แผนการปรับปรุงประสิทธิภาพเพิ่มเติมสำหรับโพลีเอทิลีนดัดแปลงเสริมแรงด้วยแคลเซียมคาร์บอเนต (PE)

โพลีเอทิลีน (PE) เป็นพลาสติกชนิดหนึ่งที่ได้รับความสนใจอย่างมากในอุตสาหกรรมการผลิต มีข้อดีหลายประการ เช่น ทนต่ออุณหภูมิต่ำได้ดีเยี่ยม ทนต่อการกัดกร่อนของกรดและด่างส่วนใหญ่ มีเสถียรภาพทางเคมีที่ดี ขึ้นรูปได้รวดเร็ว และใช้งานได้ดี จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในบรรจุภัณฑ์ วัสดุก่อสร้าง ยานยนต์ ชีววิทยา และสาขาอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การใช้งานเพิ่มเติมของมันถูกจำกัดด้วยข้อเสีย เช่น ความทนทานต่อความร้อนต่ำ และคุณสมบัติทางกลค่อนข้างต่ำ

แคลเซียมคาร์บอเนตชนิดละเอียดพิเศษ (Ultrafine CaCO3) มีขนาดอนุภาคเล็กและกระจายตัวได้ดี มีข้อดีคือช่วยลดรูพรุนและช่องว่างในพลาสติก และทำให้การหดตัวของพลาสติกสม่ำเสมอมากขึ้น จึงนิยมใช้เป็นสารเติมแต่งในโพลีเอทิลีน โพลีสไตรีน โพลีไวนิลคลอไรด์ และโพลีโพรพีลีน รวมถึงพลาสติกชนิดอื่นๆ นอกจากนี้ยังช่วยเพิ่มความแข็ง ความคงตัวของขนาด และความแข็งแกร่งของผลิตภัณฑ์พลาสติกได้อีกด้วย

อย่างไรก็ตาม งานวิจัยจำนวนมากแสดงให้เห็นว่า การใช้แคลเซียมคาร์บอเนตหรือสารเติมแต่งอื่นๆ เพียงอย่างเดียวในการเติมโพลิเมอร์ที่ดัดแปลงแล้วหรือดัดแปลงวัสดุอื่นๆ มักไม่ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด และการปรับปรุงประสิทธิภาพก็ค่อนข้างง่าย การดัดแปลงแบบผสมผสานด้วยผงแร่ที่ไม่ใช่โลหะชนิดต่างๆ มักให้ผลดีกว่าและสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุได้ ปัจจุบันมีการวิจัยและนำไปประยุกต์ใช้มากขึ้นเรื่อยๆ

งานวิจัยของหยาง ชางหยูและคณะแสดงให้เห็นว่า นาโนแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) สามารถปรับปรุงความเข้ากันได้และความเสถียรทางความร้อนของวัสดุคอมโพสิตโพลีเอทิลีน และเส้นใยชานอ้อย (BF) สามารถปรับปรุงความเป็นผลึกและความเหนียวของวัสดุคอมโพสิตได้ ทั้งสองอย่างสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกลและสมรรถนะทางกลของวัสดุคอมโพสิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ

01 การจำแนกประเภทของโพลีเอทิลีน (PE)

โพลีเอทิลีน (PE) แบ่งออกตามโครงสร้างทางเคมี น้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ และวิธีการพอลิเมอไรเซชัน โดยหลักๆ แล้วสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ โพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ (LDPE) โพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) และโพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำเชิงเส้น (LLDPE)

▷โพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ

LDPE มีการกระจายตัวของน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ที่กว้าง มีความเป็นผลึกต่ำ และไวต่อพฤติกรรมการลดความหนืดเมื่อถูกแรงเฉือน สามารถเกิดการแข็งตัวของวัสดุระหว่างกระบวนการขึ้นรูปได้ ดังนั้น LDPE จึงมีคุณสมบัติทางแสงที่ดีและสามารถแปรรูปได้ง่าย เนื่องจากค่าโมดูลัสของยัง (Young's modulus) ของบริเวณผลึกสูงกว่าบริเวณอสัณฐานมาก ความแข็งแกร่งและความแข็งแรงดึงของ LDPE จึงต่ำกว่า แต่ความเหนียวและการยืดตัวเมื่อขาดจะสูงกว่า
LDPE ส่วนใหญ่ใช้ในถุงบรรจุภัณฑ์พลาสติก ฟิล์มทางการเกษตร ผลิตภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยการฉีด เป็นต้น

▷โพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง

HDPE สายการอัดรีดท่อ HDPE มีความเหนียว ความแข็งแกร่ง และคุณสมบัติทางกลสูง แต่เสื่อมสภาพและเสียรูปได้ง่าย และความแข็งของพื้นผิวต่ำ HDPE สามารถนำไปใช้ในท่อ การฉีดขึ้นรูป การเป่าขึ้นรูป อวนจับปลา เชือก ฟิล์มบรรจุภัณฑ์ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ HDPE มีฉนวนที่ดีและสามารถใช้เป็นวัสดุห่อหุ้มสายไฟและสายเคเบิล รวมถึงตัวเรือนเครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิดได้

