Matumizi ya Nano-Kalsiamu Kabonati katika PP

Zamani, uimarishaji na uongezaji wa nguvu wa polipropilini (PP) ulikuwa ukifanywa kwa kawaida kwa kuchanganya elastomeri za aina ya mpira, kuimarisha kwa nyuzi, au kuongeza viambato. Katika miaka ya hivi karibuni, utafiti wa msingi na wa matumizi juu ya kujaza polima mbalimbali na vijenzi visivyo hai vya ukubwa wa nano umefanywa duniani kote, ikiwa ni pamoja na tafiti kuhusu PP iliyojazwa na chembe za ukubwa wa nano kama vile montmorillonite, SiO₂, na TiO₂. Hata hivyo, kwa sababu chembechembe ndogo zisizo za kikaboni na polipropilini zinatofautiana sana kwa upoleti na chembechembe ndogo hizo zina nishati kubwa ya uso, muafaka wao ni duni, na chembechembe ndogo hizo hujikusanya vibaya sana, jambo linalofanya iwe vigumu kupata misombo yenye utendaji bora. Ren Xiancheng na wenzake walitumia matibabu ya awali ya uso yaliyoafaa kwa nanopartikuli na wakaandaa misombo ya PP/nano-CaCO₃ yenye utendaji wa hali ya juu kwa kutumia mchanganyiko wa kuyeyusha.

14.4.1 Malighafi kuu

• PP-A (kopolima) – imetolewa na Kampuni ya Petrochemical ya Yangzi
• PP-B (homopolima) – imetolewa na Kampuni ya Petrokemikali ya Yangzi
• CaCO₃ ya ukubwa wa nano, wastani wa ukubwa wa chembe 80 nm – iliyotolewa na Kituo cha Kitaifa cha Utafiti wa Uhandisi wa Unga Mnyembamba Sana, Chuo Kikuu cha Sayansi na Teknolojia cha Mashariki mwa China
• Kifaa cha matibabu ya uso A – kilichotengenezwa mwenyewe
• Kiunganishi B – kilichotengenezwa nyumbani

14.4.2 Njia ya teknolojia ya mchakato

Njia ya hatua moja: CaCO₃ iliyotibiwa uso huunganishwa moja kwa moja na PP na kiunganishi B katika ekstruda yenye visukuku viwili.

Mbinu ya hatua mbili: Kwanza, CaCO₃ iliyotibiwa uso huchanganywa na kiunganishi B na kiasi kidogo cha kopolymer ya PP katika ekstruda yenye visukuku viwili ili kuunda batch kuu yenye mkusanyiko mkubwa; kisha batch kuu huchanganywa na PP.

14.4.3 Matokeo na uchambuzi

(1) Uchakataji wa uso wa nano-CaCO₃
Kulingana na nadharia ya kuimarisha kwa chembe ngumu zisizo hai, mojawapo ya masharti muhimu ya kuimarishwa na chembe ngumu zisizo hai ni muunganiko mzuri wa kiolesura kati ya chembe zilizotawanywa na matriki ya resini. Kiziba cha CaCO₃ kina uso wenye upolar mkubwa, wakati PP ni polima isiyo na upolar, hivyo muafaka wao ni duni. Kwa upande mwingine, kwa sababu CaCO₃ ya ukubwa wa nano ina nishati kubwa ya uso, ina tabia ya kujikusanya yenyewe, na ni vigumu zaidi kueneza kwa usawa katika kuyeyuka kwa polima isiyo na mwelekeo wa polar. Kwa hivyo, kwa mfumo wa nano-CaCO₃/PP, matibabu sahihi ya uso wa CaCO₃ ni muhimu ili kupata athari ya kuimarisha.

Jedwali 14-6 linaonyesha data za nishati ya uso wa chembechembe za CaCO₃ na PP. Inaonekana kutoka Jedwali 14-6 kwamba baada ya matibabu kwa wakala wa matibabu ya uso A, nishati ya uso wa chembechembe za CaCO₃ inapungua, hasa kutokana na kupungua kwa sehemu ya polar. Baada ya matibabu, nishati ya uso wa chembechembe za CaCO₃ inakaribia ile ya matriki ya PP, jambo ambalo ni faida kwa usambazaji wa chembechembe za CaCO₃ ndani ya PP.

