Eredmények és értékelésük
Azt vártuk, hogy a nanoszerkezetű agyagásványok hozzáadásával a
mikroszerkezet megváltozik, a gömb formájában kiváló egyik
polimerfázis finomodik, és ezáltal javulnak a mechanikai
tulajdonságok.
Az egymással nem elegyedő műanyagok, illetve a
mátrix- és a nanoanyagok közötti tapadás növekedését kémiai
kapcsolóanyag hozzáadásától reméltük. Kíváncsiak
voltunk továbbá, hogy különböző szerkezetű agyagásványok együttes
alkalmazása eredményez-e valamilyen különleges (szinergetikus) hatást.
A szakítóvizsgálat eredményei alapján
megállapítható, hogy a PEgMA-kapcsolóanyag alkalmazása egyértelműen
növelte a húzószilárdságot a kiinduló blendhez képest, önmagában és
nanoásvánnyal alkalmazva egyaránt (3. ábra).
A legnagyobb szilárdsági jellemzőt 3% PEgMA bekeverésével (13%)
értük el. A blendek adalékolása mindig növekedést eredményezett a húzó
rugalmassági modulusz értékekben is, szemben a szilárdsággal, azonban
az erőteljesebb hatást a montmorillonit mutatta. 3% MMT
hozzáadása önmagában és kapcsolóanyaggal kombinálva is közel
20%-os javulást eredményezett.
A hajlító tulajdonságokat a kapcsolóanyag alkalmazása nem, vagy csak
kismértékben javította, és kizárólag 3%-os montmorillonit-tartalom
mellett volt tapasztalható számottevő javulás (~ 20%) (4.
ábra).
Köztudott, hogy a merevség, ami arányos a
rugalmassági modulusszal, a szívóssággal, azaz a dinamikus hatásokkal
szembeni ellenálló képességgel ellentétes kapcsolatban áll. A blendek
ütvehajlító szilárdság értékei az 5. ábrán
láthatók, és a korábban ismertetett eredményekkel összevetve jól
tükrözik az említett tendenciát. Ahogy az előre
várható volt, a legnagyobb növekedést a 0,5 tömeg% kapcsolóanyag
bekeverése eredményezte (23%). 1% nanoásvány, illetve a két nanoásvány
együttes alkalmazása szintén kedvező eredményeket hozott.
A folyóképesség-vizsgálat során a kapilláris
plasztométerrel közvetlenül az MVR- (Melt Voume Rate) értéket
határoztuk meg (6. ábra), ami
megmutatja, hogy a vonatkozó szabványban előírt hőmérsékleten, és
terhelőerő hatására a szabványos mérőkészülék (kapilláris
plasztométer) kifolyónyílásán tíz perc alatt hány cm3
polimer ömledék folyik ki. A kapcsolóanyag jelentősen csökkentette a
blend folyóképességét, míg az 1%-ban alkalmazott nanoanyagok, illetve
a két nanoásvány kombinációja nem rontotta, sőt kis mértékben még
javította is a feldolgozhatóságot.
Összefoglaló megállapítások
A vizsgálatok alapján megfogalmazható legfontosabb eredmények az
alábbi pontokban összegezhetők:
• HDPE/PA6- (75/25) blendek statikus mechanikai
tulajdonságai 3t% MMT, valamint 1% PEgMA és 3%MMT hatására növekedtek
(húzó- és hajlítómodulusz egyaránt 18–20%), míg az ütvehajlító
szilárdság jelentősen csökkent.
• 0,5% PEgMA nem, vagy csak kis mértékben növelte a
szakító, illetve hajlító tulajdonságokat, viszont a dinamikus hatással
szembeni ellenállás 23%-kal javult. 1% nanoásvány alkalmazása
kapcsolóanyag nélkül is kedvezően befolyásolta az ütőhajlító
szilárdságot, míg a statikus mechanikai tulajdonságokat nem vagy csak
kis mértékben javította.
• A folyóképességet az 1%-ban bekevert nanoanyagok
külön-külön, illetve egymással kombinálva kismértékben javították, míg
az összes többi esetben kisebb értéket mértünk.
