بررسی اثر عمل­ آوری گرمایی ریزموج بر خواص مکانیکی چوب پلاست

بخش دوم

(این پژوهش در دو بخش ارائه می گردد)

نتایج و بحث چوب پلاست

استحکام خمشی چوب پلاست

در شکل 3 اثر مقدار خاک‌رس اصلاح‌شده بر مقدار استحکام  خمشی  چوب پلاست نشان داده شده است. مطابق این شکل، بیشترین مقدار استحکام خمشی در نمونه T₁ حاوی 2 درصد وزنی خاک‌رس به‌دست آمد، نتایج مشابهی در رابطه با محصولات چوب پلاست نیز توسط سایر پژوهشگران در این سطح افزایش نانوذرات خاک‌رس گزارش شده است [14،9،8]. به‌نظر می­رسد، مقدار استحکام خمشی تابعی از مقدار خاک‌رس در چوب پلاست باشد که با افزایش  آن به 4 و 6 درصد وزنی (نمونه‌های T₂ و T₃) استحکام خمشی چوب پلاست کاهش یافت. زيرا نانوذرات خاک‌رس اصلاح‌شده به علت تشكيل اتصال با ماده زمینه پليمر موجب افزايش استحکام خمشی چوب پلاست مي‌‌شوند. البته پس از حد مشخصي روند افزايشي خواص با افزايش درصد خاک ‌رس كُند و حتي گاهي معكوس مي‌‌شود. به همين دليل، نتايج نشان مي­دهد در نمونه های چوب پلاست با افزایش درصد  نانوذرات خاک‌رس، استحکام خمشی کاهش یافت [15]. در واقع به‌نظر مي­رسد، در مقادیر بیشتر، نانوذرات خاک‌رس کلوخه شده، باعث تمرکز تنش‌ می‌شوند و استحکام خمشي را نسبت به نمونه 2 درصد کاهش مي­دهند. در نمونه های چوب پلاست کاهش استحکام خمشی در درصدهاي زيادتر  نانوذرات خاک‌رس مي­تواند در اثر افزايش مهارهاي بين قطعات مولکولي[1] (interlocking) و جلوگيري از تسهيم متعادل تنش و جلوگيري از آزادي لازم زنجيرها شود که موجب کاهش استحکام در مقادير زياد نانوذرات شده است [16]. همچنین استفاده از عمل‌آوری گرمایی تابش ریزموج اثر مثبتی بر مقدار مقاومت خمشی نمونه‏های چوب پلاست دارد و مقاومت خمشی افزایش یافته است. محدوده تغیرات استحکام خمشی از MPa 288/20 تا MPa 027/28 است (شکل 3).

شکل 3- تغییرات مقاومت خمشی در نمونه‌های نانو چوب پلاست خاکه MDF-پلی­پروپیلن.

مدول خمشی چوب پلاست

مدول خمشی نشان‌دهنده نیروی لازم برای خم‌کردن نمونه است. بنابراین، اجسام دارای سفتی بیشتر مدول خمشی زیادتری دارند [17]. افزایش خاک‌رس در چوب پلاست باعث بهبود مدول خمشی آن می‎شود. مطابق شکل 4، یک اثر تقویت‎کنندگی در 2 درصد وزنی نانوخاک‌رس (نمونهT₁) در خواص مدول خمشی چوب پلاست خاکه MDF-پلی‎پروپیلن مشاهده می‎شود. در واقع، نانوذرات با نسبت طول به قطر زیاد فصل مشترک بزرگی با فاز پیوسته پلیمری دارند که افزایش استحکام نانوچوب پلاست حاصل را توجیه می‎کند. اما با افزایش درصد وزنی نانوخاک‌رس از 2 به 6 درصد خواص مدول خمشی کاهش یافت. خواص مدول خمشی نه تنها بستگی به خواص اجزای تشکیل‌دهنده دارد، بلکه متأثر از پراکنش نانوخاک‌رس و چسبندگی بین‌سطحی بین نانوخاک‌رس و پلیمر نیز است. نتایج گزارش منتشر شده نیز این یافته­ها را تأیید می­کند [19،18،9]. همچنین در شکل 4 ملاحظه می‎شود، استفاده از تابش ریزموج باعث افزایش مقدار مدول در تمام نمونه‏های چوب پلاست شده است. به‌نظر می­رسد تابش‌دهی نمونه های چوب پلاستی سبب
نرم‌شدگی ماده زمینه گرمانرم می‌شود، زنجیرهای پلیمری حرکت کرده و سبب  دربرگرفتن ذرات پرکننده نرمه خاکه MDF و نانوذرات خاک‌رس می­شوند، بنابراین سطح تماس بین ذرات پرکننده و تقویت­کننده با ماده زمینه بیشتر
می­شود.

