اثر نانوذرات هیدروکسید منیزیم و نانو رس در چوب پلاست
نانو رس در چوب پلاست بیش از یک دهه مورد پژوهش قرار گرفته است. تنوع ساختارهای مواد سنتزی و خواص گسترده آنها به این معنی است که میتوان آنها را در تمام شاخه های تولید، اعم از ساخت و ساز، الکترونیک، حمل و نقل و ساخت وسایل روزمره استفاده کرد. با این حال، تمام پلاستیکها دارای نقص‌های مشابهی هستند. پلیمرهای آنها از زنجیرهای اتمهای هیدروکربنی تشکیل شده است که قابلیت اشتعال پذیری محصولات پلیمری را بالا میبرد، که ممکن است خطری جدی برای کاربران کالاهای پلاستیکی ایجاد کند. در صورت احتراق، آتشسوزی بسیار سریع رخ خواهد داد که با انتشار گازهای سمی همراه است. به این منظور استفاده از دیرسوز کنندهها امری بسیار مهم تلقی میشود ( Balakrishnan et al,2012 –Liany et al, 2013). از طیف گسترده دیرسوزکنندههای مورد استفاده، رایج ترین آنها شامل ترکیبات آلی (ترکیبات برمین و مشتقات کلر، ترکیبات حاوی فسفر و نیتروژن) و ترکیبات معدنی (اکسیدها، نمکها و هیدروکسیدهای فلز) میتوان اشاره کرد. هر یک از این گروهها خواص متفاوت و مکانیسمهای مختلفی دارند که سبب میشود آنها در نحوه سوختن پلیمر تاثیر گذار باشند. شناخته شدهترین دیرسوز کنندهها شامل دکلران، تترا برمید فنولA، تری 2-اتیل هگزیل فسفات و هیدروکسید منیزیم هستند( Kong et al, 2008 و –Hu,2007 &Li).
منیزیم هیدروکسید Mg(OH)2 و منیزیم اکسید MgO متعلق به یک گروه از ترکیبات با خواصی منحصر به فرد، همچنین دارای مورفولوژی ذرات بسیار متنوعی هستند، از سوزنی، ورقهای، میلهای و کرهایی به شکل”گلها” و “ستارگان” که اغلب، آنها را برای استفاده در تولید مواد جدید و پیشرفته مناسب میسازد (Al-Hazmi et al,2012 و Eliza& Kost, 2000). منیزیم هیدروکسید دارای خواص آنتی باکتریال، طبیعت غیر سمی و پایداری حرارتی است که باعث میشود این ماده به طور گسترده برای کاهش اشتعال پذیری مواد پلیمری کاربرد پیدا کند. از خواص منیزیم هیدروکسید میتوان به مقاومت در برابر شعله، مقاومت الکتریکی و مقاومت مکانیکی اشاره کرد (Suihkonen et al, 2012 و Pilarska et al, 2015).
به جز کاربرد معمول منیزیم هیدروکسید، کاربردهای دیگری در سایر مقالات پیشنهاد شده است، برای مثال، در تولید غشای کامپوزیتی آلی – معدنی به عنوان یک جزء غشاء، برای اصلاح خواص آن در فرایند‌های میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و تقطیر غشایی (Dong et al, 2010)، تثبیت کننده در سیستم رهایش کنترل شده داروها و ترکیبات آلی، با تاثیر طولانی مدت(Eliza& Kost, 2000)، حسگر شیمیایی برای اتانول (Al-Hazmi et al,2012)، عامل ضد باکتری که به طور مستقیم از دیواره سلولهای باکتری نفوذ کرده و ساختار پروتئین را از بین میبرد و منجر به مرگ سلول میشود (Pilarska et al, 2015 و Dong et al, 2010). تصفیه کننده آلودگیهای آب و زبالههای مایع (Black, 1966)، نگهدارنده کاغذ (حفاظت از کاغذ) در برابر عوامل خارجی که بر روی از بین رفتن کاغذ تاثیر گذار هستند شامل، ازون، اکسیژن، دود، رطوبت، نور، گرما و دیگر عوامل جوی و انسانی است (Giorgi et al, 2005) تقویت مکانیکی فیلمهای نانوکامپوزیتی برپایه نشاسته در صنعت در بسته بندی مواد غذایی (Moreira et al,2013) پرکننده فوم‌های کامپوزیتی پلی اورتان برای جذب بهتر صدا در صنعت خودرو سازی (Sung & Kim 2016) از کاربردهای هیدورکسید منیزیم است.
