بررسی اثر عمل­ آوری گرمایی ریزموج بر خواص مکانیکی چوب پلاست

بخش اول

(این پژوهش در دو بخش ارائه می گردد)

چکیده

در این پژوهش، اثر عمل­آوری گرمایی تابش ریزموج بر خواص مکانیکی و شکل­شناسی چوب پلاست ساخه شده با خاکه تخته فیبر دانسیته متوسط (MDF)- ­پلی‌پروپیلن بررسی شده است. بدین منظور نانوخاک­رس کلویزیت A15 (Cloisite 15A) در سه سطح وزنی 2، 4 و %6 به‌کار گرفته شد. از پلی‌پروپیلن (PP) به عنوان ماده زمینه و مالئیک انیدرید پیوند داده شده با پلی‎ پروپیلن (MAPP) نیز به مقدار 4% وزنی به عنوان عامل جفت­­کننده استفاده شد. همچنین ماده لیگنوسلولوزی استفاده شده در این پژوهش خاکه حاصل از سمباده‎زنی سطح تخته­های MDF (سطح 50% وزنی) بود.

نمونه­­ های آزمونی با استفاده از اکسترودر دو مارپیچی به شکل گرانول تهیه شدند.سپس، با چگالی اسمی g/cm³1 در ابعادcm  1×20×30 با استفاده از روش پرس گرم تهیه شدند. آزمون خمش طبق استاندارد CEN/TS 15534–1 و آزمون ضربه مطابق با استاندارد ASTM D-4495 انجام شد. برای بررسی شکل‎شناسی و فاصله لایه­های سیلیکات (d₀₀₁) در کامپوزیت­های تهیه شده، از آزمون­های پراش پرتو X (XRD) و میکروسکوپ الکترونی پویشی (FE-SEM) استفاده شد.

در پایان نتایج نشان داد، بیشترین استحکام­ خمشی، مدول خمشی و استحکام ضربه­ ای چوب پلاست در سطح 2 درصد وزنی ذرات نانوخاک­رس به ‎دست آمد. خواص مکانیکی چوب پلاست های عمل­آوری‌شده با تابش ریزموج نیز نسبت به نمونه ­های آزمونی دیگر (بدون عمل­آوری با تابش ریزموج) بهتر بودند. همچنین مطالعات پراش پرتو X نشان داد که افزایش فاصله بین صفحات خاک‌رس در نمونه های کامپوزیت با ساختار بین‌لایه­ای (intercalation) است. نتایج میکروسکوپی الکترونی پویشی نشان داد، در چوب پلاست های عمل آوریشده، ذرات خاکه MDF به طور بهینه‎تر با فاز زمینه پلیمری ترکیب‌شده و عمل دربرگرفتن ذرات به وسیله پلیمر بهتر صورت گرفته است.

مقدمه

کامپوزیت چوب پلاست (WPCs) مواد کامپوزیتی ساخته شده از الیاف (آرد) چوب و پلاستیک­ ها هستند.
WPC­ها زیرمجموعه دسته بزرگ­تری از مواد به نام کامپوزیت­ها یا الیاف طبیعی –­ لاستیک (natural fiber plastic composites, NFPCs) هستند که ممکن است از سایر پرکننده­های سلولوزی مبتنی بر لیفی مانند الیاف خمیر کاغذ، پسماند کشاورزی، بامبو، ضایعات و خاکه‌های صنایع چوبی استفاده شوند. کامپوزیت‎های گرمانرم نقش مهمی را در زندگی دارند و در مواردی چون وسایل آشپزخانه تا اجزای شاتل‎های فضایی استفاده می­شوند [1].

افزايش جهاني تقاضا براي توليد فراورده‌هاي کامپوزیتی چوبي، امكان استفاده از چوب­هاي با كيفيت کم و توليد دیواره­هاي با كيفيت خوب، باعث گسترش صنايع فراورده­هاي کامپوزیت چوبي شده است. يكي از راه­هاي جلوگيري از تخريب جنگل‎ها و رفع كمبود محصولات ليگنوسلولوزي، استفاده گسترده از منابع سلولوزي جایگزین است.