▷โพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำเชิงเส้น

LLDPE เป็นโพลีเอทิลีนชนิดใหม่ที่เพิ่งได้รับการพัฒนาและเติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เป็นโคพอลิเมอร์ของเอทิลีนและโอเลฟิน เมื่อเปรียบเทียบกับโพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำทั่วไป LLDPE มีลักษณะภายนอกคล้ายกัน มีความมันเงาของพื้นผิวดี ทนต่ออุณหภูมิต่ำได้ดีกว่า แต่มีความโปร่งใสน้อยกว่า ปัจจุบัน LLDPE ได้ถูกนำไปใช้ในตลาดโพลีเอทิลีนแบบดั้งเดิมเกือบทั้งหมดแล้ว เช่น ฟิล์ม การขึ้นรูป ท่อ และสายไฟ

02 การดัดแปลงโพลีเอทิลีน (PE)

โพลีเอทิลีนชนิดเดี่ยวมีคุณสมบัติทางกลที่ไม่ดี เช่น ความต้านทานต่อการเสื่อมสภาพจากความร้อนต่ำ เปราะในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ ความแข็งต่ำ และความต้านทานต่อแรงกระแทกต่ำ ดังนั้น การปรับปรุงคุณสมบัติจึงต้องทำอย่างมีเป้าหมาย

ในปัจจุบัน การปรับปรุงคุณสมบัติของโพลีเอทิลีนส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองวิธีหลัก ได้แก่ การปรับปรุงคุณสมบัติทางเคมีและการปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพ ในการปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพ การปรับปรุงคุณสมบัติโดยการเติมสารเสริม คือ การเตรียมวัสดุผสมหรือวัสดุคอมโพสิตโดยการเติมสารปรับปรุงคุณสมบัติลงในโพลีเอทิลีนและผสมให้เข้ากัน เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติบางอย่างของโพลีเอทิลีน หรือเพื่อให้โพลีเอทิลีนมีคุณสมบัติใหม่

ปัจจุบัน สารตัวเติมอนินทรีย์ที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่ ได้แก่ แคลเซียมคาร์บอเนต ผงควอตซ์ เส้นใยไม้ เส้นใยฟางข้าว/อ้อย ซิลิกา เส้นใยแก้ว ดินขาว ลูกปัดแก้ว ทัลก์ กราไฟต์ ท่อนาโนคาร์บอน เป็นต้น การเติมสารตัวเติมเสริมแรงประเภทนี้ลงในโพลีเอทิลีน สามารถลดต้นทุนและปรับปรุงความแข็ง ความแข็งแรง ความคงตัวของขนาด ความทนทานต่อความร้อน ความเป็นแม่เหล็ก การนำไฟฟ้า และคุณสมบัติอื่นๆ ของผลิตภัณฑ์ได้

จากการศึกษาหลักการพบว่า อนุภาคอนินทรีย์มีความทนทานต่อความร้อนและมีความแข็งแรงสูง และมีอิทธิพลอย่างมากต่อกระบวนการตกผลึกของโพลีเอทิลีน ในฐานะสารก่อผลึกอนินทรีย์ พวกมันสามารถส่งผลโดยตรงต่อความแข็งแรง ความแข็งแง และความทนทานต่อความร้อนของเรซินโพลีเอทิลีน รวมถึงตัวชี้วัดสำคัญอื่นๆ

03 แคลเซียมคาร์บอเนตดัดแปลง

แคลเซียมคาร์บอเนต ซึ่งเป็นสารเติมแต่งอนินทรีย์อเนกประสงค์ มีข้อเสียสองประการเมื่อใช้ร่วมกับวัสดุพอลิเมอร์:

ในด้านหนึ่ง พื้นผิวมีคุณสมบัติชอบน้ำและไม่ชอบน้ำมัน มีขั้วสูง ซึ่งตรงกันข้ามกับคุณสมบัติไม่ชอบน้ำและชอบน้ำมันที่มีขั้วต่ำของสารอินทรีย์ ทำให้ยากต่อการรวมตัวกับเมทริกซ์โพลีเมอร์

ในทางกลับกัน แคลเซียมคาร์บอเนตมีแรงยึดเกาะกับพอลิเมอร์ต่ำ และทำหน้าที่ได้เพียงเป็นตัวทำละลายเท่านั้น แคลเซียมคาร์บอเนตที่มากเกินไปจะทำให้ประสิทธิภาพของวัสดุพอลิเมอร์ลดลงอย่างมาก ทำให้ยากต่อการผลิตและแปรรูปผลิตภัณฑ์

ในการใช้งานจริง ควรมีการยึดเกาะระหว่างพื้นผิวของแคลเซียมคาร์บอเนตและโพลีเอทิลีนที่ดี และขนาดอนุภาคของแคลเซียมคาร์บอเนตควรมีขนาดเล็กและการกระจายตัวที่ดี ดังนั้น แคลเซียมคาร์บอเนตจึงต้องได้รับการปรับปรุงคุณสมบัติ

