-
Subject Areas :Keywords: -,
Abstract :
-
1. Chiang W.Y. and Huang C.Y., The Effect of the Soft Segment of Polyurethane on Copolymer‐type polyacetal/polyurethane Blends, Journal of Applied Polymer Science, 38, 951-968, 1989.
2. Palanivelu K., S. Balakrishnan, and P. Rengasamy, Thermoplastic Polyurethane Toughened Polyacetal Blends, Polymer testing, 19, 1, 75-83, 2000.
3. Uthaman R.N., Pandurangan A., and MajeedV S.A., Mechanical, Thermal, and Morphological Characteristics of Compatibilized and Dynamically Vulcanized Polyoxymethylene/ethylene Propylene Diene Terpolymer Blends, Polymer Engineering & Science, 47, 934-942, 2007.
4. Pielichowski K. and Leszczynska V., Structure-property Relationships in Polyoxymethylene/thermoplastic Polyurethane Elastomer Blends, Journal of Polymer Engineering, 25, 359-373,2005.
5. Mehrabzadeh M. and Rezaie D., Impact Modification of Polyacetal by Thermoplastic Elastomer Polyurethane, Journal of Applied Polymer Science, 84, 2573-2582, 2002.
6. Gao X., Qu C., and Fu Q., Toughening Mechanism in Polyoxymethylene/thermoplastic Polyurethane Blends, Polymer International, 53, 1666-1671, 2004.
7. He M., Zhang D., Guo J., Mechanical, Thermal, and Dynamic Mechanical Properties of Long Glass Fiber‐reinforced Thermoplastic Polyurethane/polyoxymethylene Composites, Polymer Composites, 35, 2067-2073, 2014.
8. Mohsenzadeh R., Majidi H., Soltanzadeh M., Wear and failure of polyoxymethylene/calcium carbonate nanocomposite gears, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 234, 811-820, 2019.
9. mohsenzadeh R. and Shelesh-Nezhad K., Experimental Studies on the Durability of PA6-PP-CaCO3 Nanocomposite Gears, Journal of Science and Technology of Composites, 3, 147-156, 2016.
10. Sahebian S., Zebarjad S., and Sajjadi S., The Effect of Temperature and Nano-sized Calcium Carbonate on Tensile Properties of Medium Density Polyethylene; Polymer Science and Technology, 21, 133-140, 2008.
11. Bhattacharya S., Kamal M., and Gupta R., Polymeric Nanocomposites: Theory and Practice. Munich, Germany: Hanser. 383. 2008.
12. Kong X., Chakravarthula S., and Qiao Y., Evolution of Collective Damage in a Polyamide 6–silicate Nanocomposite, International Journal of Solids and Structures, 43, 5969-5980, 2006.
13. Leszczyńska A. and Pielichowski K., The Mechanical and Thermal Properties of Polyoxymethylene (POM)/organically Modified Montmorillonite (OMMT) Engineering Nanocomposites Modified with Thermoplastic Polyurethane (TPU) Compatibilizer, Materials Science Forum. 2012. Trans Tech Publ.
14. Soudmand B. and Shelesh-Nezhad K., Failure and Wear Analysis of Poly (Butylene Terephthalate) Nanocomposite Spur gears, Tribology International, 151, 106439, 2020.
15. Mohsenzadeh R., Majidi H., Soltanzadeh M., Wear and failure of polyoxymethylene/calcium carbonate nanocomposite gears, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2019. doi.org/10.1177/1350650119867530
16. Soudmand B., Shelesh-Nezhad B., and Hassanifard S., Toughness Evaluation of Poly (Butylene Terephthalate) Nanocomposites, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 108, 102662, 2020.
17. Khezri J., S. Rash‐Ahmadi, and J. Alizadeh Kaklar, Effect of the interphase properties on the fracture energy and fatigue behavior of thermoset resins containing spherical fillers, Journal of Applied Polymer Science, 51293, 2021.
18. Liendo F., et al., Nucleation and growth kinetics of CaCO3 crystals in the presence of foreign monovalent ions, Journal of Crystal Growth, 578, 126406, 2022.
