Termoplasztikus elasztomer társítása cellulózzal

Átírás

1 Szerkezetvizsgálat Termoplasztikus elasztomer társítása cellulózzal Turcsán Tamás * MSc gépészmérnök hallgató, Szolnoki Beáta ** PhD hallgató, Dr. Mészáros László * egyetemi adjunktus * 1. Bevezetés, a kutatás célja A mérnöki gyakorlatban manapság egyre nagyobb mennyiségben alkalmazott polimer kompozitok terén is jelent!s kutatások folynak a természetben megújuló anyagként fellelhet! er!sít!anyagok alkalmazásával kapcsolatban, hiszen ezen anyagok, viszonylag kedvez! árfekvésük és alacsony környezetterhelésük révén, beleilleszthet!ek a napjainkban egyre jobban el!térbe kerül!, a fenntartható fejl!désre irányuló célok közé [1]. A gumiiparban, a fenntartható fejl!dés szempontjából, a termékek újrahasznosításának megoldása az egyik alapvet! probléma, amely els!sorban térhálós szerkezetük miatt nehézkes. Az elasztomerek gyártása terén nagy áttörést jelentett, közel 40 évvel ezel!tt, a h!re lágyuló, ún. termoplasztikus elasztomerek megjelenése, amelyek magukban ötvözik az elasztomerek rugalmasságát, illetve a termoplasztok könnyen, nagy tömegben történ! feldolgozhatóságát. Napjainkban a h!re lágyuló elasztomerek tizedét teszik ki a kaucsuk alapú gumik felhasznált mennyiségének, de alkalmazásuk kétszer gyorsabb ütemben n!, mint a kaucsuk alapúaké. Ezek a mutatószámok jelent!sek, figyelembe véve azt, hogy a hagyományos elasztomereket több mint felét a gumiabroncsgyártásban használják fel, ahol a termoplasztikus elasztomerek egyel!re szóba sem kerülnek [2, 3]. Ugyanúgy, ahogyan a kaucsukoknál, a termoplasztikus elasztomerek esetén is a tulajdonságokat adalékolással, kompozitok el!állításával javítják, szabályozzák. Ilyen kompozit el!állítására lehet alkalmas a cellulóz, amelynek nagytisztaságú, finom szemcseméret" mikrokristályos változata könnyen és olcsón hozzáférhet! [4]. A cellulóz gumiipari adalékként történ! felhasználására már korábban is tettek kísérletet. Bay és Li [5] az autógyártásban gumiabroncsok alapanyagául szolgáló gumikeverékek összetételének módosításával próbálkoztak: a szilika (SiO 2 ) összetev!ket cserélték ki mikrokristályos cellulózra. Tapasztalataik szerint, kis mértékben csökkent a kompozitok szakítószilárdsága, és ezzel együtt a magas h!mérsékleten jelentkez! tan#, azaz a csillapítási képességhez kapcsolódó veszteségtényez! is. Ezen túl az alkalmazott cellulóz kis s"r"sége révén tömegcsökkenést is eredményezett. A kutatók szerint, mindezeket figyelembe véve, az adott kompozitból el!állított gumiabroncs a befektetett energia és a várható üzemeltetési költségek csökkenését eredményezheti. Megfelel! anyagpárosítással a cellulóz alkalmazása még kedvez!bb lehet. Ma és társai [6] biológiailag lebomló, glicerinnel lágyított, borsókeményít! mátrixú kompozitjuk el!állítására alkalmazták a mikrokristályos cellulózt 3 12 m% arányban. Vizsgálták a kompozitban lév! cellulóz morfológiai hatásait, valamint az anyag mechanikai tulajdonságait, termikus stabilitását, a csillapítási képességhez kapcsolódó veszteségi tényez!t, valamint a vízg!zátereszt! képességét. Azt tapasztalták, hogy az er!sít!anyag növelte a kompozit termikus stabilitását, csökkentette a tan# értékét, illetve a cellulóz tartalom növelésével n!tt a szakítószilárdság és csökkent a szakadási nyúlás értéke. Jelen kutatás a természetes kompozit er!sít!anyagok családjából származó cellulózzal foglalkozik. Közelebbr!l ennek az anyagnak a mikro mérettartományba es! kristályaival, amelyek a természetben megtalálható növényekb!l könnyedén kinyerhet! mivoltát tekintve, közelebb vihetnek a környezetbarát, természetben megújuló alapanyagú kompozitok el!