แคลเซียมคาร์บอเนตได้รับการดัดแปลงด้วยสารเชื่อมประสานไททาเนต หมู่แอลคิลในสารเชื่อมประสานนั้นสามารถไฮโดรไลซ์ได้ง่ายและรวมตัวกับหมู่ -OH บนพื้นผิวของแคลเซียมคาร์บอเนตในระหว่างกระบวนการดัดแปลง ซึ่งจะทำให้คุณสมบัติพื้นผิวของแคลเซียมคาร์บอเนตกลายเป็นแบบไม่ชอบน้ำ โครงสร้างทั้งสามนี้สามารถพันกันหรือรวมตัวทางเคมีกับพอลิเมอร์ได้ จึงช่วยปรับปรุงความเข้ากันได้ระหว่างพื้นผิวของแคลเซียมคาร์บอเนตและพอลิเมอร์ รวมถึงปรับปรุงคุณสมบัติทางรีโอโลยีและความเสถียรในการกระจายตัวของแคลเซียมคาร์บอเนตในระบบ ส่งผลให้คุณสมบัติทางกลและคุณสมบัติทางกลดีขึ้น

หลักการดัดแปลงของสารเชื่อมประสานไททาเนต

04 โพลีเอทิลีนดัดแปลงที่เติมผงอนินทรีย์

Zuo Yinze และคณะ ได้ใช้สารเชื่อมประสานไททาเนต (KH101) และสารเชื่อมประสานไซเลน (KH570) ตามลำดับ เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของ CaCO3 และ SiO2 ในฐานะสารเติมแต่ง และสร้างวัสดุคอมโพสิต PE แบบสองและสามองค์ประกอบ โดยใช้ HDPE เป็นเมทริกซ์ การวิจัยแสดงให้เห็นว่า: การกระจายตัวของอนุภาคนาโนที่ได้รับการปรับปรุงในเมทริกซ์ดีขึ้น ปรากฏการณ์การจับตัวเป็นก้อนลดลง และความแข็งแรงดึงและความแข็งแรงรับแรงกระแทกของคอมโพสิตแบบสององค์ประกอบเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลงเมื่อปริมาณ CaCO3 และ SiO2 เพิ่มขึ้น เมื่อปริมาณ SiO2 ที่เติมลงไปอยู่ที่ 7 wt% ประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุคอมโพสิต PE/SiO2 จะดีที่สุด เมื่อปริมาณการเติม CaCO3 เท่ากับ 15 wt% ประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุคอมโพสิต PE/CaCO3 จะดีที่สุด ส่วนในวัสดุคอมโพสิต PE/CaCO3/SiO2 เมื่อปริมาณการเติมแคลเซียมคาร์บอเนตและ SiO2 เท่ากับ 25 wt% และ 7 wt% ตามลำดับ ความแข็งแรงดึงและความแข็งแรงรับแรงกระแทกแบบมีรอยบากจะเพิ่มขึ้น 17.6% และ 34.5% ตามลำดับ ทำให้เกิดผลเสริมฤทธิ์กันและได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นโดยรวม

โจว หลิน และคณะ ได้พัฒนาวัสดุคอมโพสิตประสิทธิภาพสูงโดยใช้แคลเซียมคาร์บอเนตนาโนผสมกับ SBS/HDPE งานวิจัยแสดงให้เห็นว่า ความแข็งแรงต่อแรงกระแทก ความแข็งแรงต่อแรงดึง และการยืดตัวเมื่อขาดของส่วนผสมแคลเซียมคาร์บอเนตนาโนและ SBS/โพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง เพิ่มขึ้นตามปริมาณของแคลเซียมคาร์บอเนตนาโนที่เพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงของสัดส่วนมวลทั้งหมดแสดงการเปลี่ยนแปลงแบบพาราโบลาที่มีจุดเปิดลง เนื่องจากคุณสมบัติด้านแรงกระแทก ความแข็งแรงต่อแรงดึง และการยืดตัวเมื่อขาดของส่วนผสมเปลี่ยนแปลงไปพร้อมกัน จึงสรุปได้ว่าแคลเซียมคาร์บอเนตนาโนสามารถเพิ่มความเหนียวและความแข็งแรงให้กับส่วนผสมได้ ประสิทธิภาพโดยรวมของส่วนผสมจะดีที่สุดเมื่อสัดส่วนมวลของแคลเซียมคาร์บอเนตนาโนถึง 15% ของมวลรวมของส่วนผสม

Zhang Xiaoqian และคณะ ได้ผสมเส้นใยแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) ในสัดส่วนต่างๆ กับผงไม้และโพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) เพื่อเตรียมวัสดุคอมโพสิต CaCO3/HDPE/ผงไม้ งานวิจัยของพวกเขาแสดงให้เห็นว่า เมื่อปริมาณการเติม CaCO3 อยู่ที่ 7% ความแข็งแรงดึงจะถึงค่าสูงสุดที่ 28.3 MPa เมื่อเทียบกับวัสดุคอมโพสิต HDPE/ผงไม้ (19.7 MPa) แล้ว พบว่าเพิ่มขึ้น 43.7% ในขณะที่ความแข็งแรงดัดและความแข็งแรงรับแรงกระแทกเพิ่มขึ้น 19.2% และ 20.1% ตามลำดับ