بررسی تاثیر نانو سیلیس بر خواص حرارتی نانو چندسازه چوب پلاست

با توجه به اهمیت خواص حرارتی چوب پلاست اين تحقيق با هدف بررسی نانوسیلیس بر خواص حرارتی نانوچن دسازه حاصل از پلی اتیلن ضایعاتی، نانو سیلیس، آرد چوب انجام شد. در اين تحقيق به منظور جلوگيري از هر گونه خطا و دقت عمل بيشتر، پلي‌اتيلن بازيافتي، به روش آزمايشگاهي تهيه شد، بنابراين پلي‌اتيلن سنگين از شركت بازرگاني پتروشيمي اراك با كد 52518 و شاخص جريان مذاب g/10min 18 و دانسیته 959/0 گرم بر سانتی­متر مکعب توسط دستگاه اكسترودر از نوع دو مارپيچه، تحت دمای 180 درجه‌سانتی‌گراد و سرعت 100 دور در دقیقه، دو بار ذوب‌شده و سپس به‌صورت دانه‌هاي گرانول در آمد. آرد چوب راش تهیه و پس از انتقال به آزمايشگاه، براي يكنواختي اندازه ذرات و رسيدن به‌اندازه‌ مورد نظر با دستگاه الك ارتعاشي (shaker) كار طبقه‌بندي انجام شد. آرد عبور کرده از مش 60 و باقيمانده روي مش 80 در نظر گرفته شد. سپس نمونه‌ها به مدت 24 ساعت در آون و در دماي °C 3±100 خشک شدند. از انیدرید مالئیک پیوندشده با پلی‌اتیلن به مقدار 3 درصد استفاده شد. علاوه بر این، پودر نانو سیلیس در سه سطح 0، 4 و 8 درصد، به‌وسیله اكسترودر دو ماردوني (دو مارپيچه) با یکدیگر مخلوط و نمونه‌های آزمونی با استفاده از روش قالب‌گیری تزریقی ساخته شدند. سپس خواص حرارتی اندازه‌گیری شدند. نتایج نشان داد با افزایش با افزایش میزان نانوسیلیس میزان خاکستر باقیمانده و ثبات حرارتی نیز افزایش یافت.

واژه‌هاي كليدي: پلي‌اتيلن ضایعاتی، نانو سیلیس، خواص حرارت، خواص حرارتی چوب پلاست

1– مقدمه

در بین نانو ذرات میتوان به نانوذرات سیلیس اشاره کرد که به دلیل ساختار کروی شکل و متخلخل خود و سطح تماس زیاد و همچنین به دلیل دارا بودن ماهیت معدنی باعث بهبود خواص چندسازه­های پلیمری میشود [1]. پژوهشهای زیادی درباره کاربرد ذرات سیلیکا به شکل مخلوط با پلیمرهای مختلف انجام شده است [2-5]، ولی تعداد کمی از آنها مربوط به کامپوزیتهای چوب پلاست میشود. پژوهشگران دریافتند، ذرات سیلیکا میتواند مقدار استحکام، سختی، مدول، بلورینگی، گرانروی، مقاومت در برابر خزش و چسبندگی درون ساختاری را در پلی­اتیلن، پلی پروپیلن و الاستومرهای گرمانرم با توجه به خواص سطحی ذرات نانو سیلیس بهبود بخشد [6 و 7].

آنالیز حرارتی (TA)[1] عبارت است از کلیه تکنیک‌هایی که به کمک آن‌ها خاصیتی از یک ماده و یا محصولات حاصل از واکنش، مادامی‌که تحت یک برنامه حرارت­دهی کنترل شده‌ای قرار می‌گیرد، به­صورت تابعی از درجه حرارت اندازه‌گیری می‌شود. یا به عبارت دیگر روش‌های آنالیز حرارتی اشاره به گروهی از روش‌هایی دارد که به کمک آن‌ها برخی خواص فیزیکی یک نمونه به­صورت مداوم، به­صورت تابعی از درجه حرارت اندازه‌گیری می‌شود، البته هنگامی‌که در معرض یک تغییر دمای کنترل‌شده‌ای قرار گیرد. به­عنوان مثال می‌توان به تعیین نقطه ذوب یک جسم جامد اشاره کرد.

