Examinations of structure and properties of polymer composite with glass fiber

• Autorzy: Caban Renata

Warianty tytułu

PL

Badania struktury i właściwości kompozytu polimerowego z napełniaczem włóknistym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article discusses the results of research on the structure and mechanical properties of polypropylene composites with glass fiber. The samples for the examinations were made using a Krauss-Maffei (KM65 - 160C1) screw injection molding machine. The investigations encompassed composites with a polypropylene matrix which contained 30 and 50% glass fiber (GF). Part of the material was processed by heat treatment in the form of annealing. The crystal structure of the samples was analyzed on a wide-angle X-ray diffractometer - Seifert 3003 T-T. In most of the obtained diffraction patterns a few strong diffraction reflexes can be seen. They were identified as reflections derived from polypropylene polymorphs: α (monoclinic), β (hexagonal) and from the smectic phase of polypropylene. Dynamic mechanical analysis (DMA) tests were performed on a DMA 242 Netzsch instrument under the mode of a 3-point bending clamp with an oscillatory frequency of 3.0 Hz. The transition to the glassy state is the most evident for polypropylene. In the case of polypropylene composites, the transition to the glassy state is less evident. The largest tendency of the storage modulus value as a function of temperature to decrease was noted for polypropylene and the smallest for the polypropylene composite with a 50% glass fiber content. Higher values of storage modulus E′ were noted after annealing. For all the samples, glass transition temperature Tg decreases after annealing. Investigations of the mechanical properties of the studied composites were also performed: tensile strength testing, Young's modulus, hardness and impact test. In each case the addition of glass fiber caused an increase in mechanical properties. More over, it can be noted that the values of the mechanical properties of PP/GF composites after annealing are higher than those of PP/GF composites before annealing. Both the Vicat softening temperature as well as heat deflection temperature are higher for the samples after annealing. SEM micrographs show the mechanism of breakage of the glass fibers and damage of the matrix material. During observation of the fractures, no significant fiber pullout from the polymer matrix was noted. This demonstrates the good adhesion of the glass fiber to the matrix.

PL

Omówiono wyniki badań struktury i właściwości mechanicznych kompozytu polipropylenu z włóknem szklanym. Próbki do badań wykonano na wtryskarce ślimakowej Krauss - Maffei (KM65 - 160C1). Badaniom poddano kompozyty na osnowie polipropylenu, które zawierały 30 i 50% włókna szklanego. Część materiału poddano obróbce cieplnej polegającej na wygrzewaniu. Strukturę krystaliczną próbek analizowano na dyfraktometrze rentgenowskim Seifert 3003 T-T. Na większości otrzymanych dyfraktogramach można zaobserwować kilka silnych refleksów dyfrakcyjnych. Zidentyfikowano je jako refleksy pochodzące od odmian polimorficznych polipropylenu: α (jednoskośna), β (heksagonalna) oraz fazy smektycznej polipropylenu. Dynamiczne właściwości mechaniczne kompozytów na osnowie polipropylenu badano na aparacie do badań dynamicznych DMA 242 firmy Netzsch. Przejście w stan szklisty jest najbardziej widoczne dla polipropylenu. W przypadku kompozytów polipropylenu przejście w stan szklisty jest mniej widoczne. Największą tendencję obniżenia wartości modułu zachowawczego w funkcji temperatury odnotowano w przypadku polipropylenu, a najmniejszą w przypadku kompozytu polipropylenu zawierającego 50% włókna szklanego. Po wygrzewaniu zauważono wyższe wartości modułu zachowawczego. Dla wszystkich próbek zarejestrowano obniżenie wartości temperatury zeszklenia Tg po wygrzewaniu. Wykonano również bada-nia właściwości mechanicznych: wytrzymałość na rozciąganie, moduł Younga, twardość i udarność. W każdym przypadku wraz ze wzrostem zawartości włókna szklanego w kompozycie wzrastają własności mechaniczne. Ponadto, wygrzewanie prowadzi do uzyskania korzystniejszych właściwości mechanicznych badanych kompozytów. Zarówno temperatura mięknienia wg Vicata, jak i wartości temperatury pod obciążeniem (HDT) są wyższe dla próbek po wygrzewaniu. Mikrofotografie SEM przedstawiają mechanizm uszkodzenia włókien szklanych oraz materiału osnowy. Podczas obserwacji przełomów nie zauważono znaczącego wyciągania włókien z polimerowej osnowy. Świadczy to o dobrej adhezji włókien szklanych z polimerową osnową.

