بررسی گرماسنجی وزنی، نانوچندسازه چوب پلاست ساخته شده از نانوسیلیس
محصول چوب پلاست ” WPC” از جمله مواد مهندسی و ساختمانی جدید هستند که در سالهای اخیر به طور جدی مورد توجه قرارگرفته اند هدف اين پژوهش بررسی گرماسنجی وزنی نانوچندسازه چوب پلاست ساخته شده از نانوسیلیس، آرد چوب صنوبر و پلیاتیلن است. براي اين منظور آرد چوب صنوبر (در سطح ثابت 50 درصد)، پلیاتیلن، سازگارکننده (در سطح ثابت 3 درصد) و نانوسیلیس در 4 سطح مختلف (0، 1، 2 و 3 درصد)، بهوسیله اكسترودر مخلوط و نمونههای آزمونی بوسیله پرس دستی ساخته شدند. سپس گرماسنجی وزنی بررسی شد. نتایج نشان داد با افزایش نانو سیلیس تا 3 درصد وزنی اگرچه اختلاف معنیداری بین دمای تخریب وجود نداشت ولی نانو سیلیس ثبات حرارتی را افزایش داد و میزان زغال بیشتری نیز باقی ماند.
واژههاي کليدي: آرد چوب صنوبر، نانو سیلیس، گرماسنجی وزنی
مقدمه
اخیراً، علوم نانو و نانوتکنولوژی راهکارهای جدیدی را در زمینه کامپوزیتهای پلیمری ایجاد کرده است ( Tjong, 2006 ) . نانوتکنولوژی یک موضوع امید بخش برای بهبود ویژگیهای کامپوزیتهای پلیمری است. بنابراین نانوکامپوزیتها در واقع دستهای از مواد هستند که در آنها نانو ذرات معدنی با ساختار صفحهای یا کروی در بستر پلیمر پراکنده شدهاند (Soon et al., 2012). 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. (Xanthos, 2005). در واقع سیلیس میتواند خواص مکانیکی و حرارتی را در کامپوزیتها افزایش دهد، نانو کامپوزیتهای پلیمر نانو سیلیس در صنعت کاربردهای فراوانی دارد (Wu, et al., 2005). 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 (Zhang et al., 2003; Rong et al., 2004; Parvinzadeh et al., 2010; Guyard et al., 2006). Ismaeilimoghadam et al., 2015، به بررسی تاثیر ذرات سیلیس بر روی خواص نانوکامپوزیتهای پلی پروپیلن- آرد چوب پرداختند. نتایج ایشان نشان داد که با افزایش نانو ذرات سیلیس تا 3 درصد ویژگیهای مکانیکی افزایش یافت و سپس با افزایش نانو ذرات تا 5 درصد این ویژگیها کاهش یافت. نتایج ریخت شناسی حاصل از میکروسکوپ الکترونی پویشی حاکی از پراکنش مناسب نانو ذرات سیلیس در سطح 3 درصد بود اما در سطح 5 درصد تجمع ذرات سیلیسی به وجود آمد. هدف اين پژوهش بررسی گرماسنجی وزنی نانوچندسازه چوب پلاست ساخته شده از نانوسیلیس، آرد چوب صنوبر و پلیاتیلن است.
مواد و روشها در ساخت چوب پلاست
آرد چوب صنوبر از خاک اره حاصل از برش چوب صنوبر تهیه شد و براي يكنواختي اندازه ذرات، ذرات عبور کرده از مش 40 و باقيمانده روي الك با مش 60 بهعنوان تقویتکننده در نظر گرفته شد. سپس بهمدت 24 ساعت در دماي °C 3±100 خشک شدند تا خشک شود. پلیاتیلن با دانسیته g/cm3 956/0 و شاخص جریان مذاب min 10/g 20 از شرکت پتروشیمی اراک با نام تجاری HD5620EA تهیه شد. مالئيك انيدريد پيوند شده با پلياتیلن با دانسیته g/cm3 965/0 و شاخص جریان مذاب min 10/g 7 و مقدار انیدرید پیوند خورده 1% بهعنوان عامل سازگار کننده مورد استفاده قرار گرفت. همچنین پودر نانو سیلیس (NanoSiO2) توليد شده توسط شركت Degussa كشور آلمان مورد استفاده قرار گرفت.