استفاده از ضایعات کارخانه‎های صنایع چوبی یکی از این منابع جایگزین است. این حجم گسترده علاوه بر هدردادن منابع چوبی، به عنوان معضلی نیز در کارخانجات و کارگاه­های صنایع چوب در آمده است که تنها راه خلاصی از آن در بیشتر موارد سوزاندن آنهاست [2]. از این ­رو در ساخت این نوع کامپوزیت­ها، استفاده از ماده لیگنوسلولوزی ارزان قیمت
می­تواند راه­کاری در تولید مقرون به صرفه این محصول باشد. بنابراین، برای تبدیل منابع لیگنوسلولوزی کم ارزش به محصولات با ارزش زیاد، استفاده از خاکه‎های سمباده‎زنی MDF می‎تواند راه‎کار مناسبی برای صنایع چوب پلاست باشد. برای بهینه‎سازی عملکرد کامپوزیت‎ها، استفاده از تقویت‌کننده‌ها و نیز بهبود فرایند تولید و تقویت کامپوزیت‎های جدید به واسطه عمل­آوری­هایی برای تقویت اتصالات فازهای مختلف کامپوزیت­‎ها اهمیت ویژه‏ای می‌یابد.

چوب پلاست ساخته شده

بنابراین، با توجه به مقدمه انجام شده در پژوهش حاضر سطوح مختلف ذرات نانوخاک­رس در چوب پلاست خاکه MDF- پلی‌پروپیلن و همچنین اثر عمل­آوری گرمایی تابش ریزموج بر خواص مکانیکی کامپوزیت مدنظر بررسی شده است. عمل­آوری با تابش ریزموج پتانسیل زیادی برای بهبود روش‎های کنونی تولید کامپوزیت دارد. همچنین، گرمادهی تابش ریزموج به شکل همرفتی انرژی الکترومغناطیسی نسبت به انرژی گرمایی با انتقال گرما، مناسب‎تر است [3]. گرمادهی ریزموج به شکل حجمی است و به سطح محدود نمی‎شود. در نتیجه، مواد پلیمری گرمانرم می‎توانند در قالب ریزموج سریع‎تر فراوری شوند [4]. فراوری ریزموج، به روش انتقال گرمایی همرفتی دارای چند امتیاز است. این مزایا شامل گرمادهی سریع، افزایش چسبندگی الیاف- ماده زمینه و کنترل­پذیری زیاد هستند. گرمادهی ریزموج به شدت به مقدار خواص دی‎الکتریک آن بستگی دارد. بنابراین، انرژی امواج ریزموج به‌طور مستقیم به داخل لایه‎ مرزی مواد زمینه‎ای بسیار نازک منتقل می‎شود [5].

سوابق تخقیق در ساخت این نوع چوب پلاست ها

پژوهش‏‎های انجام شده در رابطه با اثر ذرات نانو­خاک­رس بر خواص مکانیکی از جمله استحکام ضربه­ ای چوب پلاست ها نشان داد، افزودن نانو خاک­ رس به چوب پلاست موجب افزایش مدول یانگ از GPa 3/2 به GPa 8/3 [6]، افزایش استحکام کششی چوب پلاست آرد باگاس- پلی‎پروپیلن تا %3 وزنی از نانو­خاک­رس [7] و افزایش استحکام‌های خمشی و کششی کامپوزیت آرد چوب کاج و پلی­ اتیلن سنگین (HDPE) تا%­2 وزنی می­شود [8].  همچنین نتایج نشان داده است، با افزایش درصد وزنی ذرات نانو­خاک­رس در نمونه ­ها، استحکام ضربه­ ای چوب پلاست کاهش پیدا کرده و در سطح 5 درصد، کمترین مقدار مقاومت حاصل می­شود [9].

در پژوهشی Feyz و همکاران [10] نشان داده­اند، در نانوکامپوزیت آمیزه­های PC/ABS بیشترین استحکام کششی و استحکام ضربه­ای در استفاده %2 ذرات نانو­خاک­رس حاصل می­شود و در نمونه­های حاوی نانو­خاک­رس با افزایش مقدار نانوذرات، استحکام کششی و استحکام ضربه­ای افت کرده و مدول یانگ آمیزه افزایش می­یابد.

