امروزه، بهترین جایگزین برای مواد فلزی، پلیمرها هستند. به همین علت نیاز داریم تا خواص پلیمرها، با توجه به کاربردی که در صنایع مختلف دارند؛ اصلاح و بهبود داده شود. یکی از این روش‌های بهبود اضافه کردن الیاف شیشه به مواد پلیمری است. افزودن الیاف شیشه به پلیمرها، باعث بهبود برخی از خواص مکانیکی آنها مانند استحکام میشود. در این مقاله تاثیر افزودن الیاف شیشه را بر خواص مکانیکی پلی‌پروپیلن را بررسی خواهیم کرد.
بهبود خواص پلیمرها با افزودن الیاف شیشه
امروزه پلیمرها در جای جای زندگی ما نقش دارند. کاربرد آنها با توجه به نوع و خواصشان، متفاوت است. از آنجایی که یک تغییر جزئی در پارامترهایی در حین فرآیند تولیدشان می‌تواند بر خواص پلاستیک تأثیر بگذارد، از این رو می‌توان با کنترل این پارامترها، آنها را بر اساس نیاز خود تنظیم کرد.
مواد پلیمری هر روز بیشتر از قبل جای قطعات فلزی را در صنایع مختلف، به خصوص صنعت خودروسازی می‌گیرند. بنابراین مواد تقویت‌کننده به پلیمرها اضافه می‌شوند تا خواص مکانیکی آنها را بهبود بخشند و در مقایسه با فلزات، هزینه کمتری داشته باشند.
خواص مکانیکی کامپوزیت‌های به دست آمده از پلاستیک و الیاف بسته به توزیع الیاف در ساختار، اندازه الیاف و نیروی چسبندگی الیاف-پلاستیک می‌تواند متفاوت باشد. برای ایجاد نیروی چسبندگی بالا بین پلاستیک و الیاف، الیاف با موادی که انرژی سطحی کمتری دارند، مانند سیلان(SiH4) پوشش داده می‌شوند.
مهمترین پارامترهای موثر بر خواص مکانیکی مواد کامپوزیت محتوای الیاف شیشه، مقدار و طول الیاف است. بنابراین، مطالعاتی که به بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت‌ها می‌پردازند، عمدتاً بر روی مقدار الیاف و طول الیاف تمرکز دارند. به طور کلی، الیافی با قطر 9 تا 18 میکرو‌متر و طول 3 تا 50 میلی‌متر درکامپوزیت موثر است، که دارای طولی به نام طول بحرانی باشد. طول الیاف بحرانی با رابطه زیر بدست می‌آید:
Lc = (F.r)/s
که در این رابطه F نیروی کششی، r شعاع الیاف و s، نیروی پیوند بین الیاف و پلیمر است. اگر طول الیاف کوتاه‌تر از مقدار بحرانی باشد، الیاف به دلیل نیروی کششی از جای خود بیرون کشیده میشود و این مساله خواص مکانیکی ماده را ضعیف می‌کند. از طرفی اگر طول الیاف بیشتر از مقدار بحرانی باشد، الیاف شکسته میشود. در این حالت استحکام کامپوزیت برابر با استحکام الیاف میشود.
فرآیند افزودن الیاف شیشه به پلی‌پروپیلن
فرآیند افزودن الیاف شیشه به پلی‌پروپیلن برای تغییر خواص آن به عنوان fiber reinforcement شناخته میشود. در اینجا مروری کلی بر مراحل معمولی درگیر در این فرآیند داریم.
اولین قدم، انتخاب مواد است. نوع و فرم مناسب الیاف شیشه باید با خواص مورد نظر ماده کامپوزیت نهایی مطابقت داشته باشد. الیاف شیشه دارای طول‌ها، قطرها و ترکیبات مختلفی هستند که هر کدام بر خواص کامپوزیت اثر می‌گذارند.
سپس رزین پلی پروپیلن و الیاف شیشه معمولاً با یکدیگر ترکیب می‌شوند. این مرحله شامل مخلوط کردن رزین با الیاف شیشه در نسبت‌های دقیق برای رسیدن به سطح تقویت شده مورد نظر است.
مخلوط به دست آمده معمولا تحت فرآیندهای اختلاط مذاب، مانند قالب‌گیری اکستروژن یا تزریق قرار می‌گیرد. این کار موجب پراکندگی یکنواخت الیاف شیشه در پلی‌پروپیلن میشود. مواد با استفاده از تکنیک‌هایی مانند قالب‌گیری تزریقی، قالب‌گیری فشاری یا اکستروژن به شکل یا فرم مورد نظر تبدیل می‌شوند.
با انجام این مراحل و افزودن الیاف شیشه به پلی‌پروپیلن می‌توان تغییرات قابل توجهی در خواص آن ایجاد کرد. هدف فرآیند کلی، ایجاد یک ماده کامپوزیت تقویت شده با ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و ابعادی بهبود یافته مناسب برای کاربردهای مختلف است.
افزودن الیاف شیشه چه تاثیراتی بر پلی‌پروپیلن دارد؟
هنگامی که الیاف شیشه به پلی‌پروپیلن اضافه میشود، می‌تواند چندین تغییر در خواص ماده ایجاد کند:
- افزایش استحکام و سفتی: الیاف شیشه با استحکام کششی و سختی بالا شناخته می‌شوند. هنگامی که این الیاف‌ها به PP اضافه می‌شوند، می‌توانند استحکام و سفتی کلی مواد کامپوزیت را افزایش دهند.
