Μελέτη μηχανισμών συμβατοποίησης νανοσυνθέτων με μίγματα μηχανολογικών πολυμερών για αναβάθμιση κρίσιμων ιδιοτήτων

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη μηχανισμών συμβατοποίησης νανοσυνθέτων με μίγματα μηχανολογικών πολυμερών (ABS/PC) για αναβάθμιση κρίσιμων, ρεολογικών, μηχανικών και θερμικών, ιδιοτήτων. Επίσης, σκοπός ήταν η λήψη μέσω των πραγματοποιηθέντων πειραμάτων συμπερασμάτων σχετικά με τις δυνατότητες ανακύκλωσης μιγμάτων ABS/PC προερχόμενων από απορρίμματα ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού (ΑΗΗΕ).

Τα ABS και PC συναντώνται σε υψηλά ποσοστά στα ΑΗΗΕ, ενώ όταν αναμιγνύονται συνδυάζονται οι καλές μηχανικές και θερμικές ιδιότητες του PC με την επεξεργασιμότητα του ABS. Όμως, η μηχανική ανακύκλωση των πολυμερών έχει ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση ορισμένων ιδιοτήτων τους, κυρίως λόγω της θερμοοξειωτικής αποδόμησης που λαμβάνει χώρα. Έτσι. για να αναβαθμιστούν οι ιδιότητες των πολυμερικών μιγμάτων ABS/PC εξετάστηκε η χρήση δύο προσθέτων, τoυ συμβατοποιητή ABS-g-MAH και της οργανικά τροποποιημένης ορυκτής αργίλου Cloisite 30B.

Μετά την πραγματοποίηση της εκβολής και την κοκκοποίηση των μιγμάτων, τα δείγματα των διαφόρων συστάσεων ABS/PC (100/0, 70/30. 50/50 και 30/70 w/w) εξετάσθηκαν ως προς τη δομή και τη μορφολογία τους μέσω XRD, SEM και DSC, ενώ ταυτόχρονα εξετάστηκαν οι μηχανικές (πειράματα εφελκυσμού), οι ρεολογικές (MFI) και οι θερμικές ιδιότητές τους (ΤGA, μέτρηση ανώτερης θερμογόνου δύναμης), με σκοπό τη συσχέτιση των μικροσκοπικών ιδιοτήτων με τις εμφανισθείσες μακροσκοπικές.

Η μερική συμβατότητα των δύο πολυμερών, για την οποία δόθηκαν ενδείξεις μέσω της ανάλυσης με DSC, επιβεβαιώθηκε και μέσω SEM. Συγκριτικά, όσον αφορά τη μορφολογία των πολυμερικών μιγμάτων, η προσθήκη Cloisite 30B φαίνεται να έχει καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με το ΑΒS-g-MAH, γεγονός που αποδεικνύει τη συμβατοποιητική δράση που έχει ο οργανικά τροποποιημένη ορυκτή άργιλος.

Η συνδυασμένη δράση της οργανικά τροποποιημένης ορυκτής αργίλου ως συμβατοποιητή και μέσου ενίσχυσης είχε ως αποτέλεσμα την αναβάθμιση της πλειοψηφίας των ιδιοτήτων των εξετασθέντων μιγμάτων ABS/PC. Συγκεκριμένα, η προσθήκη Cloisite 30B είχε ως αποτέλεσμα την βελτίωση της αντοχής σε εφελκυσμό και του μέτρου ελαστικότητας, καθώς και την αύξηση του ιξώδους των μιγμάτων.

Όσον αφορά τις θερμικές ιδιότητες, η συνολική βελτίωση που παρατηρήθηκε, μετά την προσθήκη Cloisite 30B, μπορεί πιθανώς να αποδοθεί: (α) στο «φαινόμενο φράγματος», η ισχυροποίηση του οποίου εξαρτάται από το βαθμό διασποράς των πλακιδίων του ΟΜΜΤ και (β) από την αλλαγή του μηχανισμού θερμικής αποδόμησης, αφού μέσω των πειραμάτων TGA παρατηρήθηκε ότι τα νανοσύνθετα των πλούσιων σε PC μιγμάτων αποδομούνται σε δύο διακριτά στάδια. Τα δεδομένα αυτά οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η βελτίωση των θερμικών ιδιοτήτων, η οποία πραγματοποιείται μέσω αλλαγής του μηχανισμού αποδόμησης και της εμφάνισης του «φαινομένου φράγματος», πιθανώς να βασίζεται στην αλληλεπίδραση της ορυκτής αργίλου με το PC, καθώς και στην προστασία των νησίδων του PC από τα πλακίδια της ορυκτής αργίλου που έχουν συγκεντρωθεί στη διεπιφάνεια των ABS/PC. Η καλύτερη θερμική σταθερότητα των μιγμάτων επαληθεύθηκε και μέσω των πειραμάτων μέτρησης της ανώτερης θερμογόνου δύναμης.

