مطالعه رفتار مکانیکی نانوکامپوزیت چوب پلاست گیاهی

حاصل از نشاسته ذرت با آرد چوب پهن برگان 

در این پژوهش، اثر میزان ذرات نانورس بر روی خصوصیات مکانیکی نانوکامپوزیت چوب پلاست گیاهی (نشاسته ذرت) و آرد چوب پهن برگ مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور پلیمر گیاهی در چهار سطح با درصد وزنی 80 – 70 – 60 و 50 درصد با آرد چوب مخلوط شد؛ و ذرات نانورس نیز با درصد وزنی 0 و 2 درصد نسبت به تمام ترکیب استفاده شد، پس از آن نانو کامپوزیت چوب پلیمر گیاهی به روش قالبگیری تزریقی در مؤسسه پلیمر ایران ساخته و خواص مختلف مکانیکی (کشش-خمش-ضربه) مطابق با استاندارد ASTM بر روی نمونه­ها انجام گرفت.

نتایج نشان داد که با افزایش مقدار ذرات نانورس از 0 به 2 درصد، مقاومت کشش و مدول کشش (70% پلیمر)، مقاومت خمش، مدول خمش، مقاومت به ضربه و (80% پلیمر) افزایش یافته و مقاومت کشش و مدول کشش (80% پلیمر) (70% پلیمر) کاهش می­یابد. همچنین نتایج نشان داد که در حضور 2% نانورس با کاهش درصد پلیمر گیاهی از 80 به 50% مقاومت خمش و مدول خمش و مدول کشش افزایش یافته ومقاومت کشش و ضربه کاهش می­یابد؛ و همچنین نتایج دیگر نشان داد که در حالت بدون استفاده از ذرات نانورس با کاهش درصد پلیمر گیاهی، مقاومت خمش، مدول خمش و مدول کشش افزایش یافته و مقاومت به ضربه و مقاومت کشش نمونه کاهش می­یابد.

کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت چوب پلاست ، نانورس، پلیمر گیاهی، نشاسته ذرت

مقدمه

واژه COMPOSITE از کلمه انگلیسی to compose به معنای مرکب کردن و ترکیب کردن و مخلوط کردن آمده است. کامپوزیت از ترکیب و اختلاط چند ماده حاصل میشود. البته منظورازاختلاط. اختلاط فیزیکی است به گونه ای که اجزای تشکیل دهنده آن خاصیت اولیه خود را حفظ نمایند و دارای خصوصیات بهتری نسبت به مواد اولیه خود داشته باشند؛ اما امروزه با ورود فناوری نانو در عرصه علم و مواد. پلیمرهای تقویت شده با فاز نانو مورد توجه جوامع علمی و صنعتی قرار گرفته است. از نظر علمی موضع جدیدی در پزوهشهاردر مقیاس حدواسط مطالعات در مقیاسهای مولکولی ومیکرو گشوده شده وشناخت رفتار وبرهمکنش مواد در محدوده نانو در زمره اولویت های پزوهشی قرار گرفته است. از دیدگاه صنعتی آنچه باعث جلب توجه بسیاری از صنایع به این موضوع شده. بهبود چشمگیر خواص پلیمرها است (بهزاد کرد 1388).

الناز اسمی زاده (1389) تهيه نانوکامپوزيت ترموپلاستيک الاستومرهاي بر پايه ي NBR/PVC خلاصه از تحقیق ایشان به این صورت است که ترموپلاستيك الاستومر‌ها گروه منحصر به فردي از پليمرها هستند كه داراي خواص لاستيكي مانند مانايي فشاري پايين و انعطاف پذيري بالا بوده در حاليكه با روش‌هاي فرايند معمول پلاستيك‌ها توليد مي شوند، بدون آنكه نياز به اختصاص دادن زمان اضافي جهت پخت لاستيكها وجود داشته باشد.

انواع بسيار زيادي از ترموپلاستيك الاستومرها به صورت تجاري توليد مي‌شوند كه در كاربردهاي مختلفي از جمله ساخت قطعات اتومبيل، عايق كابل، بسته بندي و پزشكي بدليل مقاومت بسيار خوب در برابر شرايط جوي، چگالي پايين و همچنين قيمت نسبتاً پايين به مصرف مي رسند.

اضافه كردن پر کننده‌هايي مانند الياف شيشه، دوده، تالك و كربنات كلسيم به ترموپلاستيك الاستومرها در مقادير بالا (phr 60-20) باعث افزايش خواصي مثل مدول، دماي واپيچش حرارتي و پايداري ابعادي شده ولي از طرف ديگر وزن اين مواد را نيزافزايش داده و در نتيجه كاربرد اين مواد را در صنعت خودرو و هوا فضا محدود مي نمايد.

استفاده از نانو خاک‌رس به مقدار كم (phr 5-1) باعث افزايش خواص ذكر شده در بالا شده با اين تفاوت كه وزن محصول توليد شده افزايش چنداني نمي يابد [1]. اين مسئله به دليل ايجاد اتصالات بسيار قوي ما بين صفحات پخش شده با ابعاد نانو و ماتريس پليمري است.

