مقایسه خصوصیات گرماسنجی وزنی و شاخص حداقل غلظت اکسیژن محدود نانو چندسازه چوب پلاست

چوب پلاست ساخته شده از آرد چوب، پلی اتیلن و نانو سیلیس

گرماسنجی وزنی چوب پلاست در محصولات و فرمولاسیون های مختلف متفاوت است. اخیراً، علوم نانو و نانوتکنولوژی راهکارهای جدیدی را در زمینه کامپوزیت‌های پلیمری ایجاد کرده است [1]. در بین نانو ذرات می‌توان به نانو ذرات 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 [2]. در واقع سیلیس می‌تواند خواص مکانیکی و حرارتی را در کامپوزیت‌ها افزایش دهد، نانو کامپوزیت‌های پلیمر نانو سیلیس در صنعت کاربردهای فراوانی دارد [3]. امروزه از یک طرف، استفاده از نانو سیلیس، به دلیل دارا بودن سختی، مدول و استحکام بالا بسیار جالب توجه است از طرف دیگر سیلیس ماده­ای نسبتاً ارزان قیمت است، از نظر شیمیایی بی‌اثر است، مقاوم گرمایی است و نیز سازگار با محیط‌زیست است. مشخصه اصلی نانو سیلیس، از جمله اندازه ذرات، توزیع، چگالی مخصوص، سطوح ویژه، ساختار متخلخل و واکنش (گروه‌های سیلانول سطح) و قطبیت آن وابسته به روش ساخت است [4]. پژوهش‌های زیادی درباره کاربرد ذرات سیلیکا به شکل مخلوط با پلیمرهای مختلف انجام شده است [5-6]، 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، پلی‌پروپیلن و الاستومرهای گرمانرم با توجه به خواص سطحی ذرات نانو سیلیس بهبود بخشد [7]. هدف اين پژوهش بررسی اثر افزایش نانو سیلیس بر خصوصیات گرماسنجی وزنی و شاخص حداقل غلظت اکسیژن محدود نانو چندسازه چوب پلاست ساخته شده از آرد چوب نراد و پلی­اتیلن است.

مواد و روش­ها در ساخت چوب پلاست

آرد چوب از شرکت کیمیا چوب گلستان 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. 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

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 LOI (limited oxygen Index)

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

گرماسنجی وزنی‌

شکل 1 نمودار مقایسه‌ای مربوط به نتایج گرماسنجی وزنی 50 درصد آرد چوب در سه سطح 0، 4 و 8 درصد نانو سیلیس را نشان می‌دهد. نتایج بررسی گرماسنجی وزنی کامپوزیت‌ها نشان داد که اختلاف معنی­داری بین دمای تخریب نمونه ­های مختلف کامپوزیت وجود ندارد.

همان‌طور که در شکل 1 مشاهده می‌شود منحنی تخریب دمایی نانو چندسازه چوب پلاست به دو مرحله تقسیم می‌شود، مرحله اول مربوط به تجزیه الیاف چوبی و مرحله دوم مربوط به تجزیه پلیمر است. با افزودن ترکیبات لیگنوسلولزی به پلی­اتیلن، ثبات حرارتی چندسازه کاهش می­یابد. البته در شروع مرحله دوم دمای تجزیه به دمای بالاتری انتقال می­یابد. افزودن نانو سیلیس 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.

نتایج نشان داد با افزایش نانو سیلیس ثبات حرارتی نمونه‌ها افزایش یافت و هرچقدر میزان نانو سیلیس افزایش یافت نانو کامپوزیت در دمای بالاتری شروع به تخریب می‌کند یعنی نمونه در دمای بالاتری دچار افت وزنی می‌گردد، احتمالاً به دلیل آزادسازی ترکیباتی است که در ذرات نانو به کار می‌رود و خاکستری که زیاد شده ناشی از ترکیبات معدنی ذرات نانو است و این نتیجه با نتایج دیگر محققین تطابق دارد [8]. البته میزان تأثیر نانو سیلیس‌ها در بهبود ثبات حرارتی به شرایطی از قبیل نوع پلیمر، نوع نانو سیلیس و شرایط فرآوری بستگی دارد و نانو سیلیس‌ها در بازه‌های دمایی بالاتر نیز باعث افزایش ثبات حرارتی می­گردند. مهم‌ترین عامل در پایداری حرارتی که توسط ذرات نانو ایجاد می‌شود تشکیل یک لایه زغال مانند غیرقابل سوختن است و در نهایت به‌دلیل سطح ویژه بالا و سطح پوشش مناسب تأثیر بسزایی در پایدار حرارتی دارند [9]. علاوه بر این افزایش پایداری حرارتی ممکن است به­دلیل افزایش تعامل بین ماتریس پلیمری آرد چوب و نانو سیلیس باشد [10].