شکل 4- تغییرات مدول خمشی در نمونه‌های نانو چوب پلاست خاکه MDF-پلی­پروپیلن

استحکام ضربه ­ای چوب پلاست

آزمون استحکام ضربه‌ای روی نمونه های چوب پلاست با مقادیر مختلف نانوخاک‌رس نشان داد، استحکام ضربه‌ای نمونه های چوب پلاست کاهش می‎یابد (شکل 5) که با نتایج به‌دست آمده پژوهش‌های پیشین مطابقت دارد [19،9].
به‌نظر می‎رسد، نانوذرات خاک‌رس در سطوح وزنی زیاد تمایل به انباشتگی[2] دارند و این انباشته‎‌ها به‌راحتی می‎توانند منجر به ایجاد شکاف اطراف خود شده و نقطه تمرکز تنش را ایجاد کنند، در نهایت شکست و افت خواص ضربه را موجب شوند [10]. در واقع با افزایش درصد نانو‌خاک‌رس به دلیل کاهش تحرک‌پذیری زنجیرها و امکان اتلاف انرژی آنها، استحکام ضربه‌ای برای هر سه نمونه حاوی نانو‌خاک‌رس کاهش یافته است [16]. همچنین، افزايش مقدار نانوخاک‌رس مناطقي را در ماده زمینه پليمري به‌وجود مي­آورد كه موجب تمركز تنش می‌شود و رشد ترك را ازآن ناحيه آغاز مي‎كند [9]. از طرفی، محدودیت حرکت زنجیرهای پلیمری در مجاورت چنین ذراتی که دارای نسبت منظر زیاد هستند، در مقایسه با ذرات کروی متداول، مقاومت ماده را در برابر رشد ترک بهبود می‎بخشد [20].

استفاده از تابش ریزموج سبب بهبود استحکام ضربه‌ای نمونه‎های چوب پلاست شد. مطابق شکل 5، پرواضح است که بین نمونه‎های عمل‌آوری‌نشده و عمل‌آوری‌شده به لحاظ مقدار استحکام ضربه­ای تفاوت وجود دارد و مقدار آن در نمونه‎هایعمل آوریشده با تابش ریزموج، بیشتر است. این موضوع می­تواند ناشی از نرم‌شدن پلیمر و در برگرفتن بیشتر ذرات با ماده زمینه پلیمری و کاهش  فضاهای خالی بین ذرات و ماده زمینه پلیمری و همچنین از بین رفتن ترک­های ریز تشکیل شده حین فرایند ساخت چوب پلاست باشد. محدوده تغیرات استحکام ضربه­ای بدون شکاف از  J/m5/62 تا J/m 3/127 است.

شکل 5- نمودار تغییرات استحکام ضربه­ای در نانوچوب پلاست‌های خاکه MDF-پلی­پروپیلن

شکل شناسی

تصاویر میکروسکوب الکترونی پویشی از سطح مقطع شکست نمونه‎های شاهد و نمونه‎هایعمل‌آوریشده با استفاده از تابش ریزموج به ترتیب در شکل‌های 6 و 7 و نیز نحوه اختلاط خاکه­های MDF در ماده زمینه در شکل 8 نشان داده شده است. شکل 8 نحوه پراکنش ذرات چوب در ماده زمینه را نشان می­دهد، با توجه به شکل در بعضی از بخش­های
نمونه­های چوب پلاست­، فضاهای خالی و به جامانده از خروج خاکه­های MDF مشاهده می­شود که بیانگر اتصالات ضعیف بین خاکه MDF و پلیمر در ناحیه بین سطحی آنهاست، در حالی که در نمونه­های عمل‌آوری‌شده با پرتو، یکنواختی و انسجام بیشتری مشاهده می‎شود که نشان‌دهنده پراکنش بهتر خاکه MDF درون ماده زمینه و اتصالات قوی بین پلیمر و پرکننده است (شکل 7). از سوی دیگر، تفاوت قابل توجهی بین سطح مقطع شکست نانوچوب پلاست عمل‌آوری‌شده و عمل‌آوری‌نشده وجود دارد. بدین ترتیب که سطح نمونه‏های عمل‌آوری‌شده با تابش زبرتر به‌نظر می‎رسد که نشاندهنده رفتار شکست شکننده است. درحالی‌که نمونه‎هایعمل‌آورینشده سطح شکست صاف دارند که حاکی از انرژی چسبندگی کم برای شکست است. در واقع استفاده از این نوع عمل‌آوری گرمایی سبب می‌شود، پلیمر ذوب شود و مذاب پلیمر عمل دربرگیری[3] ذره‌های خاکه MDF را بهتر انجام دهد. زیرا، در نمونه‎های عمل‌آوری نشده، ممکن است بخش‎هایی از زنجیر پلیمر ذوب نشود و عمل دربرگیری ذرات به وسیله  ماده زمینه کاهش یابد.

