ویژگی­های فیزیکی، مکانیکی چندسازه چوب پلاست

بررسی تاثیر میزان کربنات کلسیم رسوبی و آرد باگاس و پلی ­اتیلن بازیافتی بر ویژگی­های فیزیکی، مکانیکی چندسازه چوب پلاست

چوب پلاست یا پلی وود یک ماده چندسازه محسوب می شود. مواد چندسازه به موادی گفته می‌شود که از یک یا چند فاز ناپیوسته[1] در درون یک فاز پیوسته[2] تشکیل می‌شود و فاز پیوسته را ماده زمینه یا ماتریس^[3] می‌نامند. فاز ناپیوسته معمولاً سخت‌تر و محکم‌تر از فاز پیوسته بوده و تقویت‌کننده^[4] خوانده می‌شود (Shokrieh and Sonbolestan, 2008). فاز تقویت‌کننده موجب بهبود خواص مکانیکی می‌گردد و فاز زمینه یا ماتریس در چندسازه‌ها موجب انتقال نیرو به فاز تقویت‌کننده، مقاومت در برابر حرارت و مقاومت در برابر عوامل شیمیایی می‌شود.

به طور کلی، الیاف طبیعی برای تقویت پلاستیک (گرما سخت و گرمانرم) مناسب هستند، این مواد سبک، غیر ساینده، غیر خطرناک، فراوان و ارزان نیز هستند (Egute et al., 2009).

هرچه اندازه فاز تقویت­ کننده کوچک­تر شود، به دلیل افزایش سطح مشترک بین ماتریس و تقویت­کننده و همچنین کوچک شدن مراکز تمرکز تنش، خواص مکانیکی و کارایی کامپوزیت افزایش می­یابد (Kiss et al., 2007)

کلسیت طبیعی زمین یکی از قدیمی ترین پودرهای تولید شده است و کربنات کلسیم رسوب شده تقریبا اولین بار صد سال پیش تولید شد (Osman and Suter, 2002). ارزان بودن، در دسترس بودن، سبکی، سهولت روکش دهی سطحی، تولید آسان و قابلیت تحمل بار بالای آن از جمله عواملی هستند که باعث کاربرد وسیع این ماده به عنوان تقویت کننده شده است (He et al., 2011).

نتایج بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت­های پلی­پروپیلن/ کربنات کلسیم نشان دادند که با افزایش نانوذرات، مدول افزایش و مقاومت کششی آن کاهش می­یابد (Yang et al., 2006; Zhang et al., 2004; Chan et al., 2002).

از طرفی نیز مطالعات دیگر گزارش کرده­اند که افزودن ذرات کربنات کلسیم باعث کاهش خواص مکانیکی پلی­پروپیلن از جمله مدول آن می­شود (Thio et al., 2002; Lin et al., 2011).

هدف اين پژوهش بررسی تاثیر میزان کربنات کلسیم رسوبی و آرد باگاس بر ویژگی­های فیزیکی و مکانیکی چندسازه ساخته شده است.

مواد و روش­ها

تقويت كننده

آرد باگاس از شرکت چوب پلاست دز تهیه شد و در سه سطح 40، 50 و 60 درصد وزنی در چندسازه استفاده گردید.

مواد پليمري

از آنجا كه در كشور ایران هنوز مواد زايد شهري با برنامة مدون از هم تفكيك نمي‌شوند. همچنين فروشندگان ظروف يكبار مصرف هيچگونه اطلاعاتي در مورد مواد اوليه تشكيل دهنده اين ظروف نداشتند، و به‌دليل امكان وجود ناخالصي در مواد اوليه اين ظروف، لذا در اين تحقيق به منظور جلوگيري از هر گونه خطا و دقت عمل بيشتر، تصميم گرفته شد به‌جاي جمع‌آوري بطري‌هاي شير مستعمل بر پايه پلي‌اتيلن سنگين، اين ماده (پلي‌اتيلن بازيافتي) به روش آزمايشگاهي تهيه شود. به‌همین منظور پلي‌اتيلن سنگين از شركت بازرگاني پتروشيمي اراك با كد 5620 و شاخص جريان مذاب g/10min 20 تهيه شده و توسط دستگاه اكسترودر از نوع دو مارپيچه، بازیافت شد.