مواد به کار رفته در دستگاه اکسترودر (کولین)، از نوع دو مارپیچه همسوگرد، مخلوط شدند. مناطق حرارتی اکسترودر بهترتیب 165، 170، 175، 180 و 185 درجه سانتیگراد برای نواحی 1 تا 5 اختصاص یافت. سرعت دورانی مارپیچ در حد 60 دور در دقیقه تنظیم شد. مواد مخلوط شده مذاب پس از خروج از دستگاه اکسترودر در دستگاه گرانول ساز Wieser مدل WG-Ls 200 به گرانول تبدیل شدند. بهمنظور جلوگیری از هر گونه اثر منفی رطوبت، ذرات گرانول به کمک دستگاه خشککن در دمای 65 درجه سلسیوس تا 3 درصد خشک شدند. ذرات گرانول بهدست آمده برای ساخت نمونههای آزمون گرماسنجی وزنی از دستگاه پرس ساخت کشور ژاپن (mini test press) استفاده شد. نمونهها در دمای 200 درجه به مدت 4 دقیقه و فشار 25 (مگا پاسکال) ساخته شدند. سپس تختهها تا دمای c° 80 خنک شدند در حین خنک شدن، فشار پرس همچنان ادامه داشت.
گرماسنجی وزنی در ساخت چوب پلاست
اندازهگیری TGA با استفاده از آنالیزگر حرارتی برای 7 میلیگرم از نمونه آزمونی در دامنه دمایی 25 تا 700 درجه سلسیوس با نرخ گرمایی سرعت MIN / C° 15 انجام شد.
نتایج و بحث
گرماسنجی وزنی
نتایج میزان خاکستر باقیمانده مربوط به گرماسنجی وزنی در جدول 1 مشاهده میشود. با افزایش میزان نانوسیلیس میزان خاکستر باقیمانده افزایش یافت.
جدول 1 دما در درصدهای مختلف کاهش وزن نانوچندسازه های چوب پلاست در سطح 50 درصد آرد چوب و درصدهای مختلف نانوسیلیس
وزن باقیمانده در دمای 600 درجه سانتیگراد | 90% | 80% | 60% | 40% | 20% | 10% | 5% | کاهش وزن
نانوسیلیس (درصد) |
|
27/6 | 502 | 494 | 486 | 462 | 358 | 330 | 291 | 0 | |
21/7 | 506 | 496 | 488 | 465 | 367 | 329 | 293 | 1 | |
41/8 | 509 | 498 | 490 | 470 | 376 | 333 | 298 | 2 | |
05/9 | 515 | 500 | 493 | 481 | 403 | 336 | 300 | 3 |
از تجزیه وزنسنجی گرمایی به عنوان ابزاری مناسب برای تعیین پایداری چندسازه چوب پلاست در شرایط دمایی و بررسی روند تجزیه ناشی از حرارت استفاده میشود. جدول 1 دمای تخریب در درصدهای مختلف کاهش وزن و وزن باقیمانده در دمای 600 درجه سانتیگراد برای نانو چندسازه چوب پلاست را نشان میدهد. از اطلاعات جدول 1 مشخص میشود که 5 % کاهش وزن برای نمونه های فاقد سیلیس در 291 و برای نمونه های حاوی 3 درصد سیلیس در دمای 300 درجه سانتیگراد اتفاق میافتد. زمانیکه دمای حرارت دهی به 330 درجه سانتیگراد میرسد در نمونه حاوی 0 درصد نانوسیلیس با 10% کاهش وزن رو به رو هستیم، در نمونه حاوی 3 درصد نانوسیلیس این مقدار کاهش وزن در 336 درجه سانتیگراد روی میدهد. در نمونه حاوی 0% نانوسیلیس 90% کاهش وزن در دمای 502 درجه سانتیگراد و نمونه دارای 3 درصد نانوسیلیس در 515 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 چهار نمونه چندسازه چوب پلاست هنگام استفاده از 0 تا 3 درصد نانوسیلیس به ترتیب برابر است با 27/6، 21/7، 41/8 و 05/9 درصد میباشد. افزودن نانوسیلیس نیز تخریب مرحله اول را سرعت میبخشد و زغال باقیمانده بیشتری تولید میکند. دمای تجزیه مرحله دوم به دمای بالاتر انتقال مییابد، در حقیقت نانو سیلیس ثبات حرارتی را افزایش داده است. 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 (Rowell, 2005). 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) (Yang et al., 2005). 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 (Koztowski, R., and Wtadyka-Przybylak 2008). دکا و ماجی[1] (2013) مشاهده کردند که ثبات حرارتی ترکیب پلیمری پس از افزودن سازگارکننده و آرد چوب افزایش مییابد. مقدار دمای تخریب اولیه هم پس از افزودن نانوذرات سیلیس و رس افزایش یافت. ضریب انتشار حرارتی[2] بالاتر نانوذرات سیلیس سبب بهبود پراکندگی حرارت در کامپوزیت چوب پلاست میشود و همین امر سوختن سطح و انتشار ذرات فرار قابل احتراقی که در سرتاسر کامپوزیت تولید شده است را به تاخیر می اندازد. افزودن سیلیکات هم پایداری حرارتی PMMA را افزایش داد.
