مکمل ایجاد کند. پژوهش جدید نشان می‌دهد نمی‌توان همین نتیجه را مستقیماً به پلی‌پروپیلن تعمیم داد.

یک نکته مهم برای تولیدکنندگان کامپاند

پژوهش یک نتیجه عملی دیگر نیز برای صنعت کامپاندینگ دارد: تعداد دفعات فرآیند اکستروژن بر طول الیاف شیشه و در نتیجه عملکرد مکانیکی محصول اثر می‌گذارد.

الیاف کوتاه شیشه هنگام عبور از اکسترودر در معرض تنش برشی قرار می‌گیرند و ممکن است شکسته و کوتاه‌تر شوند. پژوهشگران پس از مقایسه روش‌های مختلف فرآوری دریافتند یک مرحله اکستروژن و سپس قالب‌گیری تزریقی، همراه با تغذیه الیاف شیشه خشک، بیشترین طول الیاف را حفظ می‌کند.

حفظ طول الیاف اهمیت مستقیمی در کارایی تقویت پلی‌پروپیلن دارد؛ زیرا کوتاه‌شدن بیش از اندازه الیاف، توانایی آنها برای انتقال بار در ماتریس پلیمر را کاهش می‌دهد.

نتایج این مطالعه برای تولیدکنندگان کامپاندهای پلی‌پروپیلن مورد استفاده در قطعات خودرو، لوازم خانگی و سایر محصولات سبک و نیمه‌سازه‌ای یک پیام مشخص دارد: افزودن نانوفیلر به کامپاند حاوی الیاف شیشه لزوماً هزینه بیشتر را به بهبود متناظر خواص مکانیکی تبدیل نمی‌کند. عملکرد نانوخاک رس به نحوه پراکندگی آن و مدیریت سازگارکننده در فرمولاسیون وابسته است.