بررسی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت چوب پلاست

خواص چوب پلاست در قیاس با دیگر متریال های چوبی بسیار بیشتر است. کامپوزیت چوب پلاست که به اختصار WPC نامیده می‌شود از ترکیب دو فاز طبیعی (چوب ودیگرمواد لیگنوسلولوزی) مصنوعی (پلیمر)تشکیل شده و ویژگیهای هر دو ماده اصلی تشکیل دهنده‌اش را داراست. امروزه با ورود فناوری نانو در علم مواد، پلیمرهای تقویت شده با پرکننده‌های نانو مورد توجه جوامع علمی قرار گرفته و از نظر علمی موضوع جدیدی درپژوهش ها در مقیاس واسط مطالعات در مقیاس‌های میکرو گشوده است، از دیدگاه صنعتی آنچه باعث جلب توجه بسیاری از صنایع به این موضوع شده، بهبود چشمگیر خواص کامپوزیت‌هامی‌باشد.

در بین انواع تقویت کننده‌هایی که جهت ساخت نانو کامپوزیت‌های پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرند و موجب بهبود خواص چوب پلاست می شود، خاک رس یا سیلیکات‌هایلایه‌ای بدلیل خواص بی نظیر خود بسیار مورد توجه قرار گرفته است. خاک رس به عنوان یک ماده معدنی طبیعی دارای ساختار لایه‌ای با نسبت هندسی بالا، سطح ویژه بزرگ و خاصیت تعویض یونی می‌باشد. با افزودن میزان بسیار کمی از سیلیکات‌هایلایه‌ایمی‌توان خواص متفاوت پلیمرها، مانند استحکام و مدول یانگ، پایداری حرارتی و نفوذ پذیری گاز را بدون قربانی کردن دیگر خواص مانند خواص نوری، ارتقا بخشد. نانو کامپوزیت‌های پلیمر – خاک رس به عنوان اولین نانو کامپوزیت‌های صنعتی تولیدی، در دهه 1980 میلادی توسط شرکت تویوتا مورد توجه قرار گرفتند و این آغازی بر تولید انواع نانو کامپوزیت‌های پلیمری با خواص ویژه بود. بدلیل تمایل سیلیکات‌هایلایه‌ای به توده‌ای شدن و ماهیت آب دوستی انواع مختلف آن‌ها، معمولاً جهت توزیع مناسب خاک رس در زمینه‌ای پلیمری باید یک مرحله اصلاح سطحی بر روی آن‌ها انجام پذیرد. جهت تولید انواع نانو کامپوزیت‌های کاربردی؛ می‌توان از روش‌هایی مانند آسیاکاری، الگو درجا، درهم رفتگی پلیمر از حلال، پلیمریزاسیون درهم رفتگی درجا و درهم رفتگی ذوبی بهره گرفت.

معدنی پور (1393) در ساخت چوب پلاست از ضایعات چوبی به عنوان تقویت کننده و پلی اتیلن به صورت گرانول به عنوان ماده زمینه و از اندریک مالییک پروپیلن به عنوان سازگارکننده استفاده گردید، نتایج نشان داد که هیچ کدام از دو فاکتور درصد اختلاط ضایعات چوب ودرصد اختلاط MAPP چه به طور مستقل و چه به طور متقابل، اثر معنی داری بر ویزگیهای مکانیکی (کشش، خمش؛ ضربه) نداشتند و نتایج آزمونهای فیزیکی نیز نشان دادند که کمترین جذب آب بعد از 2 و 24 ساعت در اختلاط 40 درصد ضایعات چوبی با 2 درصد MAPPمی‌باشد.

مواد و روش ها جهت بررسی خواص چوب پلاست :

سبوس برنج در ساخت چوب پلاست

ماده سلولزی مورد استفاده در تحقیق حاضرسبوس برنج می‌باشد که از شهر لاهیجان در استان گیلان جمع آوری و مورد استفاده قرار گرفت.

