اثر نانورس و آرد چوب بر ویژگی­های آتشگیری در چوب پلاست

آتشگیری چوب پلاست یک مسئله مهم در کامپوزیت ها بوده است. لذا هدف اين پژوهش بررسی اثر نانورس بر ویژگی­های حرارتی و رفتار آتشگیری نانوچندسازه آرد صنوبر و پلی­پروپیلن می­باشد. براي اين منظور آرد صنوبر، پلی­پروپیلن، نانورس و MAPP در درصدهای مختلف، به‌وسیله اكسترودر مخلوط و نمونه‌های آزمونی بوسیله قالبگیری تزریقی ساخته شدند. سپس خواص حرارتی و آتشگیری، بررسی شدند. نتایج نشان داد با افزایش مقدار آردچوب و نانورس آنتالپی بلورینگی کاهش و شاخص اکسیژن افزایش می­یابد.

واژه‌هاي کليدي: صنوبر، نانورس، آنتالپی بلورینگی

مقدمه

چندسازه چوب پلاست دوست‌دار محيط زيست بوده و به حفاظت كمتري در مقايسه با چوب نياز دارند. كامپوزيت‌هاي چوب پلاستيك ظاهري شبيه چوب داشته و كارايي آنها بيشتر مي‌باشد. جذب رطوبت پايين، مقاومت در برابر اكسيداسيون، مقاومت در برابر نفوذ و تخريب توسط حشرات، وزن كم و دوام بالا، ثبات ابعادي بالا، خواص فيزيكي و مكانيكي مطلوب، طول عمر بالا، قابليت برش كاري، ميخ‌‌خوري و رنده‌كشي، اعمال روكش‌هاي تزئيني نيز به­عنوان قابليت‌هاي مفيد اين كامپوزيت به‌شمار مي‌رود. با استفاده از نانو مواد مي‌توان خواص كامپوزيت‌هاي موجود در اين صنعت را بهبود بخشيده و محصولات جديدي با ارزش افزوده بالا و كارايي بيشتر توليد كرد [1]. پليمرهاي تقويت شده با نانورس علاوه بر دارا بودن مزاياي يادشده، مقاومت خوبی در برابر آتش و پرتو فرابنفش دارند [2]. آزمون رفتار آتشگیری (LOI)، یکی از مهمترین روش‌های بررسی اشتعال‌پذیری مواد می‌باشد. این روش در مورد موادی که قابلیت سوختن در اکسیژن را دارند به کار می‌رود. هدف اين پژوهش بررسی تاثیر میزان نانورس بر ویژگی­های حرارتی و رفتار آتشگیری نانوچندسازه چوب پلاست ساخته شده از آرد صنوبر و پلی­پروپیلن می­باشد.

 مواد و روش­ها در ساخت چوب پلاست

تقويت كننده در ساخت چوب پلاست

آرد صنوبر از شرکت آریا سلولز تهیه و براي يكنواختي اندازه ذرات، ذرات عبور کرده از مش 50 و باقيمانده روي الك با مش 60 به­عنوان تقویت کننده در نظر گرفته شد. سپس به­مدت 24 ساعت در دماي °C 3±100 خشک شدند تا رطوبت آنها به سطح 2% برسد.

مواد پليمري در ساخت چوب پلاست

پلی­پروپیلن با دانسیته g/cm³ 952/0 و شاخص جریان مذاب min 10/g 18 از شرکت پتروشیمی اراک با نام تجاری V30S تهیه شد.

عامل سازگاركننده در ساخت چوب پلاست

مالئيك انيدريد پيوند شده با پلي‌پروپیلن با دانسیته g/cm³ 065/0 و شاخص جریان مذاب min 10/g 7 و مقدار انیدرید پیوند خورده 1% به عنوان عامل سازگاركننده مورد استفاده قرار گرفت.

نانورس در ساخت چوب پلاست

پودر نانورس توليد شده توسط شركت Southern-Clay كشور آمريكا با نام تجاري Cloisite 30B مورد استفاده قرار گرفت.

روش ­ها

مواد به کار رفته به کمک دستگاه اکسترودر (کولین)، از نوع دو مارپیچه همسوگرد، مخلوط شدند. مناطق حرارتی اکسترودر به­ترتیب 165، 170، 175، 180، و 185 درجه سلسیون برای نواحی 1 تا 5 اختصاص یافت. سرعت دورانی مارپیچ در حد 60 دور در دقیقه تنظیم شد. مواد مخلوط شده مذاب پس از خروج از دستگاه اکسترودر در دستگاه گرانول ساز به گرانول تبدیل شدند. به­منظور جلوگیری از هر گونه اثر منفی رطوبت، ذرات گرانول به کمک دستگاه خشک­کن در دمای 65 درجه سلسیوس تا 3 درصد خشک شدند. ذرات گرانول به­دست آمده به کمک دستگاه قالب­گیری تزریقی در دمای 185 درجه سلسیوس و با فشار 3 مگاپاسکال مطابق با استاندارد ASTM D 618 برای تهیه نمونه­های آزمون DSC تهیه شد. برای ساخت نمونه­های LOI از دستگاه پرس ساخت کشور ژاپن (mini test press) استفاده شد. نمونه­ها در دمای 200 درجه به مدت 4 دقیقه و فشار 25 (مگاپاسکال) ساخته شدند. سپس تخته­ها تا دمای c° 80 خنک شدند در حین خنک شدن، فشار پرس همچنان ادامه داشت.

