Kompatibilizáló adalékok hatása vegyes hulladék elasztomert tartalmazó PP-ben

Kísérleteim során a hulladék elasztomerek mátrix anyagaként kereskedelmi polipropilént is alkalmaztam. Elsőként a GTR:EPDM 1:1 tömegarányú hulladék elasztomer kombináció koncentrációjának 10%-ról 50%-ra való növelésének, valamint hulladék elasztomerek tömegarány változtatásának hatását tanulmányoztam kereskedelmi PP-ben (c-PP) [200]. A hulladék elasztomerek aránya 0:1, 1:3, 1:1, 3:1 és 0:1 volt, 10% hulladék elasztomer tartalom mellett. Mivel a mechanikai jellemzőkben nem tapasztaltam jelentős eltérést a hulladék elasztomer arány változtatásával, ezért a két hulladék elasztomert (GTR:EPDM) 1:1 arányban tartalmazó blendeket választottam ki további vizsgálatokra.

A hulladék elasztomerek koncentrációjának 10%-ról 20%-ra való növelése is már közel 40%-kal csökkentette a húzószilárdságot, a töltőanyag elasztikus jellege pedig nem tudott érvényesülni még 50% koncentrációnál sem, vagyis a szakadási nyúlás gyakorlatilag változatlan maradt a hulladék elasztomer koncentráció növelésének ellenére is, amely egyedül a Charpy-féle ütőszilárdságra gyakorolt pozitív hatást [200]. Tapasztalataim alapján PE/hulladék elasztomer rendszerekben, 30% hulladék elasztomer koncentrációig kísérleti adalékokkal a húzószilárdság kevésbé javítható tulajdonság a szakadási nyúláshoz képest.

Ezért a választásom a 90/5/5 c-PP/GTR/EPDM blend kompatibilizálására esett, melyhez 0,1% koncentrációban adtam kísérleti és kereskedelmi adalékokat, mivel előkísérletek alapján [212] ez a koncentráció a PP/hulladék őrlemény rendszerekben kedvező volt.

4.5.1. Mechanikai vizsgálatok

Az AD-5 adalék hozzáadásával kaptam a legnagyobb szobahőmérsékletű ütőszilárdságot (62. ábra/a), amely 28%-kal nőtt az adalékolatlan mintához képest, valamint a szórást is jelentősen csökkentette. Az AD-9 bekeverésével 22%-kal nőtt a szobahőmérsékletű ütőszilárdság. Az AD-2, AD-11 és LAR kereskedelmi adalékok érdemben nem változtattak a szobahőmérsékletű ütőszilárdságon, a legjobb 5°C-on mért ütőszilárdságot az AD-11 adalék bekeverése eredményezte (17%-os növekedés). Az AD-9 és AD-10 adalékok hatásmechanizmusát tekintve ellenkező hatásra lettem figyelmes. Az AD-9 az említett mértékben javította a szobahőmérsékletű ütőszilárdságot, viszont a húzószilárdságot (62. ábra/b) 12%-kal csökkentette. Az AD-10 adalék volt az egyedüli, melynek hatására csökkent a szobahőmérsékletű ütőszilárdság, a húzószilárdságot azonban kis mértékben növelte és stabilizálta. Ez az ellentétes hatás valószínűsíthetően az AD-9 lágyító hatásának köszönhető, amely a két adalék átlagos molekulatömegbeli eltérésére (9. táblázat) is visszavezethető. Az AD-9 és AD-10 adalékokat tartalmazó blendek 5°C-os ütőszilárdság

