Rétegszilikáttal erősített nanokompozitok előállítása és vizsgálata Anyagtudományi és Technológiai Tanszék Rétegszilikáttal erősített nanokompozitok előállítása és vizsgálata Dr. Hargitai Hajnalka, Ibriksz Tamás Anyagvizsgálat a Gyakorlatban 6. Szakmai Szemináriumot Cegléd, 2012. június (6)-7-8.

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

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

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.

Célkitűzés PA6/HDPE blendek előállítása, tulajdonságainak, elsősorban a mechanikai jellemzők, módosítása, javítása: Kémiai kapcsolóanyag, illetve nanorészecskék alkalmazása, kombinálása; Montmorillonit mechanikai őrlésének hatása.

Alapanyagok Mátrix anyagok: Kompatibilizálószer: Nanorészecskék PA6 HVF (A. Schulman), HDPE: TIPELIN 6000B (TVK) (MFR 5 kg 190°C: 1,30 g/10 perc). Kompatibilizálószer: Polybond 3009 (Chemtura Corp.) 1tömeg% PEgMA (Mw=186000). Nanorészecskék Cloisite 20 A, Cloisite 93 A Southern Clay Products (organofilizált montmorillonit, réteges szerkezetű szilikát) (MMT) Pangel S9, Tolsa SA (szepiolit, szálas szerkezetű szilikát) (SEP) MMT MMT SEP SEP

Előállítás Kompozitgyártás A próbatesteket előállítása 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).

Vizsgálatok Szabványos vizsgálatok Szakítóvizsgálat Hárompontos hajlítóvizsgálat Charpy-féle ütve-hajlító vizsgálat Folyóképesség mérés Differenciális Pásztázó Kalorimetria (DSC)

Összetétel: Kémiai kapcsolóanyag, illetve nanorészecskék alkalmazása, kombinálása Kapcsolóanyag Nanoanyagok PEgMA* [t%] MMT* [t%] SEP* [t%] 0,5 1 3 Összetétel: PA6/HDPE 25/75 tömeg% *: a mátrixanyagra vonatkoztatott tömeg

Összegzés 1. statikus mechanikai tulajdonságok 3t% MMT, valamint 1% PEgMA és 3%MMT hatására növekedtek (húzó és hajlító modulusz:18-20%), míg az ütve-hajlító szilárdság jelentősen csökkent. 0,5% PEgMA nem, vagy csak kis mértékben növelte a szakító, ill. hajlító tulajdonságokat, viszont a dinamikus hatással szembeni ellenállás 23%-kal javult. 1% nanoásvány alkalmazása kapcsolóanyag nélkül is kedvezően befolyásolta az ütvehajlító-szilárdságot, míg a statikus mechanikai tulajdonságokat nem, vagy csak kis mértékben javította.

Összegzés 2. A folyóképességet az 1%-ban bekevert nanoanyagok külön-külön, illetve egymással kombinálva kis mértékben javították, míg az összes többi esetben kisebb értéket mértünk.

Mechanikai Őrlés Mechanikai őrlés: Union Process attritor UP-HD/HDDM-01 őrlőtégely: 1400 cm3 keverőszár sebessége: 420 rpm Jelölés MMT Őrlési idő [min] M (1) Cloisite 20A 15 M (2) 3x10 M (3) 12x10 M C93A (1) Cloisite 93A 10 M C93A (2)

Összetétel PA6/HDPE 25/75 *: a mátrixanyagra vonatkoztatott tömeg jelölés név PEgMA* [t%] MMT* [t%] 1 Blend - 2 1 K_3 M(1) 3 1 K_3 M(2) 4 1 K_3 M(3) 5 1 K_1 M (C93A) 6 1 K_3 M (C93A) 7 1 K_3 M C93A(1) 8 1 K_3 M C93A(2) PA6/HDPE 25/75 tömeg% *: a mátrixanyagra vonatkoztatott tömeg

Húzó rugalmassági modulusz [MPa] SZAKÍTÓVIZSGÁLAT (MSZ EN ISO 527) (1 mm/perc, 50 mm/perc) Húzó rugalmassági modulusz [MPa] Húzószilárdság [MPa] Referencia: 0% +7% (26%) +5% (24%) 0% (12%) +7% (20%) +6% +2% +7% (18%)

HÁROMPONTOS HAJLÍTÓVIZSGÁLAT (MSZ EN ISO 178) (2 mm/perc) Hajlító rugalmassági modulusz [MPa] Határhajlító feszültség [MPa] +5% (24%) +11% (32%) +10% (25%) +18% (34%) +12% (33%) +18% (34%)

CHARPY-FÉLE ÜTVE-HAJLÍTÓ VIZSGÁLAT Ütve-hajlító szilárdság [kJ/m2] (MSZ EN ISO 179) Ütve-hajlító szilárdság [kJ/m2]

FOLYÓKÉPESSÉG VIZSGÁLAT (240C, 10 kg) MVR [cm3/10 perc] +12% +11%

DIFFERENCIÁLIS PÁSZTÁZÓ KALORIMETRIA DSC Meghatározott hőprogram (max. 270 °C, 20 °C/min) Minta és a referencia állandó hőmérsékleten Mérik a minta és a referencia közötti hőáram-különbséget SETARAM DSC131 EVO

DSC mérési görbe

Szoftveres vezérlés, adatrögzítés és kiértékelés DSC mérés eredményei (max. 270 °C, 20 °C/min) Szoftveres vezérlés, adatrögzítés és kiértékelés Melegítés Hűtés HDPE PA6 Tm [°C] ∆H [J/g] Tc Blend 136,5 94,3 221,7 13,8 118,9 -89,7 183,4 -3,0 1 M 136,7 123,5 214,4 5,9 118,5 -107,9 171,7 -3,7 3 M 144,2 102,0 218,0 11,3 114,7 -99,3 175,2 -9,7   1 K_1 M 137,4 116,2 214,8 7,3 118,3 -102,2 167,7 -5,6 1 K_3 M 142,0 103,0 216,9 8,5 115,8 -91,2 170,1 -9,2 1 K_3 M(1) 140,0 215,9 8,4 116,4 -97,6 169,9 -6,5 1 K_3 M(2) 136,9 115,7 215,0 10,0 118,1 169,6 -7,4 1 K_3 M(3) 135,8 101,3 215,1 9,1 118,8 -93,1 170,4 -7,6 1 K_1 M C93A 138,1 106,6 215,5 9,2 117,3 -101,3 170,5 -5,1 1 K_3 M C93A 136,0 104,3 214,7 -99,7 179,0 -5,8 1 K_3 M C93A(1) 134,7 108,4 214,5 10,6 119,5 -98,2 178,8 -10,7 1 K_3 M C93A(2) 135,5 121,4 4,8 119,0 -113,7 175,4

Összegzés 3. 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.

Összegzés 4. 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

További kísérletek, vizsgálatok Őrlési paraméterek változtatása Őrlés kriogén közegben (folyékony nitrogénben) Szén nanocső alkalmazása Mikroszerkezet tanulmányozása pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM)

A kutatást a TÁMOP 4.2.1/B-9/1/KONV-2010-0003 sz. Köszönöm a figyelmet! A kutatást a TÁMOP 4.2.1/B-9/1/KONV-2010-0003 sz. pályázata támogatta.