عامل سازگاركننده

برای ایجاد سازگاری میان الیاف سلولزی (قطبی) و پلی‌اتیلن بازیافتی (غیرقطبی) از انیدرید مالئیک پیوندشده با پلی‌اتیلن (MAPE) به مقدار 3 درصد در کلیه تیمارها استفاده گردید.

کربنات کلسیم رسوبی

كربنات كلسيم رسوبي ميكرونيزه از شركت‌ آهوان تهيه شد.

روش­ها

مواد به کار رفته به کمک دستگاه اکسترودر (کولین)، از نوع دو مارپیچه همسوگرد، مخلوط شدند. 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 مدل (Wieser) به گرانول تبدیل شدند.

به­منظور جلوگیری از هر گونه اثر منفی رطوبت، ذرات گرانول به کمک دستگاه خشک­کن در دمای 85 درجه سلسیوس خشک شدند. ذرات گرانول به­دست آمده به کمک دستگاه قالب­گیری تزریقی در دمای 170 درجه سلسیوس و با سرعت 60 دور در دقیقه و با فشار 100 مگاپاسکال مطابق با استاندارد ASTM D 618 برای تهیه نمونه­های آزمونی  خمش، و فیزیکی تهیه شد.

پس از عملیات قالبگیری نمونه‌های ساده (برای آزمون خمش)، و خواص فیزیکی شامل جذب آب و واکشیدگی ضخامت 24 ساعت به‌ترتیب مطابق استاندارهای ASTM D 747، و ASTM D 703 مورد آزمون قرار گرفتند.

تجزیه و تحلیل آماری

تجزيه و تحليل نتايج آزمون‌هاي مكانيكي در قالب طرح آماري كاملا تصادفي تحت آزمون فاكتوريل با استفاده از نرم‌افزار SPSS صورت گرفت، و از آزمون چند دامنه‌اي دانكن در سطح اطمينان 95 درصد جهت مقايسه ميانگين‌ها استفاده شد.

نتایج و بحث چوب پلاست یا پلی وود ساخته شده در این پژوهش

در این بررسی مقدار آرد باگاس در سه سطح 40، 50 و 60 درصد و ذرات کربنات کلسیم رسوبی در سه سطح 0، 3 و 6 درصد  مورد بررسی قرار گرفت. مقدار F و سطح معنی‌داری در جدول 1 نشان داده شده است.

اثر مقدار آرد باگاس بر مقاومت و مدول خمش و جذب آب و واکشیدگی ضخامت در سطح اطمینان 95 درصد معنی‌دار شد. اثر کربنات کلسیم رسوبی بر مقاومت و مدول خمشی، و جذب آب و اکشیدگی ضخامت در سطح اطمینان 95 درصد معنی‌دار شده است، اثر متقابل مقدار آرد و کربنات کلسیم رسوبی بر کلیه مقاومت­ها به استثناء جذب آب در سطح اطمینان 95 درصد معنی‌دار نمی‌باشد. اشکال 1 تا 8 اثرات مقدار آرد و  کربنات کلسیم بر خصوصیات مکانیکی و فیزیکی چندسازه را نشان می‌دهد.

جدول 1. تجزیه واریانس (مقدار  F و سطح معنی‌داری) نتایج چندسازه آرد باگاس/ پلی اتیلن ضایعاتی و کربنات کلسیم رسوبی

واکشیدگی ضخامت	جذب آب	مدول خمشی	مقاومت خمشی	خواص متغییر
6.874*	92.142*	209.487*	42.679*	مقدار آرد باگاس
0.906 ns	7.017*	31.994*	3.944*	کربنات کلسیم رسوبی
0.338ns	5.452*	2.207ns	0.603ns	مقدار آرد × کربنات کلسیم رسوبی