állításához. A kutatás célja mikro-cellulózzal er!sített, termoplasztikus elasztomer mátrixú kompozitok el!állítása és vizsgálata. 2. A felhasznált anyagok és módszerek Kísérleteinkhez a DOW CHEMICAL COMPANY Engage 8402 típusú etilén-oktén kopolimer termoplasztikus elasztomerét és a J. RETTENMAIER & SÖHNE cég Arbocel UFC 100 jel", 8 $m átlagos részecskeméret" cellulóz termékét (1. ábra) használtuk. A mikrokristályos cellulózt (MCC) a mátrixanyagban BRABENDER Plasti-Corder kever! 50 cm 3 -es bels! kamrájában oszlattuk el, 140 C-os állandó h!mérsékleten, 10 fordulat/perc keverési sebességgel. A keverést a polimer ömledékállapotba kerülését!l számítva 10 percig folytattuk, az er!sít!anyagot a polimer ömledékbe kevertük be. A szabványos próbatestek alapanyagául szolgáló lemezeket COLLIN P 200 E laboratóriumi préssel készítettük 140 C-on, 100 bar présnyomással. A 150%150%2 mm méret" lemezekb!l az EN ISO szabványnak megfelel! szakító próbatestek vágtunk ki. * BME Polimertechnika Tanszék, turcsantomi@gmail.com, meszaros@pt.bme.hu, (Mészáros László) ** BME Szerves Kémia és Technológia Tanszék, bszolnoki@oct.bme.hu évfolyam 3. szám

2 1. táblázat. A felhasznált anyagok megnevezése és összetételük Felhasznált anyagok megnevezése Mikrokristályos cellulóztartalom, m% TPE 0,5MCC 0,5 1MCC 1 3MCC 3 5MCC 5 7MCC 7 1. ábra. A mikrokristályos cellulóz elektronmikroszkópi képe A szakítóvizsgálathoz ZWICK Z005 univerzális terhel!gépet használtunk. Minden anyagtípusból 5 próbatestet vizsgáltunk. A befogási hossz 50 mm, a szakítási sebesség 100 mm/min volt. Az er!-elmozdulás görbéb!l folyási feszültséget (! Y ), a hozzá tartozó megnyúlást (" Y ), a szakítószilárdságot (! B ), a szakadási nyúlást (" B ), valamint a görbe kezdeti szakaszára illesztett érint! meredekségéb!l a rugalmassági moduluszt (E) határoztuk meg. A gumik viselkedése szempontjából alapvet! fontosságú azok deformáció-komponenseinek meghatározása. Ezért a mintákat ciklikusan vizsgáltuk, amely során az els! lépésben rövid id! alatt 10 mm/min sebességgel deformáltuk az anyagot 25 N-ig terhelve. Az er!hatás megszüntetése után 30 másodpercig pihentetve visszaalakultak a pillanatnyi- (" r ) és a késleltetett rugalmas (" k ) alakváltozási komponensek, így határoztuk meg a maradó alakváltozást (" m ). Az er!sít!anyag, valamint a kompozit próbatestek töretfelületét JEOL JSM-6380 LA pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgáltuk. A szakításhoz alkalmazott próbatestek rideg töretfelületének el!állítása, elasztomer mátrixú kompozit révén, folyékony nitrogénben való mélyh"tés után vált lehetségessé. A minták tölt!désének elkerülésére azokat a mintatartóra vezet! ragasztóval vittük fel, majd vékony arany-palládium vezet!réteget g!zöltünk a felületükre. A cellulóz er!sít!anyag jelent!sen befolyásolhatja a vizsgált anyagok mechanikai tulajdonságait, ugyanakkor lényeges a megfelel! koncentráció megválasztása, hiszen nagy er!sít!anyag tartalom esetében a feldolgozás során a részecskeeloszlatás nem lesz tökéletes, felhalmozódások, ún. aggregátumok kialakulásához vezethet, amely a mechanikai tulajdonságok romlását is eredményezheti. Az egyes anyagkombinációk megválasztásánál az irodalomkutatás folyamán világossá vált, hogy mikrokristályos er!sít!anyagoknál a 10 m% alatti tartományban lehetséges a megfelel! mechanikai tulajdonságjavuláshoz elengedhetetlen egyenletes eloszlatás. Az anyagkombinációkat és azok jelölését az 1. táblázat szemlélteti. 