Apakah Diisi Kaca atau Diperkuat Kaca?

Beberapa bulan yang lalu saya menulis artikel yang membandingkan sifat-sifat homopolimer asetal dan kopolimer. Dalam artikel itu saya menyebutkan bahwa serat kaca dapat "digabungkan" (diikat) ke kopolimer asetal tetapi tidak ke homopolimer; dan sebagai hasilnya, manfaat memasukkan serat kaca ke dalam kopolimer lebih besar. Nah, ternyata, sementara saya tidak memperhatikan, salah satu pemasok utama homopolimer asetal memang memperkenalkan beberapa homopolimer asetal yang diperkuat kaca.

DIISI VS. ASETAL YANG DIPERKUAT

Tabel 1 menunjukkan profil properti dari homopolimer asetal yang tidak terisi bersama dengan kadar 20% yang diisi kaca dan kadar baru yang mengandung 10% dan 25% kaca di mana serat digabungkan ke matriks polimer. Perbedaan kekuatan cukup jelas dan ini merupakan contoh yang sangat baik dari perbedaan antara bahan yang diisi kaca dan bahan yang diperkuat kaca. Hal ini perlu didiskusikan secara mendetail karena perbedaan ini juga ada untuk beberapa polimer lain.

Ini dimulai dengan serat. Ini memberikan peningkatan kinerja yang lebih besar daripada pengisi biasa karena mereka memiliki sesuatu yang disebut rasio aspek. Dalam serat ini adalah rasio panjang terhadap diameter. Semakin besar rasio aspek, semakin baik peningkatan properti. Pengenalan penguatan serat panjang pada 1980-an dirancang untuk memanfaatkan prinsip ini dengan meningkatkan panjang serat awal dalam pelet dari 2-3 mm menjadi 11-12 mm.

Bahan serat panjang dengan panjang serat hingga 6 mm (1/4 inci) sebenarnya ditawarkan sebelum pengenalan senyawa kaca panjang modern, namun senyawa baru dibuat dengan cara yang memaksimalkan "pembasahan" atau permukaan. kontak antara polimer dan serat kaca individu. Cara lain untuk meningkatkan rasio aspek adalah dengan menggunakan serat dengan panjang tipikal tetapi diameter lebih kecil, yang disebut whisker.

Permukaan serat kaca yang digunakan dalam peracikan polimer biasanya diperlakukan atau berukuran untuk meningkatkan daya rekat polimer ke kaca. Ukuran yang berbeda optimal untuk polimer yang berbeda. Tetapi dalam beberapa kasus bahkan ukuran yang baik tidak cukup untuk menghasilkan ikatan yang optimal antara polimer dan serat. Ikatan ini penting karena serat kaca menambah kekuatan dengan mengatur tegangan pada material ketika polimer mulai mengalami kelebihan beban mekanis. Serat lebih kuat dari matriks polimer dan akibatnya meningkatkan kekuatan seluruh senyawa. Namun, jika ikatan antara polimer dan serat kaca lemah, transfer beban tidak efisien dan manfaat kaca tidak tercapai.

Jika serat kaca hanya ditambahkan ke polimer tanpa ikatan yang baik, bahan tersebut diisi kaca. Jika ikatan antar fase optimal, materialnya diperkuat kaca. Perbedaannya, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, adalah signifikan.

Perhatikan bahwa sementara kekuatan asetal yang diisi kaca lebih rendah daripada bahan yang tidak diisi, bahan yang diperkuat selalu lebih kuat. Faktanya, 10% grade yang diperkuat kaca lebih dari 35% lebih kuat dan hampir sama kakunya dengan 20% grade yang diisi kaca sementara pada saat yang sama mengurangi bobot sebesar 5%. Ini adalah contoh yang sangat baik dari penggunaan bahan yang sama secara lebih efisien untuk mencapai hasil akhir yang lebih baik.

KEMAJUAN DALAM KOUPLING KIMIA

Polypropylene adalah polimer lain di mana proses penambahan serat kaca telah mengalami evolusi. Bahan aslinya hanya diisi kaca. PP adalah polimer nonpolar dan tidak banyak yang menempel padanya, termasuk serat kaca. Namun pada akhir 1970-an dan awal 1980-an, beberapa pemasok mulai bekerja dengan proses yang dikenal sebagai kopling kimia. Ini melibatkan membuat penyesuaian kecil pada kimia tulang punggung polipropilen untuk memperkenalkan polaritas. Polaritas ini meningkatkan ikatan antara polimer dan serat kaca, menghasilkan jenis peningkatan properti yang ditunjukkan pada Tabel 2.