. میزان سبوس برنج در این تحقیق 40، 50 و 60 درصد وزنی مورد استفاده قرار خواهد گرفت و در ضمن از سبوس برنج با ابعاد 40 مش استفاده خواهد شد.

ماتریس در ساخت چوب پلاست

ماتریس پلیمری مورد استفاده در این تحقیق پلی اتیلن دانسیته سنگین (HDPE) می‌باشد.

مواد افزودنی در ساخت چوب پلاست

در این تحقیق از گروه‌های انیدرید (مالئیک انیدرید) به عنوان سازگار کننده و جفت کننده در یک سطح 3 درصد استفاده گردید. ماده مذکور محصول شرکت کرانگی و مشخصات آن به شرح جدول زیر می‌باشد.

نانو رس در ساخت چوب پلاست

برای حصول مقاومت‌های بهتر، از نانو رس به عنوان تقویت کننده استفاده گردید.

دستگاه اکسترودر در ساخت چوب پلاست

به منظور ترکیب مواد مختلف از دستگاه اکسترودر دو ماردونه غیر همسوگرد کولین ساخت کشور آلمان واقع در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران استفاده شد.

دستگاه خرد کن نیمه صنعتیWIESER در ساخت چوب پلاست

به منظور خرد کردن مواد خنک شده خروجی از دستگاه اکسترودر و تبدیل آن به گرانول، از دستگاه خرد کن نیمه صنعتی WIESER مدل WG-Ls 200/200 ساخت 1989 کشور المان واقع در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران استفاده شد.

دستگاه قالبگیری تزریقی (RIM) در ساخت چوب پلاست

به منظور ساخت نمونه‌های آزمونی استاندارد از دستگاه قالبگیری تزریقی (RIM)نیمه صنعتی ساخت شرکت ایمن ماشین 1376 موجود در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران استفاه گردید.

فرایند اختلاط در ساخت چوب پلاست:

مواد مورد استفاده در ساخت این چوب پلاست ابتدا مطابق با مقادیر تعیین شده در جدول 1 توزین شده و در کیسه‌های جداگانه‌ای قرار داده شدند. فرایند اختلاط مواد با دستگاه اکسترودر دوماردونه غیرهمسو گرد کولین با ضریب کشیدگی ، در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران با دماهای اختلاط 150-155-160-165-165 و با سرعت 70 دور در دقیقه انجام شد که پس از اختلاط مواد، چند سازه‌های بی‌شکل تولید شدند. این چندسازه‌های بی شکل پس از سرد شدن دوباره آسیاب شده وبرای حصول اطمینان از خشک بودن نمونه‌ها به مدت 4 ساعت با دمای 80 درجه داخل دستگاه اتوکلاو قرار گرفتند سپس در دستگاه قالبگیری تزریقی با محدوده دمایی150 تا 165 درجه سانتی‌گراد و با فشار 99 bar پرس شدند. بعد از خروج از پرس و سرد شدن فرآورده‌های حاصل از قالب خارج شده و سپس متناسب با نوع آزمون‌های فیزیکی و مکانیکی مربوطه برش خوردند. ویژگی‌های مکانیکی وفیزیکیفرآورده‌های حاصل شامل آزمون‌های خمش، کشش، ضربه ومقاومت به جذب آب بعد از 2 و 24 ساعت به ترتیب مطابق استانداردهای موجود در آئین نامه (ASTM) مورد ارزیابی قرار گرفت.

آزمون‌های خواص مکانیکی نمونه های چوب پلاست

پس از سپری شدن زمان مشروط سازی، نمونه‌ها به محل انجام تست مکانیکی برده شدند و تست‌های مکانیکی خمش ـ کشش  بر روی نمونه‌های ساخته شده انجام شد .

تجزیه و تحلیل خصوصیات مکانیکی نمونه های چوب پلاست

اثر متقابل درصد سبوس برنج ونانو رس بر مقاومت خمشی نمونه های چوب پلاست

تجزیه واریانس مقاومت خمشی بین سطوح مختلف اثر متقابل نانو رس × سبوس برنج را نشان می‌دهد. مقادیر میانگین مقاومت خمشی در سطوح مختلف اثر متقابل نانو رس × سبوس برنج را نشان می‌دهد.