در اين پروژه در نظر است تا نانوكامپوزيت ترموپلاستيك الاستومرهايي بر پايه لاستيک آکريلونيتريل بوتادين/ پلي وينيل کلرايد توليد شوند. كه علاوه بر خواص ذكر شده داراي مقاومت بسيار عالي در برابر روغن و دماي بالا بوده و بتوانند در قطعات داخلي موتور خودرو و قطعاتي كه در شرايط مشابه قرار دارند به كار روند.

در اين فصل پس از بيان اهداف اين پروژه ابتدا مرور مختصري بر انواع و ساختار ترموپلاستيک الاستومرها صورت گرفته و سپس به بررسي اجمالي ساختار نانو کامپوزيت‌هاي پليمري پرداخته شده است. در پايان نيز مقدماتي در مورد لاستيک آکريلونيتريل بوتادين و پلي وينيل کلرايد بيان خواهد شد.

کیم و همکاران (2007) تاثير افزودني ها و عوامل جفت كننده را بر رفتار مكانيكي مقاومت دمايي (حرارتي) كامپوزيت هاي آرد چوب و پلي پروپيلن را بررسي كردند. در طي اين بررسي 5 نوع مختلف از پلي پروپيلن اصلاح شده با مالئيك انيدريد ((MAPP مورد بررسي قرار گرفت. در هر 5 نوع MAPP منجر به افزايش خواص مكانيكي و حراتي شد كه اين افزايش ارتباط مستقيمي با مقدار مالئيك انيدريد و وزن مولكلي MAPP داشت.

وو و همكاران (2007) دريافتند كه تنها با اضافه كردن مقدار 2% نانو رس به نانوکامپوزیت چوب پلاست مقاومت خمشي و مقاومت كششي بهبود مي يابد در صورتي كه جذب آب و واكشيدگي ضخامت در آن كاهش مي يابد. 

مواد و روشها

ماتریس در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

در این تحقیق از پلیمر گیاهی (نشاسته ذرت) دارای نشان ایمنی و سلامت وزارت بهداشت و درمان تولید شده توسط شرکت کیمیا شیمی زنگان اولین تولید کننده پلیمر گیاهی زیست تخریب­پذیر تهیه شده از نشاسته ذرت در ایران، دارای ثبت اختراع به شماره 45324 و دارنده استاندارد اروپا En/13432 و دارنده گواهینامه ایزو 9001-2000 و دارنده گواهینامه از سازمان ملل (یونسکو) به عنوان ماده زمینه پلیمری به مورد استفاده قرار گرفته است

تقویت کننده در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

از آرد چوب پهن برگان (راش – توسکا – صنوبر ) تولید شده توسط شرکت آلفا سلولز با ابعاد 100 میکرون به عنوان فاز ناپیوسته استفاده شد.امتیاز اینکه از این گونه پهن برگ استفاده شد یکی از دلایلش فراوانی این گونه ها در کشور و دلیل مهمتر دیگر اینکه به دلیل الیاف کوتاه در هنگام مخلوط شدن با پلیمر توزیع یکنواخت­تری پیدا کرده و به نسبت کیفیت فراورده را بالاتر میبرد.

چون الیاف سوزنی برگان به علت طول بلندتر زمان زیادی جهت مخلوط کردن نیاز دارند مصرف الیاف سوزنی برگان به علت مواد استخراجی فرار که در ساختارشان دارند امکان تبله شدن بعد از قالب­گیری را افزایش میدهد مصرف الیاف پهن برگ در ساخت فراورده مرکب به دلیل اینکه رطوبت خود را سریعتر از دست میدهد باعث یکنواختی در خصوصیات ماده اولیه می­شود و به علت دانسیته زیاد فراورده­ای با خصوصیات مکانیکی بهتر تحویل میدهد.

مواد افزودنی در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

همچنین از پودر نانورس تولید شده توسط شرکت southern–clay کشور آمریکا با نام تجاری cloisite15a دارای ویسکوزیته meg/100g 125 استفاده شد، چون رس ها معمولاً مواد معدنی طبیعی هستند که به خاطر طبیعی بودنشان ترکیب آنها متفاوت است. خلوص رس می تواند بر روی خصوصیات نهایی کامپوزیت ساخته شده موثر باشد.

متغیرها

• مقدار پلیمر (نشاسته ذرت ) 80-70-60-50 درصد که به تبع آن مقدار تقویت کننده (آرد چوب پهن برگ )نیز به این صورت تغییر کرده است. 20-30-40-50 درصد
• مقدار نانو رس 0% – 2%

روش تهیه مواد اولیه نانوکامپوزیت چوب پلاست 

در این تحقیق از پلیمر گیاهی (نشاسته ذرت ) به صورت خالص و به صورت گرانول استفاده شده است البته می شود از ضایعات این پلیمر نیز استفاده کرد. ولی به علت خصوصیات مکانیکی ضعیفی که نسبت به گرانول بکر دارد ما در اینجا از پلیمر بکر و کار نشده به عنوان ماتریس استفاده کردیم شرکت سازنده این پلیمر برای افزایش خصوصیات آن از موم نیز برای تقویت خواص استفاده شده است.این پلیمر به صورت گرانول های سفید رنگ در بازار به فروش میرسد البته میتوان از طریق نمایندگی های شرکت تهیه کرد چون این ماده منحصر به یک شرکت است از اینرو فقط از طریق شرکت کیمیا شیمی زنگان میتوان آن را تهیه کرد.