شکل 6- تصاویر FE-SEM چوب پلاست ‎های عمل‌آورینشده(سطح 2 درصد نانوخاک‌رس).

شکل 7- تصاویر FE-SEM چوب پلاست ‎هایعمل‌آوریشده با استفاده از تابش ریزموج (سطح 2 درصد نانوخاک‌رس).

شکل 8- تصاویر FE-SEM نمونه­های چوب پلاست و نحوه اختلاط الیاف خاکه MDF در ماده زمینه.

پراش پرتو X (XRD)

مطالعات پراش پرتو X نشان­‌دهنده افزایش فاصله بین صفحات خاک‌رس در نمونه های چوب پلاست با ساختار بین‌لایه­ای (intercalation) است. زیرا قله مربوط به ناحیه بلوری نانورس از بین نرفته و فقط به سمت عقب و θ2‌های پایین­تر کاهش یافته است. به عبارت دیگر فاصله بین‌لایه­های سیلیکاتی نانو‌خاک‌رس به دلیل نفوذ زنجیر­های پلیمری افزایش یافته ولی از هم گسیحتگی کامل لایه­های خاک‌رس رخ نداده است. همان­طور که مشاهده می­شود، زاویه پراش  پرتو X و فاصله بین صفحات پودر نانوخاک رس به ترتیب از 81/2=θ2 و  nm41/31: d₀₀₁، 49/2 :θ2 و  nm44/35: d₀₀₁، 45/2 :θ2 وnm 02/36: d₀₀₁برای نانوذرات خاک‌رس و نمونه­های چوب پلاست T₁ و T₃ است (شکل 9).

شکل 9- الگوی پراش پرتو X خاک‌رس و نانوچوب پلاست خاکه MDF – پلی­پروپیلن.

نتیجه ­گیری

در این پژوهش، اثر عمل­آوری گرمایی تابش ریزموج بر خواص مکانیکی و شکل­شناسی نانوچوب پلاست­های خاکهMDF – پلی‌پروپیلن بررسی شده است. مقایسه خواص مکانیکی نمونه‎هایعمل‌‌آوری‌شده به وسیله تابش ریزموج و نمونه‎هایعمل‌‌آوری‌ نشده، حاکی از آن است که نمونه‎هایعمل آوری‌شده نسبت به نمونه‎هایعمل‌آورینشده به لحاظ خواص مکانیکی مورد بررسی (استحکام و مدول خمشی، استحکام ضربه­ای) متفاوت‌اند و در نمونه‎هایعمل‌آوریشده  این خواص اصلاح و بهتر می‌شود. نتایج میکروسکوپی الکترونی پویشی نشان می‎دهد، در نانوچوب پلاست‎هایعمل آوریشده، ذرات خاکه MDF به طور بهینه‎تر با فاز زمینه پلیمری ترکیب‌شده و عمل دربرگرفتن ذرات به وسیله پلیمر بهتراست. نتایج پراش پرتو X  نشان می­دهد، نانوچوب پلاست حاصل از خاکه MDF- پلی­پروپیلن ساختار بین‌لایه­ای دارد. همچنین بیشترین مقدار استحکام، مدول خمشی و استحکام ضربه­ای در نمونه‎های حاوی 2 درصد وزنی نانوذرات خاک‌رس حاصل شدند که این رفتار در نتیجه پراکنش بهتر لایه‎های سیلیکاتی نانوخاک‌رس در فاز پلیمری است.

قدردانی

از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو به دلیل حمایت­های مالی این پژوهش قدردانی می­شود.

