Ugrás a tartalomhoz

Műanyag kompozitok - 1. rész

Szakács Hajnalka (2012)

Pannon Egyetem

A polisztirol blendek

A polisztirol blendek

A PS szintén egy a kutatások középpontjában álló hőre lágyuló tömegműanyag. A legismertebb nem elegyedő PS blend például a HIPS vagy SBR, amelyek létrehozásánál az ütéssel szembeni szilárdság növelése volt a cél. Néhány ilyen céllal előállított blendet a 8. táblázat sorol fel.

8. táblázat - PS erősítése

Blend Jellemzők/kiemelt szempontok

PS SBR-ral

ütési teljesítmény

PS PIB-vel és PSIB-vel

szilárdság

PS PB-vel és SBR-rel

szilárdság

PS SBR-rel és térhálós SBR-rel

szilárdság

PS SBR-rel és PEG-vel

szilárdság, adhézió, elektrosztatikus disszipáció

HIPS (sztirollal ojtott EPR-el erősített PS)

időjárásállóság növekedés

HIPS SBS-el

jobb tulajdonságok

PS with SBR, (SB)n and PP

szilárdság

HIPS HDPE-vel és SEBS-sel

jobb tulajdonságok

  

A különböző típusú gumik bedolgozásával létrehozott PS blendekben a gumi részecskék erőt koncentráló komponensként működnek, amelyek a PS mátrixban létrejövő a tömeges repedések kiinduló pontjai lehetnek. Ilyen esetekben a repedések a blendekre ható erőre merőlegesen addig növekednek, amíg összeérnek és a szomszédos gumirészecskéknek köszönhetően stabilizálódnak. Ennek következtében a termékre ható energia nagy része a repedések kialakulására és azok növekedésére fordítódik, és ez jelenti a szilárdság fő forrását. A PS/gumi blendek legnagyobb hátránya más gumival erősített polimer blendekhez hasonlóan a kisebb modulusz és húzószilárdság.

Az elmúlt években a PS blendek szilárdságának növelésére nem rugalmas polimereket is használnak, pl. PS blendekben leginkább a polietilént (PE) használják. Mivel a PS és a PE ugyancsak egymással nem elegyedő polimerek, így a két komponens egyszerű keveréke esetében gyengék a mechanikai tulajdonságok. Ezért a kutatások az ilyen blendeknél is az összeférhetőség javításának irányába indultak el a jobb mechanikai tulajdonság elérése érdekében. A leginkább népszerű megoldás az összeférhetőség javításához egy harmadik komponens alkalmazása. A PS/PE rendszer esetében SEBS, PE-PS kopolimert és más kopolimereket használtak. Különböző összetételű HDPE/PS blendek mechanikai tulajdonságait foglalja össze a 9. Táblázat.

9. táblázat - Bináris és terner blendek mechanikai tulajdonságai I.

Összetétel

Tulajdonság

HDPE (m/m%)

Húzószilárdság (MPa)

Modulusz (GPa)

Szakadási nyúlás (%)

Ütőszilárdság (J/m)

0

PS/HDPE

61,50

PS/HDPE

3,86

PS/HDPE

4,90

PS/HDPE

22,90

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

55,80

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

2,92

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

3,00

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

20,90

5

PS/HDPE

60,70

PS/HDPE

3,60

PS/HDPE

4,90

PS/HDPE

11,20

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

53,50

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

2,83

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

13,20

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

66,30

7

PS/HDPE

61,40

PS/HDPE

3,27

PS/HDPE

4,90

PS/HDPE

18,50

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

-

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

-

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

-

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

-

8,5

PS/HDPE

60,60

PS/HDPE

3,20

PS/HDPE

5,00

PS/HDPE

15,60

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

-

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

-

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

-

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

-

10

PS/HDPE

57,80

PS/HDPE

3,13

PS/HDPE

4,60

PS/HDPE

11,40

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

-

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

-

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

-

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

-

15

PS/HDPE

52,00

PS/HDPE

2,93

PS/HDPE

3,70

PS/HDPE

12,00

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

-

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

-

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

-

PS/HDPE/SBS

(SBS 10%)