Perkembangan ini menciptakan pasar baru untuk PP sebagai bahan yang dapat bersaing dengan beberapa termoplastik rekayasa. Saat pengguna akhir mendorong potensi ini hingga batasnya, peningkatan dalam kopling kimia menghasilkan peningkatan tambahan. Peningkatan ini tidak selalu terlihat pada lembar data, tetapi mereka menghasilkan kinerja yang lebih baik dalam aplikasi jangka panjang yang melibatkan mekanisme seperti kelelahan dan mulur. Peningkatan kekuatan dan kekakuan sebesar 10% mungkin tidak menarik perhatian semua orang, tetapi peningkatan sebesar ini dalam sifat jangka pendek dapat menggandakan umur kelelahan suatu produk.

PVC telah mengalami serangkaian peningkatan serupa, dengan teknologi kopling meningkatkan kinerja material yang diperkuat kaca dibandingkan material yang diisi kaca.

Kinerja jangka panjang di lingkungan tertentu juga dapat ditingkatkan dengan mengubah cara polimer dan serat kaca digabungkan. Senyawa PPS hampir selalu dijual dengan muatan serat kaca yang signifikan. Salah satu keunggulan PPS adalah memiliki ketahanan kimia yang sangat baik dan salah satu bahan kimia yang sangat tahan lama adalah air panas, meskipun airnya diklorinasi. Banyak bahan teknik lainnya seperti asetal, nilon, dan poliester termoplastik akan terhidrolisis di lingkungan yang panas dan basah sementara PPS bertahan dengan sangat baik.

Namun, pada tahun-tahun awal penggunaan PPS yang diperkuat kaca di lingkungan yang panas dan berair, material menunjukkan kegagalan awal yang membingungkan. Evaluasi bagian yang gagal menunjukkan bahwa sementara polimer tidak rusak oleh air panas, ikatan antara polimer dan kaca putus. Dengan antarmuka yang melemah, bagian-bagian tersebut kehilangan integritas struktural dan gagal. Teknologi kopling baru telah memecahkan masalah ini.

Ada variabel lain yang dapat dimanipulasi untuk meningkatkan kinerja polimer dengan serat kaca. Komposisi serat kaca adalah salah satu variabel ini. Sebagian besar serat kaca yang digunakan dalam senyawa polimer dikenal sebagai kaca E. Ini menunjukkan kimia tertentu dalam kaca dan disertai dengan seperangkat sifat tertentu. Namun, kimia kaca lain tersedia yang dapat memberikan sifat berbeda pada matriks polimer, tetapi dengan biaya yang biasanya tidak dianggap sebanding dengan biaya tambahan.

Variabel lain yang menarik adalah geometri serat kaca. Bentuk penampang sebagian besar serat kaca adalah melingkar. Pada 1990-an beberapa pekerjaan menarik dilakukan dengan menggunakan serat kaca dengan penampang bilobal atau trilobal. Ini meningkatkan luas permukaan kontak antara serat kaca dan matriks polimer dan menghasilkan beberapa peningkatan yang menarik dalam kinerja mekanik. Namun, ini juga merupakan rute menuju peningkatan properti di mana keseimbangan biaya/kinerja dianggap tidak menarik, meskipun konfigurasi ini digunakan dalam industri karpet untuk meningkatkan ketahanan dan bahkan menciptakan efek optik tertentu.

Tetapi bahkan dalam bidang peracikan bahan yang khas, penting untuk dipahami bahwa meskipun komposisi massal itu penting, cara bahan-bahan tersebut dirakit dan dihubungkan satu sama lain memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kinerja, terutama kinerja jangka panjang. Dengan semua perhatian yang baru-baru ini diberikan dalam industri otomotif untuk mengurangi bobot sambil mempertahankan kinerja, ini adalah prinsip yang penting untuk diingat.

Tentang Penulis

Michael Sepe adalah konsultan bahan dan pemrosesan independen yang berbasis di Sedona, Arizona dengan klien di seluruh Amerika Utara, Eropa, dan Asia. Dia memiliki lebih dari 35 tahun pengalaman di industri plastik dan membantu klien dengan pemilihan material, merancang untuk manufakturabilitas, optimasi proses, pemecahan masalah, dan analisis kegagalan. Hubungi:(928) 203-0408 • [email protected].