نتیجه گیری
این پژوهش به بررسی گرماسنجی وزنی نانوچندسازه چوب پلاست ساخته شده از نانوسیلیس، آرد چوب صنوبر و پلیاتیلن پرداخت و نتایج نشان داد با افزایش نانو سیلیس تا 3 درصد ثبات حرارتی افزایش مییابد و میزان زغال بیشتری نیز باقی میماند.
منابع
- Deka, B. K., & Maji, T. K. (2013). Effect of SiO 2 and nanoclay on the properties of wood polymer nanocomposite. Polymer Bulletin, 70(2), 403-417.
- Guyard, A., Persello, J., Boisvert, J.P., and Cabane, B. 2006. Relationship between the polymer/silica interaction and properties of silica composite materials. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 44(7): 1134–1146.
- Ismaeilimoghadam, S. 2014. Effect of Chemical Modification of Wood Flour on the Properties of Polypropylene- Nano SiO2 Hybrid Nano Composite. Master thesis Wood and Paper Science and Technology, Zabol University, pp 201.
- Koztowski, R., and Wtadyka-Przybylak, M. 2008. Flamability and fire resistance of composites reinforced by natural fibers. Polymer Advanced Technology, 19: 446-453.
- Parvinzadeh, M., Moradian, S., Rashidi, A., and Yazdanshenas, M.E. 2010. Surface characterization of polyethylene terephthalate/silica Nano composites. Applied Surface Science, 256(9): 2792-2802.
- Rong, M.Z., Zhang, M.Q., Pan, S.L., Lehmann, B., and Friedrich, K. 2004. Analysis of the interfacial interactions in polypropylene/silica Nano composites. Polymer International, 53(2): 176–183.
- Rowell, R.M. 2005. Hanbook of Wood Chemistry and Wood Composite. CRC Press; 2nd edition, 703p.
- Soon, K., Harkin‐Jones, E., Rajeev, R. S., Menary, G., Martin, P. J., & Armstrong, C. G. (2012). Morphology, barrier, and mechanical properties of biaxially deformed poly (ethylene terephthalate)‐mica nanocomposites. Polymer Engineering & Science, 52(3), 532-548.
- Tjong, S.C. 2006. Structural and mechanical properties of polymer Nano composites. Materials Science and Engineering: R: Reports, 53(3-4): 73–197.
- Wu C, Xu T., and Yang, W., 2005. Synthesis and characterizations of novel, positively charged poly (methyl acrylate)–SiO2 Nano composites. Eur Polym J (41):1901–1908.
- Xanthos, M. 2005. Functional fillers for plantics. Wiley, Weinheim.
- Yang, H.S., Wolcott, M.P., Kim, H.S., and Kim, H.J. 2005. Thermal properties of lignocellulosic filler-thermoplastic polymer bio-composite. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 82: 157–160.
- 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.
[1] Deka and Maji
[2] Diffusivity
بدون دیدگاه