آنالیز حرارتی آتشگیری چوب پلاست

آزمون DSC

آزمون DSC با استفاده از دستگاه DSC 131 (ساخت شرکت SETARAM فرانسه) موجود در دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران انجام شد. برای انجام این آزمون نمونه­هایی به وزن 8 گرم از نمونه­های چوب پلاست جدا و در محفظه آلومینیمی کوچک قرار داده و سپس به دستگاه DSC منتقل شده گرمادهی به مقدار °C/min10 به­ترتیب زیر انجام شد: گرمادهی از 25 تا c° 200 گرمادهی اولیه، – خنک کردن از دمای 200 تا c° 25 داده­های اولین سرمایش و دومین گرمادهی برای تحلیل نتایج استفاده شدند.

آزمون شاخص اکسیژن LOI (Limited oxygen Index)

برای انجام این آزمون نمونه­ها مطابق با استاندارد ASTM D2863، به ابعاد mm4 ×50 ×150 میلی­متر تهیه شدند. ابتدا نمونه در داخل پایه نگه‌دارنده نصب می‌شود و سپس محفظه شیشه­ای که قسمت بالایی آن باز است بر روی نمونه قرار می­گیرد، آنگاه شرایط سوختن را با حداقل میزان اکسیژن تنظیم کرده و به مدت 30 ثانیه نمونه در معرض شعله مستقیم قرار می­گیرد، اگر در این زمان نمونه مشتعل نشد و یا سریع خاموش شد؛ نتیجه گرفته می‌شود که مقدار اکسیژن برای سوختن کافی نیست و مقدار اکسیژن را کمی افزایش داده و مجدداً آزمون تکرار می‌شود. بعد از مشخص شدن حدودی مقدار اکسیژن؛ پس از مشتعل شدن نمونه، 3 دقیقه زمان گرفته می‌شود.

نتایج و بحث آتشگیری چوب پلاست

نتایج آزمون DSC در جدول 1 خلاصه شده است.

جدول 1 نتایج آزمون DSC و LOI

شماره تيمار	كد تيمار	آنتالپی بلورینگی (J/g)	نقطه بلورینگی	نقطه ذوب
1	PP 100	84.01	114.81	167.68
2	40%WF60%PP2%M	59.35	119.76	166.32	8/17
3	40% WF 60% PP 2%M2%NC	49.97	122.02	167.26	1/18
4	40% WF 60% PP 2%M4% NC	40.86	121.02	168.94	2/18
5	50% WF 50% PP 2%M	41.68	122.59	167.64	5/19
6	50% WF 50% PP 2%M2% NC	41.16	122.60	166.36	6/19
7	50% WF 50% PP 2%M4% NC	42.33	121.59	168.47	9/19
8	60% WF 40% PP 2%M	36.73	120.49	166.94	9/19
9	60% WF 40% PP 2%M2% NC	31.95	121.06	166.19	20
10	60% WF 40% PP 2%M4% NC	32.19	120.78	167.25	2/20

نتایج بررسی DSC نشان داد که اختلاف معنی­داری بین نقطه ذوب نمونه­های مختلف وجود ندارد. با افزایش نانورس آنتالپی کاهش پیدا می­کند به جز تیمار (50% آردچوب، 50% پلیمر، 2% سازگارکننده و 4% نانورس) که دارای افزایش جزئی آنتالپی می­باشد. با افزایش مقدار آردچوب نیز آنتالپی بلورینگی کاهش پیدا می­کند. برهمکنش­های قطبی و همچنین اتصال زنجیرها در اثر شبکه­ای شدن، موجب کاهش تحرک زنجیرها می­شوند. این دو گروه باعث ایجاد فاصله بین زنجیرها می­شوند. نتیجه اینکه، کاهش تحرک و افزایش فاصله موجب کاهش درجه تبلور و در نتیجه کاهش آنتالپی تبلور و آنتالپی ذوب می­گردد. با افزودن آردچوب تا میزان 60 درصد آنتالپی بلورینگی کاهش پیدا می­کند. یعنی کامپوزیت با آردچوب دیرتر از پلیمر خالص در حال سرد شدن بلورینه می­شود. بطور کلی به دلیل تاثیر منفی وجود آردچوب در کامپوزیت و ممانعت از تشکیل پیوندهای بین مولکولی آنتالپی کریستالی پائین می­باشد. با افزایش میزان آردچوب به دلیل نقش ذرات چوب به­عنوان مراکز هسته­گذاری دمای بلورینگی افزایش می­یابد. در مورد دمای ذوب همانگونه که مشخص است دارای تغییرات محسوس نمی­باشد. لطفی شورابی و همکاران (1389) در بررسی خواص حرارتی چوب پلاست حاصل از آردچوب و پلی اتیلن سنگین نیز گزارش دادند که با افزایش آردچوب آنتالپی بلورینگی کاهش پیدا می­کند. Zang و همکاران (2011) اظهار داشتند که ذرات چوب به عنوان هسته کریستالی ناهمگون می­باشند که سبب می­شود پلیمر با الیاف چوب بیشتر و زودتر ذوب شود و شکل کریستالی در هنگام سرد شدن را سریعتر ایجاد می­کند [3].