از جمله خصوصیاتی که این ماده دارد و باعث استفاده از آن در این تحقیق شده است، طبیعی بودن و زیست تخریبی بسیار بالای این ماده می باشد. در این تحقیق از آرد چوب پهن برگ ((w f تهیه شده از گونه های راش– توسکا– صنوبر توسط شرکت آلفا سلولز استفاده شده است دلیل این که از الیاف پهن برگان استفاده شده است در بحث بالا اشاره شد که یکی از دلایل فراوانی در کشور و دلیل دیگر خصوصیات مکانیکی بالای این گونه است و برای اینکه آرد چوب تهیه شده رطوبت جذب نکند، آرد تهیه شده را در داخل کیسه پلاستیکی در بسته نگهداری شد. تا رطوبت جذب نکند.

البته قابل توجه این که به علت الیاف کوتاه این گونه ها از دست دادن رطوبت سریعتر انجام می­شود و به تبع آن گرفتن رطوبت نیز سریع انجام می­شود. آخرین ماده­ای که استفاده شد نانو رس بود که با نام تجاری nano clay محصول شرکت southern clay کشور آمریکا در کلاس a15 با ویسکوزیته meg/100g 125 مورداستفاده قرار گرفت.تا باعث افزایش خصوصیات مکانیکی ماده ساخته شده شود.

فرایند اختلاط نانوکامپوزیت چوب پلاست 

برای بررسی خصوصیات مکانیکی فراورده در ابتدا میبایستی مقداری از آرد چوب و پلیمر باهم مخلوط شوند ولی از آنجا که دستگاه مخلوط­کن داخلی هکه قابلیت مخلوط کردن حجم 230 گرم از ماده را دارد از اینرو 50% آرد چوب و 50%پلیمر را که هرکدام برابر با 115 گرم بود را جدا کرده و آماده مخلوط شدن کردیم.

سپس دمای هکه را بر روی 180 درجه سانتی گراد و سرعت اختلاط 80 دور در دقیقه تنظیم کردیم و با شروع عملیات کم کم ماده پلیمر را به داخل مخلوط کن ریختیم بعد از سه دقیقه که ماده پلیمری به خوبی مذاب شد کم کم آرد چوب را نیز به داخل آن اضافه کردیم و دوباره در آن را بسته و بعد از اینکه کل فرایند بعد از پنج دقیقه تمام شد هکه را خاموش کرده و ماده مخلوط شده را از داخل آن خارج کردیم و در محیط آزمایشگاه قرار دادیم تا سرد شده و به دمای محیط برسد.

سپس دوباره همین ترکیب را یعنی 50% آرد چوب و 50% پلیمر را در داخل هکه ریختیم با این تفاوت که در دقیقه دوم به مقدار 2% که برابر با 4.6گرم می­شود، نانورس به داخل هکه اضافه کردیم وبعداز پنج دقیقه که فرآیند کامل شد ماده مخلوط شده را از داخل هکه خارج کرده و در محیط آزمایشگاه قرار دادیم تا سرد شده و به دمای محیط آزمایشگاه برسد.پس از آن 40% یعنی در حدود 92 گرم آرد چوب جدا کرده و 60% نیز پلیمر که در حدود 138 گرم می­شود جدا کرده آماده فرآیند کردیم.

138گرم پلیمر را در داخل هکه ریختیم و بعد از سه دقیقه که پلیمر به خوبی مذاب شد کم کم 92 گرم آرد چوب را به داخل آن اضافه کردیم و دوباره در آن را بسته و بعد از پنج دقیقه که کل فرایند کامل شد و ماده به خوبی مخلوط گردید از داخل هکه خارج کرده و در محیط آزمایشگاه قرار دادیم تا به خوبی سرد شده و به دمای محیط برسد.

سپس همین ترکیب را با 2% نانورس که در حدود 4.6گرم می­شود مخلوط کرده و بعد از پنج دقیقه از داخل هکه خارج کرده و در محیط آزمایشگاه سرد کردیم، بقیه ترکیب ها که 30% آرد چوب با 70% پلیمر و 20% آرد چوب را با 80% پلیمر است را به روش بالا یک بار بدون نانورس­و یک بار هم به همراه 2% نانورس مخلوط کردیم و کاملاً در محیط آزمایشگاه سرد کردیم.

سپس ترکیبات سرد شده را در داخل دستگاه خرد کن به آسیاب تبدیل کردیم و پس از آن این هشت ترکیب را که آسیاب شد به دستگاه قالب­گیری منتقل کردیم. در دستگاه قالب­گیری تزریقی که دارای شش زوم دمایی است دماها را به ترتیب از پایین به بالا 175-170 – 165-160 – 155-150 تنظیم کردیم قالب­های تست­های مورد نظر را بر روی دستگاه قالب­گیری نصب کردیم وماده مخلوط شده­ای را که آسیاب کرده بودیم را از محل مورد نظر آرام آرام به داخل دستگاه ریختیم.

