بررسی تأثیر تیمارحرارتی ریز موج بر خواص مهندسی چند سازه چوب پلاست آرد چوب

خواص مهندسی چوب پلاست میتواند منجر به کاربردهای وسیع این پروفیل شود. چند سازه چوب پلاست (wpc)از پلاستیک های بازیافتی و ضایعات چوبی ساخته می شود و در این دهه به یکی از پویا ترین بخش صنایع پلاستیک تبدیل شده است. رشد بازار (wpc) در اروپا 51 درصد و در امریکا شمالی 22 درصد بوده وما بقی در کشورهای آسیایی و آفریقایی می باشد Haider & 2010,  Eder)). خواص مهندسی چوب پلاست، تجدید پذیری، دوست دار محیط زیست، هزینه پایین، سبکی و خصوصیات مطلوب مکانیکی آنهاست Mohanty et al, 2004)) و Bledzki  & Gassan, 1999)). روشهای مختلفی جهت تولید چند سازه های چوب پلاست وجود دارد که مهمترین آنها فرایندهای اکستروژن و قالب گیری تزریقی می باشند  Kim et al, 2010)). کاربرد گرما دهی یا امواج ریز موج به ترکیبات پلیمری در سه دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. عمل آوری با تابش ریزموج پتانسیل زیادی برای بهبود روش های کنونی تولید چند سازه ها دارد. همچنین گرمادهی با تابش ریزموج به شکل همرفتی انرژی الکترومغناطیسی نسبت به انرژی گرمایی با انتقال گرما، مناسب تر است  Papargyris et al, 2008)). گرمادهی با ریزموج به شکل حجمی است و به سطح محدود نمی شود در نتیجه، مواد پلیمری گرمانرم می توانند در قالب ریزموج سریع تر فراوری شوند Sgriccia  & Hawley, 2007)). فراوری با ریزموج، به روش انتقال گرمایی همرفتی دارای چندین مزایا می باشد که شامل: گرمادهی سریع، افزایش چسبندگی الیاف ماده زمینه و کنترل پذیری زیاد است. گرمادهی با ریزموج به شدت به مقدار خواص دی الکتریک پلیمر بستگی دارد. بنابراین انرژی امواج ریزموج به طور مستقیم به داخل لایه مرزی مواد زمینه ای بسیار نازک منتقل می شود Zhou  & Hawley, 2003)).

نانوچندسازه ­های پلیمری گروه جدیدی از مواد مرکب هستند که دارای ذراتی با ابعاد نانومتر می­باشند و نانوچندسازه­ های حاصله حداقل حاوی 5 الی10 درصد از این ترکیبات هستند. هرچند این فرآورده­ها به تازگی وارد صنعت شده­اند اما در این بین، چندسازه­های پرشده با نانورس و نانوکربن رشد سریعی در این صنعت یافته­اند  Galgalia et al, 2005)) و بسیاری از تحقیقات حاکی از اثر مثبت این نانوذرات بر بهبود مقاومت مکانیکی چندسازه­هاست Farsi et al, 2013))، Liany et al, 2013))، Nourbakhsh & Ashori, 2009)) و Lei et al, 2007)) .

با توجه به اهمیتخواص مهندسی چوب پلاست در این تحقیق برای ساخت چند سازه ها از آرد چوب،HDPE  و افزودن چهارسطح نانو سیلیس استفاده شد. سپس پیش از آزمون برای بهبود فرایند تولید و تقویت مقاومت چند سازه ها نمونه ها درمعرض امواج ریزموج قرار گرفتند، در نهایت خواص مکانیکی کامپوزیت ها بررسی شد.

2- مواد و روش ها:

2-1- مواد

پلی­اتیلن­سنگین(HDPE)  با شاخص جریان مذاب18 گرم در10 دقیقه و نقطه ذوب190(درجه سانتی گراد) از شرکت پتروشیمی تبریز خریداری و به عنوان ماده زمینه انتخاب شد. از مالئیک انیدرید پیوندشده با پلی اتیلن (MAPE) محصول شرکت Merck آلمان به عنوان جفت کننده با شاخص جربان مذاب4/0 در 10 دقیقه ومیزان مالئیک انیدرید 8/0درصد استفاده گردیدگرم استفاده گردید. چوب راش مورد نیاز در این تحقیق در کارخانه ای در شمال ایران تهیه و توسط آسیاب آزمایشگاهی خرد شد و پس از عبور از الک با مش 60 و باقیمانده بر روی مش 80 به عنوان پرکننده فیبری مورد استفاده قرار گرفت. ترکیبات شیمیایی آرد چوب راش در جدول (1) نشان داده شده است.