Eredmények és értékelésük

101 értékei között azonban már nem volt különbség, melynek oka, hogy alacsonyabb hőmérsékleten feltételezhetően nem érvényesült az AD-9 lágyító hatása. Az AD-2 adalék a húzószilárdságot 26%-kal (62. ábra/b), a húzómoduluszt pedig 44%-kal (67. -M Melléklet) növelte az adalék nélküli mintához képest, míg az ütőszilárdság (62. ábra/a) eltérő vizsgálati hőmérséklet hatására is változatlan maradt. Ez valószínűleg annak köszönhető, hogy a hosszabb kopolimer lánccal jellemezhető AD-2 adalékban főként nitrogéntartalmú csoportok találhatók és csak kis arányban anhidrid csoport, félésztert pedig egyáltalán nem tartalmaz. A LAR kereskedelmi adalék teljesítménye egyik mechanikai jellemzőt tekintve sem volt számottevő.

a) b)

62. ábra Adalékolás hatása 90/5/5 c-PP/GTR/EPDM blendben a) Charpy-féle ütőszilárdságára b) húzószilárdságára és szakadási nyúlására.

4.5.2. Reológiai vizsgálatok

Az adalékoknak a blend szerkezetére gyakorolt hatásának kimutatására ömledék reológiai vizsgálatokat végeztem. Az 63. ábra (68. -M Melléklet) mutatja a minták amplitúdó söpréssel kapott reogramját, az LVE tartományokat pedig a 26. táblázat összegzi.

26. táblázat Adalékolás hatása 90/5/5 c-PP/GTR/EPDM blendek LVE tartományainak határára

Adalék jele LVE tartomány határa

% Pa c-PP/GTR/EPDM blendek tárolási és veszteségi moduluszára a nyírási amplitúdó függvényében;

AD-2 AD-5 AD-9 AD-10 AD-11 LAR

Charpy-féle ütőszilárdság, kJ/m2

Adalék jele a 90/5/5 c-PP/GTR/EPDM blendben 5 °C-on Szobahőmérsékleten

nélkül AD-2 AD-5 AD-9 AD-10 AD-11 LAR

Adalék jele a 90/5/5 c-PP/GTR/EPDM blendben Húzószilárdság, MPa Szakadási nyúlás, %

Eredmények és értékelésük

102 Az adalékolás minden esetben csökkentette a moduluszokat a teljes vizsgálati tartományban.

Az AD-9 adalék bekeverésével az LVE tartomány több, mint kétszeresére szélesedik, amellett, hogy a három vizsgált adalék közül ezzel őrizhető meg leginkább a szerkezeti stabilitás. Az LVE tartományok határának ilyen mértékű növekedése feltételezhetően összefüggött az AD-9 adalék lágyító hatásával is.

Az 64. ábra (69. -M Melléklet) szemlélteti az adalék nélküli és adalékolt 90/5/5 c-PP/GTR/EPDM blendek frekvenciasöprésének eredményeit 1% nyírási amplitúdó mellett.

a) b)

64. ábra Adalékolás hatása 90/5/5 c-PP/GTR/EPDM blendek a) tárolási és veszteségi moduluszára c) komplex viszkozitására a körfrekvencia függvényében; T = 180 C, γ = 1%.

A tárolási modulusz lefutási görbéi (64. ábra/a) egyértelműen alátámasztják, hogy a blend nem tartalmazott térhálót. Az adalékolt blendek komplex viszkozitása (64. ábra/b) jól láthatóan nagyobb volt a teljes mérési tartományban.

A keresztezési körfrekvenciák értékei a polietilén mátrixú blendek esetén tapasztaltakkal ellentétben gyakorlatilag egyáltalán nem tolódtak el adalékolás hatására (27. táblázat). Ez azt támasztja alá, hogy egyrészt a töltőanyag diszpergáltsága nem változott a blendben, vagyis az adalékok nem töltöttek be diszpergátor szerepet. Továbbá az adalékok nem fejtettek ki szerkezetmódosító hatást, feltételezhetően kémiai reakció sem játszódott le az adalék és a blend komponensei között, mivel térhálósodásra utaló jelet sem találtam. A kémiai reakció és határfelületi kölcsönhatás lehetőségének kizárását erősíti az a megállapítás is, hogy a bekevert adalékok közül sem a félészter, sem egyéb funkciós csoportokban való eltolódás nem okozott változást a keresztezési körfrekvenciákban, továbbá a mechanikai jellemzők változása sem volt adalékszerkezethez köthető. Az adalékolt c-PP/GTR/EPDM blendben létrejött kölcsönhatás ezek alapján feltételezhetően fizikai. Az utóbbi megállapítás viszont egyértelművé teszi, hogy a korábbiakban bemutatott

