SUPERVISOR
Mahmood Masoomi
محمود معصومی (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Safaei
علی صفائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Investigation of Rheology, Morphology and Mechanical properties of Microfibrillar composites based on PP/PA6
During the last two decades, environmental concerns and a tendency towards elimination of mineral reinforcing component in polymer composites have resulted in creation of the new types of composite materials known as polymer-polymer composite. Microfibrillar composites are a kind of polymer-polymer fiber composites in which polymeric fibers create in-situ in the polymer matrix. Due to low density, easy processing, reasonable price and no need for fiber distribution in the matrix, microfibrillar composites have attracted the attention of researchers . Microfibrillar composite can be made by polypropylene and polyamide6 because these polymers are thermodynamically immiscible and there is a great difference in their melting point. In this study, Polypropylene, Polyamide6 and Polypropylene grafted with maleic anhydride (as compatibilizer) have been entered to the single screw extruder with the temperature profile 190-220-240-250 °C and 80 rpm to create fibrillar morphology; the output blends of the extruder were drawn with draw ratios 3, 5 and 8. The compression molding at 190° C and 100 bar pressure has been applied to prepare the final microfibrillar composite. The results of the rheological tests (RMS) and melt flow index indicated that the storage and loss modulus and the complex viscosity of the microfibrillar composite increased by increasing of Polyamide6 composition, but the melt flow index decreased. Moreover, by increasing the draw ratio from 3 to 5, the storage modulus, loss modulus and complex viscosity increased but the melt flow index decreased and then by increasing the draw ratio from 5 to 8, the storage modulus, loss modulus and complex viscosity decreased. In order to evaluate the effect of compatibilizer on the rheology of microfibrillar composites, RMS, melt flow index and capillary rheometer tests was conducted on samples with and without compatibilizer. The results of the tests showed that the presence of compatibilizer (PP-g-MAH) reduced the storage modulus, loss modulus and complex viscosity and increase the melt flow index. The results of mechanical tests on samples made with different draw ratios showed that by increasing the draw ratio from 3 to 5, the mechanical properties (tensile strength, young modulus and elongation at break) increased but by increasing the draw ratio from 5 to 8, the decreasing of mechanical properties was observed. By increasing Polyamide6 composition, at first the tensile strength of compatible microfibrillar composite increased but by enhancing the Polyamide6 phase due to an increase weak interface in the composite structure, this amount decreased. Applying 5wt% compatibilizer resulted in enhancement of the mechanical properties compare to incompatible samples, but by increasing the amount of PP-g-MAH to 10wt% due to weak mechanical properties of PP-g-MAH, the mechanical properties decreased. Finally, the Scanning electron microscope images showed that the presence of compatibilizer in microfibrillar composites reduce the number of undeform droplets and the diameter of microfibrils. On the other hand, by increasing the draw ratio from 3 to 5, the microfibrils’s diameter strongly decreased, but by increasing the draw ratio from 5 to 8, the microfibrils’s diameter increased. Furthermore, the images of the scanning electron microscope showed that by increasing the phase composition of Polyamide6 in microfibrillar composites, the average diameters of microfibrils will be increased. Keywords: Microfibrillar composite, polypropylene, polyamide6, PP-g-MAH
