Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός και βελτιστοποίηση ιδιοτήτων μικρο- και νανο- σύνθετων τανυσμένων ινών πολυπροπυλενίου

Abstract

In the present study, various systems of composite and nanocomposite drawn polypropylene fibers with talc, wollastonite, attapulgite, single-wall carbon nanotubes and modified montmorillonite were investigated. Initially, a range of additives were studied for their effect on the final properties of polypropylene composite drawn fibers. Also, the interactions among additives, such as the antioxidant and the compatibilizer were studied, highlighting the importance of the nature of the additives (polar or non-polar) and the effect of their interactions on the final properties of the composite fibers. It was found that all inorganic additives, except attapulgite, show a positive effect on both the thermal stability and the mechanical properties of the composite drawn fibers. The modification of the wollastonite’s surface, using various organic acids, and the use of the modified wollastonite as a reinforcement additive of drawn polypropylene fibers were studied. Initially, the effect of a polar and a non-polar solvent on the surface modification of wollastonite was investigated. Subsequently, the modification of the wollastonite’s surface with various organic acids and the effect of the modified wollastonite on the thermal and mechanical properties of drawn polypropylene composite fibers were studied. It was found that modified wollastonite has a non positive effect on mechanical strength of the composite drawn fibers. Consequently, in the subsequent study, a commercial compatibilizer was used, i.e. PP grafted with maleic anhydrite, and the development of PP-wollastonite drawn composite fibers was studied using design of experiments. The effect of wollastonite’s content, the content of the compatibilizer masterbatch and the drawing ratio were studied. It was found that the drawing ratio shows the most significant effect on the mechanical strength, followed by the positive effect of the wollastonite’s content. The addition of the compatibilizer itself has a negative effect on the tensile strength, due to the lower molecular weight of the polymer matrix that hinders the drawing of the polymer chains. Afterwards, the properties of composite drawn fibers with talc and composite drawn fibers with carbon nanotubes were studied. It was found that at high drawing ratios (i.e. 9) the positive effect of talc that was observed at low drawing ratios (i.e. 7) was reversed. The study of composite drawn fibers with carbon nanotubes was focused on the effect of the antioxidant content and the limits of the positive effect of drawing on the thermal and mechanical properties of the composite drawn fibers. It was shown that for drawing ratios approximately above 18 the positive effect of drawing was reversed, possibly due to overstretching of fibers. Finally, aiming the developing nanocomposite fibers, the use of two kids of organically modified montmorillonite, i.e., Cloisite 10A and 15A, as reinforcement agents was studied, similarly to the investigations mentioned above, using design of experiments. The effect of the additive content (from 0 to 2%), the compatibilizer mastebatch content (from 0 to 4%) and the drawing temperature (from 100 to 140 °C) was studied. Using the maximization of the tensile strength as a single criterion, it was found that the optimum drawing temperature is 110 °C. Moreover, the XRD patterns show that a structure with fully exfoliated montmorillonite layers was achieved for both examined clays.