جدول1: ترکیب شیمیایی آردچوب راش

دیگر مواد(%)	لیگنین(%)	همی سلولز(%)	سلولز(%)	نوع مواد
16	22	25	37	آرد چوب راش

پودر نانو سیلیس توليدشده توسط شرکت دگوسا آمریکا با نام تجاريSio2 استفاده گردید. آرد چوب تا دمای 100 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت در اتو خشک شد تا به رطوبت زیر 1 درصد برسد. بقیه مواد به محض رسیدن مورد استفاده قرار گرفتند.

2-2- تهيه چند سازه چوب پلاست

فرمول چندسازه­ های تهیه شده در جدول 2 آمده است. مقدار نانوسیلیس به ترتیب 0، 1 ، 2  و 3 درصد  و آرد چوب به مقدار ثابت 50 درصد برای همه نمونه­ها انتخاب شد. عمليات اختلاط مواد دردستگاه اکسترودر دومارپیچه ناهمسوگرد Dr.Collin Germany) ( که دارای 6 منطقه گرمایی به ترتیب150، 155، 155، 155، 150و145 درجه سانتی گراد و با سرعت60دور در دقیقه وفشار 1500 مگاپاسکال در منطقه دای انجام شد. پس از اختلاط مواد، آميزه توليدشده توسط خردکن نيمه صنعتي WIESER) WGLS200/200 Model) آسياب و به دستگاه قالبگيري تزريقي انتقال يافت و نمونه هاي آزموني با دمای 160درجه سانتی گراد با سرعت بارگیری rpm45، فشار تزریق bar80، زمان کولینگ 75 ثانیه، فشار بارگیری 2000 بارو از هر تیمار 5 نمونه ساخته شدند. در نهایت نمونه­ها جهت کلیماتیزه شدن، طبق استاندارد99-618ASTM Dحداقل به مدت 40 ساعت در دمای 23درجه سانتی­گراد ورطوبت نسبی 50 درصدقرار گرفتند.

جدول 2: ترکیب مواد

Number	Composite Formula	HDPE (wt%)	Wood flour (wt%)	Nano-SiO2 (wt%)	MAPE (wt%)
1	47HDPE/50WF/0NS/3M	50	50	0	3
2	46HDPE/50WF/1NS/3M	50	50	0	3
3	45HDPE/50WF/2NS/3M	50	50	0	3
4	44HDPE/50WF/3NS/3M	50	50	0	3
5	47HDPE/50WF/0NS/3M*	50	30	20	3
6	46HDPE/50WF/1NS/3M*	50	30	20	3
7	45HDPE/50WF/2NS/3M*	50	30	20	3
8	44HDPE/50WF/3NS/3M*	50	30	20	3

^*Modified with Microwave Irradiation

خواص مهندسی چوب پلاست ساخته شده

3- خصوصیات جذب آب و وکشیدگی ضخامت

شکل 1و2 به ترتیب جذب آب و واکشیدگی ضخامت 48 ساعته نانو چند سازه الیاف چوب/ نانو سیلیس و پلی اتیلن سنگین را در دو حالت فرآوری شده وفرآوری نشده با امواج ریز موجنشان می دهد.چون مقدار الیاف چوبی در تمامی ترکیب ثابت (50 درصد) بود مقادیر متفاوت جذب آب و واکشیدگی ضخامت به نقش نانو سیلیس و فراوری با امواج ماکروویو مربوط می شود. می توان مشاهده نمود نانو چند سازه های بدون نانو سیلیس و فرآوری نشده با اماج ریز موج نسبت به نمونه حاوی نانو سیلیس بیشترین جذب آب و واکشیدگی ضخامت را دارند .بر طبق نظرات اسپرت و همکاران جذب آب در چند سازه های چوب پلاست از مکانیزیم های مختلفی انجام می شود Espert   et al, 2007)) . که عبارتند از :

1- جذب آب از طریق دیواره سلولی ماده لیگنو سلولزی که ناشی از طبیعت نم پذیر مواد لیگنو سلولوزی است که منجر به واکشیدگی ضخامت نمونه می شود.

