Lokális deformációs folyamatok PA6/rétegszilikát

nanokompozitokban

Móczó János

BME FKAT Műanyag- és Gumiipari Laboratórium

2011. december 13.

2

Tartalom

Bevezetés Mintakészítés, vizsgálati módszerek Szerkezet Mechanikai jellemzők Térfogati deformáció Akusztikus emisszió Következtetések Köszönetnyilvánítás

3

Bevezetés – definíciók, alkalmazások

4

Bevezetés – Előnyök, alkalmazások

Előnyök: nagy merevség nagy szilárdság nagy hőalaktartóság (HDT) rossz éghetőség javuló gázzárási

tulajdonságok erősítés kis töltőanyag tartalomnál

Valóság: A tulajdonságok elmaradnak a várttól!

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

1

2

3

4

üveggyöngy

üvegszál

talkumrétegszilikát

Rel

atív

mod

ulus

, E/E

m

Töltőanyag tartalom ()

Kojima, Y. et al. J. Polym. Sci., Polym. Chem. A31, 983 (1993)

5

plasztikus deformáció kavitáció mikroméretű üregek képződése

a kötegekben szakadás kinyílás csúszás

a részecskék törése határfelületi tönkremenetel határfelületek elválása

Mikromechanikai deformációs folyamatok és a tönkremenetel a nem exfoliálódott egységeken indul meg (szemcsék, taktoidok).

Kim G.-M. et al., R., Polymer 42, 1095-1100 (2001)Gloaguen, J.M., Lefebvre, J.M., Polymer 42, 5841-5847 (2001)Renner, K. et al. Polym. Eng. Sci. 47, 1235-1245 (2007)

Bevezetés – Lokális deformációk

határfelületek elválása

szemcse törése

6

Kísérleti rész

Felhasznált anyagok: Polimer: PA6 (Domamid 27) Rétegszilikát: NaMMT, ammónium sóval és foszfónium

sóval felületkezelt OMMT (NoMMT, PoMMT) – összetétel: 0-7 vol%

Homogenizálás: kétcsigás extruder, fröccsöntés Vizsgálati módszerek:

Szerkezet jellemzése: WAXS, SEM, TEM, reológia Szakítóvizsgálatok Mikromechanikai vizsgálatok:

– Térfogati deformáció (VOLS)– Akusztikus emisszió (AE)

7

Eredmények– Szerkezet (WAXS, TEM)

2 4 6 8 10 12

PoMMT

NoMMT

NaMMT

Inte

nzitá

s (a

.u.)

2 (fok)

Egyértelmű szerkezeti változások, akompozitok szerkezete összetett, interkalált egységek és egyedi lemezek is megfigyelhetőek.

NaMMT

NoMMT

PoMMT

8

Eredmények– Szerkezet (SEM, reológia)

Nagy, lebomlatlan szilikát szemcsék továbbra is jelen vannak.A komplex viszkozitás növekedése háló szerkezet

kialakulására, valamint exfóliáció bekövetkezésére utal.

NaMMT

NoMMT

PoMMT

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08102

103

104

105

106

NaMMT NoMMT PoMMT

Kom

plex

viszk

ozitá

s (P

as)

Szilikát térfogattört

9

Eredmények– Mechanika

Az eltérő rétegszerkezet különböző mértékű exfóliációt eredményez, a foszfónium sóval felületkezelt rétegszilikát

nagyobb erősítőhatást fejt ki.

0,00 0,02 0,04 0,06 0,082,0

2,5

3,0

3,5

4,0

PA NaMMT NoMMT PoMMT

Mod

ulus

(G

Pa)

Szilikát térfogattört

0,00 0,02 0,04 0,06 0,0855

58

61

64

67

70

73 PA NaMMT NoMMT PoMMT

Fol

yási fes

zültsé

g (M

Pa)

Szilikát térfogattört

10

Eredmények– Modell számítás

Két tényező határozza meg az erősítőhatás mértékét: az érintkező felületek nagysága és a kölcsönhatás erőssége. Az első az exfóliáció

mértékével nő, míg utóbbi a felületkezelés hatására csökken.

0,00 0,02 0,04 0,06 0,084,0

4,1

4,2

4,3

4,4

4,5

PA NaMMT NoMMT PoMMT

ln(r

eduk

ált f

olyá

si fes

zültsé

g)

Szilikát térfogattört

Szilikát B paraméter Af

(m2/g)

Exfóliáció

mértéke (%)

NaMMT 5,0 19,6 0

NoMMT 3,7 14,5 1,9

PoMMT 7,6 29,3 3,9

11

Eredmények– Térfogati deformáció

Poliamidban és a kompozitban is nagy valószínűséggel kavitáció játszódik le. A szilikát jelenléte valószínűleg nem iniciál újabb

térfogat növekedéssel járó folyamatot.