سطح معنی داری: *95٪، ns: عدم معنی‌داری

شکل 1. اثر مقدار آرد باگاس و کربنات کلسیم رسوبی بر مقاومت خمشی چوب پلاست

شکل 2. اثر مقدار آرد باگاس و کربنات کلسیم رسوبی بر مدول خمشی چوب پلاست

شکل 3. اثر مقدار آرد باگاس و کربنات کلسیم رسوبی بر جذب آب چوب پلاست

شکل 4. اثر مقدار آرد باگاس و کربنات کلسیم رسوبی بر واکشیدگی ضخامت چوب پلاست

 

تأثیر مقدار آرد بر مقاومت خمشی چوب پلاست یا پلی وود

نتایج نشان داد با افزایش مقدار آرد باگاس از 40 به 60 درصد مقاومت خمشی افزایش یافت. مقاومتهای مکانیکی کامپوزیتها به شدت به کیفیت سطح مشترک بین 2 فاز کامپوزیت وابسته است، لذا انتقال تنش از ماده زمینه به فاز تقویت کننده بوسیله این ناحیه صورت میگیرد.

با توجه به این تنش فاز ماتریس، نگهداری از ماده پرکننده و تقویت کننده  انتقال نیرو به فاز ثانویه تقویت ماتریس میباشد، از این رو با افزایش مقدار درصد ماده تقویت کننده میزان تنش قابل تحمل کامپوزیت بر اثر وجود تقویت کننده افزایش می یابد (George et al., 2001). به‌همین دلیل با افزایش مقدار آرد باگاس از 40 به 60 درصد مقاومت خمشی افزایش‌یافته است. که این نتایج مطابق Yang et al., 2004، Cui et al., 2008، است. در هنگام تنش کششی انتقال بار بین ماتریس و ذرات پرکننده به‌صورت برشی در سطح مشترک ماتریس و ذرات پرکننده ایجاد می‌شود، بنابراین سطح مشترک بین ذرات پرکننده و ماتریس باید بتواند این انتقال را به نحو مطلوب انجام دهد (Svab et al., 2005).

تأثیر مقدار آرد بر مدول خمشی چوب پلاست یا پلی وود

نتایج نشان داد با افزایش مقدار آرد باگاس از 40 به 60 درصد مدول خمشی افزایش یافت.

از آنجائیکه بین مدول الاستیسیته کامپوزیتها و مدول اجزای تشکیل دهنده آنها رابطه مستقیمی وجود دارد با در نظر گرفتن مدول الاستیسیته بالاتر مواد لیگنوسلولزی شاهد افزایش مدول الاستیسیته در کامپوزیت میباشیم (Febrianti et al., 2006).

با توجه به‌اینکه مواد سلولزی مدول خمشی نسبتاً زیادی دارند می‌توانند مدول خمشی کامپوزیت را بهبود بخشند (Oksman and Clemons, 1998). بنابراین، با افزایش آرد باگاس، مدول خمشی افزایش می‌یابد. در واقع یکی از دلایل اصلی افزودن مواد لیگنوسلولزی به پلاستیک‌ها تقویت و افزایش مدول خمشی آن‌هاست. نتایج این تحقیق با نتایج Yang et al., (2004)، منطبق است.

تأثیر مقدار پركننده بر جذب آب و واکشیدگی ضخامت چوب پلاست یا پلی وود

در این تحقیق ملاحظه گردید که با افزایش مقدار آرد باگاس از 40 به 60 درصد وزنی، جذب آب و واکشیدگی ضخامت چندسازه افزایش می‌یابد. در واقع با افزایش ماده لیگنوسلولزی، میزان گروه‌های هیدروکسیل آزاد پیوندپذیر با مولکو‌ل‌های آب، مقدار جذب آب و واکشیدگی ضخامت افزایش می‌یابد.

با توجه به طبيعت هيگروسكوپيك مواد ليگنوسلولزي، جذب آب مي‌تواند يك عامل محدودکننده در كاربرد نهايی چندسازه چوب – پلاستيك باشد. در واقع با افزایش مقدار آرد باگاس بر مقدار ماده آبدوست یعنی آرد مواد مرکب چوبی افزوده می‌شود و از طرف دیگر مقدار پلاستیک که یک ماده آب گریز است، کاسته می‌شود، در نتیجه جذب آب و واکشیدگی ضخامت چندسازه چوب – پلاستیک افزایش می‌یابد.