19. Al-Samhan M., et al., The Influence of Nano CaCO3 on Nucleation and Interface of PP Nano Composite: Matrix Processability and Impact Resistance, Polymers, 13, 9, 1389, 2021.
20. Gao X., et al., Brittle‐ductile transition and toughening mechanism in POM/TPU/CaCO3 ternary composites, Macromolecular Materials and Engineering, 289, 1, 41-48, 2004.
تقويت آميخته پلياستال-ترموپلاستيک پلي‌يورتان براي استفاده در براکت سپر
رسول محسن‌زاده*
*گروه مهندسي مکانيک، دانشگاه فنيوحرفهاي، تهران، ايران.
چکيده
پلياستال، پلاستيک مورد استفاده براي ساخت براکت سپر است. ازآنجاييکه پلياستال در گروه پلاستيکهاي مهندسي قرار ميگيرد و تمامي گريدهاي آن در توليد قطعات حساس بخشهاي مختلف صنعتي به مصرف ميرسند، مقاومت به ضربه يکي از مهمترين خواص مورد انتظار از پلياستالها است. پلياستال با توجه به ريزساختار بلوری و همچنين نوع بافت بلوری خود، در برابر ضربه عملکرد ضعيفي از خود نشان ميدهد. وضعيت وقتي نگران کنندهتر ميشود که بدانيم پلياستال در گروه پلاستيکهاي حساس به شکاف (Notched) نيز قرار دارند و چنانچه در زمان توليد يا کاربري، شکافي در قطعه ايجاد شود، مقاومت به ضربه آن نسبت به نمونه بدون شکاف کمتر ميشود. با توجه به اينکه براکت سپر در معرض ضربه قرار دارد، بنابراين چنانچه جنس اين قطعه از نظر چقرمگي بهبود يابد، باعث کاهش آسيب جلوبندي خودرو در تصادفات خواهد شد. از جمله راهکار افزايش چقرمگي پلياستال، آميختهسازي با لاستیک است. ترموپلاستيک پلي‌يورتان (TPU) بهدليل سازگاري مناسب با پلياستال، کاربرد بيشتري در آميختهسازي با پلياستال و افزايش چقرمگي آن دارد. بااينحال، افزودن TPU در زمينه پلياستال منجر به کاهش استحکام ميشود. بنابراین، براي بهبود همزمان استحکام و چقرمگي، از تقويتکننده‌ها استفاده شده است. تقويتکننده‌هاي استفادهشده در آميخته POM-TPU، شامل الياف شيشه و همچنين نانوذرات همچون نانوذرات خاک رس و نانوذرات کربناتکلسيم است.
کليدواژه: براکت سپر، پلياستال، ترموپلاستيک پلي‌يورتان، چقرمگي
پست الکترونيک مسئول مکاتبات: * r_mohsenzadeh@tvu.ac.ir
1 مقدمه
درک اوليه پاسخ ماده به بارگذاري استاتيک و چرخه‌اي در پيش‌بيني رفتار آن براي طيف گسترده‌اي از کاربردهاي مهندسي ضروري است. آزمايش‌هاي کششي، ضربه و خستگي علاوه بر اینکه داده‌هاي تحليلي در اختيار قرار مي‌دهند، نشان‌دهنده شکننده بودن مواد نیز هستند. شرايط جايگزين رفتار چقرمگی يا شکنندهبودن توسط ترکيب و مورفولوژي ماده قابل کنترل است. در مواد پليمري، مورفولوژي با گويچه‌هاي درشت و پيوند‌هاي عرضي از تسليم پليمر جلوگيري کرده و رفتار ماده را شکننده مي‌کنند. در مقابل، افزودن ذرات لاستيکي بهعنوان فاز دوم، دماي کاري بالا، نرخ کرنش کم، و حالت تنش دو محوري (به جاي سه محوري)، انرژي کرنش اعمالشده را پخش کرده و رفتار ماده را شکننده‌تر مي‌کند. پليمرهاي شکل‌پذير کمتر در معرض واماندگي ناگهاني هستند، بااينحال، داراي استحکام پايين‌تري هستند.