3. Kísérleti eredmények és értékelésük A szakítóvizsgálatok során kiderült, a feldolgozási paraméterek állandósága mellett a kompozitok folyási feszültsége a töltetlen rendszerhez képest az 1 m% töltöttségig növekv! tendenciát mutat, majd ezután, valószín"- leg az eloszlatás tökéletlensége miatt, a folyási feszültség csökkenni kezd (2. ábra). 7 m% cellulóztartalomnál a folyási feszültség közelít!leg a mátrixanyag értékére csökkent. A kis hozzáadott cellulózmennyiség esetén tapasztalható növekedés a mátrixanyaggal történ! jó együttm"ködésre utal, azaz a cellulóz betölti az er!sít!anyag szerepét. 2. ábra. A kompozitok folyási feszültségei az er#sít#anyag tartalom A folyási feszültséghez tartozó alakváltozási, megnyúlási értékek csak kismértékben csökkentek az er!sít! - anyag tartalom növelésével (3. ábra), különösen igaz ez az els! két anyagtípusra (0,5 és 1 m%), amelyek a további kísérletek céljára, a folyási feszültség alapján, a legalkalmasabbnak bizonyultak. Mindez azt jelenti, hogy a kompozitok a részecske er!sítés hatására nem váltak rideggé, meg!rizték rugalmas tulajdonságaikat, amit a kés!bbiekben bemutatott húzó rugalmassági modulusz értékek is alátámasztanak. A folyási feszültségekhez hasonló tendenciát mutattak évfolyam 3. szám 111

3 3. ábra. A kompozitok folyási feszültséghez tartozó nyúlás értékei az er#sít#anyag tartalom utal, hogy a cellulóz jelenléte a TPE rugalmas szerkezetét nem bontja fel, hanem beépül, tehát jó eloszlás esetén a szakítóvizsgálat során nem viselkedik hibahelyként. Az egyes kompozitoknál a szakítógörbe kezdeti szakaszát érint! egyenes meredekségéb!l meghatározott rugalmassági modulusz (6. ábra) az el!zetes várakozásoknak megfelel!en alakult, a termoplasztikus elasztomer mátrix töltése során az er!sít!anyag tömeghányadának növelésével a mechanikailag legjobb eredményt adó szakaszban drasztikusnak nem mondható mértékben a töltöttség a szakítószilárdságok is (4. ábra). Itt is az 1 m%-os rendszer érte el a legmagasabb értéket, ugyanakkor a 7 m%-os rendszer a folyási feszültséggel ellentétben alacsony értéket mutatott, ami alulmúlja a töltetlen rendszer szakítószilárdságát is. Ennél az anyagnál megfigyelhet! a viszonylag nagy szórás is az egyéb anyagokhoz képest, ami szintén alátámasztja a benne található cellulózrészecskék eloszlatásának gyenge hatásfokát. 6. ábra. A kompozitok rugalmassági modulusza az er#sít#anyag tartalom 4. ábra. A kompozitok szakítószilárdsága az er#sít#anyag tartalom A szakadási nyúlások (5. ábra) a vizsgált anyagok zöménél nem mutattak jelent!s változásokat, csak a 7 m%- os anyag esetében, ahol ez az érték a többi kompozithoz, illetve a töltetlen rendszerhez mérten is jelent!sen viszszaesett. A szakadási nyúlás kismérték" változása arra növekedett. Az értékek még a 7 m%-os töltöttségnél sem érték el a 100 MPa-t, tehát b!ven az elasztomerekre jellemz! tartományban maradtak. A húzóterheléskor fellép! deformáció-komponensek, és azok egymáshoz viszonyított arányai alapvet! jelent!