- پایداری ابعادی بهبود یافته: وجود الیاف شیشه در PP می‌تواند به کاهش تمایل مواد به انقباض یا انبساط با تغییرات دما کمک کند و منجر به پایداری ابعادی ماده بهتر شود.
- خواص حرارتی بهبود یافته: الیاف شیشه می‌تواند مقاومت حرارتی PP را بهبود بخشد و به مواد اجازه می‌دهد تا در برابر دماهای بالاتر، تغییر شکل ندهند و خواص مکانیکی خود را حفظ کنند.
- مقاومت در برابر ضربه: افزودن الیاف شیشه می‌تواند مقاومت PP را در برابر ضربه افزایش دهد و این ماده را در برابر نیروها یا ضربه‌های ناگهانی مقاوم‌تر کند.
- کاهش ضریب انبساط حرارتی: افزودن الیاف شیشه می‌تواند به کاهش ضریب انبساط حرارتی PP کمک کند، این ویژگی در کاربردهایی که ثبات ابعادی بسیار مهم است مفید واقع میشود.
- سطح بهبود یافته: الیاف شیشه می‌تواند به سطح صاف‌تر محصولات PP کمک کند و ظاهر و زیبایی آنها را افزایش دهند.
ادغام این الیاف در پلی‌پروپیلن می‌تواند منجر به یک ماده کامپوزیت با خواص مکانیکی، حرارتی و ابعادی پیشرفته شود که آن را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مناسب می‌کند. با این حال، توجه به این نکته مهم است که افزودن الیاف شیشه می‌تواند منجر به افزایش هزینه‌های مواد، دمای شکل‌دهی بالاتر و چالش‌هایی در دستیابی به توزیع یکنواخت الیاف شود.
تفاوت پلی‌پروپیلن خالص و پلی‌پروپیلن ادغام شده با الیاف شیشه چیست؟
هنگام مقایسه پلی‌پروپیلن خالص با پلی‌پروپیلن ترکیب شده با الیاف شیشه، چند تفاوت کلیدی قابل توجه را می‌توان مشاهده کرد.
خواص مکانیکی:
– استحکام کششی: پلی‌پروپیلن ترکیب شده با الیاف شیشه که توسط الیاف تقویت میشود معمولا در مقایسه با پلی‌پروپیلن خالص، استحکام کششی بالاتری نشان می‌دهد. جهت گیری و پراکندگی الیاف می‌تواند به طور قابل توجهی استحکام مواد را افزایش دهد.
– مدول الاستیسیته: افزودن الیاف شیشه باعث افزایش سفتی و مدول الاستیسیته پلی‌پروپیلن میشود که در مقایسه با پلی‌پروپیلن خالص، در برابر تغییر شکل سفت و مقاوم‌تر میشود.
| استحکام کششی (MPa) | پلی‌پروپیلن+درصد الیاف شیشه |
| 33 | PP خالص |
| 35 | PP + 10% GF |
| 39 | PP + 20% GF |
| 42 | PP + 30% GF |
جدول 1: مقایسه استحکام کششی بین PP خالص و PP حاوی الیاف شیشه. منبع: [3]
مقاومت در برابر ضربه:
پلی‌پروپیلن خالص معمولاً در برابر ضربه، مقاومت بهتری نسبت به کامپوزیت با الیاف شیشه از خود نشان می‌دهد. افزودن الیاف شیشه می‌تواند مواد را شکننده‌تر کند.
خواص حرارتی:
پلی‌پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه، مقاومت حرارتی بهتری نسبت به پلی‌پروپیلن خالص نشان می‌دهد. به عبارت دیگر، پلی‌پروپیلن خالص، گرما را بهتر از خود عبور می‌دهد و رسانش گرمایی بیشتر نسبت به حالتی که با الیاف شیشه مخلوط میشود، دارد.
مقاومت شیمیایی:
معمولاً پلی‌پروپیلن خالص و پلی‌پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه، مقاومت شیمیایی مشابهی دارند.
هزینه و فرآیند تولید:
هزینه تولید: پلی‌پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه به دلیل هزینه اضافی الیاف شیشه به طور کلی گرانتر از پلی‌پروپیلن خالص است.
فرآوری: پردازش پلی‌پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه ممکن است به تجهیزات و تخصص بیشتری در مقایسه با پلی‌پروپیلن خالص نیاز داشته باشد.
به طور خلاصه، افزودن الیاف شیشه به پلی‌پروپیلن می‌تواند به طور قابل توجهی خواصی مانند استحکام، سفتی و مقاومت در برابر حرارت را افزایش دهد همچنین این مساله، بر خواص دیگری مانند مقاومت ضربه و هزینه‌های پردازش نیز تأثیر گذار است. این که کدام ماده را استفاده کنیم، به کاربرد و انتظاری که از آن ماده داریم، بستگی دارد، لذا شناخت این دو و آشنایی با تفاوت‌هایشان حائز اهمیت می‌باشد.
مراجع:
[1] : B V Lingesh, B M Rudresh, B N Ravikumar – Effect of short glass fiber on mechanical properties of polyamide66 and polypropylene thermoplastic blend composites – AMME – 2014
[2] : Abdulkabir Gullu – Experimental investigation of the effect of glass fibres on the mechanical properties of polypropylene (PP) and polyamide 6 (PA6) – Mechanical Education Department, Technical Education Faculty, Gazi University – 2004
[3] : A. Abdelhaleem – Mechanical Properties of Recycled Polypropylene Mixed with Glass Fibers – Materials Science, Engineering – 2016
[4] : Marcin Małek – Influence of Polypropylene, Glass and Steel Fiber on the Thermal Properties of Concrete – 2021