پژوهشگران روش امواج ریزموج را به عنوان منبع انرژی جایگزین برای فراوری پلیمرها و کامپوزیت‎ ها بررسی کرده­اند [5]. Chaowasakoo و Sombatsompop [11]، روش‎های پخت گرمایی متداول و پخت ریزموج را برای پخت کامپوزیت­های اپوکسی استفاده کرده و خواص مکانیکی و شکل­ شناسی کامپوزیت‎ها را ارزیابی کرده­اند. پخت با گرمادهی به شکل متداول­، در C­º70 و به مدت min80 انجام شد، درحالی­که پخت به روش ریزموج در توان W240 و به مدتmin  18 به منظور دست­یابی به پخت بهینه کامپوزیت‎ها انجام شد.

نتایج مقایسه‎ای نشان داد، در پخت با استفاده از امواج ریزموج، زمان پخت کوتاه‎تر و استحکام نهایی بیشتری حاصل می­شود. به‌ویژه استحکام ضربه‌ای و ازیاد طول تا پارگی در نمونه‎ هایی بیشتر است که با پخت گرمایی متداول ساخته شده‎اند. با توجه به اهمیت موضوع در این پژوهش برای ساخت چوب پلاست از خاکه MDF- پلی‌پروپیلن با افزودن سه سطح نانوذرات استفاده شد. سپس، چوب پلاست ها پیش از آزمون برای برهم‌کنش بهتر ماده زمینه پلیمری با خاکه MDF در معرض امواج ریزموج قرار گرفتند، در نهایت‎ خواص مکانیکی کامپوزیت‎ها  بررسی شد.

مواد و روش های ساخت چوب پلاست

مواد ساخت چوب پلاست

ماده لیگنوسلولوزی استفاده شده در ساخت چوب پلاست های این پژوهش خاکه حاصل از سمباده­زنی سطح تخته­های MDF بود که از کارخانه آرین سینا واقع در شهرک صنعتی ساری تهیه شد. پلی­پروپیلن (PP) نوع V30S صنایع پتروشیمی اراک به عنوان ماده زمینه گرمانرم با شاخص مذاب min10/g18 استفاده شد. نانوذرات خاک­رس کلویزیت 15A (Cloisite®15A) محصول شرکت Southern Clay آمریکاست که در سه سطح وزنی 2، 4 و %6 به عنوان ماده تقویت­کننده (با ابعاد 90 درصد کمتر از 13 میکرون، 50 درصد کمتر از 6 میکرون و 10 درصد کمتر از 2 میکرون) استفاده شد. مشخصات نانوخاک­ رس اصلاح شده و ساختار آنها در جدول 1 و تصویر میکروسکوپی الکترونی پویشی آن در شکل 1 آورده شده است. همچنین، از مالئیک انیدرید پیوند داده شده با پلی‌پروپیلن (MAPP) به مقدار %4 وزنی به عنوان عامل جفت‎کننده با نام تجاری  PP-G 101 ساخت شرکت کیمیا جاوید سپاهان (اصفهان) استفاده شد.

جدول 1- خواص نانوذرات خاک­رس اصلاح شده

فعالسازی

نام تجاری	اصلاح­کننده آلی	مقدار  CEC(meq/100g)	نتایج پراش پرتو  Xd(001)(Å)
Cloisite® 15A	2M2HT*	125	5/31

* 2M2HT: dimethyl, dihydrogenatedtallow, quaternary ammonium

شکل 1- تصویر FE-SEM از نانوذرات خاک­رس اصلاح شده.