جدول 1-  تجزیه واریانس اثرات متقابل سبوس برنج و نانو رس بر مقاومت خمشی نمونه های چوب پلاست

منبع تغییرات	مجموع مربعات	درجه آزادی	میانگین مربعات	F	Sig.
نانو رس	1270.762	2	635.381	56.871	.000
درصد سبوس برنج	33.172	2	16.586	1.485	.633
نانو رس* سبوس برنج	164.325	4	41.081	3.677	.036
اشتباه آزمایشی	201.101	18	11.172
کل	60457.227	27

شکل 1. نمودار اثرات متقابل نانو رس و سبوس برنج برای مقاومت خمشی نمونه های چوب پلاست

اثر متقابل درصد سبوس برنج و نانو رس بر مقاومت کششی نمونه های چوب پلاست

تجزیه واریانس مفاومت کششی بین سطوح مختلف اثر متقابل نانو رس × سبوس برنج را نشان می‌دهد. مقادیر میانگین مقاومت کششیدر سطوح مختلف اثر متقابل نانو رس × سبوس برنج را نشان می‌دهد.

جدول 2- تجزیه واریانس اثرات متقابل سبوس برنج و نانو رس بر مقاومت کششی نمونه های چوب پلاست

منبع تغییرات	مجموع مربعات	درجه آزادی	میانگین مربعات	F	Sig.
نانو رس	1022.615	2	511.308	119.191	.000
درصد سبوس برنج	22.039	2	11.020	2.569	.105
نانو رس* سبوس برنج	84.894	4	21.223	4.947	.008
اشتباه آزمایشی	77.217	18	4.290
کل	30394.999	27

نتیجه گیری بررسی خواص چوب پلاست :

اثر مستقل درصد سبوس برنج بر مقاومت خمشیدر سطوح 40، 50 و 60 درصد سبوس برنج مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که استفاده از 60 درصد سبوس برنج با 52.36 مگاپاسکال بهترین مقاومت خمشی را دارد.

اثر مستقل نانو رس بر مقاومت خمشی در سطوح 0، 4 و 8 درصد مورد بررسی قرار گرفت و نتایج طبق جدول 4-2 و شکل 4-2 نشان داد که استفاده از 8 درصد نانو رس با 56.46 مگاپاسکال بهترین مقاومت خمشی را دارد که معنی دار می‌باشد.

این نتایج با تحقیق بهزاد کرد (1389) که در آن با افزایش مقدار نانو رس مقاومت خمشی بهبود پیدا کرد، مطابقت دارد.

دلیل آن این است که نانو رس با پراکنش یکنواخت بین ماتریس و ماده لیگنوسلولوزی می‌تواند پیوند مناسب‌تری ایجاد نماید وفضا های خالی را پر کرده و مقاومت‌ها را افزایش دهد، این اتفاق در نتیجه آزمون میکروسکوپ الکترونی به وضوح قابل رویت می‌باشد.

اثر مستقل درصد سبوس برنج برمدول خمشی در سطوح 40، 50 و 60 درصد سبوس برنج مورد بررسی قرار گرفت و نتایج طبق جدول 4-4 و شکل 4-4 نشان داد که استفاده از 60 درصد سبوس برنج با 2512 مگاپاسکال بهترین مدول خمشی را دارد.

اثر مستقل نانو رس بر مدول خمشی در سطوح 0، 4 و 8 درصد مورد بررسی قرار گرفت و نتایج طبق جدول 4-5 و شکل 4-5 نشان داد که استفاده از 4 درصد نانو رس با 2524 مگاپاسکال بهترین مدول خمشی را دارد.

اثر مستقل درصد سبوس برنج بر مقاومت کششیدر سطوح 40، 50 و 60 درصد سبوس برنج مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که استفاده از 60 درصد سبوس برنج با 45.36 مگاپاسکال بهترین مقاومت کششی را دارد.