براکت سپر، قطعه‌اي از جنس پلياستال است که بدنه خودرو را به قسمت جلوبندي خودرو مرتبط مي‌سازد. براکت سپر با ايجاد فاصله ميان سپر و بدنه خوردو، منجر به کاهش آسيب بدنه در صورت تصادفهاي سطحي ميشود. افزايش چقرمگي براکت باعث افزايش عمر اين قطعه شده و همچنين از آسيب به جلوبندي در حد زيادي مي‌کاهد.
پلياستال (POM) از انواع مواد ترموپلاستيک با ساختار بلوري است که بهطور وسيعي در توليد سپر استفاده ميشود. اين پليمر داراي سفتي، استحکام، مقاومت خزشي و مقاومت حرارتي نسبتاً خوب در مقايسه با ساير پليمرها بوده و در گروه پليمرهاي مهندسي قرار دارد. با اين وجود، استحکام ضربه شکاف‌دار نسبتاً پايين و حساسيت به اشعه UV، ضعف‌هاي عمده پلياستال بوده و اغلب محدوديت هاي زيادي براي کاربردهاي اين پليمر ايجاد مي‌کند.
افزايش مقاومت به ضربهپذيري پلياستال براي کاربردهايي که در معرض بارهاي ناگهاني قرار دارند همچون براکت سپر خودرو، از جمله چالش‌هاي صنعتگران است که در ادامه مروري بر پژوهش‌هاي انجام گرفته در اين راستا خواهيم کرد.
2 آميخته پلياستال-ترموپلاستيک
1-2 بدون تقويتکننده
استحکام ضربه‌اي پلياستال را مي‌توان با ادغام فاز دیگری با مدول کمتر مثل لاستیک در فاز زمينه بهبود بخشيد. اين جزء با مدول پايين بايد بهخوبي در فاز زمينه پلياستال پخش شود تا در حين اعمال بار بهعنوان عامل تمرکز تنش عمل کرده و با جذب و استهلاک انرژي از گسترش ترک بکاهد. از بين الاستومرهاي مورد استفاده براي اختلاط با پلياستال، گرمانرم پلي‌يورتان (TPU) بهترين عامل افزايش چقرمگي بوده و بهدليل سازگاري خوب با پلياستال مي‌تواند همزمان باعث افزايش طول و پايداري حرارتي پلياستال شود [1-4]. اين نتيجه احتمالاً بهدليل تشکيل پیوند هيدروژني بين گروه‌هاي پلياستال و TPU است که منجر به سازگاري مناسب بين اين دو پليمر شده است [5]. در اين راستا طي تحقيقاتي که روي خواص مختلف آميخته POM-TPU انجام گرفته است، نتايج مختلفي حاصل شده است. بهطوريکه، گا و همکاران [6]، براي سازگاري بيشتر آميخته POM-TPU، از سازگارکننده SEBS-graft-MA استفاده کردند. آنها با افزودن تا 40 درصد وزني از TPU به زمينه پليمري POM توانستند به ساختاري با گويچه‌هاي ريزتر دست يابند. علاوه‌براين، افزودن سازگارکننده منجر به ساختار هرچه ريزتر نيز شد. شکل 1 ساختار آميخته‌هاي مختلف POM-TPU بهکار گرفته شده در پژوهش آنها را نشان میدهد.
| (الف) |
| (ب) |
(1) |
| (1) |
|
(2) |
| (2) |
|
(3) |
| (3) |
|
(4) |
| (4) |
|
شکل 1 تصاویر میکروسکوپی آميخته‌هاي POM-TPU. الف: بدون سازگارکننده (1) 10/90، (2) 15/85، (3) 30/70 و (4) 40/60 و ب: با سازگارکننده (1) 10/90، (2) 15/85، (3) 30/70 و (4) 40/60 [6].