هدف اين پژوهش بررسی تاثیر میزان نانو سیلیس بر خواص حرارتی نانوچندسازه ساخته شده از آرد چوب و پلی­اتیلن ضایعاتی­ می­باشد.

2– مواد و روش‌ها چوب پلاست

پلي‌اتيلن سنگين از شركت بازرگاني پتروشيمي اراك با كد 52518 و شاخص جريان مذاب g/10min 18 و دانسیته 959/0 گرم بر سانتی­متر مکعب توسط دستگاه اكسترودر از نوع دو مارپيچه، تحت دمای 180 درجه‌سانتی‌گراد و سرعت 100 دور در دقیقه، دو بار ذوب‌شده و سپس به‌صورت دانه‌هاي گرانول در آمد. آرد چوب راش پس از انتقال به آزمايشگاه، براي يكنواختي اندازه ذرات و رسيدن به‌اندازه‌ مورد نظر با دستگاه الك ارتعاشي (shaker) كار طبقه‌بندي انجام شد. آرد عبور کرده از مش 60 و باقيمانده روي مش 80 در نظر گرفته شد. سپس نمونه‌ها به مدت 24 ساعت در آون و در دماي °C 3±100 خشک شدند. از انیدرید مالئیک پیوندشده با پلی‌اتیلن به مقدار 3 درصد استفاده شد. علاوه بر این، پودر نانو سیلیس (NanoSiO2) در سه سطح 0، 4 و 8 درصد توليد شده توسط شركت Degussa كشور آلمان مورد استفاده قرار گرفت.

به‌منظور فرایند اختلاط از دستگاه اکسترودر دو مارپیچه همسوگرد استفاده شد. ابتدا مواد مصرفی به‌خوبی با هم مخلوط و سپس به دستگاه اکسترودر وارد شد. مخلوط خروجی از اکسترودر توسط دستگاه خردکن به گرانول تبدیل شدند. جهت ساخت نمونه‌های آزمایشی از قالبگیری تزریقی در دمای 170 درجه سانتی­گراد استفاده شد.

3- نتایج و بحث خواص حرارتی چوب پلاست

از تجزیه گرماسنجی وزنی به عنوان ابزاری مناسب برای تعیین پایداری چندسازه چوب پلاست در شرایط دمایی و بررسی روند تجزیه ناشی از حرارت استفاده می­شود.

تاثیر درصد نانوسیلیس بر کاهش وزن چندسازه چوب پلاست پلی­اتیلن ضایعاتی/آرد چوب در سطح 50 درصد در طول زمان گرمادهی (از دمای 25 تا 700 درجه سانتیگراد) در جدول 1 نشان داده شده است. این جدول دمای تخریب در درصدهای مختلف کاهش وزن و وزن باقیمانده در دمای 600 درجه سانتی­گراد برای نانو چندسازه چوب پلاست را نشان می­دهد. افزودن نانو سیلیس نیز تخریب مرحله اول را سرعت می­بخشد و زغال باقیمانده بیشتری تولید می­کند.

جدول 1. دما در درصدهای مختلف کاهش وزن نانوچندسازه­ نمونه­های حاوی نانوسیلیس و پلی­اتیلن بازیافتی

ثبات حرارتی چندسازه­­ها یکی از پارامترهای مهم برای فرایند و کاربردهای این دسته از مواد می باشد. تولید برخی از چندسازه ها نیازمند اختلاط الیاف و ماتریس در دمای بالا می باشد. بنابراین تخریب حرارتی مواد لیگنوسلولزی سبب ایجاد تاثیرات نامطلوب روی خواص چندسازه می­شود.

از تجزیه گرماسنجی وزنی به عنوان ابزاری مناسب برای تعیین پایداری چندسازه چوب پلاست در شرایط دمایی و بررسی روند تجزیه ناشی از حرارت استفاده می­شود.