2- جذب آب به وسیله فرآیند مویینگی که از طریق فواصل و شکافهای موجود در حد فاصل بین پلاستیک  و الیاف چوب و خلل و فرج موجود در زمینه پلیمری انجام می شود که اولی به دلیل تعادل ضعیف بین چوب و پلاستیک بوده و دومی ناشی از فرایند تولید است.

در بین نمونه های چوب پلاست فرآوری نشده کمترین میزان جذب آب و واکشیدگی ضخامت مربوط به نمونه های حاوی 3 درصد نانو سیلیس می باشد که علت آن ابعاد بسیار کوچک نانو سیلیس بوده که با نسبت طول به قطر بالا میتوانند فضای خالی موجود در ماده زمینه را پرکنند لذا جذب آب را کاهش می دهد. همچنین شکل1و2 نشان می دهند که با انجام عمل فرآوری توسط امواج ریز موج جذب آب و واکشیدگی ضخامت بیشتر کاهش می یابد، در اثر امواج مایکروویو الیاف سلولوزی بهتر خیس شده و در نتیجه توسط ماده زمینه محصور می شوند و میزان خلل و فرج ماده زمینه که نقاط نفوذ آب درون پلیمر هستند بسته
می شوند.در شکل1 زیر می توان مشاهده نمود که چند سازه فرآوری شده با امواج ریز موج و حاوی 3 درصد نانو سیلیس با جذب آب حدود 4 درصد در مقایسه با نمونه های فرآوری نشده و بدون نانو سیلیس 66 درصد افت را نشان می دهد.

شکل1:جذب آب  

 شکل2:واکشیدگی ضخامت

4- مقاوت و مدول الاستیسیته خمشی

متوسط مقادیر مقاوت و مدول الاستیسیته خمشی نانو چند سازه های چوب پلاست حاوی مقادیر مختلف نانو سیلیس در دو حالت فراوری نشده و فرآوری شده با امواج ریز موج به ترتیب در شکل (3و4) ارائه شده است. شکل 3 نشان می دهد که اضافه شدن نانو سیلیس موجب افزایش مدول خمشی می گردد. به گونه ای که در شکل نشان داده شده است بیشترین مدول خمشی در نانو چند سازه های فرآوری شده با امواج ریز موج و حاوی 3 درصد نانو سیلیس به مقدار 86 .1116 مگاپاسکال
می باشد. در حالی که کمترین مدول خمشی به نمونه های فراوری نشده و بدون نانو سیلیس (نمونه شاهد) به مقدار 84 . 769 مگاپاسکال تعلق دارد. مدول الاستیسیته چند سازه به فاکتورهای زیادی مانند میزان الیاف مورد استفاده، جهت یابی الیاف، اتصال الیاف و ماده زمینه در منطقه بین فازی مدول الاستیسیته اجزای تشکیل دهنده و  دانسیته آن بستگی دارد Hull & Clyne, 1996)).

مدول الاستیسیته نانو سیلیس حدود 73.1 گیگا پاسکال گزارش شده است .بنابراین جای گزینی الیاف چوب که دارای مدول الاستیسیته حدود 5 تا 8 گیگاپاسکال است با نانو سیلیس می تواندتاثیر معنا داری روی مدول الاستیسیته نانو چند سازه داشته باشد و از طرفی نسبت طول به قطر L/d بالای نانو سیلیس مورد استفاده در این تحقیق با افزایش سطح ویژه، فوق العاده زیاد بسیار مهم و چشمگیری در افزایش مدول الاستیسیته چند سازه چوب پلاست دارد. این نتایج با تحقیقات Nourbakhsh   et al, 2007)) همخانی دارد.