برای فهم کلی مکانیزم کارکرد دیرسوز کنندهها ضروری است که دربارهی ویژگیهای فرایند سوختن توضیحاتی داده شود. برای شروع سوختن ماده به مقدار کافی به انرژی برای تجزیهی پیرولیز[1] نیاز دارد. این یک فرایند گسترشپذیر، حرارتزا و دارای رادیکال آزاد است که منجر به اکسیداسیون محصولات گازی پیرولیز میشود. در مواد سوختنی پیرولیز در لایه سطحی باعث تشکیل بقایایی از کربن به نام کک[2] میشود. حضور کک باعث کاهش دما در سطح خواهد شد؛ همچنین انبساط حرارتی و انتشار گازهایی که در طول پیرولیز اتفاق میافتد منجر به ایجاد تنش میشود، بنابراین لایهها به راحتی از هم جدا شده و تحلیل میروند(Balakrishnan et al,2012 و Kong et al, 2008و Li,2007 &Hu ).
منیزیم هیدروکسید مادهای دیرسوزکننده است که از مزیتهای آن میتوان به غیر سمی بودن و پایداری حرارتی بالا اشاره کرد که باعث قابلیت استفاده بالای آن برای دیرسوز کنندگی میشود. در کنار این مزایا دارای معایبی هم میباشد از جمله بازده پایینی که برای دیرسوزکنندگی دارد. برای بدست آوردن اثرات دلخواه باید از مقدارهای زیاد در بسترهای پلیمری استفاده کرد، که به نوبه خود خواص مکانیکی کامپوزیت را مختل میکند. تحقیقات پیشرفتهای به منظور انجام تغییرات سطح منیزیم هیدروکسید برای افزایش سازگاری با کامپوزیتها انجام شده است (Kum et al, 2013)، برای مثال میتوان از ترکیب این ماده با MgCl2 و NaOH یا NH4OH به عنوان عامل رسوب دهنده در نانو کامپوزیت ساخته شده با وینیل استات (Materials Chemistry, 2013)، ترکیب با مواد معدنی از گروه سیلیکاتها در نانو کامپوزیت ساخته شده با پلیاتیلن (Liu, 2014) و ترکیب با فسفر قرمز به عنوان دیرسوزکننده و پارافین به عنوان فاز قالب در ساختار کامپوزیت EPDM(مونومرهای اتیلن پروپیلن دیان) نام برد (Song et al, 2010). همچنین از مجموعه تحقیقات فراوانی که در جهت کاهش آتشگیري و بهبود پایداري حرارتی پلیمرها انجام گرفته است میتوان به چند مورد اشاره کرد: کاهش آتشگیري سه گروه پلیمرهاي گرمانرم، گرماسخت و الاستومرها با نانوکامپوزیتهاي مربوط به آنها، با اضافه شدن 5% خاك رس اصلاح شده (Fenimore & Martin, 1966)، تأثیر مثبت نانوذرات رس به عنوان پرکننده بر خصوصیات مکانیکی، حرارتی و ثبات ابعاد در کامپوزیتها(Camino et al, 1988)، تاثیر آهن – مونتموریلونت بر خواص ضد شعله آمیزهای از اتیلن وینیل استات و منیزیم هیدروکساید، که با جایگزینی بخش کوچکی از منیزیم هیدروکسید با آهن – مونتموریلونیت و تاثیر آن در کاهش قابل ملاحظه در حداکثر شدت رهایش گرما گزارش شده است (Qui et al, 2003). تاثیر مثبت ذرات نانورس بر ایجاد مکانیسم نفوذناپذیري، افزایش دماي تجزیه حرارتی، کاهش سرعت آزادسازي حرارت و تأخیر زمان اشتعال در نانوکامپوزیت حاصل از پلی متیل متاکریلات و خاك رس مونتموریلونیت بررسی شد (Li & Qu, 2003). تاثیر مثبت نانو کلی را بر روی خواص مکانیکی و گرمایی و آتشگیری نانو کامپوزیت پلی اتیلن- مونتموریلونیت گزارش شده است (Costache et al, 2006). خواص دیرسوزکنندگی در موارد ذکر شده، به صورت عمده به دلیل وجود میکرو ساختار اکسید منیزیم است که طی احتراق از منیزیم هیدروکسید به دست میآید. اکسید منیزیم یک لایه عایق روی سطح کامپوزیت ایجاد کرده که سبب جلوگیری از خروج ترکیبات فرار شده و در نتیجه تجزیه مواد کاهش مییابد. با این حال تا به امروز اثرات قابل ملاحظهای تولید نشده و خواص مواد به دست آمده از حد مطلوب برخوردار نیستند (Pilarska et al, 2012).