Többfalú szén nanocsővel erősített UHMWPE-kompozitok
A szakirodalom alapján elmondható, hogy a szén nanocső polimerekben
történő alkalmazására igen nagyszámú kutatást folytattak az elmúlt
évtizedekben. Az eredmények alapján megállapítható, hogy a CNT-vel
történő erősítés következtében különböző mechanikai tulajdonságok,
mint például szakítószilárdság, rugalmassági modulus, ütvehajlító
szilárdság, valamint fizikai tulajdonságok, mint például kopásállóság,
vezetőképesség kedvező irányban változtathatóak (Kanagaraj et al.,
2007; Belina – Ádámné Major, 2009). A kompozit-előállítási technikák
közül a legelterjedtebb, az ömledékkeveréses eljárás (Zhang et al.,
2011), mely megfelelő homogenitást, illetve határfelületi kapcsolatot
biztosít a keverékeknek. Vannak azonban olyan anyagok, amelyek
hőérzékenységük miatt nem alkalmasak az ömledékkeveréses előállításra,
ezekből az anyagokból valamilyen száraz keveréses eljárással lehet
kompozitot készíteni (Esawi et al., 2010). Erre is többféle megoldás
létezik (szabadeséselvű, eltoláselvű keverőlapátos, eltolás- és
repítéselvű fekvő henger keverő, centrifugális elvű nagysebességű
örvény keverő), ám ezek hatásfoka nem minden esetben kielégítő
(Czvikovszky et al., 2000). A ma divatos nanokompozitok gyártása során
biztosítani kell a homogén eloszlást, hogy elérhessük a kívánt erősítő
hatást, illetve csökkenteni kell az aggregátumképződés lehetőségét
(Campo – Visco, 2010, Mészáros et al., 2007). Ezért a hagyományos
száraz keverőgépek nem alkalmasak ezen anyagok összekeverésére, egy
újfajta módszer, a golyós malmos keverés viszont teljesítheti a
követelményeket.
Alkalmazott anyagok, előállítás és vizsgálatok
A kísérleteknél alkalmazott anyagok az alábbiak voltak:
• mátrixanyagként GUR 4120 típusú ultranagy
molekulatömegű polietilént (UHMWPE) használtuk (Ticona),
• amelyhez a Pannon Egyetem Vegyipari Műveleti
Intézeti Tsz. által gyártott többfalú szén nanocsövet (MWCNT)
adalékoltunk 0,25; 0,5 és 1 tömeg% arányban.
A blendeket háromféle módon állítottuk elő:
ömledékkeveréssel (Brabender Plasti Corder gyúrókamrával),
szobahőmérsékleten végzett kézi keveréssel, illetve golyós malomban
homogenizálva (01HD/HDDM Union Process). Az előkevert kompozitokból
170 × 170 × 4 mm-es lemezeket préseltünk Labtech LP-20B berendezéssel
220°C-on 150 bar nyomással 10 perc előmelegítéssel, 10 perc
hőntartással, majd 6 perc 80°C-os folyadékhűtéssel. A préselt lapokból
szakító és hajlító próbatesteket vágtunk ki.
A próbatesteken szakítóvizsgálatot, hárompontos
hajlítóvizsgálatot, ütvehajlító vizsgálatot végeztünk az előző
fejezetben megadott berendezéseken a vonatkozó szabványok előírásai
szerint. A koptató vizsgálatokat Taber Linear Abreser 5750 típusú
műszerrel végeztük, a kiértékelése tömegcsökkenés-méréssel, és
felületi érdesség méréssel történt.
Eredmények és értékelésük
A kísérletek során a kézi és a golyós malmos száraz keverési
eljárásokat hasonlítottuk össze a belső keverővel végzett
ömledékkeverési eljárással. A 6. ábra a szakítóvizsgálatok eredményeit
foglalja össze. Megállapítható, hogy a
nanocsőtartalom a húzószilárdságot nem befolyásolta lényegesen egyik
eljárásnál sem, a modulust azonban ömledékkeveréses esetben
szignifikánsan növelte. A száraz keveréses eljárások során kapott
közel állandó modulusértékek az aggregátképződésre utalnak, amiből az
eljárások alacsony hatásfokára lehet következtetni.