-

20

PS/HDPE

49,60

PS/HDPE

2,90

PS/HDPE

3,58

PS/HDPE

16,10

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

44,50

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

2,53

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

77,50

PS/HDPE/SBS

(10% SBS)

201,31


A PS 61,50 MPa húzószilárdsága 20 m/m% HDPE tartalomnál 49,60 MPa-ra csökken, a modulusz és a szakadási nyúlással hasonlóan csökken. Ez azt jelenti, hogy ha a húzó jellemzők javítása a cél, akkor a két polimer egyszerű elegyítése nem célravezető. Emellett az ütőszilárdság is jelentős mértékben csökken. Ez azt is mutatja, hogy kompatibilizáló adalék nélkül az alap polimernél (PS) jobb mechanikai tulajdonságokkal jellemezhető blend nem állítható elő.

10. táblázat - Bináris és terner blendek mechanikai tulajdonságai II.

Összetétel

Tulajdonság

HDPE (m/m%)

Húzószilárdság

(MPa)

Modulusz

(GPa)

Szakadási nyúlás

(%)

Ütőszilárdság

(J/m)

0

PS/SBS

61,40

PS/SBS

3,86

PS/SBS

5,00

PS/SBS

23,10

PS/HDPE/SBSa

61,50

PS/HDPE/SBSa

3,27

PS/HDPE/SBSa

3,16

PS/HDPE/SBSa

16,67

5

PS/SBS

53,20

PS/SBS

3,32

PS/SBS

3,98

PS/SBS

21,54

PS/HDPE/SBSa

59,50

PS/HDPE/SBSa

3,34

PS/HDPE/SBSa

12,13

PS/HDPE/SBSa

72,70

10

PS/SBS

49,00

PS/SBS

3,04

PS/SBS

7,97

PS/SBS

21,00

PS/HDPE/SBSa

52,90

PS/HDPE/SBSa

2,75

PS/HDPE/SBSa

77,32

PS/HDPE/SBSa

185,00

15

PS/SBS

43,20

PS/SBS

2,73

PS/SBS

14,14

PS/SBS

20,12

PS/HDPE/SBSa

44,50

PS/HDPE/SBSa

2,69

PS/HDPE/SBSa

79,69

PS/HDPE/SBSa

301,00


aPS:HDPE=4:1

A PS/SBS blendeknél a rugalmassági modulusz 3,27 GPa-ról 2,69 GPa-ra, a húzószilárdsága pedig 61,40-ről 43,20 MPa-ra csökkent (10. Táblázat). Tehát megállapítható, hogy ezeknél a bináris blendeknél a mechanikai tulajdonságok gyengék voltak. Ennek oka minden bizonnyal a kompatibilizáló adalék ellenére a korlátozott összeférhetőség.

10. ábra - A PS/SBS blendeknél az ütőszilárdság a SBS koncentrációjának függvényében

10. ábra A PS/SBS blendeknél az ütőszilárdság a SBS koncentrációjának függvényében

Jól látható, hogy a mechanikai tulajdonságok ezeknél a bináris rendszereknél gyengék. A HDPE-, vagy a SBS-koncentráció növekedésével az ütőszilárdság csökkenése figyelhető meg.

11. ábra - A PS/SBS blendeknél a szakadási nyúlás a SBS koncentrációjának változása esetében

11. ábra A PS/SBS blendeknél a szakadási nyúlás a SBS koncentrációjának változása esetében

12. ábra - SEM felvétel a PS/HDPE (80/20) bináris blendről

12. ábra SEM felvétel a PS/HDPE (80/20) bináris blendről

A PS/HDPE 80/20 összetételű blend szakadási felületéről készített SEM felvétel (12. ábra) alapján meglehetősen korlátozott összeférhetőség állapítható meg, hiszen egyenetlen a minor komponens (HDPE) eloszlása a PS mátrixban, és nem is veszi szorosan körül a HDPE részecskéket.