در این تحقیق تاثیر اندازه ذرات هیدروکسید منیزیم (میکرو و نانو) بر روی خواص مکانیکی، حرارتی و کند سوزی کامپوزیتهای چوب پلاست که از طريق اختلاط پليمر به عنوان بستر با ذرات چوب به عنوان فازتقويت‌کننده يا پرکنده، ساخته ميشوند بررسی شده است. این کامپوزیتهای چوب پلاست داراي ظاهري شبيه به چوب بوده و در کاربردها اغلب به جاي چوب استفاده ميشوند.
2- مواد و روشها
2-1- مواد شیمیایی مورد استفاده در ساخت چوب پلاست:
تمام مواد شيميايي استفاده شده در اين آزمـايش بدون هیج خالصسازی استفاده شدند که شامل: گرانول پلی اتیلن سنگین HDPE (گرید HD 3840 UA) از پتروشیمی شازند اراک، هیدروکسید سدیم 99% شرکتMerck، نمک منیزیم نیترات (Magnesium nitrate hexahydrate) با خلوص 99.8 درصد ، پودرسفید رنگ هیدروکسید منیزیم با اندازه ذرات 2-5 میکرومتر و با خلوص 99.5 درصد محصول شرکت SIGMA-ALDRICH،تانول ( Ethanol absolute≥99.8%) محصول شرکت Merck ، نانو رس Cloisite15A (10-25 nm) شرکت نانو پاسارگاد نوین، پلی اتیلن پیوند خورده با مالئیک انیدرید (MAPE) با دانسیته 934/0 گرم بر سانتیمتر مکعب به عنوان جفت کننده شرکت شتاب شیمی، خاک اره چوب روسی با مش 40 و آب مقطر دو بار تقطیر بدون یون استفاده شده است.
2-2- سنتز نانو منیزیم هیدروکسید در ساخت چوب پلاست :
برای سنتز منیزیم هیدروکسید، نسبت 2:1 غلظت مولی محلول نمک منیزیم نیترات و سدیم هیدروکسید را مخلوط و سپس محلول نمک فلزی در بشری ریخته شد و سدیم هیدروکسید قطره قطره به آن اضافه شد. همزمان مخلوط واکنش، به شدت به کمک همزن مکانیکی هم زده شد. افزودن NaOHتا زمانی ادامه پیدا کرد که pH محلول به 10 رسید. سپس افزودن سدیم هیدروکسید متوقف و مخلوط 1 ساعت به هم خورد. پس از آن رسوبات سفید جدا و با مخلوط آب و اتانول شستشو داده شده و در آون با دمای 80 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت خشک گردید (Xu & Deng, 2006 و Parvin et al 2009 و Dong et al, 2010).
3-2-تهیه نانو رس در چوب پلاست
برای ساخت نمونه های نانو کامپوزیت از دستگاه مخلوط کن داخلی Haake مدل SYS 90 ساخت کشور آلمان استفاده شد. نمونهها ترکیب درصدهای معین در دمای حدود 180 درجه سانتیگراد و سرعت مارپیچ 60 دور در دقیقه تهیه شدند و سپس به کمک قالبگیری فشاری بر اساس استاندارد MA 17304 بر اساس شرایط جدول1 نمونههای آزمونی بر اساس جدول 2 تهیه شدند (Liu, 2014 و Dzunuzovic et al, 2009).
