Orientacija polnila lahko vpliva tudi na magnetno permeabilnost. Ugotovljeno je bilo, da večji kot je delež polnila, boljše so magnetne lastnosti. Kompoziti z večjim velikostnim razmerjem imajo večjo permeabilnost pri vseh stopnjah polnila. Pogoji procesiranja, kot so
Teoretične osnove in pregled literature
16
hitrost brizganja, temperatura brizganja in premer matrice, vplivajo na orientiranost. Prav tako je toplotna prevodnost močno povezana z orientiranostjo in porazdelitvijo delcev polnila. Na orientiranost in končne lastnosti izdelka vplivata tudi oblika šobe in geometrija kalupa. Da bi zvečali toplotno prevodnost vzdolž osi brizganja, lahko zvišamo delež polnilnih delcev ali preoblikujemo kalup.
Naključna porazdelitev orientacije delcev, ki jo dobimo med procesom stiskanja, poveča toplotno prevodnost vzdolž smeri debeline materiala. Zaradi naključne orientiranosti se delci med seboj dotikajo in prepletajo, zato je pot vzdolž smeri debeline materiala večja oziroma neprekinjena. Pri injekcijskem brizganju je orientiranost delcev vzporedna debelini in pot pravokotno na debelino prek delcev ni zvezna, saj je pri usmerjeni orientiranosti manj stikov delcev kot pri naključni orientiranosti. V materialih, ki so bili brizgani z injekcijskim brizganjem, pa je pri enakih deležih polnila dielektrična konstanta večja kot pri enakih materialih, ki smo jih dobili prek postopka, kjer so delci naključno orientirani [3].
2.10 Steklene kroglice v matrici polipropilena
Bek in sodelavci [13] so raziskovali vpliv štirih različnih vrst delcev v matrici polipropilena na reološke lastnosti materiala. V matrico polipropilena so dali 30, 45 in 60 % mase delcev, med delci so bile tudi steklene kroglice. Ugotovili so, da steklene kroglice z matrico polipropilena ne tvorijo kemične vezi. S povečanjem koncentracije polnila sta se povečala tudi modula G' in G''. Opazili so tako povečanje v celotnem frekvenčnem območju testov (oscilatorni frekvenčni testi) kot tudi pri vseh testiranih strižnih deformacijah (oscilatorni amplitudni testi). Ugotovili so, da se v območju nižjih frekvenc, kjer so prevladujoče interakcije delcev, vsi vzorci obnašajo kot trdnine. Ko se je vrednost frekvence večala, se je vedenje materiala spremenilo v vedenje kapljevin.
Liang [14] je za kombinacijo steklenih kroglic in polipropilena ugotovil, da se viskoznost viša z višanjem volumskega deleža steklenih kroglic. Ugotovil je, da lahko lastnosti tokovne krivulje deloma opiše s potenčnim zakonom. Trdi, da medpovršinska adhezija med delci in matrico do neke mere vpliva na lastnosti taline. Viskoznost vzorcev, pri katerih so steklene kroglice predhodno obdelane s silanskim spojnim sredstvom, je pri enakih pogojih nekoliko višja kot pri vzorcih brez predhodne obdelave površine kroglic. Kritična strižna hitrost, ki je potrebna za tok taline, je pri neobdelanih kroglicah večja kot pri obdelanih, kar pripisuje izboljšanju kompatibilnosti in medpovršinski adheziji med delci in matrico s silanskim spojnim sredstvom. V članku [15], kjer so proučevali odvisnost koncentracije steklenih kroglic na natezne lastnosti kompozita steklenih kroglic in polipropilena, je ugotovil, da se Youngov modul z večanjem koncentracije poveča, medtem ko sta se natezna napetost tečenja in natezna napetost pri zlomu manjšali z večanjem koncentracije polnila.
Maksimalna vrednost natezne deformacije ob lomu in natezne lomne energije polipropilena, polnjenega s steklenimi kroglicami, je bila dosežena pri 25 % volumna steklenih kroglic.
Kwok in sodelavci [16] so dosegli sočasno povečanje trdnosti in togosti v kompozitu polipropilena in steklenih kroglic. Za izboljšanje medpovršinske adhezije med steklenimi kroglicami in polipropilenom so uporabili titanatno spojno sredstvo. Ko se je volumski delež majhnih kroglic s premerom 2,5 μm povečal z 0 na 25 %, so dosegli 4,5-kratno povečanje udarne žilavosti, napetostni modul pa je ostal nespremenjen. Pri vzorcih s kroglicami, ki so večje od 2,5 μm, se je udarna žilavost le nekoliko povečala.
