SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM Anyagtudományi és Technológiai Tanszék
Polimer nanokompozit blendek mechanikai és termikus tulajdonságai Dr. Hargitai Hajnalka, Ibriksz Tamás
„Mojzes Imre” Nano Törzsasztal 2013. Február 28.
1
Bevezetés 1. Polimer blend: két vagy több műanyag ötvözése kémiai szintézis nélkül, költségkímélő módon igényre szabott tulajdonságok PA6 és a HDPE: elterjedt műszaki alapanyagok (csomagoló- és autóipar) Jó feldolgozhatóság nagyfokú gázzáró képesség kedvező mechanikai tulajdonságok 2
Bevezetés 2. PA6/HDPE: PA6 kiváló termo-mechanikai tulajdonságait polietilén könnyebb feldolgozhatósága, a dinamikus hatásokkal szembeni jó ellenálló képesség és alacsonyabb ár. +MAH
KÉMIAI INKOMPATIBILITÁS 3
Bevezetés 3. Polimer nanokompozit (CNT, MMT) Montmorillonit agyagásvány: mechanikai tulajdonságok növekedése, vagy pl. a barrier (labirintus) hatás következtében javulhat a gázzáró képesség és a hőállóság.
4
Célkitűzés PA6/HDPE blendek előállítása, tulajdonságainak, elsősorban a mechanikai jellemzők, módosítása, javítása: 1. Kémiai kapcsolóanyag, illetve nanorészecskék alkalmazása, kombinálása; 2. Montmorillonit mechanikai őrlésének hatása.
5
Alapanyagok Mátrix anyagok: • •
PA6 HVF (A. Schulman), HDPE: TIPELIN 6000B (TVK) (MFR 5 kg 190°C: 1,30 g/10 perc).
Kompatibilizálószer: •
Polybond 3009 (Chemtura 1tömeg% PEgMA (Mw=186000).
Corp.)
Nanorészecskék • Cloisite 20 A, Cloisite 93 A
Southern Clay Products (organofilizált montmorillonit, réteges szerkezetű szilikát) (MMT)
SEP 6
Előállítás Kompozitgyártás Labtech ikercsigás laboratóriumi extruderben, az alapanyagok megfelelő előszárítása után. Zónahőmérsékletek: 75t% HDPE /25t% PA6: 180-240 C
A próbatesteket előállítása fröccsöntéssel az MSZ EN ISO 527-2 szabványnak megfelelő méretben (Engel ES 200H/80V/50HL-2F-2K). 7
Vizsgálatok Szabványos vizsgálatok • Szakítóvizsgálat • Hárompontos hajlítóvizsgálat • Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat • Folyóképesség mérés • DSC • SEM
8
Mechanikai őrlés montmorillonit nanorétegek szétválasztása hatékonyabb elkeverés a polimer mátrixban
MMT
ATTRITOR Magas fordulatszám Nagy energia bevitel Nagy mennyiség őrlése 9
Mechanikai Őrlés Union Process attritor UP-HD/HDDM-01 őrlőtégely: 1400 cm3 keverőszár sebessége: 420 rpm
Jelölés M (1) M (2) M (3) M C93A (1) M C93A (2)
MMT
Őrlési idő [min] 15
Cloisite 20A
Cloisite 93A
3x10 12x10 10 3x10 10
Összetétel jelölés 1 2 3 4 5 6 7 8
név Blend 1 K_3 M(1) 1 K_3 M(2) 1 K_3 M(3) 1 K_1 M (C93A) 1 K_3 M (C93A) 1 K_3 M C93A(1) 1 K_3 M C93A(2)
PEgMA* [t%] 1 1 1 1 1 1 1
MMT* [t%] 3 3 3 1 3 3 3
PA6/HDPE 25/75 TÖMEG%
*: a mátrixanyagra vonatkoztatott tömeg
11
SZAKÍTÓVIZSGÁLAT (MSZ EN ISO 527) (1 mm/perc, 50 mm/perc) Húzó rugalmassági modulusz [MPa] +5% (24%)
(18%)
0% (12%)
+7%
600
15
400
10
200
5
0
0
K: PEgMA M: MMT
1 K_1 M C93A 1 K_3 M C93A 1 K_3 M C93A(1) 1 K_3 M C93A(2)
20
1 K_3 M(1) 1 K_3 M(2) 1 K_3 M(3)
800
1 K_1 M C93A 1 K_3 M C93A 1 K_3 M C93A(1) 1 K_3 M C93A(2)
25
1 K_3 M(1) 1 K_3 M(2) 1 K_3 M(3)
1000
1 K_1 M 1 K_3 M
30
Blend 1M 3M
+2%
35
1200
K: PEgMA M: MMT
+7% +6% (20%)
1 K_1 M 1 K_3 M
1400
+7% (26%)
Blend 1M 3M
Referencia: 0%
Húzószilárdság [MPa]
12
HÁROMPONTOS HAJLÍTÓVIZSGÁLAT (MSZ EN ISO 178) (2 mm/perc) Határhajlító feszültség [MPa]
