تاثیر نانو سیلیس بر مقاومت به ضربه فاقدار و ریخت شناسی نانوچندسازه چوب پلاست

تلاش روز افزوني در سالهاي اخير براي تهيه چندسازه چوب پلاست هاي چوب پلاست از يك طرف به دليل هزينه پايين و مزاياي زيست محيطي آنها و از طرف ديگر، مشكلات زيست محيطي پلاستيكها آغاز شده است [1]. اخیراً استفاده از پلیمرهای ضایعاتی در ساخت چندسازه چوب پلاست ­های چوب پلاستیک به ­عنوان یکی از مناسب­ترین راهکارهای به‌ کارگیری مواد پلاستیکی بازیافتی، به­طور قابل ملاحظه­ ای مورد توجه محققان و صنایع قرار گرفته است. به­ طوری­که ساخت چندسازه چوب پلاست ­های از پلاستیک­های ضایعاتی به لحاظ اقتصادی و زیست­ محیطی حائز اهمیت می­باشند. چندسازه چوب پلاست چوب پلاستیک علاوه بر مصارف و مزایای فراوان، دارای معایبی نیز می­باشد که از جمله آن­ها می­توان به عدم سازگاری فاز طبیعی و فاز پلیمری اشاره کرد؛ بنابراین می­توان با استفاده از یک عامل شیمیایی تحت عنوان سازگارکننده، علاوه بر برقراری اتصال مؤثر بین دو فاز طبیعی و پلیمری، سطوح مشترک بین این دو فاز را نیز افزایش داد. عامل جفت کننده یا سازگارکننده با ایجاد پیوندهای شیمیایی بین الیاف و ماده زمینه همانند پلی موجب تقویت اتصال در سطح مشترک بین دو فاز و در نتیجه بهبود ویژگی­ های ماده مرکب مذکور می­گردد [2]. هدف اين پژوهش بررسی تاثیر میزان نانو سیلیس بر مقاومت به ضربه فاقدار و ریخت شناسی نانو چندسازه چوب پلاست ساخته شده از آرد چوب و پلی اتیلن ضایعاتی­ می­باشد.

مواد و روش‌ها در ساخت چوب پلاست

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 (NanoSiO2) در سه سطح 0، 4 و 8 درصد توليد شده توسط شركت Degussa كشور آلمان مورد استفاده قرار گرفت. مشخصات نانو سیلیس مورد استفاده در جدول 1 آورده شده است.

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 190 درجه سانتی­گراد استفاده شد. در نهایت نمونه‌های مقاومت به ضربه فاقدار مطابق استاندارد ASTM D256 مورد آزمون قرار گرفتند. تجزیه و تحلیل داده‌ها در قالب طرح کاملا تصادفی انجام شد و در نهایت مقایسه و گروه‌بندی به کمک آزمون دانکن در سطح اطمینان 95 درصد انجام گرفت.  برای محاسبات آماری نرم‌افزار SPSS استفاده شد.

جدول 1_مشخصات نانو سیلیس

نتایج و بحث در ساخت چوب پلاست

تجزيه واريانس اثر نانو سیلیس بر مقاومت به ضربه فاقدار نانوچندسازه چوب پلاست معني­دار است، شکل 1 اثر نانو سیلیس بر مقاومت به ضربه فاقدار نانوچند سازه را نشان می‌دهد. حداقل مقاومت خمشي مربوط به تيمار 8 درصد نانو برابر (49/0 ژول) و حداکثر آن مربوط به تيمار 0 درصد نانو سیلیس برابر (7/0 ژول) است. کاهش ويژگي فوق با توجه به افزایش نانوسیلیس حدود 43 درصد است.

با افزایش مقدار نانوسیلیس تا 8 درصد وزنی مقاومت به ضربه فاق­دار چندسازه چوب پلاست چوب پلاستیک کاهش می‌یابد. وجود پرکننده­های سخت عموما باعث کاهش استحکام ضربه می­شود. در پلیمرهای سخت و شکننده، ترک به راحتی رشد می­کند، به نحوی که ذرات به عنوان شروع کننده ترک عمل کرده و مقاومت به ضربه را کاهش می­دهند. کاهش مقاومت به ضربه در اثر اضافه شدن نانوسیلیس قابل پیش بینی بود، زیرا حضور نانوسیلیس سبب تردتر شدن چندسازه چوب پلاست­ها و کاهش مقاومت به ضربه آن‌ها می­شود. وجود مواد نانو در ماتریس پلیمری سبب کاهش قابلیت تحرک زنجیرها و امکان اتلاف انرژی آن‌ها، افزایش انرژی جذب‌شده توسط چندسازه چوب پلاست و ایجاد نقاط پرتنش می‌شود. این نقاط می‌تواند محل‌هایی برای شروع شکست و ترک باشند [3]. در اکثر حالات مقاومت ضربه با پدیده خارج شدن پلیمر از روی سطح پرکننده و ترک خوردگی ریز مشخص می­شود. پلیمرهای سفت و انعطاف­پذیر را می­توان با اضافه نمودن ذرات سخت که پلیمر از روی آنها خارج شده است، به صورت چقرمه درآورد. در اینجا انرژی ترک خوردگی ریز افزایش یافته، و در کسر حجمی زیادی از نمونه اتفاق می­افتد. پس انرژی بیشتری هدر رفته و چقرمگی افزایش می­یابد [4].