Στη παρούσα εργασία μελετήθηκαν διάφορα συστήματα σύνθετων και νανοσύνθετων τανυσμένων ινών πολυπροπυλενίου με ενισχυτικά όπως ο τάλκης, ο ατταπουλγίτης, ο βολλαστονίτης, οι νανοσωλήνες άνθρακα και ο τροποποιημένος μοντμοριλλονίτης. Αρχικά, μελετήθηκε ένα εύρος ανόργανων ενισχυτικών ως προς τη συμβολή τους στις τελικές μηχανικές και θερμικές ιδιότητες σύνθετων τανυσμένων ινών πολυπροπυλενίου. Επίσης, μελετήθηκαν και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρόσθετων, όπως του αντιοξειδωτικού και του συμβατοποιητή, αναδεικνύοντας τη σημαντικότητα της φύσης των πρόσθετων (πολική η μη φύση) και την επίδραση των αλληλεπιδράσεών τους στις τελικές ιδιότητες των σύνθετων ινών. Προέκυψε ότι όλα τα ανόργανα ενισχυτικά που μελετήθηκαν, εκτός από τον ατταπουλγίτη, εμφανίζουν θετική επίδραση τόσο στη θερμική σταθερότητα όσο και στις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων τανυσμένων ινών. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η τροποποίηση της επιφάνειας του βολλαστονίτη με οργανικά οξέα και η χρήση του τροποποιημένου βολλαστονίτη ως ενισχυτικού. Αρχικώς, εξετάστηκε η επίδραση στην τροποποίηση της επιφάνειας του βολλαστονίτη που έχει η χρήση, στη διαδικασία της τροποποίησης, ενός πολικού και ενός μη πολικού διαλύτη. Ακολούθως, μελετήθηκε η τροποποίηση της επιφάνειας του βολλαστονίτη με διάφορα λιπαρά οξέα και η επίδραση των τροποποιημένων πρόσθετων στις θερμικές και μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων τανυσμένων ινών πολυπροπυλενίου. Προέκυψε ότι ο τροποποιημένος βολλαστονίτης δεν είχε θετική επίδραση στη μηχανική αντοχή των τανυσμένω ινών. Ακολούθησε η μελέτη του συστήματος PP-βολλαστονίτη, με χρήση κοινού συμβατοποιητή συμπολυμερούς πολυπροπυλενίου με μηλεϊνικό ανυδρίτη, υπό το πρίσμα σχεδιασμού πειραμάτων. Επιλέχθηκε να μελετηθεί η επίδραση του ποσοστού του ατροποποίητου βολλαστονίτη, του ποσοστού μήτρας του συμβατοποιητή και του λόγου τάνυσης. Προέκυψε ότι ο λόγος τάνυσης εμφανίζει την πιο σημαντική επίδραση στη μηχανική αντοχή και ακολουθεί η θετική επίδραση του ποσοστού βολλαστονίτη. Η αύξηση του ποσοστού της μήτρας συμβατοποιητή έχει αρνητική επίδραση στην αντοχή στη θραύση. Στην συνέχεια μελετήθηκαν σύνθετες τανυσμένες ίνες με τάλκη και σύνθετες τανυσμένες ίνες με νανοσωλήνες άνθρακα. Προέκυψε ότι σε υψηλούς λόγους τάνυσης (π.χ. 9) αντιστρεφόταν η θετική επίδραση που εμφάνιζε η εισαγωγή του τάλκη σε χαμηλότερους λόγους τάνυσης (π.χ. 7). Η μελέτη των σύνθετων τανυσμένων ινών με νανοσωλήνες άνθρακα εστίασε στην επίδραση του ποσοστού του αντιοξειδωτικού και στα όρια της θετικής επίδρασης του λόγου τάνυσης. Προέκυψε ότι για λόγους τάνυσης πάνω από περίπου 18 η θετική επίδραση της τάνυσης αντιστρεφόταν πιθανώς λόγο υπερέκταση της ίνας. Τέλος, με στόχο την ανάπτυξη νανοσύνθετων ινών επιλέχθηκε η μελέτη δύο ειδών τροποποιημένου μοντμοριλλονίτη, Cloisite 10A και 15A, ως ενισχυτικών με χρήση σχεδιασμού πειραμάτων. Σε αυτά τα πλαίσια μελετήθηκε η επίδραση του ποσοστού του πρόσθετου (από 0 έως 2%), του ποσοστού της μήτρας του συμβατοποιητή (από 0 έως 4%) και η θερμοκρασία τάνυσης (από 100 έως 140 °C). Προέκυψε ότι η βέλτιστη θερμοκρασία τάνυσης για να επιτευχθεί η μέγιστη μηχανική αντοχή είναι οι 110 °C. Ενώ από τα ακτινογραφήματα XRD προκύπτει ότι επιτεύχθηκε πλήρως διασπαρμένη μορφή των φυλλιδίων του ενισχυτικού. Κυριότερο συμπέρασμα που εξήχθη είναι ότι η επίδραση των ανόργανων ενισχυτικών στη μηχανική αντοχή των τανυσμένων ινών είναι πολύ μικρή σε σχέση με τη δραματική αύξηση της μηχανικής αντοχής λόγω της τάνυσης.