تأثیر نانو گرافن بر جذب آب و مقاومت به ضربه فاقدار چندسازه چوب پلاست

مقاومت به ضربه چوب پلاست با توجه به مصرف آن در بلند مدت بسیار مهم می باشد. روزانه مقدار قابل‌ توجهی از زباله­ های پلاستیکی به محیط‌ زیست وارد می­شوند که بازیافت آنها دارای اهمیت قابل ملاحظه اقتصادی و زیست محیطی است. به‌طورکلی پلي­ اتيلن، پلی‌ پروپیلن، پلی‌اتیلن ترفتالات، پلي استايرن و پلي وينيل کلرايد اجزاء اصلي پلاستيک ها را در ضايعات جامد شهري تشکیل می­دهند [1].

امروزه استفاده از فناوري نانو براي تقويت چند‌سازه ­ها مورد توجه قرار گرفته است. از بین انواع نانو ذراتی که در ساخت چندسازه‌های چوب پلاست استفاده می‌شوند، در سال های اخیر گرافن به دلیل دارا بودن خواص استثنایی مکانیکی، حراتی، نوری و الکتریکی مورد توجه جدی قرار گرفته است [2].

Sheshmani و همکاران (2013)، آن‌ها با استفاده از آرد چوب صنوبر و ماده پلیمری PP به همراه صفحات نانویی گرافن به ساخت چند سازه های چوب پلاست پرداختند که جهت افزایش اتصال و چسبندگی میان ذرات از MAPP بهره برده بودند.نتایج آزمایش آن‌ها نشان داد زمانیکه از گرافن به میزان 8/0 وزنی استفاده گردید خصوصیات پیچشی و کششی به حداکثر میزان خود رسیدند در حالیکه در هنگام استفاده از مقادیر 3-5 در صد وزنی به دلیل کلوخه شدن و عدم انتقال مناسب تنش، خصوصیات فیزیکی و مکانیکی چند سازه ها به حداقل خود رسید. علاوه بر این افزودن این مقدار از گرافن سبب کاهش جذب آب و واکشیدگی ضخامت به ترتیب به میزان 35% و 30% گردید [3].

Chaharmahali و همکاران (2013) به بررسی تاثیر استفاده از نانو ذرات گرافن بر خواص فیزیکی و مکانیکی چندسازه های چوب پلاست ساخته شده از PP و الیاف باگاس پرداختند و دریافتند که بیشترین مقدار مقاومت کششی و خمشی در نمونه های ساخته شده با مقدار 1/0% گرافن به دست آمده و افزایش درصد الیاف از 15 به 30 درصد سبب افزایش خواص خمشی و کششی شده اما مقاومت به ضربه کاهش یافته است.علاوه بر آن در سطح 15 درصد الیاف افزودن گرافن سبب بهبود دوام در برابر تخریب گرمایی چند سازه ها شده اما در سطح 30 درصد نتایج عکس به دست آمد [4].

این تحقیق، با هدف بررسی تأثیر مقدار نانو گرافن بر جذب آب، مقاومت به ضربه فاقدار و ریخت‌شناسی چند سازه چوب پلاست انجام شد.

مواد و روش­ها در ساخت چوب پلاست

در این تحقیق از پلی­اتیلن سنگین (HDPE) محصول پتروشيمي شازند اراک با نام تجاری HD5218 با شاخص جریان مذاب gr/10min 18 و چگالی gr/cm³ 956/0 به عنوان ماتریس پلیمری استفاده شد. به‌منظور بازیافت پلاستیک‌، پليمر تحت تأثير سه مرحله تخريب ترمومکانيکي با استفاده از اکسترودر دو مارپيچ همسوگرد Brabender قرار گرفت. بعد از هر بار اکسترود کردن، مواد خروجی به‌وسیله خردکن به گرانول تبدیل شدند. شاخص جريان مذاب پلی‌اتیلن سنگین بازیافتی بر اساس استاندارد ASTM D 1238-98 توسط دستگاه Gottfert/MI-4 ساخت کشور آلمان اندازه‌گیری شد.

همچنین از آرد چوب صنوبر عبور کرده از الک با اندازه چشمه 50 مش و باقیمانده بر روی الک با اندازه چشمه 70 مش به عنوان ماده پرکننده استفاده شد. آرد چوب تهيه شده به مدت 24 ساعت در در دمای 3±80 درجه سانتی گراد خشک شدند.