بعد از مذاب شدن که بر روی دستگاه مشخص می­شود به داخل قالب ها تزریق کردیم و بعد از سرد شدن نمونه ها را خارج کرده و آماده تست زنی کردیم و به این ترتیب تمام ترکیبات را به وسیله دستگاه قالب­گیری تزریقی به نمونه های قابل تست زنی تبدیل کردیم و نمونه­ها یکی پس از دیگری برای آزمایش­های کشش– خمش– ضربه و سختی آماده شدند.

اندازه گیری خصوصیات مکانیکی نمونه های نانوکامپوزیت چوب پلاست 

نمونه ها پس از اینکه ساخته شدند و برای تست مکانیکی آماده گشتند. به مدت یک روز در محیط آزمایشگاه قرار گرقتند (دمای محیط در حدود 23 درجه سانتی گراد بود ) تا با دمای محیط به حالت تعادل برسند. پس از آن به محل انجام تست مکانیکی برده شدند و تستهای مکانیکی (کشش – خمش – ضربه) بر روی نمونه­های ساخته شده انجام شد.

خواص مکانیکی نانوکامپوزیت چوب پلاست 

استحکام و مدول کشش

آزمون کشش مطابق با آیین نامه استاندارد D-683 ASTM  برای نمونه هایی با ابعاد استاندارد آزمون کشش به وسیله دستگاه کشش SANTAM در دانشگاه منابع طبیعی تهران واقع در کرج واحد پردیس انجام شد.

استحکام و مدول خمشی در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

آزمون خمش مطابق با آیین نامه استاندارد ASTM -790 برای WPC برای نمونه هایی با ابعاد استاندارد برای این آزمون انجام شد. سرعت بارگذاری این دستگاه در حدود 5 mm/min میباشد؛ و آزمون خمش نیز به وسیله دستگاه خمش SANTAM واقع در دانشگاه منابع طبیعی تهران در واحد پردیس کرج انجام شد.

استحکام ضربه

این­ آزمون مطابق ­با ­آیین­نامه­استاندارد ASTM D-256 برای WPC، به­وسیله ­دستگاه ­ازمایش ضربه پاندولی SANTAMبه­روش ایزود با­سیستم اعمال ضربه (چکش) با کف ­استاندارد ­برای ­این­آزمون ­انجام پذیرفت.

نتایج در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

بعد از انجام تمامی مراحل ساخت و تست که ساخت آن در مؤسسه پتروشیمی و پلیمر ایران و مراحل تست آن که شامل بر تست کشش و خمش و ضربه و سختی بود در دانشگاه منابع طبیعی تهران به طور همزمان انجام شد.

تاثیر نانورس بر روی مقاومت کشش در حالت 70% پلیمر در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر نانو رس بر روی مقاومت مکانیکی کشش کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت، اطلاعات زیر بدست آمد در نمونه یا تیمار اول که از 70% پلیمر گیاهی و 30% الیاف پهن برگ در حالت بدون استفاده از نانو رس به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده بود.

مقاومت حاصل برابر با 11.33 (مگاپاسکال) بدست آمد و در نمونه یا تیمار دوم با همین ترکیب و با همین روش یعنی 70%پلیمر گیاهی و 30% الیاف پهن برگ با این تفاوت که در این تیمار از 2% نانورس استفاده شد مقاومت آن برابر با 12.05 (مگا پاسکال) بدست آمد که از مقایسه این دو تیمار می توان نتیجه گرفت که با افزایش نانو رس به ترکیب به مقدار 2% مقاومت کشش نمونه افزایش محسوسی پیدا می کند.

شکل 1- تاثیرمقدار نانورس بر روی مقاومت کشش در حالت 70% پلیمر

 

تاثیر نانورس بر روی مقاومت کشش در حالت 80% پلیمر در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر نانو رس بر روی مقاومت مکانیکی کشش کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت، اطلاعات زیر بدست آمد در نمونه یا تیمار اول که از 80% پلیمر گیاهی و 20% الیاف پهن برگ در حالت بدون استفاده از نانو رس به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده بود مقاومت حاصل برابر با 11.27(مگاپاسکال) بدست آمد.

در نمونه یا تیمار دوم با همین ترکیب و با همین روش یعنی 80%پلیمر گیاهی و 20% الیاف پهن برگ با این تفاوت که در این تیمار از 2% نانورس استفاده شد مقاومت آن برابر با 10.68(مگا پاسکال) بدست آمد که از مقایسه این دو تیمار می توان نتیجه گرفت که با افزایش نانو رس به ترکیب به مقدار 2% مقاومت کشش نمونه کاهش محسوسی پیدا می کند.

تاثیر مقدار پلیمر بر روی مقاومت کشش در حضور 2% نانورس در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر مقدار پلیمر گیاهی بر روی مقاومت کشش نمونه کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت به این قرار است که در نمونه یا تیمار اول که از 80% پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و 20% آرد چوب پهن برگ به همرا 2% نانورس ساخته شد مقاومت کشش نمونه برابر با 10.68(مگاپاسکال)بدست آمد.

