Forming Continuous Composite Materials from Polypropylene Fibers Reinforced by Jute Fibers by Pultrusion Process
โดย พลภัทร ทิพย์บุญศรี
ปี 2561
บทคัดย่อ
กระบวนการพูลทรูชั่นเป็นกระบวนการผลิตที่เหมาะสมสาหรับการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตที่มีลักษณะของหน้าตัดคงที่และมีความยาวอย่างต่อเนื่อง โดยทั่วไปกระบวนการผลิตแบบนี้จะรู้จักกันดีในชื่อของเทอร์เซ็ตติ้งพูลทรูชั่น ซึ่งจะใช้วัสดุเนื้อพื้นกลุ่มเทอร์โมเซ็ตติ้ง ปัจจุบันกระบวนการขึ้นรูปเทอร์โมพลาสติกพูลทรูชั่น ยังไม่ได้รับการศึกษาวิจัยและผลิตชิ้นส่วนวัสดุคอมโพสิตอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมหรือเชิงการค้าเมื่อเทียบกับกระบวนการขึ้นรูปเทอร์เซ็ตติ้งพูลทรูชั่น กระบวนการเทอร์โมพลาสติกพูลทรูชั่นจะขึ้นรูปด้วยการดึงเส้นใยเสริมแรงและเส้นใยเทอร์โมพลาสติกผ่านดายร้อนเพื่อทาให้เกิดการหลอมเหลวและไหลตัวเข้าไปแทรกซึมในเส้นใยเสริมแรง เส้นใยจะถูกดึงผ่านหน้าตัดดายที่คงที่และร้อนเพื่อขึ้นรูปให้เป็นวัสดุคอมโพสิตที่มีความยาวอย่างต่อเนื่อง
ในการศึกษาวิจัยนี้ เส้นใยพอลิพรอพิลีนใช้เป็นวัสดุเนื้อพื้น เส้นใยปอเป็นวัสดุเสริมแรง ในขณะเดียวกันเส้นใยแก้วจะถูกใช้เป็นเส้นใยเสริมแรงเพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้กับโครงสร้างของวัสดุเพื่อให้สามารถพูลทรูชั่นได้สาเร็จ อัตราส่วนการเติมเส้นใยเป็นพารามิเตอร์ที่สาคัญสาหรับกระบวนการขึ้นรูปนี้ ซึ่งสามารถคานวณได้จากอัตราส่วนของพื้นที่หน้าตัดของวัสดุทั้งหมดที่ใช้ในการพูลทรูชั่นต่อพื้นที่หน้าตัดของดายที่ใช้ในการขึ้นรูป อัตราส่วนการเติมเส้นใยนี้จะต้องถูกออกแบบให้มีค่ามากกว่า 100 เปอร์เซ็นต์ ในที่นี้คานวณอัตราการเติมเส้นใย 100.52 เปอร์เซ็นต์ ประกอบด้วยเส้นใยปอ 23.06 เปอร์เซ็นต์ เส้นใยแก้ว 9.01 เปอร์เซ็นต์ และเส้นใยพอลิพรอพิลีน 68.45 เปอร์เซ็นต์ อุณหภูมิสาหรับการขึ้นรูปกาหนดไว้ 190, 200, 210 และ 220 องศาเซลเซียส และความเร็วในการดึงขึ้นรูปจะกาหนดไว้ 40, 100 และ 140 มิลลิเมตรต่อนาที การตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคของชิ้นทดสอบจะใช้สาหรับการวัดคุณภาพการแทรกซึมของเรซินเข้าไปในเส้นใยโดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์รูปภาพด้วยโปรแกรมโฟโตชอปซีเอส 6 และโปรแกรมอิมเมจเจ 1.52a การทดสอบแรงดึง (ASTM D3039) และการทดสอบแรงดัด (ASTM D790) ถูกนามาใช้สาหรับการประเมินค่าความแข็งแรงของวัสดุคอมโพสิตที่ขึ้นรูปได้
วัสดุคอมโพสิตแบบความยาวต่อเนื่องจากเส้นใยปอเสริมแรงในพอลิพรอพิลีนประสบผลสาเร็จในการขึ้นรูปแบบเทอร์โมพลาสติกพูลทรูชั่น โดยมีขนาด 25 x 3 มิลลิเมตร และยาว 1,500 มิลลิเมตร เส้นใยเสริมแรงทั้งหมดจะมีการจัดเรียงตัวในทิศทางเดียวกัน จากการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคพบว่าอุณหภูมิและความเร็วในการดึงขึ้นรูปมีผลกับคุณภาพการแทรกซึมของพอลิพรอพิลีนเรซินและปริมาณของฟองอากาศในวัสดุคอมโพสิต อุณหภูมิที่สูงขึ้นเรซินจะแทรกซึมเข้าไปในเส้นใยได้ดีกว่า ในขณะที่ความเร็วเพิ่มสูงขึ้นความสามารถในการแทรกซึมของเรซินจะลดลง สมบัติทางกลจะมีค่าเพิ่มสูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิการขึ้นรูปเพิ่มสูงขึ้น ที่อุณหภูมิการพูลทรูชั่น 200 องศาเซลเซียส สมบัติทางกลดีที่สุด แต่เมื่อสูงเกินกว่า 200 องศาเซลเซียส พบว่าสมบัติทางกลมีค่าลดลงแม้ว่าอัตราการแทรกซึมของเรซินจะดี เนื่องจากเส้นใยปอได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิสูงในระดับที่ใกล้เคียงกับจุดสลายตัวของเส้นใยปอ นอกจากนั้นเมื่อความเร็วในการพูลทรูชั่นเพิ่มสูงขึ้นจะทาให้คุณภาพการแทรกซึมของเรซินลดต่าลง และส่งผลให้สมบัติทางกลลดลงเช่นกัน จากผลการทดลองพบว่าความเร็วในการพูลทรูชั่นที่ดีที่สุดเท่ากับ 40 มิลลิเมตร/นาที ดังนั้นผลการศึกษาวิจัยนี้จะสามารถใช้เป็นแนวทางในการกาหนดกรอบของสภาวะการขึ้นรูปแบบเทอร์โมพลาสติกพูลทรูชั่นที่เหมาะสมสาหรับขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตแบบความยาวต่อเนื่องที่มีการเสริมแรงด้วยเส้นใยจากธรรมชาติในเนื้อพื้นเทอร์โมพลาสติก