Hajlító rugalmassági modulusz [MPa] +12% (33%)
+5% (24%)
+11% (32%)
+18% (34%)
1400
30
1200
25
1000
+10% (25%)
+18% (34%)
20
800
K: PEgMA M: MMT
1 K_1 M C93A 1 K_3 M C93A 1 K_3 M C93A(1) 1 K_3 M C93A(2)
K: PEgMA M: MMT
1 K_3 M(1) 1 K_3 M(2) 1 K_3 M(3)
0
1 K_1 M 1 K_3 M
0
1 K_1 M C93A 1 K_3 M C93A 1 K_3 M C93A(1) 1 K_3 M C93A(2)
5
1 K_3 M(1) 1 K_3 M(2) 1 K_3 M(3)
200
1 K_1 M 1 K_3 M
10
Blend 1M 3M
400
Blend 1M 3M
15
600
13
CHARPY-FÉLE ÜTVE-HAJLÍTÓ VIZSGÁLAT (MSZ EN ISO 179)
1 K_3 M C93A(2)
1 K_3 M C93A(1)
1 K_3 M C93A
1 K_3 M(3)
1 K_3 M(2)
1 K_3 M(1)
1 K_3 M
1 K_1 M C93A
K: PEgMA M: MMT
1 K_1 M
3M
1M
14 12 10 8 6 4 2 0
Blend
Ütve-hajlító szilárdság [kJ/m2]
14
1 K_3 M(1) 1 K_3 M(2) 1 K_3 M(3)
40
1 K_1 M C93A 1 K_3 M C93A 1 K_3 M C93A(1) 1 K_3 M C93A(2)
K: PEgMA M: MMT 1 K_1 M 1 K_3 M
Blend 1M 3M
FOLYÓKÉPESSÉG VIZSGÁLAT (240C, 10 kg)
MVR [cm3/10 perc]
50
+12% +11%
30
20
10
0
15
SEM vizsgálat HDPE / PA6 75/25
HDPE/PA6 -1% PEgMA -3% MMT
16
DIFFERENCIÁLIS PÁSZTÁZÓ KALORIMETRIA DSC
SETARAM DSC131 EVO
17
DSC mérési görbe
18
DSC mérés eredményei (max. 270 °C, 20 °C/min) Szoftveres vezérlés, adatrögzítés és kiértékelés Melegítés
Hűtés
Blend 1M 3M
HDPE Tm ∆H [°C] [J/g] 136,5 94,3 136,7 123,5 144,2 102,0
PA6 Tm ∆H [°C] [J/g] 221,7 13,8 214,4 5,9 218,0 11,3
HDPE Tc ∆H [°C] [J/g] 118,9 -89,7 118,5 -107,9 114,7 -99,3
PA6 Tc ∆H [°C] [J/g] 183,4 -3,0 171,7 -3,7 175,2 -9,7
1 K_1 M 1 K_3 M
137,4 142,0
116,2 103,0
214,8 216,9
7,3 8,5
118,3 115,8
-102,2 -91,2
167,7 170,1
-5,6 -9,2
1 K_3 M(1) 1 K_3 M(2) 1 K_3 M(3)
140,0 136,9 135,8
114,7 115,7 101,3
215,9 215,0 215,1
8,4 10,0 9,1
116,4 118,1 118,8
-97,6 -102,2 -93,1
169,9 169,6 170,4
-6,5 -7,4 -7,6
1 K_1 M C93A 1 K_3 M C93A 1 K_3 M C93A(1) 1 K_3 M C93A(2)
138,1 136,0 134,7 135,5
106,6 104,3 108,4 121,4
215,5 214,7 214,5 214,8
9,2 5,9 10,6 4,8
117,3 118,9 119,5 119,0
-101,3 -99,7 -98,2 -113,7
170,5 179,0 178,8 175,4
-5,1 -5,8 -10,7 -5,1
19
Összegzés A C20A MMT mechanikai őrlésének hatására a statikus mechanikai tulajdonságok javulást mutattak a referencia értékekhez viszonyítva (szakító: +6-7%, hajlító: +12-18%). Az őrlési idő növelésével a javulás mértéke csökkent. Az ütőszilárdság minden esetben csökkent, azonos összetételi arányok esetén. A C93A MMT adalékolású blend őrlés nélkül jobb eredményeket adott (szakító: 6-13%, hajlító 10-18) a referencia nanokompozit (C20A MMT)blendhez képest, de az őrlés után nem változtak számottevően az értékek, bár az őrlési idő növelése itt is visszaesést okozott.
20
Összegzés Az őrlés hatására a C20A MMT tartalmú blendek folyóképessége kis mértékben javult (őrlési idő növelésével további javulás) A C93A típusú rétegszilikát tartalmú blendek folyóképessége minden esetben kis mértékben csökkent A C20A montmorillonit mennyiségének növelésével az olvadási hőmérséklet növekedett a HDPE fázis esetében (blend jobb hőállósága). C20A erősítés esetén az őrlési idő növelésével az olvadási hőmérséklet csökkent
21
További kísérletek, vizsgálatok Őrlési paraméterek változtatása Őrlés kriogén közegben (folyékony nitrogénben)
Szén nanocső alkalmazása
22
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM
Köszönöm a figyelmet! A kutatást a TÁMOP 4.2.1/B-9/1/KONV-2010-0003 sz. pályázata támogatta.
23
