اصلاح کننده ضربه نوآورانه (novel) برای نایلون 6

آلیاژ کردن پلیمرها با لاستیک ها به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته تا مواد جدید با خواص ضربه خوب بدست آید.به خوبی مشخص است که چقرمه شدن پلیمرها به شدت به خواص مکانیکی اجزا و ریزساختار آنها بستگی دارد. به طور خاص، اثر سختی ذرات،اندازه ذرات و چسبندگی در سطح مشترک بین ذره و ماتریس بر روی ویژگی های پلیمرها به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است.

آنچه در این مطلب خواهید خواند:

مقدمه

آلیاژ کردن پلیمرها با لاستیک ها به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته تا مواد جدید با خواص ضربه خوب بدست آید. [1–5]  به خوبی مشخص است که چقرمه شدن پلیمرها به شدت به خواص مکانیکی اجزا و ریزساختار آنها بستگی دارد. به طور خاص، اثر سختی ذرات، اندازه ذرات و چسبندگی در سطح مشترک  بین ذره و ماتریس بر روی ویژگی های پلیمرها به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است [6-9]. در مورد نایلون مقاوم شده با لاستیک،  Wu[10] گزارش داد که “فاصله بین ذرات  “(ID) مهمترین پارامتر برای کنترل انتقال شکست شکننده-سخت(brittle-tough)  آلیاژ ها است. اگر ID بیشتر از مقدار بحرانی (IDc) باشد، شکست به حالت شکست شکننده (brittle) خواهد بود اما اگر ID <IDc باشد ، رفتار شکست ، سخت (tough) خواهد بود. علاوه بر این، IDc مستقل از اندازه ذرات و کسر حجم لاستیک است و مشخصه یک ماتریس است. Borggreve [11] مخلوط های نایلون 6 و لاستیک EPDM را مطالعه کرد و دریافت که اندازه ذرات مناسب فاز پراکنده باید کوچکتر از 0.32 میکرو متر باشد. بنابراین ، طبق نظریه Wu، هرچه اندازه ذرات لاستیک کوچکتر باشد، مقاومت ضربه بیشتر خواهد بود. با این حال، در برخی موارد، مشخص کردن  ذرات ریز پراکنده (کمتر از  0.2  میکرو متر) با پراکندگی خوب در حین ترکیب مذاب آسان نیست. برای حل این مشکل، نیروی برشی قوی و افزودن برخی سازگارکننده ها ضروری است.

به تازگی، با استفاده از تابش گاما و خشک کردن با اسپری، یک سری لاستیک های پودری فوق العاده ریز از  (CSBR) ایجاد شد[12]. پودرهای لاستیکی تهیه شده با ذرات در اندازه قطر حدود 150 نانومتر را  می توان بدون نیاز به سازگارکننده و به طور یکنواخت در ماتریس نایلون با تکنیک های کلاسیک فرآیند، پراکنده کرد. علاوه بر این، لاستیک پودری فوق العاده ریز از لاتکس لاستیکِ اتصال عرضی شده به وسیله تابش گاما تولید می شود و حاوی هیچ گونه محصول سمی نیست و می توان آن را در دمای اتاق تهیه کرد،در این روش آماده سازی جدید واکنش های مربوطه را می توان به راحتی کنترل نمود. بنابراین، تهیه لاستیک پودری فوق العاده ریز در صنعت لاستیک بسیار مفید است، و لازم است که کاربردهای آن در چقرمه کردن پلیمرها مورد مطالعه قرار گیرد. در این مطالعه، پودر فوق ریز CSBR با نایلون 6 پیوند مذابی شد و خواص مکانیکی، ریخت شناسیmorphology و سازگاری این نوع آلیاژها مورد بررسی قرار گرفت.

بخش تجربی

  • مواد

نایلون 6  (UBE 1013B) با ویسکوزیته 2.7 تهیه شد. لاتکس لاستیکی استایرن بوتادین کربوکسیله   (XSBR-541)با اندازه ذرات متوسط 150 نانومتر استفاده شد و همچنین POE-g-MAH (DFDA 1373) تهیه و استفاده شد.

  • آماد سازی

پودری فوق العاده ریز CSBR  به روش توصیف شده [13،12]  تهیه شد. گرانول های نایلون 6 باید قبل از مخلوط کردن با CSBR یا POE-g-MAH در خشک کن  و خلاء در دمای 100 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت خشک شوند. مخلوط های نایلون 6 و لاستیک در اکسترودر دو پیچه (ZSK25 ) ذوب می‏گردند، سپس گرانول ها پس از اکسترود برای آماده سازی نمونه آزمایش تزریق میشوند.