Teoretične osnove in pregled literature
17
2.11 Kratek povzetek
V drugem poglavju smo naredili pregled teorije visokokoncentriranih polimerov in nekaterih njihovih reoloških lastnosti. Na viskoznost visokokoncentriranih polimerov najbolj vpliva delež polnila. Pričakujemo, da se do vsebnosti 20 % polnila viskoznost surovine ne spremeni drastično, po preseženi vsebnosti surovine 20 % polnila pa se bo viskoznost surovine višala z višanjem deleža polnila. Pri tej vrednosti se poveča število interakcij med delci. Vsi VK-polimeri imajo neko mejo zapolnjenosti, ki ji pravimo maksimalen delež polnila. V teoriji je ta meja okoli 60 % deleža polnila ob predpostavki, da imamo monomodalno porazdelitev velikosti delcev polnila. Na lastnosti visokokoncentriranih polimerov imajo vpliv sestava veziva, oblika in velikost polnila, orientiranost delcev polnila, če je oblika polnila nesferična, dodani aditivi in porazdelitev delcev. Pri interakcijah, ki se dogajajo v materialu, pa prevladujejo koloidne, viskozne in Brownove sile.
Teoretične osnove in pregled literature
18
19
3 Metodologija raziskave
Cilj naloge je bila analiza vpliva koncentracije steklenih kroglic na reološke lastnosti kompozita na osnovi polipropilena. Treba je bilo pripraviti vzorce brez dodatka steklenih kroglic in kompozite z različnimi koncentracijami steklenih kroglic vse do maksimalne polnitve 50 ut.%. Pri tem je bilo treba določiti vpliv delcev na vedenje kompozitnega materiala in morebitne interakcije med delci in vezivom (polimerom) oziroma med samimi delci. Poleg eksperimentalnih meritev smo rezultate popisali tudi z različnimi matematičnimi modeli, med katerimi smo želeli izbrati obstoječi reološki model, ki bi najbolje opisal reološko vedenje pripravljenih visokokoncentriranih kompozitnih materialov pri različnih koncentracijah steklenih kroglic.
3.1 Materiali
Optično in reološko analizo smo naredili na vzorcih, ki smo jih pripravili v laboratoriju.
Najprej smo ustrezno količino veziva in steklenih kroglic premešali s pomočjo dvopolžnega ekstruderja, dobljene ekstrudate pa smo nato zmleli v granule. Kot pri tem smo osnovnemu materialu – polipropilenu PP BRA H605 (PP) – dodali polnilni material v obliki steklenih borosilikatnih kroglic iM16K (GB) in termični stabilizator ADD-VANCE. Ekstrudiranje smo izvedli z vnaprej določenimi parametri ekstrudiranja, ki so podani v tabeli 3.1. Po podatkih proizvajalca je imel polimer PP BRA H605 gostoto 0,905 g/cm3. Proizvajalec steklenih kroglic navaja, da je bil povprečni premer kroglic 20 μm, njihova gostota 0,46 g/cm3 in maksimalna polnitev Φm = 60 %.
Steklene kroglice se v industriji uporabljajo za različne namene. Lahko se uporabljajo za zmanjševanje končne teže izdelka, saj je lahko končna teža izdelka, narejenega iz VK-polimernega kompozita s kroglicami, do 15 % manjša od teže izdelka, pripravljenega iz polimera brez kroglic. V proizvodnji avtomobilskih delov so že dosegli celo 40-odstotno zmanjšanje mase končnega izdelka, kar pa ni vplivalo negativno na kakovost le-tega. Deli so ohranili trdnost, površinski videz in mehanske lastnosti. Steklene kroglice se lahko uporabljajo tudi za zmanjševanje časa nastajanja izdelka, saj se le-ta lahko zmanjša za 15–25 %. Do zmanjševanja časa pride zaradi možnosti hitrejšega hlajenja, saj s steklenimi kroglicami zmanjšamo maso izdelka, ki se ohlaja. Poleg tega pa lahko s steklenimi kroglicami zmanjšamo tudi temperaturni raztezek izdelka [17].
Metodologija raziskave
20
Preglednica 3.1: Parametri ekstrudiranja vzorcev s steklenimi kroglicami Temperatura ekstrudiranja – Te 210 °C
Hitrost polžev – n 301/min
Hitrost podajanja dodajnega materiala 25 enot
Premer šobe 15 mm
Proces ekstrudiranja je potekal tako, da smo na računalniku, ki je bil povezan z ekstruderjem, nastavili parametre ekstrudiranja, ki so zbrani v preglednici 3.1. Temperaturo ekstrudiranja smo določili glede na lastnosti polimernega kompozita, ki so bile odvisne od koncentracije steklenih kroglic. Hitrosti polžev in podajanja dodajnega materiala smo določili na podlagi izkušenj, vseeno pa smo morali vrednosti nekoliko prilagajati količini dodanega polnila.