با افزایش پرکننده، حرکت مولکول‌های آب در بین فضاهای آن‌ها افزایش می‌یابد و منجر به افزایش جذب آب می‌شود. نتایج این بخش از تحقیق با نتایج حاصل از تحقیقات دیگر همچون تحقیقات Svab et al., 2005، منطبق است، ایشان بیان نمودند که با افزایش ماده لیگنوسلولزی، جذب آب و واکشیدگی ضخامت افزایش می‌یابد.

تأثیر مقدار کربنات کلسیم رسوبی بر مقاومت خمشی چوب پلاست یا پلی وود

با افزایش کربنات کلسیم رسوبی تا 6 درصد وزنی مقاومت خمشی چندسازه افزایش می‌یابد. این نتیجه ممکن است به دلیل تمایل ذرات کربنات کلسیم برای پر کردن شکاف­ها بر روی سطح الیاف، کاهش نقص فضای خالی در فرایند تشکیل چندسازه چوب پلاست باشد. با افزودن کربنات کلسیم و ایجاد چسبندگی سطحی قوی بین پلیمر و کربنات کلسیم، مقاومت خمشی افزایش می‌یابد (Lin et al., 2001). علاوه بر این، ذرات کربنات کلسیم به تشکیل پیوندهای شیمیایی قوی یا پیوند هیدروژنی متعدد کمک می­کند، که با تغییر و کاهش آب دوستی الیاف، به افزایش مقاومت اتصال می انجامد. علاوه بر این، ذرات کربنات کلسیم با اتصالات هیدروژنی و کووالانسی از طریق واکنش با گروه های هیدروکسیل حاضر در سطح مشترک بین الیاف و پلی اتیلن، سبب بهبود عملکرد سطح مشترک میشوند. این افزایش در مقاومت فصل مشترک می تواند به طور موثر تنش کششی را از ماتریس به فاز تقویت­کننده منتقل نماید. بنابراین افزودن ذرات کربنات کلسیم باعث افزایش مقاومت خمشی چند سازه می­شود.

تأثیر مقدار کربنات کلسیم رسوبی بر مدول خمشی چوب پلاست

از آنجائی‌که تأثیر ذرات بر روی خواص مکانیکی کامپوزیت‌های پلیمری به عواملی چون اندازه، شکل، نوع، ضریب ظاهری، ساختار بلوری، مقدار، مقدار پراکنش و کیفیت ذرات و نحوه اتصال آن‌ها با پلیمر بستگی دارد (Jahromi et al., 2010). لذا می‌توان افزایش در مقدار مدول خمشی چندسازه را در هنگام استفاده از 6 درصد کربنات کلسیم به ضریب ظاهری بالای ذرات کربنات کلسیم نسبت داد. ضریب ظاهری بالای ذرات موجب می‌شود سطح مشترک دو فاز افزایش یابد. افزایش مقدار کربنات کلسیم موجب افزایش مقاومت می‌گردد. علاوه بر این ذرات به‌عنوان تقویت‌کننده‌ موجب افزایش سطح مشترک بین دو فاز می­شود (Wu et al., 2007).

تاثیر مقدار کربنات کلسیم رسوبی بر جذب آب و واکشیدگی ضخامت چوب پلاست یا پلی وود

به دلیل آبدوستی ذرات کربنات کلسیم افزودن این ماده به چندسازه منجر به افزایش جذب آب و واکشیدگی ضخامت میشود.

نتیجه‌گیری

1. با افزایش مقدار آرد باگاس از 40 به 60 درصد، مقاومت و مدول خمشی، و جذب آب و واکشیدگی ضخامت افزایش‌ می‌یابد.
2. با افزایش مقدار کربنات کلسیم تا 6 درصد وزنی، مقاومت و مدول، جذب آب و واکشیدگی ضخامت افزایش می‌یابد.