- ség"ek az elasztomer-típusú anyagok viselkedésének le - írásában. Az egyes alakváltozási összetev!k nagymértékben függhetnek a vizsgált próbatest er!hatásra mer!- leges keresztmetszetét!l, ugyanakkor annak befogási távolságától is, így célszer" ezeket kisz"rni a változók közül és térfogategységre vonatkoztatva vizsgálni az egyes komponenseket. A rendelkezésre álló mérési adatokat az (1) képlettel dolgoztuk fel. A módszer csak megfelel!en kismérték" alakváltozások esetén használható, amikor a vizsgált próbatest térfogat-állandósága még jó közelítéssel fennáll. L x 5. ábra. A kompozitok szakadási nyúlása az er#sít#anyag tartalom L 0 L x e 5 e x V V 0 a 0~b 0~L 0 a 0~b 0~L 0 c 1 m d 3 (1) ahol " V a térfogategységre vonatkoztatott alakváltozás [1/m 3 ], " x az adott komponens" alakváltozás (" m, " k, " r ) [ ], L x a ciklusdiagramból leolvasható alakváltozási hossz (L m, L k, L r ) [m], a 0, b 0 a vizsgált próbatest keresztmetszeti méretei [m], L 0 a próbatest befogási hossza [m]. Az alakváltozási vizsgálatok során kiderült, hogy a maradó alakváltozási komponens a mikrokristályos er!- sít!anyag-tartalom növekedésével kismértékben n!tt évfolyam 3. szám

4 7. ábra. A kompozitok térfogatra vonatkoztatott maradó alakváltozása az er#sít#anyag tartalom (7. ábra). Igaz ez a legjobb mechanikai tulajdonságokat mutató rendszerekre is, ugyanakkor a 7 m%-os rendszernél ez a növekmény nagyobb mérték", ami itt is az er!sít!anyag tökéletlen eloszlatásával magyarázható. A töltés hatására tehát elmondható, hogy a mechanikailag jelent!s tulajdonságjavulást eredményez!, kevésbé töltött rendszerekben az alakváltozás során kismérték" növekedés tapasztalható az irreverzibilis energiadisszipációval járó folyamatok terén. A késleltetett rugalmas alakváltozási komponens a vizsgált kompozitokban jelent!s csökkenést mutat az er!sít!anyag-tartalom növelésével (8. ábra). A jelenség már a legkisebb tölt!anyag koncentrációnál is jelentkezett, és egészen a 3 m%-os töltésig tovább csökkent. Ez arra enged következtetni, hogy, a töltésnek köszönhet!en, számottev! mértékben csökken a termodinamikailag irreverzibilisen disszipálódó h! az anyag fel- és leterhelése folyamán. 9. ábra. A kompozitok térfogatra vonatkoztatott pillanatnyi rugalmas alakváltozása az er#sít#anyag tartalom A vizsgált anyagoknál a pillanatnyi rugalmas alakváltozási komponens (9. ábra) számottev! növekményre tett szert, amely már a 0,5 m%-os rendszernél is jelentkezik, és a 3 m%-os töltöttségnél éri el a tet!pontját. Ez arra utal, hogy a mátrixanyagként felhasznált TPE anyag elasztikus tulajdonságai egyre dominánsabbak a mikrokristályos cellulózzal való er!sítés hatására, tehát valamilyen kapcsolat jött létre a mátrix elasztikus szegmensei és az er!sít!anyag részecskéi közt. Az összalakváltozás terén az MCC tartalom (10. ábra) csökkenés figyelhet! meg a mechanikai tulajdonságokat legkedvez!bben befolyásoló esetekben, ami a továbbiakban, magasabb er!sít!anyag-tartalomnál n!tt, és a legjobban töltött rendszernél csaknem elérte a mátrixanyag szintjét. A növekedés oka lehet az ezen anyagtípusnál tapasztalható nagymérték" maradó alakváltozási komponens. 