ساخت نانوکامپوزیت چوب پلاست حاصل از آرد چوب صنوبر و پلی پروپیلن و بررسی خواص مکانیکی

چوب پلاستیک به عنوان یک زیر شاخه از کامپوزیت های پلیمری شناخته می شود. 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.

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(  (MAPPمورد 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)انها دريافتند كه تنها با اضافه كردن مقدار 2% نانو رس به كامپوزيت چوب پلاست حاصل از پلي اتيلن سنگين مقاومت خمشي و مقاومت كششي بهبود مي يابد در صورتي كه جذب آب و واكشيدگي ضخامت در آن كاهش مي يابد.

مواد و روشها:

تقویت کننده در ساخت چوب پلاست

ماده سلولزی مورد استفاده در تحقیق حاضرآرد چوب صنوبر می‌باشد که از استان گیلان جمع آوری و مورد استفاده قرار گرفت. میزان آرد چوب صنوبردر این تحقیق 45، 35 و 25 درصد وزنی مورد استفاده قرار خواهد گرفت و در ضمن ازآرد چوب صنوبر با ابعاد 100 مش استفاده خواهد شد

ماتریس در ساخت چوب پلاستیک

ماتریس پلیمری مورد استفاده در این تحقیق پلی پروپیلن می‌باشد.

مواد افزودنی در ساخت چوب پلاستیک

در این تحقیق از گروه‌های انیدرید استاریک به عنوان جفت کننده استفاده گردید.

دستگاه اکسترودر در ساخت چوب پلاستیک

به منظور ترکیب مواد مختلف از دستگاه اکسترودر دو ماردونه غیر همسوگرد کولین ساخت کشور آلمان واقع در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران استفاده شد.

دستگاه خرد کن نیمه صنعتی

به منظور خرد کردن مواد خنک شده خروجی از دستگاه اکسترودر و تبدیل آن به گرانول، از دستگاه خرد کن نیمه صنعتی WIESER مدل WG-Ls 200/200 ساخت 1989 کشور المان واقع در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران استفاده شد.

دستگاه قالبگیری تزریقی

به منظور ساخت نمونه‌های آزمونی استاندارد از دستگاه قالبگیری تزریقی (RIM)نیمه صنعتی ساخت شرکت ایمن ماشین 1376 موجود در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران استفاه گردید.

روش‌ها

فرایند اختلاط در ساخت چوب پلاستیک

مواد مورد استفاده در ساخت این فرآورده‌های مرکب ابتدا مطابق با مقادیر تعیین شده توزین شده و در کیسه‌های جداگانه‌ای قرار داده شدند. فرایند اختلاط مواد با دستگاه اکسترودر دوماردونه غیرهمسو گرد کولین با ضریب کشیدگی ، در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران با دماهای اختلاط 150-155-160-165-165 و با سرعت 70 دور در دقیقه انجام شد که پس از اختلاط مواد، چند سازه‌های بی‌شکل تولید شدند. این چندسازه‌های بی شکل پس از سرد شدن دوباره آسیاب شده وبرای حصول اطمینان از خشک بودن نمونه‌ها به مدت 4 ساعت با دمای 80 درجه داخل دستگاه اتوکلاو قرار گرفتند سپس در دستگاه قالبگیری تزریقی با محدوده دمایی150 تا 165 درجه سانتی‌گراد و با فشار 99 bar پرس شدند. بعد از خروج از پرس و سرد شدن فرآورده‌های حاصل از قالب خارج شده و سپس متناسب با نوع آزمون‌های فیزیکی و مکانیکی مربوطه برش خوردند.

اندازه گیری خصوصیات مکانیکی نمونه های 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 بر روی نمونه­های ساخته شده انجام شد.

نتایج

خصوصیات مکانیکی در ساخت چوب پلاست

اثر مستقل درصد آرد چوب صنوبر بر مقاومت خمشی نمونه های چوب پلاستیک

شکل 1- مقادیر مختلف میانگین متغیر وابسته مقاومت خمشی چوب پلاستیک در سطوح مختلف 25، 35 و 45 درصد آرد چوب صنوبر را که در یک گروه قرار گرفته اند را نشان می­دهد.

 

اثر مستقل جفت کننده بر مقاومت خمشی نمونه های چوب پلاست

شکل 2- مقادیر مختلف میانگین متغیر وابسته مقاومت خمشی در سطوح مختلف 6، 3 و 0 درصد آرد چوب صنوبر را که در یک گروه قرار گرفته اند را نشان می­دهد.

نتیجه گیری

بر اساس مشاهدات در مدول کششی با بالا بردن درصد آرد چوب مدول خمشی هم به این ترتیب افزایش پیدا می کند(دلیل: به دلیل استفاده از آرد چوب با مش 100 سطح ویژه مناسب تری پدید می آید و چسبندگی بین الیاف افزایش یافته) و این امر باعث افزایش مدول کششی می گردد.و حد اکثر درصد استفاده از جفت کننده برای بالا بردن مدول خمشی 3 درصد می باشد لذا در حد 3 درصد پیوند اشتراکی قابل توجهی بین عامل جفت کننده و الیاف سلولزی ایجاد می شود.هرچقدر چسبندگی بین الیاف و ماتریس پلیمری بهینه شود مدول کششی افزایش می یابد.