منابع

1. Chan C.M., Wu J., Li J.X., Cheung Y.K., “Polypropylene/Calcium Carbonate Nanocomposites”, Polymer, No. 43, 2002, pp. 2981-2992
2. Cui, Y., Lee, S., Noruziaan, B., Cheung, M., and Tao, J. (2008). “Fabrication and interfacial modification of wood/recycled plastic composite materials,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 39(4), 655-661.
3. Febrianti, F., Setyawati, D., Karina, M., Bakar, E. S., and Hadi, Y. S. (2006). “Influence of wood flour and modifier contents on the physical and mechanical properties of wood flour-recycle polypropylene composites,” Journal of Biological Science 6(2), 337-343.
4. Egute, N.S., Forster, P.L., Parra, D.F., Fermino, D.M., Santana, S., Lugao, A.B., 2009. Mechanical and thermal properties of polypropylene composites with curaua fibre irradiated with gamma radiation. In: International Nuclear Atlantic Conference.
5. George, J., Sreekala, M. S., and Thomas, S. (2001). “A review on interface modification and characterization of natural fiber reinforced plastic composites,” Polymer Engineering and Science 41(9), 1471-1485.
6. Jahromi, S. G., Andalibizade, B., and Vossough, S. (2010). “Engineering properties of nanoclay modified asphalt concrete mixtures,” The Arabian Journal for Science and Engineering 35(1), 89-103.
7. Kiss A., Fekete E., Pukanszky B., “Aggregation of CaCO3 Particles in PP Composites:Effect of Surface Coating”, Composites Science and Technology, No. 67, 2007, pp. 1574-1583.
8. Lin, R. Y., Zhang, J. X., and Zhang, P. X. (2001). “Orthogonal experiment on synthesis conditions of nano CaCO3,” The Chinese Journal of Process Engineering 1(3), 97-101.
9. Lin Y., Chen H., Chan C.M., Wu J., “Nucleating Effect of Calcium Stearate Coated CaCO3 Nanoparticles on Polypropylene”, Journal of Colloid and Interface Science, No. 354, 2011, pp. 570-576.
10. Oksman, K., and Clemon, C. (1998). “Mechanical properties and morphology of impact modified polypropylene-wood flour composites,” Journal of Applied Polymer Science 67(9), 1503-1513.
11. Osman M.A., Suter U.W., “Surface Treatment of Calcite with Fatty Acids: Structure and Properties of the Organic Monolayer”, Chemistry of Materials, No. 14, 2002, pp. 4408-4415.
12. Shokrieh, M. and E. Sonbolestan, 2007. Effects of structural parameters on mechanical properties polymer/clay nanocomposites. Journal of Polymer Sciecence and Technology 20(2), 187-195.
13. Svab, I., Musil, V., and Leskovac, M. (2005). “The adhesion phenomena in polypropylene/wollastonite,” Acta Chimica Slovenica 52(3), 264-271.
14. Thio Y.S., Argon A.S., Cohen R.E., Weinberg M., “Toughening of Isotactic Polypropylene with CaCO3 Particles”, Polymer, No. 43, 2002, pp.3661-3674.
15. Yang, K., Yamg, Q., Li, G., Sun, Y., Feng, D., “Morphology and Mechanical Properties of Polypropylene/Calcium Carbonate Nanocomposites”,Materials Letters, No. 60, 2006, pp. 805-809.
16. Yang, H., Kim, H., Kim, H. J., and Park, H. J., (2004). “Thermogravimetric analysis of rice husk flour filled thermo plastic polymer composites,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 76(2), 395-404.
17. Zhang Q.X., Yu Z.Z., Xie X.L., Mai Y.W., “Crystallization and Impact Energy of Polypropylene/ CaCO3 Nanocomposites with Nonionic Modifier”, Polymer, No. 45, 2004, pp. 5985-5994.

[1] Discontinuos phase

[2] Continuos phase

[3] Matrix

[4] Reinforcement

علی کرباسچی^*1، مهدی اسداللهی¹، احمد ثمریها¹

دپارتمان مکانیک، دانشکده انقلاب اسلامی، دانشگاه فنی و حرفه ای استان تهران، ایران