(2) Sifa za kimakanika za mchanganyiko wa PP/nano-CaCO₃

Mchoro 14-11 unaonyesha uhusiano kati ya nguvu ya kuporomoka kwa mvutano ya kompoziti na kiwango cha upakiaji wa nano-chembe. Mielekeo mitatu inalingana na vifaa vitatu vya matrix ya polypropilini vyenye viwango tofauti vya uimara. Inaonekana kwenye mchoro kwamba kadri kiwango cha chembe za nano kinavyoongezeka, nguvu ya kuporomoka kwa mvutano ya mfumo huongezeka mwanzoni, inafikia kilele, kisha inapungua. Hii ni hasa kwa sababu wakala wa matibabu ya uso A uliotumika katika jaribio ana minyororo mirefu ya alkyl inayofunika uso wa CaCO₃, na hivyo kuunda tabaka la kiunganishi lenye unyumbufu. Wakati kiasi kidogo cha CaCO₃ kinaongezwa, kimsingi hucheza jukumu la kuimarisha. Kadiri kiasi cha CaCO₃ kinavyoongezeka, sehemu ya ujazo ya tabaka la kiunganishi lenye unyumbufu ndani ya kompoziti huongezeka. Chini ya msongo wa nje, tabaka hili la kiunganishi lenye unyumbufu hushindwa kwanza kabla ya matriksi, na kusababisha kupungua kwa nguvu ya kuvutika ya nyenzo.

Mchoro 14-12 unaonyesha uhusiano kati ya moduli ya kupinda ya kompoziti na kiwango cha upakiaji wa chembechembe za nano. Kama inavyoonekana kwenye mchoro, sawa na sifa za kuvutwa, moduli ya kupinda ya mfumo huongezeka kadri yaliyomo ya chembechembe za nano yanavyoongezeka, inafikia kilele, kisha inapungua. Kiwango hiki cha juu pia kinaonekana kwa upakiaji wa takriban 2%. Mwelekeo huu tena unahusishwa na ongezeko la sehemu ya ujazo ya safu laini ya kiunganishi, ambayo husababisha nyenzo kupata mnyumbuko kwa mivutano ya chini iliyotumika.

Mchoro 14-11 Athari ya kujaza kwa CaCO₃ kwenye nguvu ya kuvuta
—◆— PP‑A/PP‑B = 1:3
—△— PP-B safi

Mchoro 14-13 inaonyesha athari ya upakiaji wa nano-CaCO₃ kwenye nguvu ya athari ya kompoziti. Inaonekana kwenye mchoro kwamba kadri yaliyomo ya chembe za nano linavyoongezeka, nguvu ya athari yenye notchi ya mifumo yote mitatu inaongezeka kwa viwango tofauti. Miongoni mwao, PP-B safi, ambayo ina ugumu mdogo zaidi wa matrix, inaonyesha uboreshaji mdogo zaidi, wakati mifumo mingine miwili yenye ugumu bora wa matrix inaonyesha mabadiliko dhahiri kutoka brittle hadi ductile. Hii inaonyesha kwamba athari ya kuimarisha ya nano-CaCO₃ inayopondwa na kinu cha raymond Kwenye polypropilini ni sawa na ile ya chembechembe zisizo za kikaboni ngumu kwenye polima. Kwa sababu chembechembe ndogo sana ni ndogo zaidi kwa ukubwa, kiwango muhimu kinachohitajika kuanzisha mpito kutoka kuwa mnyonge hadi kuwa mnyumbufu ni kidogo. Ulinganisho wa grafu tatu kwenye mchoro unaonyesha kwamba kadri ugumu wa matriki unavyoongezeka, ndivyo kiwango cha chini cha awamu iliyosambazwa kinachohitajika kwa mpito wa kuvunjika hadi unyumbufu, na hivyo ufanisi wa kuimarisha unavyoongezeka.

(3) Ulinganisho wa michakato ya kuchanganya

Kwa kawaida, unapojaza polima na viongezeo visivyo hai vya ukubwa wa mikroni, mradi chembe hizo zenyewe zimepata matibabu ya uso, mchakato wa kuchanganya na kusambaza kwa ujumla unaweza kukamilika kwa kupitishwa mara moja kupitia ekstruda yenye visukuku viwili.