معدنی پور(1387)  در این بررسی خواص کاربردی فراورده های چند سازه  حاصل از پلی اتیلن سنگین و آرد چوب مورد بررسی قرار گرفت.برای تولید فراورده های چندسازه از روش اکستروژن جهت مخلوط سازی استفاده شد.و با استفاده از قالب گیری تزریقی رزین نمونه هایی ساخته شدند.نتایج آزمایشات مکانیکی نشان دادند که مقاومت کششی،مدول کششی و با افزایش مقدار تقویت کننده تا 40 درصد افزایش یافتند.

توانایی مقاومت مواد در برابر تغییر شکل تحت بار را استحکام خمشی مینامند.برای اندازه گیری استحکام خمشی از روشهای سه نقطه ای ، 4 نقطه ای تیرچه یکسر درگیر استفاده میکنند.و یا در تعریفی دیگر استحکام خمشی یا استحکام شکست یا مدول شکست حداکثر فشاری یا کششی(هر کدام باعث شکست میشود) است که ماده قبل از شکست می تواند تحمل کند.

خانجانزاده و همكاران (1390)،اثر نانو ذرات رس را روي خواص فيزيكي و مكانيكي چندسازه چوب پلاستيک مورد ارزيابي قرار دادند و دريافتند كه اضافه نمودن 3 درصد نانورس به تركيب، خواص مكانيكي شامل مدول و مقاومت كششي و خمشي را افزايش داده و تجاوز مقدار نانورس از 5 درصد سبب كاهش اين خواص مي شود. همچنين افزايش مقدار نانورس از صفر تا 5 درصد خواص فيزيكي شامل جذب آب و واكشيدگي ضخامت را بهبود داد.

دلیل آن این است که با اضافه نمودن مواد لیگنوسلولزی مقاومت کششی چند سازه افزایش میابد و در عین حال افزایش جفت کننده AA پیوند داده پلیمر گره خوردگی ایجاد نموده و سازگاری بین آرد چوب و ماتریس پلیمر را افزایش می دهد و سبب بهبود مقاومت کششی می شود. همچنین غیرهمگنی و نسبت بالای سطح به حجم نانورس با مواد آلی در قابلیت تقویت کنندگی بالای ذرات نانورس سهیم است ، و به این صورت عمل میشود که ذرات نانورس به عنوان تقویت کننده موجب می شوند سطح مشترك بین دو فاز افزایش پیدا کند. از طرفی با افزودن خاك رس در نتیجه تورم لایه های رس و ایجاد چسبندگی قوی بین پلیمر و خاك رس، مقاومت کامپوزیت افزایش می یابد بنابراین به این دلیل با افزودن نانورس مقاومت کششی و خمشی چوب پلاست افزایش پیدا می کند.

معدنی پور(1387)  در این بررسی خواص کاربردی فراورده های چند سازه  حاصل از پلی اتیلن سنگین و آرد چوب مورد بررسی قرار گرفت.برای تولید فراورده های چندسازه از روش اکستروژن جهت مخلوط سازی استفاده شد.و با استفاده از قالب گیری تزریقی رزین نمونه هایی ساخته شدند.نتایج آزمایشات مکانیکی نشان دادند که مقاومت کششی،مدول کششی و با افزایش مقدار تقویت کننده تا 40 درصد افزایش یافتند.

 منابع:

1 – قطبی فر ، ع.ر، کاظمی نجفی ، س ، اشکیکی ، ر.ب، ارزیابی اثر میزان سازگار کننده بر جذب آب و واکشیدگی ضخامتبلند مدت مواد مرکب هیبریدی پلی پروپیلن ،آرد چوب و الیاف شیشه ، مجله صنایع چوب و کاغذ ایران 1: 67-77 ، 1389.

2 – بسیجی، ف ، صفدری ، و . ر ، جهان لتیباری ، ا ، نوربخش ، ا ، اثر طول الیاف بر روی ویژگی های مکانیکی چند سازه چوب پلاست(پلی پروپیلن) فصلنامه علمی – پژوهشی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران ، 25(2):187-200، 1389

3 – پیرایی ، س ، مدهوشی ، م ، ماستری فراهانی ، م.ر ، اثر نانو رس بر مقاومت خمشی چوب پلاست ساخته شده با صنوبر – پلی پروپیلن ، کنفرانس ملی تجاری سازی ، توسعه ملی و علوم مهندسی ، ساری ، 1392

5 – معدنی پور ، م ، مطالعه خواص مهندسی فرآورده چند سازه حاصل از آرد چوب راش و ضایعات MDF  با اتیلن سنگین به روش RIM ، رساله دکترا ، دانشگاه علوم تحقیقات . 1385

6 – Oksman Niska K, SainM.Wood-polymer composites. Cambridge: Woodhead Publishing, Ltd; 2008. p. 384.

مصطفی معدنی پور*¹، سیدعبدالعظیم سیدتقوی ²

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

mostafamadanipour@yahoo.com

دانشجوی دکتری، گروه مهندسی صنایع چوب و کاغذ، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد آستارا، ایران