A study of mechanical properties and morphology of aramid short fibres/thermoplastic polyurethane elastomer composites

Abstract

The present thesis is concerned with the study of the mechanical properties, dynamic mechanical properties, and morphology of polyester-based thermoplastic polyurethane elastomer (TPU) reinforced with two types of aramid short fibres, i.e. m-aramid (Conex) and copoly-p-aramid (Technora). The aramid/TPU composites were prepared using a co-rotating twin screw extruder and shaped using an injection moulding machine. The effects of fibre loading on the properties of both types of the composites were investigated. In the both cases, it was found that increasing the fibre loading led to an increase in modulus, hardness, and glass transition temperature of TPU, but a decrease in tensile strength, elongation at break, and loss factor. In addition, the morphology of both composites revealed good fibre-matrix adhesion. However, the composites containing Technora fibre showed greater values of properties in most tests, except the elongation at break and loss factor which were about the same. This might be due to the fact that the strength of Technora fibre is higher. Attempts have been made to modify the aramid fibres using two different surface modification techniques, i.e. oxygen plasma treatment and partial hydrolysis in alkali solution, in order to improve the fibre-matrix adhesion. Both treatments were found to create the reactive end groups such as -NH2 and -COOH on the fibre surfaces, which were expected to react with the polar matrix TPU. Furthermore, the oxygen plasma treatment was also found to increase the roughness of fibre surface, particularly in the case of Technora fibre, which provided a larger contact area between the fibre and the matrix. The effects of both treatments on the improvement of interfacial adhesion of Conex/TPU and Technora/TPU composites were compared. The properties of Conex/TPU composites containing fibres treated by both techniques were not significantly different from the system with untreated fibre. While, in the case of Technora /TPU composites, the oxygen plasma treatment was found to be successful for the improvement of the tensile strength of the composites due to the increase of surface roughness and strength of the fibre surface through the possible molecular crosslinking.

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาสมบัติเชิงกล สมบัติเชิงกลไดนามิกส์ และสัณฐานวิทยา ของเทอร์โมพลาสติกพอลิยูรีเทนอิลาสโตเมอร์ (TPU) ชนิดพอลิเอสเทอร์ ที่ทำการเสริมแรง ด้วยเส้นใยอะรามิดสั้นสองชนิดคือ m-aramid (Conex) และ copoly-p-aramid (Technora) ได้เตรียมคอมโพสิทระหว่างเส้นใยอะรามิดและ TPU โดยใช้เครื่องผสมแบบอัดรีด แบบเกลียวคู่และขึ้นรูปโดยใช้เครื่องฉีด ได้ศึกษาผลของปริมาณเส้นใยที่มีต่อสมบัติของ คอมโพสิททั้งสองชนิด พบว่าทั้งสองกรณี เมื่อปริมาณเส้นใยเพิ่มขึ้นมีผลทำให้ค่ามอดูลัส ค่าความแข็งของคอมโพสิท และอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วของ TPU มีค่าสูงขึ้น แต่ทำให้ ค่าความทนต่อแรงดึงที่จุดขาด ค่าความยาวที่จุดขาด และ loss factor ลดลง นอกจากนี้ ลักษณะโครงสร้างสัณฐานของคอมโพสิททั้งสองชนิดแสดงให้เห็นการยึดเกาะที่ดีระหว่างเส้นใย กับเมตริกซ์ อย่างไรก็ตามพบว่าคอมโพสิทเสริมแรงด้วยเส้นใย Technora แสดงสมบัติเหล่านี้ สูงกว่าคอมโพสิทที่เสริมแรงด้วยเส้นใย Conex ยกเว้นค่าความยาวที่จุดขาดและ loss factor ซึ่งมีค่าเท่ากัน ทั้งนี้อาจเป็นเพราะเส้นใย Technora มีความแข็งแรงสูงกว่าเส้นใย Conex นอกจากนี้ได้พยายามปรับสภาพผิวของเส้นใยโดยใช้สองเทคนิคคือ การปรับสภาพผิวโดย ใช้ออกซิเจนพลาสมา และการทำปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสในสารละลายเบส พบว่าทั้งสองวิธีนี้ทำให้ ผิวของเส้นใยเกิดมีหมู่ที่ไวต่อการเกิดปฏิกิริยา เช่น -NH(2) และ -COOH เพิ่มขึ้น ซึ่ง คาดว่าจะทำปฏิกิริยากับ TPU ได้ ยิ่งไปกว่านั้นพบว่าการปรับสภาพผิวโดยใช้ออกซิเจนพลาสมา ยังทำให้ผิวของเส้นใยขรุขระมากขึ้น ซึ่งเป็นการเพิ่มพื้นผิวสัมผัสระหว่างเส้นใยและเมตริกส์ โดยจะเห็นได้ช้ดเจนในกรณีของเส้นใย Technora จากการเปรียบเทียบอิทธิพลของการ ปรับสภาพผิวทั้งสองวิธีที่มีผลต่อการปรับปรุงการยึดติดที่บริเวณรอยต่อระหว่างวัฏภาคของ คอมโพสิทที่ประกอบด้วยเส้นใย Conex และเส้นใย Technora พบว่าสมบัติของคอมโพสิทระหว่าง เส้นใย Conex ที่ผ่านการปรับสภาพผิว และ TPU ไม่แตกต่างจากคอมโพสิทที่ได้จาก เส้นใยที่ไม่ได้ปรับสภาพผิว แต่สำหรับกรณีของคอมโพสิทระหว่างเส้นใย Technora และ TPU พบว่าการทำออกซิเจนพลาสมาสามารถทำให้ค่าความทนต่อแรงดึงที่จุดขาดของคอมโพสิทสูงขึ้น ทั้งนี้อาจเป็นเพราะความขรุขระของผิวเส้นใยที่เพิ่มขึ้น และความแข็งแรงของผิวเส้นใย ดีขึ้น ซึ่งอาจเกิดจากปฏิกิริยาเชื่อมโยงโมเลกุลที่ผิว