اثر مستقل نانو رس بر مقاومت کششی در سطوح 0، 4 و 8 درصد مورد بررسی قرار گرفت و نتایج طبق جدول 4-8 و شکل 4-8 نشان داد که استفاده از 8 درصد نانو رس با 33.45 مگاپاسکال بهترین مقاومت کششی را دارد که معنی دار می‌باشد.

همچنین اثر متقابل درصد سبوس برنج و نانو رس بر مقاومت کششی مورد بررسی قرار گرفت و نتایج طبق جدول 4-9 و شکل 4-9 استفاده از 60 درصد سبوس برنج و 8 درصد نانو رس بهترین نتایج را نشان می‌دهد

این نتایج نشان دهنده ان است که با افزایش مقدار سبوس برنج و نانو رس مقاومت کششی بهبودی یافته است.

این نتیجه با تحقیق تجویدی (1382) که با افزایش درصد الیاف مدول الاستیسیته، مقاومت کششی و خمشی افزایش می‌یابد، مطابق دارد. اما در بسیاری از تحقیقات حالت عکس این موضوع رخ داده و با افزایش میزان ماده لیکنوسلولوزی مقاومت کششی کاهش یافته، زیرا دردرصد ماده پلیمری بالا، پلیمر به عنوان یک پرکننده صلب عمل کرده و مقاومت کششی را افزایش می‌دهد.

دلیل این اختلاف می‌تواند به عوامل متعددی نظیر نوع تولید نمونه‌ها (اکسترودر)، اثر سایر عوامل مانند مقدار و نوع ماده سازگارکننده، مشخصات پلیمر مصرفی، درجه مش ماده سلولوزی و …. ارتباط داشته باشد. و در نهایت اینکه یکی از محدودیت‌های اصلی پلی اتیلن‌ها مقاومت کششی پایین آن می‌باشد.

اثر مستقل درصد سبوس برنج بر مدول کششیدر سطوح 40، 50 و 60 درصد سبوس برنج مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که استفاده از 60 درصد سبوس برنج با 3932 مگاپاسکال بهترین مدول کششی را دارد.

منابع:

1 – قطبی فر ، ع.ر، کاظمی نجفی ، س ، اشکیکی ، ر.ب، ارزیابی اثر میزان سازگار کننده بر جذب آب و واکشیدگی ضخامت بلند مدت مواد مرکب هیبریدی پلی پروپیلن ،آرد چوب و الیاف شیشه ، مجله صنایع چوب و کاغذ ایران 1: 67-77 ، 1389.

2 – بسیجی، ف ، صفدری ، و . ر ، جهان لتیباری ، ا ، نوربخش ، ا ، اثر طول الیاف بر روی ویژگی های مکانیکی چند سازه چوب پلاست(پلی پروپیلن) فصلنامه علمی – پژوهشی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران ، 25(2):187-200، 1389

3 – پیرایی ، س ، مدهوشی ، م ، ماستری فراهانی ، م.ر ، اثر نانو رس بر مقاومت خمشی چوب پلاست ساخته شده با صنوبر – پلی پروپیلن ، کنفرانس ملی تجاری سازی ، توسعه ملی و علوم مهندسی ، ساری ، 1392

5 – معدنی پور ، م ، مطالعه خواص مهندسی فرآورده چند سازه حاصل از آرد چوب راش و ضایعات MDF  با اتیلن سنگین به روش RIM ، رساله دکترا ، دانشگاه علوم تحقیقات . 1385

مصطفی معدنی پور*¹، سیدعبدالعظیم سیدتقوی ²

 گروه مهندسی صنایع چوب و کاغذ، عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی، واحد آستارا،ایران ( نویسنده مسئول)

mostafamadanipour@yahoo.com

دانشجوی دکتری، گروه مهندسی صنایع چوب و کاغذ، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد آستارا، ایران