وولاستونیت، جایگزینی مناسب برای الیاف شیشه در کامپوزیت‌های آکریلیونیتریل- بوتادی‌ا‌ن-استیرن

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

همدان، دانشگاه صنعتی همدان، گروه مهندسی شیمی، صندوق پستی 65155-579

10.22063/jipst.2020.1706

چکیده

فرضیه: استفاده از الیاف شیشه در کامپوزیت‌های آکریلیونیتریل-بوتادی‌ان-استیرن (ABS) دارای مشکلاتی نظیر گرانی الیاف شیشه، سایش در تجهیزات فراورش، مشکلات زیست‌‌محیطی و بهداشتی طی بازیافت و کاهش استحکام ضربه‌ای کامپوزیت است. در این پژوهش، اثر وولاستونیت عمل‌آوری‌شده با سیلان دارای ساختار سوزنی و شبیه به الیاف شیشه، بر خواص مکانیکی کامپوزیت‌های ABS-وولاستونیت مطالعه و با کامپوزیت‌های ABS-الیاف شیشه مقایسه شد.
روش‌ها: کامپوزیت‌های ABS با استفاده از دو نوع وولاستونیت با مشخصات هندسی متفاوت در درصدهای وزنی مختلف تهیه شدند. نحوه پراکنش وولاستونیت در ماتریس ABS با ریزنگارهای میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM) و خواص مکانیکی آن‌ها براساس آزمون‌های کشش و ضربه Izod مطالعه شد. سپس با انتخاب نوع وولاستونیت مناسب خواص کششی، گرمایی و دینامیکی-مکانیکی کامپوزیت‌های آن با کامپوزیت‌های ABS-الیاف شیشه در درصدهای مشابه فاز تقویت‌کننده مقایسه شد.
یافته‌ها: نتایج تجربی اثر چشمگیر ویژگی‌های هندسی به‌ویژه نسبت طول به قطر وولاستونیت را بر استحکام ضربه‌ای کامپوزیت ABS نشان داد که به‌دلیل برهم‌کنش بین‌سطحی مناسب میان ماتریس پلیمر و پرکننده بود. همچنین، نتایج پژوهش حاکی از بهبود چشمگیر استحکام ضربه‌ای
کامپوزیت‌های ABS-وولاستونیت نسبت به ABS-الیاف شیشه بود، در حالی که مدول و استحکام و نیز دمای نرم‌شدگی ویکات در حد قابل قبولی نسبت به کامپوزیت‌های ABS-الیاف شیشه حفظ شده بود. با توجه به نتایج، کامپوزیت‌های ABS-وولاستونیت می‌توانند در بسیاری از کاربردها جایگزین مناسبی برای کامپوزیت‌های ABS-الیاف شیشه باشند.  

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Wollastonite as a Suitable Alternative to Glass Fibers in Acrylonitrile-Butadiene-Styrene Composites

نویسندگان [English]