13. ábra - Az ütőszilárdság változása a HDPE koncentrációjának függvényében PS/HDPE blendek esetében

13. ábra Az ütőszilárdság változása a HDPE koncentrációjának függvényében PS/HDPE blendek esetében

A terner blendekkel elért eredmények alapján megállapítható, hogy a PS/HDPE/SBS (10 m/m% SBS-tartalom) blend ütőszilárdsága egyenes arányban nő a HDPE-koncentrációval, 21 J/m-ről 201 J/m-re. Az állandó 4:1-es PS/HDPE aránynál a PS/HDPE/SBS blendek ütőszilárdsága az SBS koncentrációval nő. 15 m/m% SBS-tartalom esetében az ütőszilárdság 301 J/m. [13].

A polipropilén-polisztirol (PP/PS) blend szintén tipikus példa az egymással nem elegyedő blendekre. Mind a PS-t, mind pedig a PP-t széles körben használják világszerte és a kettő elegyítésével előállított terméket is. A PP/PS rendszerben az egyik fázis kristályos, a másik pedig amorf. Mivel az olvadék blendelés Gibbs szabadenergiához képest az entrópia hozzáadódása elhanyagolható, az egymással nem elegyedő blendek termodinamikai szempontból érdekes morfológiát és mechanikai tulajdonságokat alakítanak ki [14].

14. ábra - SEM felvételek a kompatibilizáló adalékot nem tartalmazó PS/PP blendekről 300x-os nagyításban, (a) 20/80 PS/PP blend, (b) 50/50 PS/PP blend, (c) 80/20 PS/PP blend

14. ábra SEM felvételek a kompatibilizáló adalékot nem tartalmazó PS/PP blendekről 300x-os nagyításban, (a) 20/80 PS/PP blend, (b) 50/50 PS/PP blend, (c) 80/20 PS/PP blend

A 80/20 m/m%, 50/50 m/m% és a 20/80 m/m% összetételű PS/PP blendekben a SEM felvételek alapján (14. ábra) nem határozható meg teljes bizonyossággal, hogy a komponensek közül melyik alkotja a diszkrét és melyik a folytonos fázist. Annál az összetételnél, ahol a PP van nagyobb koncentrációban, illetve, ahol a két komponens koncentrációja azonos, ott a folytonos fázist a PP alkotja, a PS pedig a diszperz fázist, ezzel szemben a PS-ban gazdag blend esetében mindkét fázis folytonosnak tűnik.

15. ábra - SEM felvételek a kompatibilizáló adalékot tartalmazó PS/PP blendekről (a) 20/80 PS/PP blendek morfológiája 7,5 w/w% SEBS kompatibilizáló szerrel, (b) 50/50 PS/PP blendek morfológiája 7,5 w/w% SEBS kompatibilizáló szerrel (c) 80/20 PS/PP blendek morfológiája 7,5 w/w% SEBS kompatibilizáló szerrel

15. ábra SEM felvételek a kompatibilizáló adalékot tartalmazó PS/PP blendekről (a) 20/80 PS/PP blendek morfológiája 7,5 w/w% SEBS kompatibilizáló szerrel, (b) 50/50 PS/PP blendek morfológiája 7,5 w/w% SEBS kompatibilizáló szerrel (c) 80/20 PS/PP blendek morfológiája 7,5 w/w% SEBS kompatibilizáló szerrel

A kompatibilizáló adalékot is tartalmazó PS/PP blendek szakítási felületéről készített SEM felvételek (15. ábra) alapján a diszperz fázis azonban 7,5% SEBS típusú kompatibilizáló adalék mellett 20/80 és 50/50 összetételű PS/PP blendek esetében csökken, és az adhézió nő a folytonos (PP) és a diszperz fázis (PS) között. A megnyúlt határfelület és a deformáció szemmel látható SEBS-sel (polisztirol-blokk-poli(etilén-butilén)-blokk polisztirol) kompatibilizált 80/20 összetételű PS/PP blendek esetében [6].