Abstract
Pultrusion process is suitable for forming constant cross-section and continuous composite. Generally, this process is known as thermosetting pultrusion process using thermosetting resin as a matrix. Currently, thermoplastic pultrusion process has not been studied and this composite has not been produced widely for industrial and commercial materials comparing with thermosetting pultrusion process. Thermoplastic pultrusion is performed by pulling reinforcement fibers and thermoplastic fiber through the heated die causing melting and impregnation in the reinforcement fibers. The fibers were pulled though the constant cross-section of the heated die to form continuous composite.
In this research, polypropylene fibers were used as matrix resin and jute fibers were used as reinforcement fiber whereas glass fibers were used as additional reinforcement fiber to strengthen its structure for the successful pultrusion process. The filling ratio of fiber was an important parameter of this process calculating from the ratio of cross-section of materials to cross-section of the molding die. This ratio was designed over 100 % so the ratio of 100.52 % was employed consisting of 23.06 % jute fiber, 9.01 % glass fiber and 68.45 % polypropylene fiber. Pultrusion temperatures were set at 190, 200, 210, and 220 oC and pulling speeds were 40, 100, and 140 mm/min. The microstructure was examined to evaluate the impregnation quality of resin into fiber bundle by using Photoshop CS6 and ImageJ 1.52a. Tensile (ASTM D3039) and flexural test (ASTM D790) were conducted to evaluate these composites’ strength.
The continuous composite from jute fibers reinforced polypropylene was successfully fabricated by thermoplastic pultrusion process with the size of 25 X 3 millimeter, and the length of 1,500 millimeter. All reinforced fibers were performed in unidirection. From the microstructure examination, it was found that the pultrusion temperature and speed affected the impregnation quality of polypropylene resin and void content in the composite. The resin was impregnated into the fiber bundle better at higher temperature while higher speed decreased the resin impregnation. Higher pultrusion temperature caused higher mechanical properties. Pultrusion temperature of 200 oC showed the best mechanical properties. When the temperature was over 200 oC, the mechanical properties decreased despite of good impregnation qualities. This was because jute fiber was affected by high temperature similar to its degradation point. Moreover, when the pultrusion speed increased, the impregnation and mechanical properties decreased. The best pultrusion speed was 40 mm/min. Therefore, this research can be used as a guideline to design thermoplastic pultrusion process suitable for continuous composite from natural fibers reinforced in the thermoplastic matrix.