در تیمار دوم که از 70%پلیمر گیاهی و 30% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مقاومت کشش نمونه برابر با 12.05(مگاپاسکال)بدست آمد، در تیمار سوم که از 60%پلیمر گیاهی و 40% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مقاومت کشش نمونه برابر با 11.6(مگاپاسکال) بدست آمد.

در تیمار چهارم که از 50%پلیمر گیاهی و 50% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مقاومت کشش نمونه برابر با 10.77(مگاپاسکال) بدست آمد که از مقایسه این چهار تیمار می توان نتیجه گرفت که با کاهش پلیمر از 80% به 70%مقاومت افزایش و با کاهش پلیمر از 70% به 50% مقاومت کامپوزیت کاهش می یابد، ولی باز به کمتر از 80% پلیمر نمی رسد.

تاثیر مقدار پلیمر گیاهی بر روی مقاومت کشش در حالت بدون استفاده از نانورس در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر مقدار پلیمر گیاهی بر روی مقاومت کشش نمونه کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت به این قرار است که در نمونه یا تیمار اول که از 80% پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و 20% آرد چوب پهن برگ بدون استفاده از نانورس ساخته شد مقاومت کشش نمونه برابر با 11.27(مگاپاسکال) بدست آمد.

در تیمار دوم که از 70% پلیمر گیاهی و 30% آرد چوب پهن برگ بدون استفاده از نانورس ساخته شد مقاومت کشش نمونه برابر با 11.33 (مگاپاسکال) بدست آمد که از مقایسه این دو تیمار میتوان نتیجه گرفت که با کاهش پلیمر گیاهی در حالت بدون استفاده از نانورس مقاومت کشش نمونه افزایش خیلی محسوسی پیدا میکند.

تاثیر نانورس بر روی مدول کشش در حالت 70% پلیمر در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر نانو رس بر روی مدول کشش کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت، اطلاعات زیر بدست آمد در نمونه یا تیمار اول که از 70% پلیمر گیاهی و 30% الیاف پهن برگ در حالت بدون استفاده از نانو رس به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده بود مدول کشش حاصل برابر با 3481(مگاپاسکال) بدست آمد.

در نمونه یا تیمار دوم با همین ترکیب و با همین روش یعنی 70%پلیمر گیاهی و 30% الیاف پهن برگ با این تفاوت که در این تیمار از 2% نانورس استفاده شد مدول کشش آن برابر با 3582(مگا پاسکال) بدست آمد که از مقایسه این دو تیمار می توان نتیجه گرفت که با افزایش نانو رس به ترکیب به مقدار 2% مدول کشش نمونه افزایش خوبی پیدا می کند.

تاثیر مقدار پلیمر بر روی مدول کشش در حضور 2% نانورس در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر مقدار پلیمر گیاهی بر روی مدول کشش نمونه کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت به این قرار است که در نمونه یا تیمار اول که از 80% پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و 20% آرد چوب پهن برگ به همرا 2% نانورس ساخته شد مدول کشش نمونه برابر با 3154(مگاپاسکال)بدست آمد.

در تیمار دوم که از 70%پلیمر گیاهی و 30% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مدول کشش نمونه برابر با 3582(مگاپاسکال)بدست آمد، در تیمار سوم که از 60%پلیمر گیاهی و 40% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مدول کشش نمونه برابر با 3755(مگاپاسکال)بدست آمد.

در تیمار چهارم که از 50%پلیمر گیاهی و 50% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مقاومت کشش نمونه برابر با 4726(مگاپاسکال) بدست آمد که از مقایسه این چهار تیمار می توان نتیجه گرفت که با کاهش پلیمر مدول کشش افزایش پیدا کرده است.

تاثیر مقدار پلیمر بر روی مدول کشش در حالت بدون استفاده از نانورس در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر مقدار پلیمر گیاهی بر روی مدول کشش نمونه کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت به این قرار است که در نمونه یا تیمار اول که از 80% پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و 20% آرد چوب پهن برگ بدون استفاده از نانورس ساخته شد مدول کشش نمونه برابر با 3202(مگاپاسکال) بدست آمد.

در تیمار دوم که از 70% پلیمر گیاهی و 30% آرد چوب پهن برگ بدون استفاده از نانورس ساخته شد مدول کشش نمونه برابر با 3481(مگاپاسکال) بدست آمد که از مقایسه این دو تیمار میتوان نتیجه گرفت که با کاهش پلیمر گیاهی در حالت بدون استفاده از نانورس مدول کشش نمونه افزایش پیدا میکند.

شکل 7- تاثیر مقدار پلیمر بر روی مدول کشش در حالت بدون استفاده از نانورس

تاثیر نانورس بر روی مقاومت خمش در حالت 70% پلیمر در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر نانو رس بر روی مقاومت مکانیکی خمش کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت، اطلاعات زیر بدست آمد در نمونه یا تیمار اول که از 70% پلیمر گیاهی و 30% الیاف پهن برگ در حالت بدون استفاده از نانو رس به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده بود مقاومت حاصل برابر با 19.85(مگاپاسکال) بدست آمد.