Kwa chembechembe za nano, hata hivyo, kutokana na nishati yao ya juu ya uso na kiwango chao kidogo katika mchanganyiko, kupata mchanganyiko bora ni vigumu kwa upitishaji wa mara moja. Tulitumia mbinu ya kuchanganya ya hatua mbili ambapo kwanza batchi kuu huandaliwa kisha huchanganywa na matriksi, na tukalinganisha muundo na sifa zake na zile za mbinu ya hatua moja. Mchoro 14-14 unaonyesha picha za TEM za mchanganyiko uliotayarishwa kwa michakato miwili tofauti ya kuchanganya, na Jedwali 14-7 linaorodhesha mali za mitambo zinazolingana. Kiasi cha nano-CaCO₃ kilikuwa 5% kwa uzito katika kesi zote. Inaonekana kutoka kwa Mchoro 14-14 kwamba katika nyenzo iliyotayarishwa kwa njia ya hatua moja, chembechembe za nano zimesambazwa isivyo sawa, huku chembechembe nyingi zikiwa zimeungana. Kinyume chake, katika mchanganyiko uliotayarishwa kwa njia ya hatua mbili, chembechembe kimsingi zimesambazwa sawasawa na zinaonekana kwa ujumla kuwa sawa.

Mchoro 14-14 Picha za TEM za mchanganyiko wa PP/CaCO₃

Jedwali 14-7 Ulinganisho wa mali za mchanganyiko zilizotayarishwa kwa michakato tofauti

Kama inavyoonekana kutoka kwa kulinganisha utendaji katika Jedwali 14-7, sifa za nyenzo iliyotayarishwa kwa njia ya hatua moja ni kimsingi sawa na zile za matriki safi, wakati nyenzo iliyotayarishwa kwa njia ya hatua mbili inaonyesha sifa bora zaidi kwa kiasi kikubwa kuliko matriki. Wakati huo huo, pia tuligundua katika majaribio kwamba utofauti wa data katika vipimo vya mali za mitambo kwa njia ya hatua moja ni mkubwa zaidi kuliko ule wa njia ya hatua mbili. Tukio hili linaweza kueleweka kama ifuatavyo: sampuli za majaribio zilizotayarishwa kwa njia ya hatua moja zina chembechembe nyingi zilizoshikana, ambazo hazichangii katika kuboresha sifa za kimakanika, na maeneo mengi yana chembechembe chache mno. Kwa hivyo, sampuli nyingi hutoa thamani zilizopimwa zinazokaribia zile za polima safi, na ni maeneo machache tu ndiyo huwa na idadi ya kutosha ya chembechembe zilizosambazwa vizuri, na hivyo kutoa thamani za uwezo wa kustahimili mshtuko zilizo juu ya wastani.

(4) Uchunguzi wa nyuso za kuvunjika kwa athari za mfumo mchanganyiko

Mchoro 14‑15 unaonyesha picha za SEM za nyuso za kuvunjika kwa mshtuko za kompoziti za PP/CaCO₃. Kwa kuvunjika kwa unyumbufu, upotevu wa nishati ya mshtuko unajumuisha hasa nishati ya kuporomoka kwa matrix na mikwaruzo midogo. Kwa kuvunjika kwa ukakasi, njia kuu ya upotevu wa nishati ni uundaji wa mapengo na mikwaruzo midogo unaosababishwa kwenye miunganisho ya chembe. Kwenye uso wa kuvunjika wa mfumo wa PP/CaCO₃ ulioonyeshwa kwenye Mchoro 14-15(a), kunaonekana kuteleza kwa tabaka tofauti za matriki katika mwelekeo wa mshtuko, pamoja na mabadiliko ya nyuzi, ikionyesha kuwa matriki imepitia mabadiliko ya kuporomoka. Kinyume chake, mfumo safi wa PP ulioonyeshwa katika Mchoro 14-15(b) hauonyeshi karibu kabisa mnyumbuko wa plastiki kwenye uso wa mpasuko. Hii inaonyesha kuwa kuongezwa kwa nano-CaCO₃ husababisha kwa urahisi mnyumbuko wa kusalimisha wa matriki, na hivyo kuongeza upotevu wa nishati ya mshtuko.

(5) Uchambuzi wa mviringo wa kuyeyuka kwa DSC

Mchoro 14-16 unaonyesha grafu za kuyeyuka za DSC za PP safi na mfumo wa PP uliojazwa nano-CaCO₃. Sampuli zilitayarishwa kwa ukristalizaji wa isothermali kwa joto la 130 °C. Kutokana na grafu hizo, PP safi inaonyesha kilele cha kawaida cha kuyeyuka kwa kristali ya α katika 165 °C, wakati mfumo uliojazwa nano-CaCO₃ unaonyesha sio tu kilele cha kawaida cha kuyeyuka kwa kristali ya α katika 165 °C bali pia kilele kidogo katika 150.6 °C, inayolingana na muundo wa kristali wa β. Kilele cha kuyeyuka kwa kristali ya β ni kidogo sana kuliko kilele cha kuyeyuka kwa kristali ya α, ikionyesha kuwa kuongezwa kwa nano-CaCO₃ husababisha polipropilini kukua na kuwa na kristali za α na kiasi kidogo cha kristali za β chini ya hali hizi.