محراب‌زاده و همکاران [5]، با افزودن تا 15 درصد TPU به پليمر زمينه POM، افزايش مقاومت ضربه‌اي تا حدود 377 درصد را مشاهده کردند. بهطوريکه با افزايش بيشتر TPU، چقرمگي کاهش يافت (شکل 2). علاوه‌براين، آنها بيشترين مقدار افزايش طول تا نقطه پارگي را براي آميخته (POM-TPU) 30/70 مشاهده کردند. ضمن آنکه مدول الاستيک و استحکام با افزودن TPU کاهش پيدا کرد. افزون‌براين، آنها با اندازه‌گيري خواص ديناميکي-مکانيکي، دريافتند که با افزودن TPU، مدول ذخيره و بلورينگي کاهش و مدول اتلاف افزايش مي‌يابد.
شکل 2 اثر افزودن TPU بر چقرمگي POM [5].
2-2 تقويتکننده ميکروني
برخي ديگر از پژوهشگران براي افزايش استحکام و مدول آميخته POM-TPU، از تقويتکننده‌ها استفاده کرده‌اند. هي و همکاران [7]، براي تقويت مکانيکي آميخته POM-TPU، از تقويتکننده‌هاي الياف بلند استفاده کردند. آنها آميخته‌هاي مبتني بر زمينه POM-TPU و تقويتکننده شيشه طول بلند را با استفاده از دستگاه مخصوص که خودشان طراحي کرده بودند، تهيه کردند. فرايند آميختهسازي و گویچه نهايي براي تهيه نمونه‌ها در شکل 3 و 4 نشان داده شده است. آنها خواص ديناميکي-مکانيکي نمونه‌هاي کامپوزيتي را بررسي کردند. نتايج نشان داد که مدول ذخيره و دماي انتقال شيشه‌اي کامپوزيت‌ها با افزايش تقويتکننده الياف شيشه افزايش يافت. علاوه‌براين مدول اتلاف با افزودن الياف شيشه کاهش يافت. افزايش فرکانس نيز بر مدول ذخيره اثر افزايشي داشت.
شکل 3 فرايند آميختهسازي POM-TPU-LGF [7].
شکل 4 گویچه حاصل از آميختهسازي [7].
3-2 تقويتکننده نانو
در سال‌هاي اخير، نانو کامپوزيت‌هاي پليمري، بهدليل برخورداري از خواص بهبوديافته خود نسبت به پليمرهاي خالص، مورد توجه بسياري از پژوهشگران و صنعتگران قرار گرفته‌اند [8]. نانوذرات معدني در مقايسه با ذرات معدني ميکروني داراي سطح ويژه بسيار زياد‌تری است و بهکارگيري آن در زمينههاي پليمري باعث بهبود سفتي، خواص ضربه‌اي و مقاومت به سايش ميشود [9]. به ويژه هنگامي که ذرات بهطور يکنواخت در بستر پليمري پراکنده شوند، بهبوديافتگي خواص به حداکثر خود خواهد رسيد [10]. افزودن نانوذرات پرکننده در پليمرهاي نيمهبلوري سبب افزايش جوانه‌هاي بلوري در هنگام انجماد شده، و از اين رو علاوه بر کوچکترشدن اندازه‌ي دانه‌هاي بلوري، موجب افزايش بلورينگي و بهبود يکنواختي در زمينه پليمري ميشود [11, 12].
آقنيزکا و همکاران [13]، از نانوذرات خاک رس براي تقويت مکانيکي و حرارتي آميخته POM-TPU استفاده کردند. نتايج نشان داد، افزودن نانوذرات خاک رس (MMT) منجر به افزايش مقاومت حرارتي شد. علاوه‌براين، نانوذرات خاک رس تا 1 درصد وزني باعث بهبود چقرمگي آميخته شد و در مقادير بيشتر از 1 درصد وزني، مقاومت ضربه‌اي آميخته را کاهش داد. شکل 5 رفتار چقرمگي نانوکامپوزيت POM-TPU-MMT را نشان ميدهد.
شکل 5 رفتار چقرمگي آميختهPOM-TPU-MMT [13].