برای ایجاد سازگاری میان آرد چوب و پلی‌اتیلن بازیافتی از انیدرید مالئیک پیوند شده با پلی‌اتیلن (MAPE) محصول شرکت آریا پلیمر پیشگام- شهرک علمی و تحقیقاتی اصفهان با شاخص جریان مذاب gr/10min7 و چگالی gr/cm³ 965/0 و نام تجاری PEGW 220 به مقدار 3 درصد استفاده گردید.

نانوذرات گرافن نوع AO-4 از شرکت گرافن سوپرمارکت (Graphene Supermarket) ایالات متحده آمریکا خریداری شد. برخی از مشخصات آن در جدول 1 ارائه شده است.

جدول 1. مشخصات نانو گرافن

سطح ویژه (M2/g)	رنگ	خلوص (درصد)	ضخامت متوسط (mm)	طول ذرات (میکرون)
بیشتر از 15	سیاه	5/98	60	3-7

اختلاط مواد در ساخت چوب پلاست

ماتریس پلیمری (پلی­اتیلن سنگین بازیافتی)، آرد چوب، سازگار کننده (MAPE)، و نانو گرافن (مطابق جدول 2) با هم مخلوط شدند:

جدول 2. درصد وزنی اجزای تشکیل دهنده ترکیب تیمارهای مختلف چندسازه چوب پلاست

شماره تيمار	كد تيمار	آرد چوب (٪)	پلی‌اتیلن بازیافتی (٪)	نانو گرافن (٪)	سازگارکننده (٪)
1	NG 0%+M3%rHDPE+67%+WF30%	30	67	0	3
2	NG 5/0%+M3%rHDPE+5/66%+WF30%	30	5/66	5/0	3
3	NG 5/1%+M3%rHDPE+5/65%+WF30%	30	5/65	5/1	3
4	NG 5/2%+M3%rHDPE+5/64%+WF30%	30	5/64	5/1	3
WF: Wood flour rHDPE: Recycle high density polyethylene; M: MAPE NG: NanoGraphene

 

فرآیند اختلاط با استفاده از دستگاه مخلوط‌کن داخلی HAAKE در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران با دما اختلاط 150 درجه سانتی‌گراد، سرعت اختلاط 60 RPM (دور در دقیقه) تا رسیدن به گشتاور ثابت 8 دقیقه انجام شد. پس از فرآیند اختلاط، مواد خروجی به‌وسیله یک خردكن نیمه‌صنعتی Wieser مدل WG-Ls 200 ساخت كشور آلمان به دانه تبدیل شدند.

برای ساخت نمونه­های استاندارد از دستگاه پرس ساخت کشور ژاپن (mini test press) استفاده شد. نمونه­های آزمونی جهت آزمایشات مقاومت به ضربه فاق‌دار، جذب آب در دمای 200 درجه به مدت 4 دقیقه و فشار 25 (مگاپاسکال) ساخته شدند. سپس نمونه­ها تا دمای c° 80 خنک شدند در حین خنک شدن، فشار پرس همچنان ادامه داشت. قبل از انجام آزمون­های فیزیکی و مکانیکی، نمونه­های ساخته شده برای رسیدن به رطوبت تعادل به مدت دو هفته در شرایط کلیما (دمای 2±20 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 5±65%) قرار گرفتند.

برای آزمون‌های مقاومت به ضربه و جذب آب کوتاه مدت به ترتیب از استانداردهای ASTM D-256-10 و ASTM D7031-04 استفاده شد.

تجزیه ‌و تحلیل آماری

براي مقايسه اختلاف آماري بين ميانگين نتايج به دست آمده از روش تجزيه واريانس با كمك نرم­افزار SPSS استفاده شد. در صورت معني‌دار بودن اختلاف میانگین­ها، از آزمون چند دامنه دانکن برای مقایسه میانگین­ها استفاده گردید.

نتایج و بحث

در این بررسی مقدار نانو گرافن در چهار سطح مختلف (0، 5/0، 5/1 و 5/2%) مورد بررسی قرار گرفت. اثر نانو گرافن بر مقاومت به ضربه فاقدار و جذب آب کوتاه مدت نمونه های چوب پلاست در سطح اطمینان 95 درصد معنی‌دار است.

روند تغییرات مقاومت به ضربه فاقدار چند سازه حاصل در سطوح مختلف نانو گرافن در شکل 1 نشان داده شده است. مطابق با این شکل، بالاترین و پایین­ترین میانگین مقاومت به ضربه فاقدار به ترتیب در نمونه 5/0 درصد (با مقدار 61/32 ژول بر متر مربع) و 0 درصد (35/19 ژول بر متر مربع) مشاهده می­شود.