A 7. ábrán a
hárompontos hajlítóvizsgálat eredményei láthatóak. A határhajlító
szilárdság, valamint a hajlító modulus esetében is az ömledékkeveréses
eljárásnál tapasztaltunk tulajdonságjavulást, a többfalú szén nanocső
mennyiségének növelése során. A hajlító tulajdonságok változása a
kézi- és a golyós malmos keverés esetében először
csökkent, majd 1 m%-os aránynál növekedésnek indult. Ez arra utal,
hogy ezeknél a keverési eljárásoknál még nem értük el az optimális
MWCNT-tartalmat, mennyiségének növelése valószínűleg erősítő hatást
eredményezne.
Az ütvehajlító szilárdságot a MWCNT szintén ömledékkeverésnél
befolyásolta a legnagyobb mértékben, növekvő nanocsőtartalomnál az
értéke nagymértékű csökkenést mutatott (8. ábra).
A dinamikus mechanikai igénybevétellel szembeni ellenállás
változása kézi és golyós malmos keverés esetében ezeknél az
összetételi arányoknál nem mutatott egyértelmű trendet. A változások a
mérési hibahatárok tartományán belül maradtak, az átlagértékek csekély
csökkenést mutatnak.
A koptató vizsgálatok eredményeit
elemezve megállapítható, hogy az ömledékkeveréssel előállított
kompozitok koptatás utáni átlagos felületi érdessége csökken
legnagyobb mértékben a nanocsőtartalom növelésének függvényében, a
kézi és a malmos keverésű anyagoknál ez az érték kisebb mértékű
kezdeti csökkenés után növekszik. A 9. ábra
a száz koptatási ciklus utáni tömegveszteséget ábrázolja, a
nanocső-adalékolás ezt az értéket mindhárom keverési módnál
csökkentette.
Összefoglaló megállapítások
A vizsgálatok alapján megfogalmazható eredmények az alábbi pontokban
összegezhetők:
• ömledékkeverésnél a szén nanocső tartalom
függvényében nőtt a statikus igénybevétellel szembeni; csökkent a
dinamikus igénybevétellel szembeni ellenállás, ami homogénebb
nanocső-eloszlásra utal,
• homogén eloszlás esetén a szén nanocső a
molekulaláncokat jobban tördeli, ami a mikro-Brown-mozgások nagyobb
gátlását teszi lehetővé,
• a homogén eloszlás következtében továbbá a
nanocső jobban fel tudja venni a statikus terhelést is.
Konklúzió
Fenti eredményekből jól látszik, hogy a polimerek tulajdonságainak
módosítására számos lehetőség kínálkozik, kombinálhatunk különböző
polimereket, erősíthetjük a mátrixot nemcsak a hagyományos mikro-, de
nanoszerkezetű erősítőanyagokkal is, melyek kombinálása szintén számos
előnyt tartogat. A szálerősítés előnyeit azonban csak abban az esetben
tudjuk maximálisan kihasználni, ha biztosítani tudjuk az
erősítőanyagok homogén eloszlását a polimer (blend) mátrixanyagban, és
egyidejűleg a komponensek között jó kapcsolatot, megfelelő
határfelületi adhéziót sikerül kialakítani.
A kutatást a TÁMOP 4.2.1/B-9/1/KONV-2010-0003 számú pályázat
támogatta: Mobilitás és környezet: Járműipari, energetikai és
környezeti kutatások a Közép- és Nyugat-Dunántúli Régióban. A projekt
a Magyar Állam és az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális
Alap társfinanszírozásával valósul meg.
Kulcsszavak: nanokompozit, szén nanocső, montmorillonit, szepiolit,
PA6, HDPE, UHMWPE, polimer blend, extrudálás
IRODALOM
Belina K. – Ádámné Major A. (2009):
Többfalú szén nanocső tartalmú kompozitok vizsgálata. Műanyag és Gumi.