در نمونه یا تیمار دوم با همین ترکیب و با همین روش یعنی 70%پلیمر گیاهی و 30% الیاف پهن برگ با این تفاوت که در این تیمار از 2% نانورس استفاده شد مقاومت آن برابر با 19.92(مگا پاسکال) بدست آمد که از مقایسه این دو تیمار می توان نتیجه گرفت که با افزایش نانو رس به ترکیب به مقدار 2% مقاومت خمش نمونه افزایش خیلی محسوسی پیدا می کند.

تاثیر نانورس بر روی مقاومت خمش در حالت 80% پلیمر

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر نانو رس بر روی مقاومت مکانیکی خمش کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت، اطلاعات زیر بدست آمد در نمونه یا تیمار اول که از 80% پلیمر گیاهی و 20% الیاف پهن برگ در حالت بدون استفاده از نانو رس به روش قالب­گیری تزریقی ساخته شده بود مقاومت حاصل برابر با 19.16(مگاپاسکال) بدست آمد.

در نمونه یا تیمار دوم با همین ترکیب و با همین روش یعنی 80%پلیمر گیاهی و 20% الیاف پهن برگ با این تفاوت که در این تیمار از 2% نانورس استفاده شد مقاومت آن برابر با 19.65(مگا پاسکال) بدست آمد که از مقایسه این دو تیمار می توان نتیجه گرفت که با افزایش نانو رس به ترکیب به مقدار 2% مقاومت خمش نمونه افزایش محسوسی پیدا می کند.

تاثیر مقدار پلیمر بر روی مقاومت خمش در حضور 2% نانورس در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر مقدار پلیمر گیاهی بر روی مقاومت خمش نمونه کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت به این قرار است که در نمونه یا تیمار اول که از 80% پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و 20% آرد چوب پهن برگ به همرا 2% نانورس ساخته شد.

مقاومت خمش نمونه برابر با 19.65(مگاپاسکال)بدست آمد، در تیمار دوم که از 70%پلیمر گیاهی و 30% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مقاومت خمش نمونه برابر با 19.92(مگاپاسکال)بدست آمد، در تیمار سوم که از 60%پلیمر گیاهی و 40% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مقاومت خمش نمونه برابر با 21.22(مگاپاسکال)بدست آمد.

در تیمار چهارم که از 50%پلیمر گیاهی و 50% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مقاومت خمش نمونه برابر با 22.4(مگاپاسکال)بدست آمد که از مقایسه این چهار تیمار می توان نتیجه گرفت که با کاهش پلیمر مقاومت خمش نمونه ها افزایش پیدا میکند.

تاثیر نانورس بر روی مدول خمش در حالت 80% پلیمر در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر نانو رس بر روی مدول خمش کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت، اطلاعات زیر بدست آمد در نمونه یا تیمار اول که از 80% پلیمر گیاهی و 20% الیاف پهن برگ در حالت بدون استفاده از نانو رس به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده بود مدول حاصل برابر با 2746(مگاپاسکال) بدست آمد.

در نمونه یا تیمار دوم با همین ترکیب و با همین روش یعنی 80%پلیمر گیاهی و 20% الیاف پهن برگ با این تفاوت که در این تیمار از 2% نانورس استفاده شد مدول آن برابر با 2907(مگا پاسکال) بدست آمد که از مقایسه این دو تیمار می توان نتیجه گرفت که با افزایش نانو رس به ترکیب به مقدار 2% مدول خمش نمونه افزایش خوبی پیدا می کند.

تاثیر نانورس بر روی مقاومت به ضربه نمونه در حالت 80% پلیمر در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر نانو رس بر روی مقاومت مکانیکی ضربه کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت، اطلاعات زیر بدست آمد در نمونه یا تیمار اول که از 80% پلیمر گیاهی و 20% الیاف پهن برگ در حالت بدون استفاده از نانو رس به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده بود مقاومت حاصل برابر با 32.6(مگاپاسکال) بدست آمد.

در نمونه یا تیمار دوم با همین ترکیب و با همین روش یعنی 80%پلیمر گیاهی و 20% الیاف پهن برگ با این تفاوت که در این تیمار از 2% نانورس استفاده شد مقاومت آن برابر با 33.3(مگا پاسکال) بدست آمد که از مقایسه این دو تیمار می توان نتیجه گرفت که با افزایش نانو رس به ترکیب به مقدار 2% مقاومت کشش نمونه افزایش پیدا می کند.

تاثیرمقدارپلیمر بر روی مقاومت به ضربه نمونه در حضور 2% نانورس در نانوکامپوزیت چوب پلاست 

طی مقایسه ای که جهت پیدا کردن تاثیر مقدار پلیمر گیاهی بر روی مقاومت ضربه نمونه کامپوزیت گیاهی ساخته شده به روش قالب گیری تزریقی از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و الیاف گیاهی گونه پهن برگ (راش توسکا صنوبر) صورت پذیرفت به این قرار است که در نمونه یا تیمار اول که از 80% پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و 20% آرد چوب پهن برگ به همرا 2% نانورس ساخته شد.