دستگاه ­ها و روش ­ها ساخت چوب پلاست

آماده­ سازی مواد برای ساخت چوب پلاست

برای ساخت چوب پلاست ها پس از تهیه خاکه ‎های MDF، برای رساندن مقدار رطوبت آنها به نزدیک صفر درصد، خاکه­‎ها به مدتh  24 با دمای С°2 ±100 در خشک‎کن قرار داده شده سپس در کیسه­های پلاستیکی بسته­بندی شدند. نانوذرات خاک­رس پیش از استفاده برای تولید کامپوزیت مد نظر به مدتh  24 با دمای С°2 ±100 به منظور کاهش رطوبت و همچنین جلوگیری از جذب رطوبت در خشک‎کن قرار گرفتند.

اختلاط مواد اولیه و ساخت نمونه­ های چوب پلاست

چگالی اسمی نمونه­ ها g/cm³1 درنظر گرفته شد و مواد آماده شده برای هر نمونه با استفاده از ترازوی آزمایشگاهی توزین شدند. برای ساخت نمونه­ها، مواد توزین­شده پیش از فرایند ساخت، به مدتmin  10 مخلوط شدند تا فاز زمینه و فاز پرکننده به‌طور بهینه با یکدیگر آمیخته شوند. سپس، مواد با استفاده از اکسترودر دوپیچی مدل WPC-4815 ساخت شرکت برنا پارس مهر به شکل گرانول چوب پلاست تهیه شده و با استفاده از آسیاب چکشی آزمایشگاهی، گرانول‌ها به پودر تبدیل شدند. در ادامه نمونه‎های آزمونی با استفاده از پرس گرم تهیه شدند.

عمل ­آوری گرمایی به وسیله تابش ریزموج

برای تعین زمان مناسب پرتو­دهی نمونه ­ها در سه زمان 5، 7 و min10 با قدرت W1000 در معرض تابش با دستگاه ریزموج پاناسونیک مدل NN-CD997S قرارگرفتند. در ادامه پس از بررسی شکل ظاهری نمونه‎ها (تغییر شکل و رنگ)، زمانmin  7 به عنوان زمان بهینه انتخاب شد (شکل 2).

اندازه ­گیری خواص مکانیکی چوب پلاست

خواص خمشی و استحکام ضربه­ ای چوب پلاست های عمل­آوری‌ شده با پرتو و نمونه­ های عمل­آوری‌نشده بررسی شدند. آزمون خمش طبق استاندارد CEN/TS 15534–1 انجام شد [12]. آزمون روی نمونه ‎ها به ابعاد cm 1×2×17 و بر اساس خمش سه­ نقطه‌ای با سرعت  cm/min  ۵ انجام شد. نتایج میانگین 6 آزمون گزارش شده است. برای انجام آزمون ضربه مطابق با استاندارد ASTM D-4495، مستطیلی با ابعاد اسمی cm1×5/1×8 استفاده شد [13].

شکل 2- تصویر کلی از تابش ریزموج بر نمونه‎ های کامپوزیت.

برای بررسی خواص مکانیکی (خمش) چوب پلاست ها از دستگاه INSTRON-4486 (ساخت کشور انگلستان) استفاده شد. همچنین برای انجام آزمون استحکام ضربه­ای بدون شکاف، ماشین ضربه پاندولی ساخت شرکت SANTAM به‌کار گرفته شد.  تصاویر میکروسکوپی الکترونی پویشی به کمک میکروسکوپ FE-SEM مدل S-4160 ساخت شرکت هیتاچی ژاپن از سطح شکست نمونه‌ها تهیه شد. همچنین، ساختار نانوخاک‌رس لایه­ای و شکل­شناسی نانو‌کامپوزیت­های تولیدی با آزمون XRD، به کمک پراش‌سنج مدل D8 Advance ساخت شرکت Bruker آلمان با تابش پرتو با طول موج  Å54/1، ولتاژ شتاب‌دهنده kV 40 و جریان mA 30 بررسی شده است. طیف پراش در θ2 بین °10-2 به‌دست آمد و فاصله بین لایه­ها (d₀₀₁) به کمک قانون براگ محاسبه شد.

کلمات کلیدی: تابش ریزموج ، نانوخاک­رس، چوب پلاست، کامپوزیت، آزمون­های مکانیکی

Keywords: microwave radiation, nanoclay, WPC, composite, mechanical test