Αντίθετα, η προσθήκη του ABS-g-MAH δεν είχε κάποια ιδιαίτερη επίδραση στις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες των μιγμάτων, αλλά απλά μία μικρή αύξηση στο ιξώδες τους. Επίσης, η δράση των ABS-g-MAH και Cloisite 30B δεν είναι αθροιστική, αφού η προσθήκη συμβατοποιητή στα νανοσύνθετα δε βελτίωσε, αλλά μάλλον υποβάθμισε, τις ιδιότητές τους.

Συμπερασματικά, η οργανικά τροποποιημένη ορυκτή άργιλος Cloisite 30B κρίνεται ως καλύτερο πρόσθετο σε σχέση με το ABS-g-MAH, αφού η συνδυασμένη της δράση ως συμβατοποιητή και μέσο ενίσχυσης είχε ως αποτέλεσμα την εμφάνιση βελτιωμένων ιδιοτήτων, κυρίως μηχανικών και θερμικών, στη πλειοψηφία των πολυμερικών μιγμάτων που εξετάστηκαν.

Τέλος, βάση των παραπάνω συμπερασμάτων κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική η διαχείριση ενός μέρους των προερχόμενων από ΑΗΗΕ πολυμερών μέσω μηχανικής ανακύκλωσης των μιγμάτων τους, με ταυτόχρονη προσθήκη προσθέτων τέτοιων ώστε να καθίσταται δυνατή η περαιτέρω χρήση τους σε ανάλογες με τις αρχικές εφαρμογές. Όμως, η ανομοιογένεια του πλαστικού κλάσματος των ΑΗΗΕ και οι προσμίξεις που αυτά περιέχουν καθιστούν απαραίτητο το συνδυασμό διαφόρων μεθόδων διαχείρισης τους. Έτσι, παρόλο που η ανώτερη θερμογόνος δύναμή των μιγμάτων ABS/PC είναι μικρότερη αυτής που παρουσιάζουν τα πλαστικά αστικά απορρίμματα, η καύση αποτελεί μία καλή εναλλακτική λύση για την ολοκληρωμένη διαχείρισή τους.

Blends of acrylonitrile–butadiene–styrene copolymer (ABS) and polycarbonate (PC) are a class of the largest selling commercial polymers, as they are widely applicable in automobile, home appliance and computer fields. This increased popularity is due to their relatively good mechanical properties, processibilty and heat resistance. However, the components of this alloy present poor compatibility and, therefore, compatibilization is often applied in industrial practice, in order to promote miscibility. This technique involves the use of third component, such as costly core-shell compatibilizer, as an additive to the blend system1. Balakrishnan et al.2 mixed PC with maleic anhydride (MAH) grafted ABS and attributed the improved interfacial interaction to the chemical reaction between the anhydride group of MAH and the terminal OH group of PC. Elmaghor et al.3 proposed that the role of MAH grafting is the compatibilization between two kinds of segments of ABS. More specifically, the grafting of styrene/butadiene segments helps them to enwrap the styrene/acrylonitrile segments and thus moderate the repulsion between those polar segments and the non-polar PC ones. In the present study, in order to improve the performance of ABS/PC blends, organically modified montmorillonite (OMMT) nanoparticles were incorporated into this mixture by melt mixing in a twin screw extruder. In addition, the effect of a compatibilizer, ABS-g-MAH, on the immiscibility, morphology and properties of ABS/PC blends and their nanocomposites was examined. The prepared hybrids were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Diffraction Analysis (XRD), Thermogravimetric Analysis (TGA), Dynamic mechanical Analysis (DMA) and Tensile test measurements. The addition of OMMT influences the thermal degradation mechanism and properties of ABS/PC blends with compositions 50/50 and 30/70 w/w in comparison with the respective unreinforced blends. The incorporation of organoclay nanofiller seems to inhibit thermal degradation of the PC phase, maybe due to the settlement of nanoclay at the ABS/PC interface and the formation of a protective layer. This layer insulates the underlying material leading to the formation of char with a multilayered carbonaceous-silicate structure on the surface during burning. Significant improvement was also recorded for modulus of elasticity during tensile tests, as well as for the storage modulus G’ of ABS/PC blends. The reduction of the average microdomain size of PC by OMMT addition suggests that nanoclay improves compatibility of ABS/PC blends. ABS-g-MAH compatibilzer, although improving the intercalation process of ABS/PC nanocomposites, does not have substantial effect on the thermal stability and mechanical properties of the investigated systems. References 1. S. Balakrishnan, N.R. Neelakantan, Journal of Materials Science 34: 5181-5185 (1999). 2. S. Balakrishnan, N.R. Neelakantan, D. Nabi Saheb, J.P. Jog, Polymer 39: 5765-5771 (1998). 3. F. Elmahhor, L. Zhang, R. Fan, H. Li, Polymer 45: 6719-6724 (2004).