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05

0,01 0,1 1 10 100 1000

Tárolási és veszteségi modulusz, Pa

Körfrekvencia, rad/s

G'_Adalék nélkül G"_Adalék nélkül G'_AD-2

G"_AD-2 G'-AD-9 G"_AD-9

G'_LAR G"_LAR

1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04

0,01 0,1 1 10 100 1000

Komplex viszkozitás, Pa·s

Körfrekvencia, rad/s

η*_Adalék nélkül η*_AD-2 η*_AD-9 η*_LAR

Eredmények és értékelésük

103 w-HDPE/hulladék elasztomer blend komponensei között adalékolás hatására fokozott határfelületi kölcsönhatás alakult ki, amely a keresztezési körfrekvenciák eltolódásában, a szakadási nyúlás és a Charpy-féle ütőszilárdság jelentős javulásában nyilvánult meg. Ez magyarázatot adhat arra, miért érhető el nagyobb mértékű javulás a polietilén alapú blendek mechanikai jellemzőiben a kiválasztott kísérleti kompatibilizáló adalékok hozzáadásával.

A veszteségi moduluszok görbéinek meredeksége (65. ábra) nem változott meg adalékolás hatására, amely szinkronban van a keresztezési körfrekvenciák változatlanságával (27. táblázat), vagyis az adalékolás nem változtatta meg a diszpergált hulladék szemcsék mátrixból való kimozdulásához szükséges nyírás nagyságát.

27. táblázat Adalékolás hatása 70/30 c-PP/GTR/EPDM blendek keresztezési körfrekvenciáira.

90/5/5 c-PP/GTR/EPDM blend

Keresztezési körfrekvencia, rad/s

Adalék nélkül 167

AD-2 168

AD-9 165

LAR 170

65. ábra Adalékolás hatása a 90/5/5 c-PP/GTR/EPDM dinamikus mechanikai analízisével nyert veszteségi moduluszaira a nyírási amplitúdó függvényében, T = 25 C, ω = 10 rad/s.

További érdekességként említhető, hogy hulladék polietilén alapú blendek esetében minden alkalommal találtam olyan adalékot, melynek hatására sikerült javítani a szakadási nyúlást.

Kísérleti eredményeim alapján a hulladék elasztomer töltőanyag és a polimer fázis között kialakult határfelületi kölcsönhatás szinte kivétel nélkül a szakadási nyúlásra és azzal párhuzamosan a Charpy-féle ütőszilárdságra volt a legnagyobb hatással, a húzószilárdságot sokkal inkább a töltőanyag koncentrációja határozta meg. A c-PP/GTR/EPDM blendek esetében volt olyan adalék, amely a húzószilárdságot és a húzómoduluszt párhuzamosan javította, azaz megnövelte a minta merevségét, viszont a határfelületi jellemzőkhöz jobban köthető mechanikai tulajdonságok (pl. szakadási nyúlás) csökkentek vagy nem változtak.

Összességében megállapítható, hogy a kísérleti adalékok jobban együttműködtek olyan polimer rendszerekkel, amelyek rendelkeztek polietilén tartalommal vagy más molekuláris kölcsönhatásra hajlamos funkcionális csoportokkal.

1,E+07 1,E+08

0,01 0,1 1 10

Veszteségi modulusz, Pa

Nyírási amplitúdó, %

G"_Adalék nélkül G"_AD-2 G"_AD-9 G"_LAR

Összefoglalás

104