برخي ديگر از پژوهشگران، با توجه به شکل کروي نانوکربناتکلسيم، اثر آن را بر خواص مکانيکي و حرارتي نانوکامپوزيت‌هاي پليمري مورد آزمايش قراد داده‌اند. بهکارگيري نانوذراتي با ساختاري همسانگرد، مثل نانوکربناتکلسيم که داراي ساختاري شبهکروي است، احتمالاً مي‌تواند باعث بهبود مقاومت زمينه پليمر شود. از مزاياي بهکارگيري نانوذرات کربناتکلسيم در زمينه پليمري به مواردي چون روانکاري و بهبود خواص سايشي [14-16]، پخش انرژي ضربه [17] و خاصيت جوانه‌زني [18, 19] مي‌توان اشاره کرد. اين‌ها مواردي هستند که بهطور مستقيم بر دوام مواد پليمري اثر مي‌گذارند. گا و همکاران [20]، براي دستيابي به افزايش همزمان چقرمگي و استحکام زمينه پليمري پلياستال، از لاستیک TPU و نانوذرات کلسيمکربنات استفاده کردند. آنها براي آميختهسازي از روش دومرحله‌اي استفاده کردند. بدين صورت که ابتدا نانوذرات کلسيمکربنات و TPU آميخته شدند و سپس کامپوزيت حاصل با پلياستال بهصورت ذوبي آميخته شد. در اين حالت نانوذرات آميخته شده با پلياستال از پوشش TPU برخوردار است. آنها، علاوه‌بر حضور TPU و ذرات کلسيمکربنات، اثر اندازه ذرات کلسيمکربنات در مقاومت ضربه‌اي آميخته POM-TPU بررسي کردند. نتايج نشان داد، افزودن TPU در زمينه POM، چقرمگي را افزايش داد (شکل 6). علاوه‌براين، افزودن نانوذرات کلسيمکربنات تا 3 درصد وزني، منجر به افزايش چقرمگي شد (شکل 7). آنها با بررسي تأثير اندازه نانوذرات کلسيمکربنات در چقرمگي آميخته POM-TPU، دريافتند که نانوذرات با اندازه کمتر اثر افزايشي بر مقاومت ضربه‌اي دارد. شکل 8، رفتار چقرمگي نانوکامپوزيت سه-فازي POM-TPU-CcCO3، را در سه اندازه نانوذرات کلسيمکربنات نشان ميدهد.
شکل 6 اثر افزودن TPU بر رفتار چقرمگي آميختهPOM-TPU [20].
شکل 5 اثر درصد وزني نانوذرات کلسيمکربنات بر چقرمگي آميختهPOM-TPU-nano CaCO3 [20].
شکل 8 اثر اندازه نانوذرات کلسيمکربنات بر رفتار چقرمگي آميخته POM-TPU-nano CaCO3 [20].
3 نتيجهگيري
براکت سپر از جنس پلياستال است که ميان سپر خودرو و بدنه آن قرار ميگيرد. وظيفه اصلي براکت اين است که با وصل شدن به بدنه خودرو علاوه بر ايجاد فاصله ميان سپر و بدنه (در صورت تصادفهاي سطحي نميگذارد آسيبي به بدنه وارد شود) وظيفه نگهداري و تحمل وزن سپر را نيز بر عهده دارد و اجازه نميدهد که وزن سپر مستقيماً روي بدنه باشد. TPU از جمله مواد پليمري مهندسي است که براي افزايش چقرمگي به پلياستال و ديگر مواد مهندسي افزوده ميشود. براي افزايش همزمان چقرمگي و استحکام کامپوزيت، در کنار TPU، مي‌توان از تقويتکننده استفاده کرد. الياف شيشه و نانوذرات خاک رس و نانوذرات کلسيمکربنات از جمله تقويتکننده‌ها هستند که جهت حصول اين امر به آميخته POM-TPU اضافه شدهاند.
1. Chiang W.Y. and C.Y. Huang, The effect of the soft segment of polyurethane on copolymer‐type polyacetal/polyurethane blends, Journal of applied polymer science, 38, 5, 951-968, 1989.