10. ábra. A kompozitok térfogatra vonatkoztatott összes alakváltozása az er#sít#anyag tartalom 8. ábra. A kompozitok térfogatra vonatkoztatott késleltetett rugalmas alakváltozása az er#sít#anyag tartalom A pásztázó elektronmikroszkóppal készített felvételekb!l (11. ábra) jól látszik egyrészt a mátrixanyag sajátosságaiból termoplasztikus elasztomer voltából adódó szívós szerkezete, másrészt jól megfigyelhet! a képeken az er!sít!anyag tartalom növekedése és annak az adott anyagban való eloszlása, továbbá a töretfelületeken, az er!sít!anyag miatt, a ridegedés, a teraszos töretfelület kialakulása, illetve a töretvonalak s"r"södése. 4. Összefoglalás Cellulózzal társított termoplasztikus elasztomer kompozitot állítottunk el! és vizsgáltunk. A cellulózzal való töltés er!sítésnek bizonyult, emellett az anyag teljes mértékben megtartotta elasztomer voltára jellemz! tulajdon évfolyam 3. szám 113

5 ságait, s!t energiahatékonysága is javult. A kvázi-statikus húzóvizsgálat eredményei alapján megállapítottuk, hogy a mikrokristályos cellulóz jelenléte 3 5 m% tartalomig pozitívan befolyásolta az anyag tulajdonságait, mert a növekv! folyási feszültséggel nem csökkent jelent!sen az ahhoz tartozó nyúlás, és a rugalmassági modulusz sem emelkedett jelent!sen, s!t a szakadási nyúlás alig változott, tehát jórészt megmaradtak a TPE gumiszer" tulajdonságai, azonban terhelhet!sége, így a felhasználási tartománya megnövekedett. A mikroméret" cellulózkristályokkal er!- sített kompozitok ciklikus vizsgálatai során bebizonyítottuk, hogy az er!sít!anyag jelenléte nem csökkentette a kompozit elasztikus tulajdonságait, s!t a késleltetett rugalmas alakváltozás csökkenése és a pillanatnyi rugalmas komponens növekedése azt jelzi, hogy a hiszterézis és egyéb energiaveszteséget indukáló folyamatok összességében csökkentek, így energiafelhasználás terén gazdaságosabbá vált az anyag alkalmazása. 11. ábra. A kompozitok pásztázó elektronmikroszkópos felvételei. TPE (a), 0,5MCC (b), 1MCC (c), 3MCC (d), 5MCC (e), 7MCC (f) A munka szakmai tartalma kapcsolódik a Min#ség - orientált, összehangolt oktatási és K+F+I stratégia, valamint m$ködési modell kidolgozása a M$egyetemen cím$ projekt szakmai célkit$zéseinek megvalósításához. A projektet az Új Széchenyi Terv TÁMOP-4.2.1/B- 09/1/KMR programja támogatja. Irodalomjegyzék [1] Dogossy, G.; Czigány, T.: Thermoplastic starch composites reinforced by agricultural by-products: properties, biodegradability, and application, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 30/21, (2011). [2] Pál, K.: H!re lágyuló elasztomerek, M"anyagipari szemle, 3/6, 11 (2006). [3] (Super-)thermoplastische Elastomere weiter im Aufwind, Gummi, Fasern, Kunststoffe, 58/8, (2005). [4] Bras, J.; Hassan, M. L.; Bruzesse, C.; Hassan, E. A.; El- Wakil, N.; Dufrese, A.: Mechanical, barrier, and biodegradability properties of bagasse cellulose whiskers reinforced natural rubber nanocomposites, Industrial Crops and Products, 32, (2010). [5] Bay, W.; Li, K.: Partialreplacement of silica with microcrystalline cellulose in rubber composites, Composites: Part A, 40, (2009). [6] Ma, X.; Chang, P.; Yu, J.: Properties of biodegradable thermoplastic pea starch/carboxy methyl cellulose and peastarch/microcrystalline cellulose composites, Carbohydrate Polymers, 72, (2008) évfolyam 3. szám