مقاومت ضربه نمونه برابر با 33.3(ژول)بدست آمد، در تیمار دوم که از 70%پلیمر گیاهی و 30% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مقاومت ضربه نمونه برابر با 32.6(ژول)بدست آمد، در تیمار سوم که از 60%پلیمر گیاهی و 40% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مقاومت ضربه نمونه برابر با 30.6(ژول)بدست آمد و در تیمار چهارم که از 50%پلیمر گیاهی و 50% آرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس ساخته شد مقاومت ضربه نمونه برابر با 27(ژول) بدست آمد که از مقایسه این چهار تیمار می توان نتیجه گرفت که با کاهش پلیمر در حضور نانو مقاومت به ضربه کاهش می یابد.

بحث

تاثیر مقدار نانورس بر روی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت حاصل از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و آرد چوب پهن برگ و نانورس مورد استفاده قرار گرفت. نتایج سایر تحقیقات نشان می­دهد که معمولاً با افزایش درصد رس ساختمان­های جدید درهم رفته و سپس توده­های رس در نانو کامپوزیت تشکیل می­شوند زیرا ذرات نانورس به علت تشکیل اتصال قوی با ماتریس پلیمر موجب افزایش مدول در کامپوزیت می­گردند البته پس از حد مشخصی روند افزایش خواص با افزایش درصد رس کُند و حتی گاهی معکوس خواهد شد (Samal et at.2008).افزایش مقدار نانورس در نانوکامپوزیت­ها به دلیل اتصال بین سطحی مواد و نانورس موجب اتصال بهتر مواد و از اینرو موجب افزایش کیفیت مکانیکی کامپوزیت­ها می­شود.

(کرابی و همکاران.1386).با افزایش به مقدار 2% نانورس به نانوکامپوزیت وپلیاتیلنو آردچوب کاج، مقاومتهای نانوکامپزیت افزایش خوبی پیدا میکند.(وو وهمکاران).در تحقیقی دیگر که بررسی تاثیر نانورس بر روی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت مورد برسی قرار گرفت با افزایش مقداری نانورس، در مقاومتها افزایش نشان می­دهد. ولی زمانی که این مقدار نانورس از حد معین بیشتر می­شود باعث کاهش در مقاومتها می­شود. در این تحقیق بهترین مقدار نانورس 4% بیان شده است.(فو و ناگویب).

به همین دلیل نتایج نشان داد که با افزایش مقدار 2% نانورس در نمونه­های کامپوزیتی 70% پلیمر، مقاومت کشش، خمش، مدول کشش، خمش و مقاومت به ضربه افزایش می­یابد؛ و در نمونه کامپوزیتی 80%پلیمر نیز مقاومت خمش، مدول خمش، مقاومت به ضربه و سختی نمونه افزایش می­یابد و سایر مقاومتها کاهش می­یابد در کل میتوان گفت که با افزایش مقدار 2% نانورس همانند سایر تحقیقات افزایشی در مقاومتها دیده می­شود.

تاثیر مقدار پلیمر بر روی خواص مکانیکی کامپوزیت حاصل از پلیمرگیاهی نشاسته ذرت وآرد چوب پهن برگ موردبرسی قرار گرفت، نتایج سایر تحقیقات نشان داد که:در تحقیقی امکان استفاده از الیاف روزنامه به عنوان تقویت کننده و پلی پروپیلن به عنوان ماتریس بررسی شدکه در سه سطح 20،30و 40% وزنی الیاف مورد مطالعه قرار گرفت و مشاهده شد که در تیمار 40% الیاف بهترین خواص را ازخود نشان می­دهد (معدنی پور.مصطفی).

در سال 86 تحقیقی برای بررسی امکان استفاده از آرد چوب راش در ساخت فراورده با پلی­اتیلن سنگین مرد بررسی قرار گرفت این تحقیق در چهار سطح 10،20،30و 40% الیاف انجام گرفت که در آخر مشخص شد که تیمار چهارم که 40% الیاف بود مقاومت کششی، خمشی و مدول خمش و مدول کشش نتایج بهتری نشان داد و مقاومت به ضربه در 10% الیاف بهترین مقدار را از خود نشان داد (معدنی پور. مصطفی 1386).

در مطالعه که بر روی خواص مکانیکی کامپوزیت چوب پلاست مورد بررسی قرار گرفت مشخص شد که با افزایش مقدار الیاف تقویت کننده که آرد چوب صنوبر بود، خواص مکانیکی مقاومت کشش ومدول کشش ومقاومت خمش افزایش می­یابد.(کانترو و لیانو.2003) از اینرو نتایج تحقیق نشان داد که با افزایش مقدار پلیمر گیاهی از 70% به 80% مقاوت خمش مدول خمش و مقاومت کشش و مدول کشش و سختی نمونه کاهش می­یابد ولی مقاومت به ضربه نمونه با افزایش مقدار پلیمر گیاهی، افزایش می­یابد که با تحقیقات سایر محققان مطابقت دارد.