در این تحقیق ملاحظه گردید که با افزایش مقدار نانو گرافن تا 5/0 درصد وزنی مقاومت به ضربه فاق­دار چندسازه چوب پلاست افزایش و سپس تا سطح 5/2 درصد کاهش می‌یابد. کاهش مقاومت به ضربه در اثر اضافه شدن نانو ذرات گرافن قابل پیش بینی بود، زیرا حضور ذرات گرافن سبب تردتر شدن چندسازه ها و کاهش مقاومت به ضربه آن‌ها میشود. وجود ذرات نانو در ماتریس پلیمر سبب کاهش قابلیت تحرک زنجیرها و امکان اتلاف انرژی آن‌ها، افزایش انرژی جذب‌شده توسط چندسازه و ایجاد نقاط پرتنش می‌شود. این نقاط می‌تواند محل‌هایی برای شروع شکست و ترک باشند (Han et al., 2008).

روند تغییرات جذب آب چند سازه حاصل در سطوح مختلف نانو گرافن در شکل 2 نشان داده شده است. مطابق با این شکل، پایین­ترین و بالاترین میانگین جذب آب به ترتیب در نمونه 5/2 درصد (با مقدار 5/0 درصد) و 0 درصد (6/0 درصد) مشاهده می­شود.

در این تحقیق ملاحظه گردید که با افزایش مقدار نانو گرافن از 0 به 5/2 درصد وزنی جذب آب چندسازه چوب پلاست کاهش می‌یابد. دلایل این مسئله را می‌توان این‌طور بیان نمود که سطح ذرات نانو گرافن آب‌گریز بوده و این ویژگی موجب غیرفعال شدن رطوبت می‌گردد. این مواد به‌سبب طبیعت آبگریز، جذب رطوبت اندکی دارند، لذا با افزایش مواد معدنی در ترکیب کامپوزیت جذب آب کاهش پیدا می‌کند (Samariha et al., 2015). جذب آب و واکشیدگی ضخامت نانوکامپوزیت با افزایش مقدار نانو گرافن، کاهش یافت. به‌نظر می‌رسد ویژگی نفوذناپذیری ذرات نانو گرافن مانع از نفوذ آب به درون ماتریس پلیمری می‌گردد.

شکل 2. تاثیر مقدار نانو گرافن بر جذب آب نمونه های چوب پلاست

نتیجه­گیری

این تحقیق به بررسی تأثیر میزان نانو گرافن بر ویژگی­های فیزیکی، مکانیکی، حرارتی و ریخت­شناسی نانو چندسازه چوب پلاست ساخته‌شده از آرد چوب و پلی­اتیلن ضایعاتی پرداخت و این نتایج حاصل گردید.

• با افزایش مقدار نانو گرافن تا 5/0 درصد وزنی، مقاومت به ضربه فاق­دار چندسازه افزایش‌یافته، سپس با افزودن مقدار 5/2 درصد وزنی نانو گرافن این خصوصیت کاهش می‌یابند. از طرفی با افزایش مقدار نانو گرافن تا 5/2 درصد وزنی جذب آب، چندسازه کاهش می‌یابد.

منابع

[1]. Najafi, S. K. (2013). “Use of recycled plastics in wood plastic composites–A review,” Waste management, 33(9), 1898-1905.

[2]. Cardinali, M., Valentini, L., Kenny, J. M., and Mutlay, İ. (2012). “Graphene based composites prepared through exfoliation of graphite platelets in methyl methacrylate/poly (methyl methacrylate),” Polymer International 61(7), 1079-1083.

[3]. Sheshmani, S., and Amini, R. (2013). “Preparation and characterization of some graphene based nanocomposite materials,” Carbohydrate Polymers 95(1), 348-359.

[4]. Chaharmahali, M., Hamzeh, Y., Ebrahimi, G., Ashori, A., and Ghasemi, I. (2014). “Effects of nanographene on the physico-mechanical properties of bagasse/polypropylene composites,” Polymer Bulletin 71(2), 337-349.

[5]. Han, G., Y. Lei, Q. Wu, Y. Kojima, and Suzuki, S. (2008). “Bamboo-fiber filled high density polyethylene composites; effect of coupling treatment on nanoclay,” Journal of Polymer Environment 16(2), 123-130.

[6]. Samariha, A., Hemmasi, A. H., Ghasemi, I., Bazyar, B., and Nemati, M. (2015). “Effect of nanoclay contents on properties, of bagasse flour/reprocessed high density polyethylene/nanoclay composites,” Maderas. Ciencia y tecnología, 17(3), 637-646