رفتار آتش­گیری (LOI)[1]

با افزایش آردچوب LOI افزایش پیدا کرده و نمونه برای اشتعال به اکسیژن بیشتری نیاز دارد و نمونه با روندی کندتر و زمان بیشتری می‌سوزد که با نتایج  (Wang et al., 2006) مطابقت دارد [4]. معمولاً در چندسازه‌ها طی مرحله ساخت خلل و فرج ایجاد می‌شوند.  این خلل و فرج با هم مرتبط و حالت شبکه‌ایی دارند. اکسیژن از این حفره‌ها عبور می‌کند و روند اشتعال را افزایش می‌دهد. هرچه الیاف سلولزی بیشتر باشند خلل و فرج چندسازه کاهش می‌یابد و از حرکت اکسیژن جلوگیری شده و اکسیداسیون کاهش می‌یابد [5].

تاثیر نانورس بر رفتار آتشگیری

افزایش نانورس باعث افزایش LOI می­گردد. یعنی هرچقدر نانورس زیادتر شود به اکسیژن بیشتری برای سوختن نیاز است و در حقیقت با افزایش نانورس اشتعال‌پذیری نمونه کاهش می‌یابد. نانورس‌ها می‌توانند مثل سدی مانع نفوذ و حرکت اکسیژن به داخل ساختار نانو کامپوزیت شوند و در واقع مانند مانعی در برابر نفوذ گازها عمل کرده و حفرات را پر می‌کنند [6]. مهمترین عامل در پایداری حرارتی که توسط نانورس‌ها ایجاد می‌شود تشکیل یک لایه زغال مانند غیرقابل سوختن است و در نهایت به­دلیل سطح ویژه بالا و سطح پوشش مناسب تاثیر بسزایی در پایدار حرارتی دارند (خسرویان 1389). به طور کلی استفاده از نانورس­ها در بهبود خواص حرارتی و کاهش اشتعال­پذیری یکی از موارد مورد تایید (Gilman et al., 2000) می­باشد [7].

نتیجه‌گیری

• بین نقطه ذوب نمونه­ های مختلف اختلاف معنی­داری وجود ندارد و با افزایش مقدار آردچوب آنتالپی بلورینگی کاهش می­یابد با افزایش نانورس نیز آنتالپی کاهش پیدا می­کند.
• با افزایش آردچوب و نانورس شاخص اکسیژن افزایش پیدا می­کند.
• با افزایش میزان نانورس میزان خاکستر باقیمانده و ثبات حرارتی افزایش یافت.

منابع

[1]. Wegner, T. (2007). “Nanotechnology for the Forest Products Industry,” In International Conference on Nanotechnology for the Forest Products Industry, 13-15 June, Knoxville, TN, USA.

[2]. Zilg, C., Mülhaupt, R., and Finter, J. (1999). “Morphology and toughness/stiffness balance of nanocomposites based upon anhydride-cured epoxy resins and layered silicates,” Macromolecular Chemistry and Physics 200(3), 661-670. DOI: 10.1002/(SICI)1521-3935(19990301)200:3<661::AID-MACP661>3.0.CO;2-4

[3]. Zang, J., Rizvi, G. M., and Park, C. B. (2011). “Effect of wood fiber content on the reological properties, crystallization behavior, and cell morphology of extruded wood fiber/HDPE composites foams,” BioResources 6(4), 4979-4989. DOI: 10.15376/biores.6.4.4979-4989

[4]. Wang, L., Wang, K., Chen, L., Zhang, Y., and He, C. (2006). “Preperation, morphology and thermal/mechanical properties of epoxy/nanoclay composite,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 37(11), 1890-1896. DOI: 10.1016/j.compositesa.2005.12.020

[5]. Jahromi, S. G., Andalibizade, B., and Vossough, S. (2010). “Engineering Properties of Nanoclay Modified Asphalt Concrete Mixtures,” The Arabian Journal for Science and Engineering 35(1), 89-103.

[6]. Stark, N. M., White, R. H., Muller, S. A., and Osswald, A. (2010). “Evaluation of various fire retardants for use in wood flour-polyethylene composites,” Polymer Degradation and Stability 95(9), 1903-1910. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2010.04.014

[7]. Gilman, J. W., Jackson, C. L., Morgan, A. B., Harris, R. H., Manias, E., Giannelis, E. P., Wuthenow, M., Hiltion, D., and Philips, S. H. (2000). “Flammability properties of polymer–layered–silicate nanocomposites, polypropylene and polystyrene nanocomposites,” Chemistry of Materials 12(7), 1866-1873. DOI: 10.1021/cm0001760.

[1] Limited Oxygen Index