تاثیر مقدار پلیمر گیاهی بر روی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت حاصل از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت و آرد چوب پهن برگ و نانورس نشان داد که:در تحقیقی که برای تهیه نانوکامپوزیت ترموپلاستیک بر پایه NBR/PVC انجام شد تحقیق نشان داد که با افزایش مقدار پلیمر باعث افزایش در مقاومت و مدول پایداری و پیچش حرارتی می­شود که این به علت اتصال قوی است که بین ماتریس و نانو وجود دارد (اسمی زاده.الناز.1389).

در تحقیق دیگری که تاثیر مواد افزودنی بر خواص مکانیکی و مقاومت دمایی کامپوزیت آردچوب و پلی­پروپیلن مورد بررسی قرار گرفت مشخص شد که با افزایش مقدار پلیمر و مواد افزودنی خواص مکانیکی و حرارتی نمونه کامپوزیتی بهبود قابل ملاحظه­ای داشته است (کیم وهمکاران.2007).

در تحقیق دیگری که برای بررسی تاثیر الیاف کاغذ در کامپوزیت پلیمری را مورد بررسی قرار داد استفاده از الیاف چوب به عنوان تقویت کننده نشان داد که مدول وسختی نمونه با بالا رفتن مقدار الیاف افزایش می­یابد.(تجویدی 1382). از اینرو نتایج تحقیق نشان می­دهد که در نانو کامپوزیت حاصل از پلیمر گیاهی نشاسته ذرت وآرد چوب پهن برگ به همراه 2% نانورس با افزایش مقدار پلیمر گیاهی مقاومت خمش، مدول خمش، مدول کشش و سختی نمونه کاهش می­یابد و از مقاومت کشش و مقاومت به ضربه نمونه کامپوزیتی افزایش می­یابد.

مصطفی معدنی پور، رضا تقی زاده

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

2) کارشناسی ارشد گروه مهندسی صنایع چوب و کاغذ، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد آستارا، ایران

منابع:

1- احمدجو، ا.ظهوری، غ، ح.مرتضوی، م، م. راشدی، ر.دماوندی، س.(1395) پلی اتیلن. ترجمه. سازمان انتشارات جهاد دانشگاهی

2- امیدوار، ا. وثابت رفتار، م، (1379) بررسی ساخت فرآورده مرکب الیاف چوب-پلی­استر با استفاده از الیاف بازیافتی کاغذ روزنامه. مجله منابع طبیعی ایران،28-22

3- بهشتی، م، ح.، رضادوست، ا، م.، (1384) پلاستیک­های تقویت شده (کامپوزیت­ها)، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران

4- پاک نژاد، ر.(1391) پاسخ دینامیکی ورق‌های لایه فلزی (FMLs) یکسر گیردار تحت ضربه با جرم بزرگ، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی.

5- پورحمزه، م.(1385) بررسی مقاومت به پوسیدگی و قابلیت جذب آب چندسازه کاه‏گندم پلی اتیلن. پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده جنگلداری و فناوری چوب، دانشگاه علوم‏کشاورزی ومنابع طبیعی‏گرگان،90 ص

6- تجویدی، م، (1382) بررسی خواص مهندسی و ویسکوالاستیک موادمرکب حاصل از پلی­مرهای گرمانرم و الیاف­طبیعی با استفاده‏از تحلیل دینامیکی و‏مکانیکی، رساله دکتری، دانشکده منابع­طبیعی، دانشگاه تهران،168 ص

7- جنگل و فراورده‌های چوب، مجله منابع طبیعی ابران دوره 69، شماره 1، بهار 95

12- رامتین، ع، کریمی، ع، تجویدی، م (1388) مطالعه‌ی خواص مکانیکی چندسازه‌های ساخته شده از نرمه‌های حاصل از سمباده زنی سطح تخته خرده چوب- پلی پروپیلن، دو فصلنامه‌ی علمی پژوهشی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران جلد 24 شماره 1، صفحه 68-58.

29- Chowdhury, F.H., Hoosur, M.V. and Jeelani, S., 2006. Studies on the flexural and thermo mechanical properties of woven carbon/nanoclay-epoxy laminates. Material Science and Engineering A (421), 298-306.

30- Han-seung, Y., K. Hyun-joong, B. Hee-junpark and H. Teak-Sung (2006). Water absorption behavior and mechanical properties of lignocellulosic fillerpolyolefin bio-composites. Composite Structures, 72(4): 429-437.

31- Ibach, R. E. and C. M. Clemons.2006. Effect of Acetylated Wood Flour or Coupling Agent on Moisture, UV, and Biological Resistance of Extruded Wood fiber-Plastic Composites. Forest Products Society

32- Lei.Y, Wu.Q, Clemons.C.M, Yao.F, Xu.Y; 2007. Influnce of nanoclay on properties of HDPE/wood composites, J. of Applied Polymer Sience Vol.106, 3958-3966

33- Migneault, s., A. Kaubaa A. KoubaaF. Erchiqui A. Chaala K. EnglundMichael P. Wolcott. 2009. Effect of processing method and fiber size on the structure and properties of Wood plastic Composite. Composite 40: 80-85.