  • تعیین مشخصات

ساختار شیمیایی  CSBR )به صورت  پودر ریز(  ، نایلون 6 و ترکیبات آنها با روش micro-FT-IR (Magna IR 750) بررسی می‏شود. استحکام ضربه Izod، مقاومت کششی و مقاومت خمشی (tensile and flexural strength ) به ترتیب با استاندارد هایASTM-D256،    ASTM-D638 و ASTM-D790 اندازه گیری می شوند. برای تعیین پراکندگی CSBR در ماتریس نایلون 6، مخلوط ها تحت شرایط سرمازدگی میکروتوم می‏شوند تا مقاطع فوق نازک به دست آید. سپس نمونه ها با OsO4 رنگ آمیزی شدند تا لاستیک قابل تشخیص باشد. مورفولوژی مخلوط های تغییر شکل نیافته و کششی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) مشاهده شد.

نتایج و بررسی آنها

  • مطالعه سطوح مشترک

با توجه به ساختار حاوی اتصالات عرضی لاستیک، وارد کردن آن به محلول مشکل است و از این رو، تکنیک های طیف سنجی microFTIR برای بررسی ساختار شیمیایی نمونه های جامد به شکل اصلی مورد استفاده قرار گرفت. شکل 1 طیف میکرو FT-IR ، نایلون6 خالص, CSBR  و ترکیب آنها در میزان (50/50) را  نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود، طیف IR ترکیب PA6/ CSBR (50/50) دارای قله های خاصی از نایلون 6 در (3303 ، 1641 cm-1) و CSBR در  (1701 ، 966 ، 699 cm-1)است. قله مربوط به گروه کربوکسیل  مربوط به CSBR  در 1701 cm-1 کاهش یافته و با قله های مربوط به گروه آمید (1641 cm-1) ترکیب شده است. علاوه بر این، شدت قله برای گروه ایمید (1541 cm-1) افزایش یافته است.

از شکل 1 ، همچنین مشاهده می شود که جذب مربوط به پیوند هیدروژنی (حدود 3500 cm-1) در مخلوط ها بیشتر از نایلون 6 خالص است. بنابراین، واکنش احتمالی بین نایلون 6 و ذرات CSBR را می توان به این صورت فرض کرد که  علاوه بر تعامل اسید و باز بین گروه انتهایی آمین اولیه نایلون 6 و گروه کربوکسیل CSBR، پیوند هیدروژنی نیز می تواند در سطح مشترک ایجاد شود.با توجه به این تداخلات، می توان از سازگاری خوب بین ذرات نایلون 6 و CSBR اطمینان حاصل نمود.

 

شکل 1. طیف های Micro-FTIR از پودر بسیار ریز , CSBR    نایلون خالص 6 و نایلون 6/CSBR با (50/50)

 

  • ویژگی های مکانیکی

خواص مکانیکی  آلیاژ نایلون 6/ CSBR ، نایلون 6/ POE g-MAH و نایلون 6  خالص  در جدول 1 ارائه شده است. با توجه به جدول 1، با افزایش میزان CSBR، مقاومت کششی، مقاومت خمشی و مدول خمشی کاهش یافته است، در حالی که، مقاومت ضربه Izod  و افزایش طول در شکست، افزایش یافته است. هنگامی که محتوای CSBR به 25 درصد وزنی افزایش می یابد، مقاومت ضربه Izod  15 برابر بیشتر از نایلون  6 خالص  می شود. وقتی خواص مکانیکی نایلون 6/ POE- g-MAH (80/20) با آلیاژ نایلون 6/ CSBR (80/20) مقایسه شد، به وضوح آشکار بود(طبق جدول 1) که استحکام دومی بسیار بالاتر از قبلی است. با این حال، مقاومت کششی و خمشی تقریباً یکسان است. اندازه ریزتر از CSBR نسبت به POE-g-MAH ممكن است دلیل چنين مشاهده اي باشد. در مورد لاستیک معمولی، کنترل اندازه ذرات دشوار است زیرا بستگی به شرایط فرآیند دارد. کوچکترین اندازه دامنه قابل دستیابی برای لاستیک معمولی حدود 0.2 میکرومتر است.[14] دلایل بیشتر بررسی خواهند شد.

جدول 1. خواص مکانیکی مخلوط های نایلون 6 خالص ، نایلون 6/CSBR و آلیاژ نایلون 6/POE-g-MAH

 

  • ریخت شناسی(Morphology) TEM

شکل 2 مورفولوژی TEM از آلیاژ نایلون 6/CSBR با٪ 20 درصد وزنی لاستیک را نشان می دهد. ذرات لاستیک تیره هستند و به خوبی در ماتریس نایلون 6 با  اندازه قطر حدود  150  نانومتر پراکنده شده اند. علاوه بر این ، مشاهده شد که اندازه ذرات در ماتریس، مستقل از محتوای لاستیک بود. این مطلب تأیید کرد که از تجمع ذرات لاستیک به دلیل ساختار دارای اتصالات عرضی در حین فرآیند مذاب جلوگیری شده ، که تایید کننده مشاهده دائو (Dao)  نیز می باشد [6]  .