با بیشتر شدن میزان مواد نانو استحکام به ضربه با کاهش رو به روست [5]. علت این رویداد را نیز می­توان به کلوخه شدن مواد نانو مرتبط دانست که منجر به ایجاد تمرکز و تنش­های متعددی را به ماده زمینه اعمال می­کند. در واقع این اتفاق منجر به توسعه ترک­های زیاد و کاهش استحکام ضربه­ای می­شود. با توجه به مطالب فوق، اضافه کردن درصدهای بالایی از نانوسیلیس امکان جذب انرژی وارده به ماتریس را نداده که این امر منجر به ترد شدن نمونه­هایی با درصدهای بیشتری از نانوگرافن می­شود [6].

در حقیقت تنش­های وارده در فصل مشترک میان نانوسیلیس با ماده زمینه­ای منجر به جدایی فاز تقویت کننده از فاز زمینه می­شود. این رویداد سبب شکل­گیری حفراتی شده که خود منجر به ایجاد ترک­های متعددی خواهند شد [6].

به‌منظور ارزیابی نانو سیلیس در زمینه پلیمری از پراش اشعه ایکس استفاده شد. به کمک پراش اشعه ایکس می‌توان شدت کریستالی نانو سیلیس را اندازه‌گیری کرد. در نانو کامپوزیت­های حاوی درصدهای متفاوت نانو سیلیس، با افزایش درصد نانو سیلیس از 0 به 8 درصد، شدت کریستالی بودن کاسته شد (شکل 2). همچنین مشخص شد که درجه شدت سایر قله­های کریستالی نیز کاهش یافته است. کاهش در شدت قله­های کریستالی به بهبود بخش آمورف در مواد مرکب ناشی از افزودن نانو ذرات سیلیس آمورف و آرد چوب نسبت داده شد. همان‌طور که در شکل 2 مشاهده شد پهنا و شدت پیک با افزایش مصرف نانو سیلیس کاهش می­یابد، و این موضوع نشان‌دهنده این است که در هنگام استفاده از درصدهای بالاتر نانو ذرات، پدیده کلوخینگی ذرات سیلیس را در پی خواهد داشت. دلیل این امر را می­توان به تشکیل پیوندهای هیدروژنی ذرات سیلیس، در اثر افزایش فاصله بین لایه­ها و نزدیک شدن آن‌ها مرتبط دانست. Deka and Maji (2012) به بررسی اثر نانو سیلیس به خواص آرد چوب و کامپوزیت پلیمر پرداختند، نتایج ایشان نشان داد با افزایش مقدار سیلیس شدت پیک کاهش یافت. این نشان داد که ذرات نانو سیلیکا به چوب پلاستیک تزریق شده است [7].

4- نتيجه ­گيري

1. مقاومت به‌ضربه فاق­دار چوب پلاست، با افزایش نانو سیلیس کاهش می‌یابد.

2. با افزایش مقدار نانوسیلیس شدت پیک کاهش یافت.

مراجع

1. Arvanitoyannis, I.S. and Kassaveti, A. (2007). Current and potential uses of thermally treated olive oil waste. Int J Food Sci Technol 42, 852–867.
2. Lu, J.Z., Wu, Q. and Mc Nabb, H. S., 2000. Chemical coupling in wood fiber and polymer composites: A review of coupling agents and treatments, Wood and fiber science, 23(1): 88-104.
3. Han, G., Y. Lei, Q. Wu, Y. Kojima, and S. Suzuki, 2008. Bamboo-fiber filled high density polyethylene composites; effect of coupling treatmement nanoclay. Journal of Polymer Environment, 21, 1567-1582.

4. قاسمي ا.، ح. عزيزي، پ. احساني‌نمين، 1387. بررسي اثر اندازه ذره چوب بر خواص فيزيكي – مكانيكي و رفتار رئولوژيكي كامپوزيت پلي‌پروپيلن – چوب. مجله علوم و تكنولوژي پليمر. سال بيست و يكم. شماره 1. صفحه 52-45.
5. Martin-Gallego, M., Verdejo, R., Lopez-Manchado, M. A., & Sangermano, M. (2011). Epoxy-graphene UV-cured nanocomposites. Polymer, 52(21), 4664-4669.
6. Rafiee, M. A., Rafiee, J., Wang, Z., Song, H., Yu, Z. Z., & Koratkar, N. (2009). Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS nano, 3(12), 3884-3890.
7. Deka, B, K., and Maji, T, K., 2012. Effect of SiO2 and Nano clay on the properties of wood polymer Nano composite. Polymer. Bull. (10): 60-75.