جدول 4-7 دمای تخریب در درصدهای مختلف کاهش وزن و وزن باقیمانده در دمای 600 درجه سانتی­گراد برای نانو چندسازه چوب پلاست را نشان می­دهد.

همی­سلولز کمترین پایداری را در برابر گرما داشته و تجزیه آن از دمای 225 درجه سانتیگراد شروع می­شود. پس از همی­سلولز به ترتیب لیگنین و سلولز شروع به تجزیه شدن می­کنند [8]. تجزیه اولیه لیگنین زودتر از سلولز آغاز میشود (دمای شروع تجزیه لیگنین 250 درجه سانتی­گراد و برای سلولز حدود 275 درجه سانتی­گراد است) اما چون لیگنین مقاومت بیشتری در برابر گرما نشان می­دهد، سرعت تخریب آن کمتر از سلولز است (دمای حداکثر تخریب لیگنین 500 درجه سانتی­گراد و برای سلولز حدود 420 درجه سانتی­گراد است) [8]. این رفتار لیگنین ناشی از تخریب برخی پیوندهای نسبتاً ضعیف گروه­های آلکیلی متصل به حلقه­های آروماتیک لیگنین در دماهای پایین است. این در حالی است که پیوندهای قوی­تر موجود در حلقه­های آروماتیک آن در دماهای بالاتری تخریب شده که منجر به تبدیل آن به مقاوم ترین ترکیب چوب شده است [9].

از اطلاعات جدول 1 مشخص می­شود که 5 % کاهش وزن برای نمونه­های 0، 4 و 8 درصد نانوسیلیس در دمای ساخت 170 درجه سانتی­گراد به ترتیب در دمای 287، 288 و 289 درجه سانتی­گراد اتفاق می­افتد.

در نمونه حاوی 0% نانوسیلیس 90% کاهش وزن در دمای 550 درجه سانتی­گراد و نمونه دارای 8 درصد نانو سلولز در 668 درجه سانتی­گراد اتفاق می افتد.

نتایج  میزان  خاکستر باقیمانده (وزن باقیمانده) مربوط به آنالیز حرارتی در جدول 1 مشاهده می­شود. با افزایش درصد نانوسیلیس کاهش وزن نمونه در دمای بیشتری اتفاق می­افتد. همچنین با افزایش میزان نانوسیلیس در تیمارهای مختلف میزان خاکستر افزایش یافته است. میزان خاکستر باقیمانده در دمای 600 درجه سانتی­گراد در سه نمونه چندسازه چوب پلاست هنگام استفاده از 0، 4 و 8 درصد نانوسیلیس در دمای 170 درجه سانتی­گراد به ترتیب برابر است با 7/8، 9/8 و 5/10درصد می­باشد.

4- نتيجه ­گيري خواص حرارتی چوب پلاست

• با افزایش میزان نانوسیلیس میزان خاکستر باقیمانده و ثبات حرارتی نیز افزایش یافت.

مراجع

1. Xanthos, M. 2005. Functional fillers for plantics. Wiley, Weinheim.
2. Chung, S.C., Hahm, W.G., and Im, S.S. 2002. Poly ethylene terephthalate (PET) Nano composites filled with fumed silicas by melt compounding. Macromol. Res, 10(4): 221-229.
3. Zhang, X., Tian, X., Zheng, J., Yao, X., Liu, W., Cui, P., and Li, Y. 2008. Relationship between microstructure and tensile properties of PET/Silica Nano composite fibers. Journal of Macromolecular Science, 47(2): 368–377.
4. Zhang, M.Q., Rong, M.Z., Zhang, H.B., and Rich, K.F. 2003. Mechanical properties of low Nano- silica filled high density polyethylene composites. Polymer Engineering & Science, 43(2): 490-500.
5. Xu, X., Li, B., Lu, H., Zhang, Z., and Wang, H. 2008. The effect of the interface structure of different surface-modified Nano-SiO2 on the mechanical properties of nylon 66 composites. Journal of Applied Polymer Science, 107(3): 2007–2014.

[1] Thermal Analysis