طی دو دهه ی اخیر، نگرانی های محیط زیستی و تمایل به حذف مواد معدنی از کامپوزیت ها موجب شد که گونه ی جدیدی از کامپوزیت ها موسوم به کامپوزیت پلیمر-پلیمر ساخته شود. کامپوزیت های میکروالیاف دار گونه ای از کامپوزیت های پلیمر-لیف پلیمر هستند که الیاف پلیمری به صورت درجا درون ماتریس پلیمری ایجاد می شود. کامپوزیت های میکروالیاف دار به علت دانسیته پایین، فرآیند پذیری آسان، قیمت مناسب و عدم نیاز به پراکنش لیف در ماتریس توجه پژوهشگران را بسیار جلب نموده اند. با توجه به امتزاج ناپذیر بودن آمیخته پلی آمید6 و پلی پروپیلن و تفاوت زیاد در نقطه ذوب ، می توان از این دو پلیمر برای ساخت کامپوزیت میکروالیاف دار استفاده نمود. در این پژوهش ابتدا پلی پروپیلن، پلی آمید6 و پلی پروپیلن پیوندی با مالئیک انیدرید (سازگارکننده) توسط اکسترودر تک مارپیچ با دور rpm 80 و پروفیل دمایی 190-220-240-250 درجه سانتی گراد مخلوط شدند. به منظور ایجاد مورفولوژی لیفی، آمیخته های خروجی از اکسترودر با نسبت های کشش 3، 5 و 8 کشیده شدند. جهت تهیه کامپوزیت میکروالیاف دار نهایی از قالب گیری فشاری در دمای 190 درجه سانتی گراد با فشار 100 بار استفاده شد. نتایج حاصل از آزمون های رئولوژیکی RMS و شاخص جریان مذاب نشان داد که با افزایش ترکیب درصد پلی آمید6، مدول ذخیره، مدول اتلاف و ویسکوزیته کمپلکس کامپوزیت های میکروالیاف دار افزایش یافت و شاخص جریان مذاب با افزایش ترکیب درصد پلی آمید6 کاهش یافت. با افزایش نسبت کشش از 3 به 5 شاهد افزایش مدول ذخیره، مدول اتلاف و ویسکوزیته کمپلکس و کاهش شاخص جریان مذاب و سپس با افزایش نسبت کشش از 5 به 8 مدول ذخیره، مدول اتلاف و ویسکوزیته کمپلکس کاهش یافت. به منظور بررسی تاثیر سازگارکننده بر رئولوژی کامپوزیت های میکروالیاف دار، آزمون های RMS، شاخص جریان مذاب و رئومتر لوله مویین روی نمونه های حاوی سازگارکننده و فاقد سازگارکننده انجام گرفت. نتایج حاصل از آزمون های انجام گرفته حاکی از آن دارد که حضور سازگارکننده موجب کاهش مدول ذخیره، مدول اتلاف و ویسکوزیته کمپلکس و افزایش میزان شاخص جریان مذاب می شود. نتایج آزمون های مکانیکی روی نمونه های ساخته شده با نسبت های کشش مختلف نشان داد که با افزایش نسبت کشش از 3 به 5 خواص مکانیکی (استحکام کششی، مدول یانگ و کرنش در شکست) افزایش می یابد اما با افزایش نسبت کشش از 5 به 8 کاهش در خواص مکانیکی مشاهده شد.با افزایش ترکیب درصد فاز پلی آمید استحکام کششی کامپوزیت های میکروالیاف دار سازگارشده ابتدا افزایش یافته اما با بیش تر شدن فاز پلی آمید به دلیل افزایش فصل مشترک ضعیف در ساختار کامپوزیت کاهش می یابد. استفاده از 5% وزنی سازگارکننده موجب افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت ها نسبت به نمونه های ناسازگار گردید اما با افزایش میزان سازگارکننده به 10% وزنی به دلیل خواص مکانیکی ضعیف پلی پروپیلن پیوندی با مالئیک انیدرید خواص مکانیکی کاهش یافت. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که حضور سازگارکننده در کامپوزیت های میکروالیاف دار موجب کاهش تعداد قطره های تغییر شکل نیافته شده و همچنین قطر میکروالیاف ها در حضور سازگارکننده کاهش می یابد. با افزایش نسبت کشش از 3 به 5 قطر میکروالیاف ها به شدت کم شده اما با افزایش نسبت کشش به 8 قطر میکروالیاف ها نسبت به کشش 5 افزایش یافت. همچنین تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که با افزایش ترکیب درصد فاز پلی آمید6 در کامپوزیت ها، میانگین قطر میکروالیاف ها افزایش می یابد. کلمات کلیدی: کامپوزیت های میکروالیاف دار؛ پلی پروپیلن، پلی آمید6، پلی پروپیلن پیوندی با مالئیک انیدرید