همچنین با اعمال عمل آوری با امواج ریز موج نسبت به نمونه شاهد مدول الاستیسیته از 685.72 مگاپاسگال به 1116.86 مگاپاسکال افزایش یافته است. که موجب مقاومت کششی بالاتر و تا حدودی افزایش مقاومت خمشی شده است داردDrzal & Madhukar, 1993)) و Deng & Ye, 1999)). دلیل دیگر بهبود اتصال بین الیاف و ماتریس به خصوص در چند سازه های تقویت شده با الیاف چوب توسعه پخت ماده زمینه می باشد که از سطح الیاف به حجم انتقال می یابد. در پخت توسط امواج ریز موج الیاف چوب ممکن است مقدار زیادی از قدرت مایکروویو را به صورت گرما جذب کند و فرآیند پخت از سطح خارجی الیاف به حجم ماده زمینه منتقل شود.این موضوع منجر تشکیل منطقه بین بدون تنش در اطراف الیاف می شود Hook   et al, 1990)) و Agrawal & Drzal, 1999)).

مدول خمشی نانو چند سازه های چوب پلاست فرآوری شده با امواج ریز موج در حالت 2،1 و3 درصد نانو سیلیس به ترتیب
29.3،44و62.87 درصد بیشتر از نمونه شاهد است. شکل 3 نمونه های فرآوری شده حاوی 2،1و3 درصد نانو سیلیس به ترتیب مدول الاستیسیته  17.65- 6.14 و 10.93 درصد بیشتر از نمونه های فرآوری نشده است.

همچنین اثر مثبت نانو سیلیس و عمل آوری توسط ریز موج در شکل شماره 4 نشان داده شده است همان گونه که در شکل دیده می شود با اضافه شدن نانو سیلیس تا سطح 3 درصد مقاومت خمشی 40.4 درصد افزایش می یابد به گونه ای که مقاومت خمشی از 19.13مگاپاسکال در نمونه های شاهد به 26.86 مگاپاسکال در نانو چند سازه های حاوی 3 درصد نانو سیلیس افزایش می یابد. با اعمال تیمار امواج ریز موج مقاومت خمش چند سازه های دارای 2،1و3 درصد نانو سیلیس به ترتیب 9.38-19و29.1 درصد بیشتر از نمونه شاهد تیمار شده با امواج ریز موج می باشد. مقاومت خمشی چند سازه ها به پیوند بین اجزای آن بستگی دارد افزایش مقاومت خمشی با اعمال تیمار ربز موج کاهش ویسکوزیته در اثر امواج ماکروویو و خیس شدن بهتر الیاف می باشد و در نتیجه مقاومت در منطقه بین فازی بین الیاف و ماتریس بهبود می یابد.

نانو سیلیس نیز به علت داشتن ابعاد بسیار کوچک و همچنین مقاومت مکانیکی و نسبت طول به قطر بالا می توانند در چند سازه به طور مناسب توزیع شده و چسبندگی محکمی با اجزای چند سازه ایجاد نمایند. به طور کلی نتایج آزمون خمش نشان داد که بیشترین میزان مدول الاستیسیته و مقاومت کششی به ترتیب با مقادیر 1116.86 مگاپاسکال و 28.35 مگاپاسکال در چند سازه های حاوی 3 درصد نانو سیلیس و تیمار شده با امواج ریز موج دیده می شود.