0 1 2 3 4 50

10

20

30

40

50

60

70

Fes

zülts

ég (M

Pa)

Nyúlás (%)

VOLS

VOLS

0

1

2

3

4

Térfogati deform

áció (%)

7 vol% NoMMT

12

Eredmények– Térfogati deformáció

A szilikát jelenléte befolyásolja a folyamatot, a NaMMT gátolja, míg a kezelt szilikátok elősegítik a térfogat növekedést. A szilikátok

eltérő hatása eltérő felületi energiájukkal magyarázható. A kavitáció már viszonylag kis feszültségnél lejátszódik.

0 2 4 6 85

10

15

20 PA NaMMT NoMMT PoMMT

Jelle

mző

fes

zülts

ég,

VO

LS (M

Pa)

Szilikát tartalom (vol%)

13

Eredmények– Akusztikus emisszió

Az akusztikus események száma NaMMT jelenlétében jelentősen megnő, a szilikát tartalom növelésével az aktivitás tovább nő. A

lejátszódó deformációs folyamat feltehetően nem jár térfogat növekedéssel.

0 5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

50

60

70

20

30

40

50

Fes

zültsé

g (M

Pa)

Nyúlás (%)A

mplitúdó (dB

)

0 5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

50

60

70

0

250

500

750

1000

1250

1500

Fesz

ültség

(M

Pa)

Nyúlás (%)

AE

AE

Összesem

ényszám

0,5 vol% NaMMT

14

Eredmények– Akusztikus emisszió

A felületkezelt szilikátok esetében a kompozit és a mátrix polimer közel hasonló akusztikus aktivitású.

0 5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

50

60

70

80

0

50

100

150

200

250

300

Fes

zültsé

g (M

Pa)

Nyúlás (%)

AE

AE

Összesem

ényszám

1,5 vol% PoMMT

15

Eredmények– Akusztikus emisszió

Szoros összefüggés a szerkezettel; a hangképződéssel járó deformációs folyamat a szilikát szemcsékhez köthető. NaMMT

esetében elképzelhető, hogy eltérő deformációs folyamat játszódik le, mint a kezelt szilikátok esetében.

0 250 500 750 1000 1250 15000

250

500

750

1000

1250

15000 500 1000 1500 2000 2500 3000

0

100

200

300

400

500

Ese

mén

yszá

m

XRD intenzitás (terület)

Esem

ényszám

XRD intenzitás (terület)

16

Eredmények– Akusztikus emisszió

A térfogati deformációt, illetve az akusztikus jeleket eredményező folyamatok egymástól függetlenek. A térfogat növekedést eredményező deformációs folyamat nem okoz

akusztikus aktivitást.

6 9 12 15 1810

20

30

40

50

NaMMT NoMMT PoMMT

Jelle

mző

fes

zülts

ég,

AE (M

Pa)

Jellemző feszültség, VOLS

(MPa)

17

Eredmények– Jellemző feszültségek

Különböző feszültség értékeknél eltérő folyamatok indulnak, a folyamatok egymástól függetlenek. A szilikát típusa az egyes folyamatokat kisebb vagy nagyobb mértékben befolyásolja.

0 2 4 6 80

20

40

60

80

térfogati deformáció

akusztikus emisszió

Jellem

ző fes

zültsé

g (M

Pa)

Szilikát tartalom (vol%)

folyási feszültség

18

Eredmények– Deformációs folyamatok

NaMMT: szemcsék, aggregátumok törése; határfelületek elválása; kavitációFelületkezelt szilikátok: kevesebb szemcse, kevesebb törött részecske; kiterjedt kavitáció

3 vol% NaMMT

5 vol% NoMMT

19

Eredmények– Összefoglalás

A kompozit tulajdonságait elsősorban nem a rétegszilikát szemcsékhez köthető deformációs folyamatok, hanem a mátrix

polimer plasztikus deformációja határozza meg.

0 10 20 30 40 50 600

20

40

60

80

NaMMT NoMMT PoMMT

Fol

yási fes

zültsé

g (M

Pa)

Karakterisztikus feszültség, AE

(MPa)

20

PA6/rétegszilikát nanokompozitokban több deformációs folyamat is lejátszódik mátrix kavitáció mátrix plasztikus deformáció a nem exfoliálódott szerkezeti elemek törése. határfelületek elválása

A lokális deformációs folyamatok függetlenek egymástól. A kompozitok tulajdonságait nem a szilikát jelenlétéhez köthető

folyamatok határozzák meg, hanem elsősorban a mátrix plastikus deformációja.

A rétegszilikát felületkezelése módosítja a folyamatokat. A jó tulajdonságok eléréséhez az exfoliáció és a határfelületi

adhézió megfelelő kombinációja szükséges.

Következtetések

21

Köszönöm a figyelmet!