رفتار آتش‌گیری نمونه های چوب پلاست

تأثیر نانو سیلیس بر شاخص اکسیژن محدود را نشان می­دهد. نمونه چوب پلاست بدون نانو سیلیس، دارای شاخص اکسیژن پایین‌تری نسبت به نمونه دارای 8 درصد نانو سیلیس است.

به‌طورکلی هنگامی‌که 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 است. مشاهده شد با افزایش نانو سیلیس به دلیل بهبود چسبندگی بین فصل مشترک پلیمر و چوب مقدار شاخص اکسیژن محدود افزایش یافت. مقادیر بالاتر شاخص اکسیژن ممکن است ناشی از تشکیل زغال کربنی-سیلیکاتی 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 تأخیر می­اندازند. 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 پژوهش به مقایسه خصوصیات گرماسنجی وزنی و شاخص حداقل غلظت اکسیژن محدود نانو چندسازه چوب پلاست ساخته شده از آرد چوب، پلی اتیلن و نانو سیلیس پرداخته است 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.

مراجع

[1]. Tjong, S. C. “Structural and mechanical properties of polymer nanocomposites”, Materials Science and Engineering: R: Reports, 53(3), 73-197. 2006.

[2]. Xanthos, M. (Ed.). “Functional fillers for plastics”, John Wiley & Sons. 2010.

[3]. Wu, C., Xu, T., & Yang, W. “Synthesis and characterizations of novel, positively charged poly (methyl acrylate)–SiO 2 nanocomposites”, European polymer journal, 41(8), 1901-1908. 2005.

[4]. Quercia, G., Spiesz, P., Hüsken, G., & Brouwers, J. Effects of amorphous nano-silica additions on mechanical and durability performance of SCC mixtures. In Proc. International congress on durability of concrete. 2012.

[5]. Zhang, X., Tian, X., Zheng, J., Yao, X., Liu, W., Cui, P., & Li, Y. “Relationship between microstructure and tensile properties of PET/silica nanocomposite fibers”, Journal of Macromolecular Science, Part B: Physics, 47(2), 368-377. 2008.

[6]. Xu, X., Li, B., Lu, H., Zhang, Z., & Wang, H. “The effect of the interface structure of different surface‐modified nano‐SiO2 on the mechanical properties of nylon 66 composites”, Journal of applied polymer science, 107(3), 2007-2014. 2008.

[7]. Parvinzadeh, M., Moradian, S., Rashidi, A., & Yazdanshenas, M. E. “Surface characterization of polyethylene terephthalate/silica nanocomposites”, Applied Surface Science, 256(9), 2792-2802. 2010.

[8]. Zhu, J., Start, P., Mauritz, K. A., & Wilkie, C. A. “Silicon‐methoxide‐modified clays and their polystyrene nanocomposites”, Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 40(10), 1498-1503. 2002.

[9]. خسرویان ب، بررسی خصوصیات مکانیکی، فیزیکی، حرارتی و ریخت‌شناسی چندسازه‌های هیبرید پلی‌پروپیلن/آرد چوب/ولاستونیت. پایان‌نامه کارشناسی ارشد. دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران، 1389.

[10]. Katsikis, N., Zahradnik, F., Helmschrott, A., Münstedt, H., & Vital, A. “Thermal stability of poly (methyl methacrylate)/silica nano-and microcomposites as investigated by dynamic-mechanical experiments”, Polymer Degradation and Stability, 92(11), 1966-1976. 2007.