مورفولوژی ناحیه گردن در نمونه ها نشان می دهد که فاز لاستیکی تحت تنش کششی  (tensile stress) به طور یکنواخت پراکنده شده و بسیار تغییر شکل یافته است، نسبت ابعاد (طول به قطر) ذرات L/D=13  در شکل 3 قابل مشاهده می‏باشد. این موضوع نشان می دهد که اگرچه ذرات لاستیک پیوند عرضی شده اند، اما همچنان به دلیل چسبندگی خوب در سطح مشترک بین CSBR و نایلون6 ، تغییر شکل داده و به خوبی در ماتریس توزیع شده اند. هر دو   فاز (ماتریس و فاز پراکنده) می توانند بر مقاومت در برابر ضربه این آلیاژ های پلیمری تأثیر بگذارند. هنگامی که فاز پراکنده ، الاستومری با مدول کم است، برای پراکندگی انرژی کم نیاز است و انرژی اصلی از طریق ایجاد  ترک و تنش تسلیم در ماتریس ، جذب و پراکنده شده است و این در حالی است که  انرژی بیشتری برای تغییر شکل ذرات پراکنده با مدول بالاتر مورد نیاز است.

در این مطالعه ، CSBR با استفاده از تابش گاما تهیه می شود ؛ مدول ذرات لاستیک پس از تابش افزایش می یابد ، [15] و انرژی زیادی برای تغییر شکل ذرات لاستیک جذب می شود. بنابراین، کل انرژی جذب شده در فرایند شکست مواد پلیمری شامل انرژی جذب شده  از طریق ترک خوردن، تسلیم برشی و تغییر شکل ذرات فاز پراکنده است. بنابراین، چقرمگی نایلون 6 با استفاده از پودر CSBR تابش یافته بسیار بهبود یافته است.

 

جمع بندی

لاستیک استایرنبوتادین کربوکسیله (CSBR) به شکل پودر فوق العاده ریز برای اصلاح خواص نایلون 6 قابل استفاده است.طبق داده های ذکر شده آلیاژ نایلون6/ CSBRدارای چقرمگی بالاتری نسبت به نایلون6 / مالئیک انیدرید پیوند شده با پلی اتیلن اکتن الاستومر  (POE-g-MAH) بود.  میکروگراف های TEM پراکندگی خوب ذرات CSBR با قطر 150 نانومتر را نشان دادند.

اثر چقرمگی نایلون 6 به وسیله CSBR به پراکندگی و پخش خوب، سطح مشترک خوب و برش تسلیمی خوب نسبت داده می‏شود. با افزایش میزانCSBR  در فرمولاسیون مشاهده می‏شود که: Tensile strength ، Flexural strength و Flexural Modulusکاهش یافته است، در حالی که مقاومت به ضربه Notched Izod و افزایش طول در شکست(Elongation at Break افزایش یافته است؛ به طوری که وقتی میزان CSBR در فرمول به 25 درصد وزنی افزایش می یابد، مقاومت به ضربه Notched Izod  بیش از 15 برابر این پارامتر برای نایلون 6 خالص می شود.

وقتی خواص مکانیکی نایلون6/ (80/20) POE-g-MAH  با آلیاژ نایلون6/ (85/15) CSBRمقایسه می‏گردد، به وضوح آشکار است، که مواد با فرمولاسیون حاوی  (CSBR) دارای پارامتر های خواص بالاتری و یا برابر است، البته این نکته که میزان مصرف این ماده در فرمولاسیون 5 درصد کمتر است(15 درصد CSBR در مقایسه با 20 درصد POE-g-MAH) نیز قابل توجه می‏باشد، دلیل چنین مشاهده ای می‏تواند اندازه ریزتر CSBR  نسبت به POE-g-MAH باشد که منجر به پخش و توزیع بهتر گردد. تجزیه و تحلیل TEM همچنین نشان داد که ذرات لاستیک به خوبی در ماتریس نایلون 6 پراکنده شده اند و ماتریس، تغییر شکل برشی داشته است. همچنین مشاهده شد که پودر فوق العاده ریز CSBR نایلون 6 را چندین برابر بیشتر در مقایسه باPOE-g-MAH  ضربه پذیر کرده است.

در نهایت و به عنوان نتیجه گیری اصلی می‏تون گفت که: به طور کلی داده ها نشان می دهد پودر فوق ریز CSBR یک عامل چقرمه کننده خوب و موثر برای نایلون 6 می باشد.

دیدگاه شما

 استانداردها

کلیه حقوق مادی و معنوی این وبسایت متعلق به شرکت رازین پلیمر است | 1400  |  طراحی و اجرا : آژانس تبلیغاتی هور