شکل3:مقاومت خمشی به عنوان خواص مهندسی چوب پلاست

شکل4: مدول الاستیسیته خمشی به عنوان خواص مهندسی چوب پلاست

5- مقاومت به ضربه چوب پلاست

مقاومت به ضربه بدون فاق به عنوان خواص مهندسی چوب پلاست مورد مطالعه در شکل 5 نشان داده شده است. شکل 5 حاکی از آن است که به طور کلی چند سازه های تیمار شده با امواج ریز موج دارای مقاومت به ضربه کمتری در مقایسه با نمونه های تیمار نشده می باشد. اثر مقدار نانو سیلیس بر مقاومت به ضربه نانو چند سازه های تیمار نشده نشان داد که نمونه های بدون نانو سیلیس در مقایسه با نمونه های حاوی نانو سیلیس  دارای مقاومت بیشتری به مقدار 50.39 ژول بر متر می باشد.همچنین در نمونه های تیمار نشده با امواج ربز موج ،مقاومت به ضربه چند سازه های حاوی 2،1و3 درصد نانو سیلیس به ترتیب
3.9 -6.03و9.2درصد کمتر از نمونه های شاهد می باشد. با انجام تیمار ریز موج و افزایش میزان نانو سیلیس از 1تا 3 درصد میزان مقاومت به ضربه بدون فاق چند سازه های مورد مطالعه در مقایسه با نمونه های شاهد و تیمار شده با امواج ربز موج به ترتیب 4.3 -4.3و18.5  درصد کاهش می یابد. مقاومت به ضربه بدون فاق نشان دهنده مقاومت ماده در برابر شکست و شروع ترک می باشد و ترک همیشه در ضعیف ترین نقطه چند سازه یعنی سطوح مشترک بین ماده لیگنو سلولوزی و پلیمر اتفاق
می افتد. نانو سیلیس در چند سازه ها میتواند نقاط تمرکز تنش را ایجاد کرده که مستعد شکست و توسعه ترک باشد. لذا با افزایش نانو سیلیس مقاومت به ضربه چند سازه کاهش می یابد و همچنین نتایج آزمون به ضربه نشان می دهد که چند سازه بدون نانو سیلیس و تیمار   نشده با امواج ریز موج بیشترین مقاومت به ضربه را دارد.

شکل5:مقاومت به ضریه به عنوان خواص مهندسی چوب پلاست

6- تصاویر میکروسکوپ الکترونیکی

تصاویر میکروسکوپ الکترونیکی وسیله مناسبی جهت توجیح به عنوان خواص مهندسی چوب پلاست هستد، بین خواص چند سازه و ساختار درونی آنها رابطه وجود دارد.

شکل 4-1 (a) مربوط به نمونه های حاوی 3 درصد نانو سیلیس و بدون تیمار ریز موج می باشد.که با بزرگنماییx1000 نشان داده شده است. همانگونه که در شکل ملاحضه می شود بخش های مختلف پلیمر در منطقه شکست از هم گسیخته می باشد و در بین ماده زمینه ذرات نانو سیلیس مشاهده می گردد. در بعضی از نقاط نیز الیاف چوب از ماده زمینه جدا شده و به جای آن منافذ خالی دیده می شود که نشان از اتصال ضعیف بین الیاف و ماده زمینه دارد، همانگونه که نمودار مقاومت و مدول خمشی نیز مشاهده شد. نمونه تیمار نشده نسبت به نمونه های تیمار شده دارای مقاومت های پایین تری بودن و همچنین جذب آب آنها بیشتر است.

شکل 7-4 (b) چند سازه چوب پلاست حاوی 2درصد نانو سیلیس و تیمار شده با امواج ریز موج با بزرگنمایی x10000 را نشان می دهد. همانگونه که ملاحضه می شود با انجام تیمار ریز موج سطح نمونه یکنواخت تر شده و ماده زمینه به طور کامل الیاف را در بر گرفته است، که حاکی از اثر مثبت تیمار ربز موج بر روی نمونه ها می باشد.افزایش مقاومت و مدول خمشی با اعمال تیمار ریز موج در این آزمایش حاکی از همین مطلب است. همانگونه که در شکل نیز مشاهده می شود تعداد حفرات موجود در سطح نیز کاهش یافته است که همزمان با این مسله جذب آب نمونه نیز کم شده است.این مسله در شکل 8-2 (c) با بزرگنمایی x10000 مشهود تر است، همانگونه که در این شکل نیز دیده می شود سطح الیاف با ماده زمینه ذوب شده در اثر اعمال تیمار ریز موج پوشیده شده است و حفرات از بین رفته است، همچنین با افزایش میزان نانو سیلیس از 2 به 3 درصد در شکل 7-2 (d) با بزرگنمایی x20000 حاکی از تجمع بیش از حد نانو سیلیس روی سطح شده و نقاط تمرکز تنش و توسعه ترک را موجب می دهد لذا کاهش مقاومت به ضربه به همین دلیل می باشد.