46, 231–233.
Campo, N. – Visco, A. M. (2010):
Incorporation of Carbon Nanotubes into Ultra High Molecular Weight
Polyethylene by High Energy Ball Milling. International Journal of
Polymer Analysis and Characterization. 15, 438–449.
Chow, W. S. – Mohd Ishak, Z. A. –
Karger-Kocsis J. (2005): Morphological and Rheological Properties of
Polyamide 6/Poly(propylene)/Organoclay Nanocomposites. Macro-molecular
Materials and Engineering. 290, 2, 122–127.
Cong, P. – Xiang, F. – Liu, X. – Li, T.
(2008): Effect of Crystalline Form on the Tribological Properties of
PA46/HDPE Polyblends. Wear. 265, 7–8, 1106–1113.
Csanády Á. – Hargitai H. – Konczos G.
(2009): Kompozitok-nanokompozitok II.2.1. fejezet. In: Csanády Á. –
Kálmán E. – Konczos G. (szerk.): Bevezetés a nanoszerkezetű anyagok
világába. ELTE Eötvös, Budapest
Czvikovszky T. – Nagy P. – Gaál J. (eds.)
(2000): A polimertechnika alapjai. Műegyetemi, Budapest
Elias, L. – Fenouillot, F. – Majesté, J.
C. – Cassagnau, P. (2007): Morphology and Rheology of Immiscible
Polymer Blends Filled with Silica Nanoparticles. Polymer. 48,
6029–6040.
Esawi, A. M. K. – Salem, H. G. – Hussein,
H. M. – Ramadan, A. M. (2010): Effect of Processing Technique on the
Dispersion of Carbon Nanotubes within Polypropylene Carbon
Nanotube-Composites and Its Effect on Their Mechanical Properties.
Polymer Composites. 31, 772–80.
Filippone, G. – Dintcheva, N.Tz. – La
Mantia, F. P. – Acierno D. (2010): Using Organoclay to Promote
Morphology Refinement and Co-Continuity in High-density
Polyethy-lene/Polyamide 6 Blends – Effect of Filler Content and
Polymer Matrix Composition. Polymer. 51, 3956–3965.
Gyulai J. (ed.) (2003): Nanotechnologia.
Magyar Tudomány. 9, 1076–1082.
Hargitai H. – Rácz I. (2012): Applications
of Macro- and Microfiller-Reinforced Polymer Composites. In: Sabu, T.
et al. (eds.): Polymer Composites. Vol. 1, Wiley-VCH, Weinheim,
749–791
Kanagaraj, S.– Varanda, F. R. – Zhiltsova,
T. V. – Oliveira, M. S. A. – Simoes, J. A. O. (2007): Mechanical
Properties of High Density Polyethylene/Carbon Nanotube Composites.
Composites Science and Technology. 67, 3071–3077.
Lee, M. H. – Dan, C. H. – Kim, J. H. et
al. (2006): Effect of Clay on the Morphology and Properties of
Pmma/Poly(Styrene-Co-Acrylonitrile)/Clay
Nanocomposites Prepared by Melt Mixing.
Polymer. 47, 4359–4369.
Mallick, S. – Khatua, B. B. (2011):
Morphology and Properties of Nylon6 and High Density Polyethylene
Blends in Absence and Presence of Nanoclay. Journal of Applied Polymer
Science. 121, 1, 359–368.
Mészáros L. – Ronkay F. – Oláh L. –
Dogossy G. – Czigány T. (2007): The Effect of the Extrusion
Temperature on the Mechanical Properties of MMT Filled PA6.
Eurofillers 2007 konferencia, Zalakaros
Mojzes I. – Molnár L. M. (2007):
Nanotechnologia. Műegyetemi, Budapest
Zhang, Z. – Peng, K. – Chen, Y. (2011): Mechanical Performance of
Ozone Functionalized MWCNTs/PC Nanocomposites. eXPRESS Polymer
Letters. 5, 516–525.
|