Słowa kluczowe

EN

polymer composites; polypropylene; glass fiber; mechanical properties; thermal properties

PL

kompozyty polimerowe; polipropylen; włókno szklane; właściwości mechaniczne; właściwości cieplne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 19, nr 4
• Strony: 150--156
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Caban Renata

• Czestochowa University of Technology, Department of Materials Engineering, al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa, Poland

Bibliografia

• [1] Bikiaris D., Microstructure and properties of polypropylene/carbon nanotube nanocomposites, Materials 2010, 3, 2884-2949, DOI: 10.3390/ma3042884.
• [2] Rasana N., Jayanarayanan K., Polypropylene/short glass fiber/nanosilica hybryd composites: evaluation of morphology, mechanical, thermal, and transport properties, Polym. Bull. 2018, 75, 2587-2605.
• [3] Shubhra Q.T., Alam A., Quaiyyum M., Mechanical properties of polypropylene composites: A reviev, J. Thermoplast. Compos. Mater. 2013, 26, 362-391, DOI: 10.1177/0892705711428659.
• [4] Thomason J.L., The influence of fibre length and concentration on the properties of glass fibre reinforced polypropylene: 5, Injection moulded long and short fibre PP, Composites Part A 2002; 33, 1641-52.
• [5] Thomason J.L., Vlug M.A., Influence of fibre length and concentration on the properties of glass fibre-reinforced polypropylene: 1. Tensile and flexural modulus, Composites Part A 1996, 27, 477-84.
• [6] Thomason J.L., Vlug M.A., Influence of fibre length and concentration on the properties of glass fibre-reinforced polypropylene: 4. Impact properties, Composites Part A 1997, 28, 277-88.
• [7] Gnatowski A., Caban R., Bałaga Z., Analiza zmian właściwości termicznych i struktury kompozytu poliamidu 6 z kulkami szklanymi po procesie wygrzewania. Inżynieria Materiałowa 2011, 4, 417-419.
• [8] Franciszczak P., Wojnowski J., Kalniņš K., Piesowicz E., The infuence of matrix crystallinity on the mechanical perform-ance of short-fbre composites - Based on homo-polypropylene and a random polypropylene copolymer reinforced with man-made cellulose and glass fbres. Composites Part B 2019, 166, 516-526, DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.02.046.
• [9] Wang B., Huang H.X., Wang Z.Y., In situ fibrillation of polymeric nucleating agents in polypropylene and subsequent transcrystallization propelled by high-pressure water penetration during water-assisted injection molding, Composites: Part B 2013, 51, 215-223, DOI: org/10.1016/j.compositesb.2013.03.015.
• [10] Lingesh B.V., Rudresh B.M., Ravikumar B.N., Effect of short glass fibers on mechanical properties of polyamide 66 and polypropylene (PA66/PP) thermoplastic blend composites, Procedia Materials Science 2014, 5, 1231-1240, DOI: 10.1016/j.mspro.2014.07.434.
• [11] Mulle M., Wafai H., Yudhanto A., Lubineau G., Yaldiz R., Schijve W., Verghese N., Influence of process-induced shrinkage and annealing on the thermomechanical behavior of glass fiber-reinforced polypropylene, Composites Science and Technology 2019, 170, 183-189, DOI: 10.1016/j.compscitech.2018.12.005.
• [12] Gnatowski A., Physical properties of polyoxymethylene composite with quartz sand after ageing, Composites Theory and Practice 2013, 13(2), 147-151.
• [13] Cho K., Saheb D. N., Choi J., Yang H., Real time in situ X-ray diffraction studies on the melting memory effect in the crystallization of β - isotactic polypropylene, Polymer 2002, 43, 1407-1416.
• [14] Cohen Y., Saraf R. F., A direct correlation function for mesomorphic polymers and it’s applications to the “smectic” phase of isotactic polypropylene, Polymer 2001, 42, 5865-5870.
• [15] Naiki M., Kikkawa T., Endo Y., Nozaki K., Yamamoto T., Hara T., Crystal ordering of α phase isotactic polypropylene, Polymer 2000, 42, 5471-5477.
• [16] Rasana N., Jayanarayanan K., Deeraj B.D.S., Joseph K., The thermal degradation and dynamic mechanical properties modeling of MWCNT/glass fiber multiscale filler reinforced polypropylene composites, Composites Science and Technology 2019, 169, 249-259, DOI: 10.1016/j.compscitech.2018.11.027.
• [17] Geng C, Yang G, et al., Towards high-performance poly-propylene and its random copolymer: insight into toughening mechanism of supercritical carbon dioxide assisted annealing. J. of Supercritical Fluids 2014, 87, 83-92, DOI: 10.1016/j.supflu.2014.01.00.
• [18] Szymczak T., Kowalewski Z.L., Właściwości mechaniczne wybranych kompozytów oraz metody oceny ich zniszczenia, Transport Samochodowy 2014, 4, 33-54.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).