شکل6: تصویر میکروسکوپ الکترونی

/ نانوسیلیس/ HDPE

امیر امینی¹. محمد فارسی²

1- کارشناس ارشد گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساری

2- دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساری

Amir6798@yahoo.com¹.mfarsi2008@gmail.com²

7- مراجع

1. Haider, A. and Eder, A.( 2010) Markets, applications, and processes for wood polymer composites (WPC) in Europe. Paper presented at the proceedings of 1st international conference on processing technologies for the forest and bio-based products industries, Salzburg/Kuchl,Austria, 7–8 October,
2. Mohanty, A.K. Wibowo, A. Misra, M. and Drzal, L.T.( 2004) Effect of process engineering on the performance of natural fiber reinforced cellulose acetate biocomposites. Composites Part A; 35(3): 363–370.
3. Bledzki, A.K. and Gassan, J.( 1999) Composites reinforced with cellulose based fibres. Prog Polym Sci; 24(2):221–274.
4. Kim, J.K. Pal, K.( 2010) Recent advances in the processing of wood–plastic composites, engineering materials. Berlin, Heidelberg. Springer-Verlag.

5- Papargyris, D.A. Day, R.J. Nesbitt, A. and Bakavos, D.(2008) Comparison of the Mechanical and Physical Properties of a Carbon Fibre Epoxy Composite Manufactured by Resin Transfer Mould ing Using Conventional and Microwave Heating, Compos. Sci Technol., 68, 1854-1861.

6- Sgriccia, N. and Hawley, M.C.(1991) Thermal, Morphological, and Electrical Characterization of Microwave Processed Natural Fiber   Composites, Compos. Sci. Technol., 67, 1986.

7- Zhou, Sh. and Hawley, M.C.(2003) A Study of Microwave Reaction Rate Enhancement Effect in Adhesive Bonding of Polymers and Composites, Compos. Struct., 61, 303-309.

8- Galgalia, G., Agarwal, S. and Lelea, A. (2005). Effect of clay orientation on the tensile modulus of polypropylene–nanoclay composites.Polym., 45: 17. 6059–6069.

9. Nozari, O. Madanipour, M. Farsi, M. And Tabei, A. (2013). Mechanical Properties and Water UptakeOf Nanoclay/Wood Flour/Ldpe Composites After Fiber Surface Mercerization.Cellulose Chem. Technol., 47: 3-4. 295-301.

10.Liany, Y. Tabei, A. Farsi, M. and Madanipour, M.(2013) Effect of Nanoclay and Magnesium Hydroxide on Some Properties of HDPE/Wheat Straw Composites. Fibers Polym., 14: 2. 304-310.

11.Nourbakhsh, A. Ashori,M. and A. (2009). Influence of nanoclay and coupling agent on the physical and mechanical properties of polypropylene/bagasse nanocomposite J. Appl. Polym. Sci., 112: 3. 1386-1390.

12.Lei, Y. Wu, Q. Clemons, C.M. Yao, F. and Xu, Y. (2007) Influence of nanoclay on properties of HDPE/wood composites. J. Appl. Polym. Sci., 106: (6). 3958-3966.

13. Espert, A. Vilaplana, F. and Karlsson. S.( 2004) Compression of water absorption in natural cellulosic fibers from wood and one-year crops in polypropylene composites and its influence on their mechanical properties. Journal of composites Part A. Vol. 35(11). 10pp.
14. Hull, D. & T.W. Clyne, (1996) An Introduction to Composite Materials. th Ed., Cambridge University Press, Cambridge, 344pp.
15. Nourbakhsha,A. Farhani,F., Ashoric,A.(2011). Nano-SiO2 filled rice husk/polypropylene composites: Physico-mechanical Properties, Industrial Crops and Products 33 183–187.

15.Drzal, L.T. and Madhukar, M.(1993) Fibre-matrix adhesion and its relationship to composite mechanical properties. J Mater Sci; 28: 569–610.

16. Deng, S. and Ye, L.(1999) Influence of fibre-matrix adhesion on mechanical properties of graphite/epoxy composites: I.Tensile, flexural, and fatigue properties. J Reinf Plast Compos; 18: 1021–1040.
17. Hook, K.J. Agrawal, R.K. and Drzal, L.T.(1990) Effects of microwave processing on fiber-matrix adhesion. II. Enhanced chemical bonding of epoxy to carbon fibers. J Adhesion; 32: 157–170.
18. Agrawal, R.K. and Drzal, L.T.( 1989) Effects of microwave processing on fiber-matrix adhesion in composites. J Adhesion; 29: 63–79.