2. Palanivelu K., S. Balakrishnan, and P. Rengasamy, Thermoplastic polyurethane toughened polyacetal blends, Polymer testing, 19, 1, 75-83, 2000.
3. Uthaman R.N., A. Pandurangan, and S.A. Majeed, Mechanical, thermal, and morphological characteristics of compatibilized and dynamically vulcanized polyoxymethylene/ethylene propylene diene terpolymer blends, Polymer Engineering & Science, 47, 6, 934-942, 2007.
4. Pielichowski K. and A. Leszczynska, Structure-property relationships in polyoxymethylene/thermoplastic polyurethane elastomer blends, Journal of polymer engineering, 25, 4, 359-373,2005.
5. Mehrabzadeh M. and D. Rezaie, Impact modification of polyacetal by thermoplastic elastomer polyurethane, Journal of applied polymer science, 84, 14, 2573-2582, 2002.
6. Gao X., C. Qu, and Q. Fu, Toughening mechanism in polyoxymethylene/thermoplastic polyurethane blends, Polymer international, 53, 11, 1666-1671, 2004.
7. He M., et al., Mechanical, thermal, and dynamic mechanical properties of long glass fiber‐reinforced thermoplastic polyurethane/polyoxymethylene composites, Polymer Composites, 35, 10, 2067-2073, 2014.
8. Mohsenzadeh R., et al., Wear and failure of polyoxymethylene/calcium carbonate nanocomposite gears, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 234, 6, 811-820., 2019.
9. mohsenzadeh R. and K. Shelesh-Nezhad, Experimental studies on the durability of PA6-PP-CaCO3 nanocomposite gears, Journal of Science and Technology of Composites, 3, 2, 147-156, 2016.
10. Sahebian S., S. Zebarjad, and S. Sajjadi, The effect of temperature and nano-sized calcium carbonate on tensile properties of medium density polyethylene; Asare dama va nanozarat karbonat kalsium bar khavase kesheshi polietilene ba chegali-e motavaset, Polymer Science and Technology, 21, 2, 133-140, 2008.
11. Bhattacharya S., M. Kamal, and R. Gupta, Polymeric nanocomposites: theory and practice. Munich, Germany: Hanser. Vol. 383. 2008.
12. Kong X., S. Chakravarthula, and Y. Qiao, Evolution of collective damage in a polyamide 6–silicate nanocomposite, International Journal of Solids and Structures, 43, 20, 5969-5980, 2006.
13. Leszczyńska A. and K. Pielichowski. The mechanical and thermal properties of polyoxymethylene (POM)/organically modified montmorillonite (OMMT) engineering nanocomposites modified with thermoplastic polyurethane (TPU) compatibilizer. in Materials Science Forum. 2012. Trans Tech Publ.
14. Soudmand B. and K. Shelesh-Nezhad, Failure and wear analysis of poly (butylene terephthalate) nanocomposite spur gears, Tribology International, 151, 106439, 2020.
15. Mohsenzadeh R., et al., Wear and failure of polyoxymethylene/calcium carbonate nanocomposite gears, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 1350650119867530, 2019.
16. Soudmand B., K. Shelesh-Nezhad, and S. Hassanifard, Toughness evaluation of poly (butylene terephthalate) nanocomposites, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 108, 102662, 2020.
17. Khezri J., S. Rash‐Ahmadi, and J. Alizadeh Kaklar, Effect of the interphase properties on the fracture energy and fatigue behavior of thermoset resins containing spherical fillers, Journal of Applied Polymer Science, 51293, 2021.
18. Liendo F., et al., Nucleation and growth kinetics of CaCO3 crystals in the presence of foreign monovalent ions, Journal of Crystal Growth, 578, 126406, 2022.
19. Al-Samhan M., et al., The Influence of Nano CaCO3 on Nucleation and Interface of PP Nano Composite: Matrix Processability and Impact Resistance, Polymers, 13, 9, 1389, 2021.
20. Gao X., et al., Brittle‐ductile transition and toughening mechanism in POM/TPU/CaCO3 ternary composites, Macromolecular Materials and Engineering, 289, 1, 41-48, 2004.