Mchoro 14-15 Picha za SEM za sampuli za majaribio ya mgongano

Machapisho pia yameripoti kwamba oksidi ya yttrium (Y₂O₃) nyembamba sana yenye ukubwa wa chembe wa 20 nm inaweza kubadilisha muundo wa kristali wa polipropilini na kuongeza kiwango cha kristali ya β, huku kilele cha kuyeyuka kwa kristali ya β kikifikia takriban 3/4 ya kile cha kristali ya α. Kutokana na hili, tunadhania kwamba chembechembe za nano zina athari kubwa ya uchochezi katika mchakato wa uundaji wa kristali za β za polipropilini; kadiri chembe zinavyokuwa ndogo, ndivyo ufanisi wao wa uanzishaji unavyoongezeka. Kwa ujumla, ongezeko la kiwango cha kioo cha β katika polipropilini linaweza kuboresha kwa kiasi kikubwa upinzani wake dhidi ya mshtuko, hivyo basi urekebishaji wa kuimarisha polipropilini kwa kutumia nanohaba ni muhimu sana.

Kutokana na mjadala uliotangulia, hitimisho zifuatazo zinaweza kutolewa:

① Baada ya kubadilishwa uso kwa kirekebishi kinachofaa, nano-CaCO₃ inaonyesha muafaka bora na polipropilini na kupungua kwa nishati ya kiunganishi. Nanokompositi za PP/CaCO₃ zilizosambazwa vizuri zinaweza kuandaliwa kwa mchakato wa kuchanganya kwa kuyeyusha hatua mbili, wakati mbinu ya hatua moja haiwezi kufikia usambazaji bora.

② Nano-CaCO₃ inaweza kuongeza nguvu ya mavuno ya kuvutwa na moduli ya kupinda ya polypropilini, lakini sifa hizi hufikia kiwango cha juu kisha hupungua kadri kiasi cha kujaza kinavyoongezeka. Mabadiliko kutoka kuwa brittle hadi kuwa ductile hutokea kwa viwango vya kujaza chini ya 10%, na ustahimilivu wa athari huongezeka mara 3 hadi 4.

③ Uchambuzi wa mwelekeo wa kuyeyuka kwa DSC wa mchanganyiko wa PP/nano-CaCO₃ unaonyesha kwamba CaCO₃ ina athari kubwa ya kuchochea uundaji wa kristali za β za polipropilini, ikiongeza kiwango cha kristali za β na hivyo kuboresha uimara wa matriki ya PP. Wakati huo huo, chini ya mzigo wa mshtuko, chembechembe ndogo husababisha mabadiliko ya kimuundo ya msingi, na kubadilisha utaratibu wa kuvunjika kutoka kwa mfumo wa cavitation-crazing unaotumia nishati kidogo hadi mfumo wa shear-yielding unaotumia nishati nyingi, hivyo kuimarisha upinzani wa kuvunjika wa polipropilini.

“Aote Calcium” – kiimarisha plastiki cha chembe ndogo sana kinachotengenezwa na Hunan Jinxin Chemical Industry Co., Ltd. – kinatumika pamoja na resini ya pellet ya PP kwa kiwango cha kawaida cha nyongeza cha sehemu 10 hadi 25. Vigezo maalum vinaonyeshwa katika Jedwali 14-5.

Kuhusu matumizi ya nano-kabonati ya kalsiamu katika plastiki kama vile PVC, PE, na PP, watafiti wa ndani na wa kimataifa wanafanya tafiti kwa bidii, na mafanikio mapya yanaendelea kujitokeza. Kwa sababu utafiti wa ndani ulianza kuchelewa kiasi, idadi ya bidhaa zilizosindikwa viwandani na kuuzwa sokoni bado ni ndogo, na bado kuna pengo fulani ikilinganishwa na nchi zilizoendelea. Hata hivyo, kuendeleza kwa nguvu PVC yenye mshtuko mkubwa, PE, PP, na mchanganyiko mwingine wa plastiki ni mwelekeo wa maendeleo ya sekta ya plastiki ya China, na kabonati ya nano-kalsiamu itacheza jukumu kubwa zaidi katika eneo hili.