  • Mojtaba Zargoosh
  • Hadi Sobhani
Department of Chemical Engineering, Hamedan University of Technology, P.O. Box 65155-579, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Using glass fiber in acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) composites has its limitations by increasing the final price (cost) of the product, abrasions in processing machines, the environmental and health problems during recycling as well as the reduction in impact strength of the composite. This study was carried out to evaluate the effect of silane-treated wollastonite, with a needle structure similar to glass fiber, as an alternative to glass fiber in order to eliminate the drawbacks of ABS/glass fiber composites, on the mechanical properties of ABS/wollastonite composites and compared with ABS/glass fiber composites.
Methods: The ABS composites were produced using two types of wollastonite with different geometrical specifications. Dispersion of wollastonite in ABS matrix was evaluated using the SEM micrographs, and the mechanical properties of the composites were determined based on tensile and Izod impact testes. Then, the suitable wollastonite was selected and the ABS/wollastonite composites properties such as tensile, impact strength, thermal and dynamic-mechanical properties were compared with the ABS/glass fiber composites properties at similar percentage of reinforcement phase.
Findings: The experimental results showed that the geometrical specification, especially the length/diameter ratio of wollastonite has a significant effect on the impact strength of the ABS composite as a result of good interfacial interaction between the filler and polymer matrix. The results showed significant improvement in the impact strength of ABS/wollastonite composites compared with that of ABS/glass fibers, while the modulus and strength as well as the Vicat softening temperature were acceptable compared with those of ABS/glass fibers composites. According to the results, ABS/wollastonite composites can be a good alternative to ABS/glass fiber composites in many applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • acrylonitrile-butadiene-styrene
  • wollastonite
  • glass fibers
  • mechanical properties
  • thermal properties
  1. Difallah B.B., Kharrat M., Dammak M., Monteil G., Mechanical and Tribological Response of ABS Polymer Matrix Filled with Graphite Powder, Mater. Design,  34, 782--787, 2012.
  2. Arslan C. and Dogan M., The Effect of Fiber Silane Modification on the Mechanical Performance of Chopped Basalt Fiber/ABS Composites, J. Thermoplast. Comp. Mater., 2019. DOI10.1177/0892705719829515
  3. Yang Sh., Castilleja J.R., Barrera E.V., and Lozano K., Thermal Analysis of an Acrylonitrile–Butadiene–Styrene/SWNT Composite. Polym. Degrad. Stab., 83, 383-388, 2004.
  4. Ismail N.H.Ch., Akil H.M., and Abdul Salim Z.A.S., Thermal and Morphological Properties of ABS/Muscovite Layered Silicate Composites, Mater. Sci. Forum, 947, 185-189, 2019.
  5. Morbitzer L., Kranz D., Humme G., and Ott K.H., Structure and Properties of ABS Polymers. X. Influence of Particle Size and Graft Structure on Loss Modulus Temperature Dependence and Deformation Behavior, J. Appl. Polym. Sci., 20, 2691-2704, 1976.
  6. Lee S.M., Choi C.H., and Kim B.K., Effect of Matrix SAN in ABS/PMMA Blends, J. Appl. Polym. Sci., 51, 1765-1770, 1994.
  7. Liu X. and Nomura M., Kinetic Modeling and Simulation of Emulsion Grafting Copolymerization of Styrene and Acrylonitrile in the Presence of Polybutadiene Seed Latex Particles, Ind. Eng. Chem. Res., 53, 17580-17588, 2014.
  8. Heckmann W., McKee G.E., Ramsteiner F., Structure-Property Relationships in Rubber-Modified Styrenic Polymers, Macromol. Symp., 214, 85-96, 2004.
  9. Donald A.M. and Kramer E.J., Craze Initiation and Growth in High Impact Polystyrene, J. Appl. Polym. Sci., 27, 3729, 1982.
  10. Bucknall C.B. and Cote F.F.P, I.K. Partridge., Rubber Toughening of Plastics, J. Mater. Sci., 21, 301-306, 1986.
  11. Ahn K.H., Ha D.H., Lee B.D., Doh J.G., and Choi J.H., Effect of Graft ratio on the Dynamic Moduli of Acrylonitrile-Butadiene-Styrene Copolymer, Polym. Engi. Sci., 42, 605-610, 2002.
  12. Xu X.F., Wang R., Tan Z.Y., Yang H.D., Zhang M.Y., and Zhang H.X., Effects of Polybutadiene-g-SAN Impact Modifiers on the Morphology and Mechanical Behaviors of ABS Blends, Eur. Polym. J., 41, 1919-1926, 2005.
  13. Kaseem M., Hamad K., and Deri F.,On-Line Rheological Measurements and Mechanical Properties of Acrylonitrile-Butadiene-Styrene/Corn Starch Composite, Int. J. Polym. Mater.Po., 62, 260-264, 2013.
  14. Wang W., Wang G., Zeng X., Shao L., and Chen J., Preparation and Properties of nano-CaCO3/Acrylonitrile-Butadiene-Styrene Composites, J. Appl. Polym. Sci., 107, 3609-3614, 2008.
  15. Fu Sh.Y. and Lauke B., Characterization of Tensile Behaviour of Hybrid Short Glass Fiber/Calcite/ABS Composites, Composites Part A, 29A, 575-583, 1998.
  16. Hashemi S., Hybridisaion Effect on Flexural Properties of Single and Double Gate Injection Moulded ABS Filled with Short Glass Fiber and Glass Beads, J. Mater. Sci., 43, 4811-4819, 2008.
  17. Basurto F.C., López D.G., Bastardo N.V., Merino J.C., and Pastor J.M., Composites and Nanocomposites of ABS: Synergy between Glass Fiber and Nano-sepiolite, Composites Part B, 47, 42-47, 2013.
  18. Mahesh T.S. and Nandeeshaiah, M. Krishna, Statistical Optimization of Process Parameters on Mechanical Properties of ABS/Glass Composites, Mater. Today: Proceedings, 4, 9542-9546, 2017.
  19. Martins J.N., Klohn T.G., Bianchi O., Fiorio R., and Freire E., Dynamic Mechanical, Thermal and Morphological Study of ABS/Textile Fiber Composites, Polym. Bull., 64, 497–510, 2010.
  20. Abdellah M.Y., Fathi H.I., Abdelhaleem A.M.M., and Dewidar M., Mechanical Properties and Wear Behavior of a Novel Composite of Acrylonitrile-Butadiene-Styrene Strengthened by Short Basalt Fiber , J. Compos. Sci., 2, 34, 2018.
  21. Abdelhaleem A.M., Abdellah M.Y., Fathi H.I., and Dewidar M., Mechanical Properties of ABS Embedded with Basalt Fiber Fillers, J. Manuf. Sci. Prod., 16, 69-74, 2016.
  22. Sobhani H. and Khorasani M.M., Optimization of Scratch Resistance and Mechanical Properties in Wollastonite-Reinforced Polypropylene Copolymers, Polym. Adv. Tech., 27, 765-773, 2016.
  23. Cunha M.P., Grisa A.M.C., Kleina J., Polettoa M., and Brandalisea R.N., Preparation and Characterization of Hollow Glass Microspheres- Reinforced Poly (acrylonitrile-co-butadiene-co-styrene) Composites, Mater. Res., 21, 2018.
  24. Wyzgoski M.G., Physical aging of Poly(acrylonitrilebutadienestyrene). I. Dynamic Mechanical Measurements, J. Appl. Polym. Sci., 25, 1443-1453, 1980.
  25. Kiziltas D.J. Gardner, Han Y., and Yang H.S., Dynamic Mechanical Behavior and Thermal Properties of Microcrystalline Cellulose (MCC)-Filled Nylon 6 Composites, Thermochim. Acta, 519, 38-43, 2011.
  26. Leyvaa M.E., Soaresa B.G., and Khastgir D., Dynamic-Mechanical and Dielectric Relaxations of SBS Block Copolymer: Polyaniline Blends Prepared by Mechanical Mixing, Polymer, 43, 7505-7513, 2002.
  27. Brydson J.A., Plastic Material, 7th ed. Oxford, UK, 189, 1999.