بررسی ویژگی­های حرارتی و آتش­گیری، نانوچندسازه چوب پلاست

نانوچندسازه چوب پلاست و پیشرفت­های اخیر در این زمینه وقوع تغییرات اساسی را در محدوده وسیعی از صنایع نوید می­دهد  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 (Njuguna et al., 2008). 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). پژوهشهای زیادی درباره کاربرد ذرات سیلیکا به شکل مخلوط با پلیمرهای مختلف انجام شده است (Chung et al., 2001; Zhang et al., 2008; Zhang et al., 2003; Xu et al., 2008)، 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 (Zhang et al., 2003; Rong et al., 2004; Parvinzadeh et al., 2010; Guyard et al., 2006). Maji and Deka 2012، به بررسی تاثیر نانو ذرات رس و سیلیس بر روی خواص کامپوزیتهای چوب پلاست پرداختند نتایج مطالعه آنها نشان داد که با افزایش نانو ذرات تا 3 درصد خواص حرارتی چوب پلاست بهبود یافت اما افزودن مقادیر بیشتر نانو ذرات تا 5 درصد این خواص را کاهش داد.

شاخص حداقل غلظت اکسیژن (LOI) به عنوان روشی دقیق و ساده برای تعیین خودخاموشی آتش[1] است که بصورت گسترده استفاده میشود. این شاخص یک پارامتر ارزیابی اشتغال‌پذیری و بازدارندگی پلیمرها از آتش است. این عدد حداقل میزان اکسیژن لازم برای سوختن با شعله‌ی پایدار در مخلوط گازهای اکسیژن و نیتروژن است. هدف اين پژوهش بررسی تاثیر میزان نانو سیلیس بر ویژگی­های حرارتی، رفتار آتشگیری نانوچندسازه چوب پلاست ساخته شده  از آرد چوب صنوبر و پلی­اتیلن ضایعاتی می­باشد.

مواد و روش­ها در ساخت چوب پلاست

آرد چوب صنوبر از یکی از کارگاه­های چوب بری تهیه و براي يكنواختي اندازه ذرات، ذرات عبور کرده از مش 50 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 5620 تهیه شد و سه بار بازیافت 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 LOI و آزمون TGA 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.

آزمون شاخص اکسیژن محدود

برای انجام این آزمون نمونه­ها مطابق با استاندارد ASTM D2863، به ابعاد mm4 ×50 ×150 میلی­متر تهیه شدند. ابتدا نمونه در داخل پایه نگه‌دارنده نصب می‌شود و سپس محفظه شیشه­ای که قسمت بالایی آن باز است بر روی نمونه قرار می­گیرد، آنگاه شرایط سوختن را با حداقل میزان اکسیژن تنظیم کرده و به مدت 30 ثانیه نمونه در معرض شعله مستقیم قرار می­گیرد، اگر در این زمان نمونه مشتعل نشد و یا سریع خاموش شد؛ نتیجه گرفته می‌شود که مقدار اکسیژن برای سوختن کافی نیست و مقدار اکسیژن را کمی افزایش داده و مجدداً آزمون تکرار می‌شود. بعد از مشخص شدن حدودی مقدار اکسیژن؛ پس از مشتعل شدن نمونه، 3 دقیقه زمان گرفته می‌شود.

نتایج و بحث چوب پلاست

جدول 1 نشان دهنده دمای تخریب اولیه (Ti)، حداکثر دمای پیرولیز (Tm)، دمای تخریب در درصدهای مختلف کاهش وزن (TD) و وزن باقیمانده (RW%) برای پلیمر نانو کامپوزیت چوب پلاست است. نتایج بررسی گرماسنجی وزنی کامپوزیت­ها نشان داد که اختلاف معنی­داری بین دمای تخریب نمونه­های مختلف کامپوزیت وجود ندارد.

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. (جدول 1). دکا و ماجی[2] 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[3] بالاتر نانوذرات سیلیس سبب بهبود پراکندگی حرارت در کامپوزیت 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.

جدول 1) خلاصه گرماسنجی وزنی و شاخص اکسیژن محدود نانو چندسازه چوب پلاست ساخته شده

جدول 1 میزان تاثیر نانو سیلیس بر شاخص اکسیژن محدود را نشان می­دهد. نمونه چوب پلاست بدون نانوسیلیس، دارای شاخص اکسیژن پایینتری نسبت به نمونه دارای 8 درصد نانوسیلیس می­باشد. به طور کلی هنگامی که ماده­ایی دارای شاخص بالاتر می­باشد در حقیقت به اکسیژن بیشتری برای احتراق و اشتعال نیاز دارد. شاخص بالاتر نشانگر شرایط سخت­تر برای شعله­وری و تحمل حرارتی بالاتر برای ماده مورد بررسی می­باشد. مشاهده شد با افزایش نانو سیلیس بدلیل بهبود چسبندگی بین فصل مشترک پلیمر و چوب مقدار شاخص اکسیژن محدود افزایش یافت. مقادیر بالاتر LOI ممکن است ناشی از تشکیل زغال کربنی-سیلیکاتی[4] روی سطح باشد. هرچه میزان سیلیس بیشتر باشد، میزان شکل­گیری زغال هم بیشتر خواهد بود. زغال دوده­های ریز و سیاهی تولید می­کند که شعله­ای مثل شعله شمع دارند. مسیر پر پیچ و خم که نانو سیلیس ایجاد می­کنند مانعی برای اکسیژن است که ظرفیت سوختن ترکیب را به تاخیر می­اندازند. گو[5] و همکاران مشاهده کردند که بازدارندگی شعله کامپوزیت چوب پلاست پس از افزودن نانورس افزایش یافته است. افزودن سیلیس تغییریافته با CTAB تعامل میان چوب، رس و پلیمر را از طریق گروه­های هیدروکسیل و ستیل افزایش می­دهد. نانوذرات سیلیس نیز مانعی حرارتی در برابر اکسیژن ایجاد می­کنند و همین امر ویژگی تاخیری شعله را بهبود می بخشد. ایردیم[6] و همکاران (2009) نیز بهبود تاخیر شعله بر اثر افزودن نانو سیلیس را مشاهده کردند. همچنین با افزایش نانو ذرات سیلیس، بخشی از فضاهای خالی اشغال شده و باعث کاهش روزنه­ها می­شود و دسترسی به اکسیژن جهت سوختن را با مشکل مواجه می­کند.

نتیجه­گیری

این تحقیق به بررسی تاثیر میزان نانوسیلیس بر ویژگی­های حرارتی، رفتار آتشگیری و ریخت­شناسی نانوچندسازه چوب پلاست ساخته شده  از آرد چوب نراد و پلی­پروپیلن پرداخت و این نتایج حاصل گردید: با افزایش نانو سیلیس تا 8 درصد ثبات حرارتی افزایش می­یابد و میزان زغال بیشتری نیز باقی می­ماند. و همچنین شاخص حداقل غلظت اکسیژن افزایش یافت.

منابع

[1] . fire self-extinguishment

[2] Deka and Maji

[3] Diffusivity

[4] carbonaceous-silica char

[5] Guo

[6] Erdem