 

مراجع

 

1. M, D.De Kee. Wood/Polymer/Nanoclay Composites, Environmentally Friendly Sustainable Technology: A Review, Chem. Eng. Res. Design.,86, 1083–1093, 2008.
2. Winandy, J.E., Stark, N.M. Clemons, C.M. (2004). Considerations in recycling of wood-plastic composites. 5^th global wood and natural fiber composites symposium. April 2004.
3. Papargyris D.A., Day R.J. Nesbitt A. and Bakavos D., Comparison of the Mechanical and Physical Properties of a Carbon Fibre Epoxy Composite Manufactured by Resin Transfer Moulding Using Conventional and Microwave Heating, Sci. Technol., 68, 1854–1861, 2008.
4. Sgriccia N. and Hawley M.C., Thermal, Morphological, and Electrical Characterization of Microwave Processed Natural Fiber Composites, Sci. Technol., 67, 1986–1991, 2007.
5. Zhou Sh. and Hawley M.C., A Study of Microwave Reaction Rate Enhancement Effect in Adhesive Bonding of Polymers and Composites, Struct., 61, 303–309, 2003.
6. Yeh S., Ortiz D., Al-Mulla A., and Gupta R., Mechanical and Thermal Properties of Wood/Layered Silicate/Plastic Composites, In Proceedings of the 8th International Conference on Wood fiber-Plastic Composites (Society of Plastic Engineers, Wisconsin, MI), 2005.
7. Nourbakhsh A. and Ashori A., Influence of Nanoclay and Coupling Agent on the Physical and Mechanical Properties of Polypropylene/Bagasse Nanocomposite, Polym. Sci.., 112, 1386–1390. 2009.
8. Wu Q., Lei Y., Clemons C.M., Yao F., Xu Y., and Lian K., Properties of HDPE/Clay/Wood Nanocomposites, Plast. Technol., 2, 108-115, 2007.
9. Kord B., Investigation on the Effects of Nanoclay Particles on Mechanical Properties of Wood Polymer Composite Made of High Density Polyethylene-wood Flour, J. Wood Paper Sci. Res.,1, 91-101, 2010.
10. Feyz E., Jahani Y., Esfandeh M., and Jafari S.H., Flame Retardant Hybrid System of Triphenyl Phosphate/Nanoclay in Evaluation of Flammability and Mechanical Properties of PC/ABS Compound, J. Polym. Sci. Technol., 6, 475-485, 2011.
11. Chaowasakoo T. and Sombatsompop N., Mechanical and Morphological Properties of Fly Ash/Epoxy Composites Using Conventional Thermal and Microwave Curing Methods, Sci. Technol., 67, 2282–2291, 2007.
12. British Standard, Wood-plastics Composites (WPC)-Part 1: Test Methods for Characterization of WPC Materials and Products, 2007.
13. Ramtin A.A., Karimi A.N., and Tajvidi M., Study on Mechanical Properties of Composite Made from Sander Dust of Particleboard-Polypropylene, J. Wood Paper Sci. Res., 1, 58-68. 2009.
14. Chowdhury F.H, Hosur M.V., and Jeelani S., Studies on the Flexural and Thermo Mechanical Properties of Woven Carbon/Nanoclay-epoxy Laminateds, Sci. Eng. A, 421, 298-306. 2006.
15. Samal S.K., Nayak S., and Mohanty S., Polypropylene Nanocomposites: Effect of Organo-Modified Layered Silicates on Mechanical, Thermal and Morphological Performance, Thermoplast. Compos. Mater., 2, 243-263, 2008.
16. Jowdar E., Beheshty M.H., and Atai M., Nanoclay Effect on Morphology, Mechanical Properties and Water Absorption of Vinyl Ester- Based Nanocomposites, J. Wood Paper Sci. Res., 2, 83-92, 2011.
17. Mehrabzadeh and Kamal M.R., Effects of Different Types of Clays and Maleic Anhydride Modified Polystyrene on Polystyrene/Clay Nanocomposites, Iran. J. Wood Paper Sci. Res., 2, 151-157, 2009.
18. Wan L., Wang K., Chen L., Zhang Y., He C., Preparation, Morphology and Thermal/Mechanical Properties of Epoxy/Nanoclay Composite, Compos. Part A: Appl. Sci. Manufact., 11. 1890-1896. 2005.
19. Han G., Lei Y., Wu Q., Kojima Y., and Suzuki S., Bamboo–fiber Filled High Density Polyethylene Composites; Effect of Coupling Treatment and Nanoclay, Polym. Env., 21, 1567-1582. 2008.
20. Basiri L., Bakhshandeh G.R., Naderi Gh., and Shokoohi Sh., Elastomer Nanocomposites based on Organoclay/IIR/EPDM: Microstructure and Mechanical Properties, J. Wood Paper Sci. Res., 5, 343-353, 2011.

[2]– Agglomeration

[3] – encompass