جدول1: شرايط قالبگيري
| دمای صفحات قالب (ºC) | 160 |
| زمان پیش گرمایشT1 (min) | 5 |
| زمان اعمال فشار در دمایT2 (min) | 5 |
| سرعت سرد کردن(ºC/min) | 5 |
جدول 2: مقدار ترکیب اختلاط نمونهها
| نانو رس % | نانو منیزیم هیدروکسید % | منیزیم هیدروکسید بالک % | ماده جفت کننده % | خاک اره % | پلی اتیلن % | شماره نمونه |
| – | – | – | 4 | 40 | 56 | 1 |
| – | – | 4 | 4 | 36 | 56 | 2 |
| – | 4 | – | 4 | 36 | 56 | 3 |
| 4 | – | – | 4 | 36 | 56 | 4 |
| 4 | 4 | – | 4 | 32 | 56 | 5 |
4-2- دستگاه‌ها و آزمون‌های مورد استفاده در ساخت چوب پلاست:
2-4-1- پانچ کردن: دستگاه پانچ (Punch) مدل RAY-RUN ساخت انگلیس، که برای پانچ کردن نمونههای قالب شده فشاری با استفاده از قالبهای مخصوص مورد استفاده قرار گرفته است.
آزمون خواص مکانیکی: آزمون کششی بر اساس آیین نامه 638 D استاندارد ASTM توسط دستگاه آزمون مکانیکی اینسترون مدل 4486 انجام شدند. آزمون کشش بر روی نمونه‌هایی که در دمای 2±23 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 50±5% انجام گرفته و برای حداقل 40 ساعت نگهداری و با سرعت کشش mm/min 10 انجام شده است. نتایج آزمون کشش پنج نمونه با درصد ترکیب های مختلف از نانو ذرات Clay ,Mg(OH)2 ارائه شده است. انتخاب 4 درصد ترکیبها براساس مطالعات و پژوهشهای کار شده در این زمینه است و از بهینه درصد ترکیبات استفاده شده است.
2-4-2-میکروسکوپ الکترونی پویشی نشر میدان ( FE–SEM): به منظور بررسی مورفولوژی و اندازه نانو ذره منیزیم هیدروکسید از دستگاه دستگاه SEM-FE مدل XMU-3 Mاستفاده شد
3-4-2- آزمون شاخص حدی اکسیژن ( LOI ): این آزمون تحت استاندارد ASTM D 2863 و به وسیله دستگاه FTA Flammability unit ساخت شرکت Epsom کشور انگلستان انجام گرفته است. آزمون شاخص حدی اکسیژن یک آزمون مقایسهای برای بررسی قابلیت آتشگیری مواد میباشد. در این آزمون حداقل غلظت اکسیژن و نیتروژن که بتواند باعث ادامه ی سوختن نمونهی مورد آزمایش شود اندازهگیری شده است. با در نظر گرفتن استاندارد، نمونه در ابعاد 15×3 میلیمتر و به ضخامت 2 میلیمتر آماده گردید. پس از اینکه نمونه در جای خود قرار گرفت، قاب حاوی نمونه در محفظه دستگاه قرار گرفته، سپس اکسیژن و نیتروژن در غلظتهای معلوم، وارد این محفظه شدند. از بالا یک شعله حاصل از سوختن گاز مایع، بر روی نمونه قرار گرفت. در غلظتی از اکسیژن، که یک شعله کوچک به مدت 30 ثانیه بر روی نمونه پایدار بماند، این غلظت به عنوان غلظت حد اکسیژن این نمونه گزارش شده است.
3- نتایج و بحث نانو رس در چوب پلاست
یکی از مهمترین عواملی که باعث انتخاب منیزیم هیدروکسید و خاک رس از بین عوامل کاهنده آتشگیری شده است این است که بر اساس تحقیقات انجام گرفته بر روی این دو ماده، آتشگیری نانو کامپوزیتهای پلیمر را کاهش و به طور همزمان، خواص مکانیکی موثر آنان را افزایش میدهد و این بسیار جالب و قابل توجه است زیرا کندسوز کنندهها غالباً خواص مکانیکی و سایر خواص کاربردی پلیمرها را به همراه آتشگیری آنها کاهش میدهد و این باعث محدودیت در کاربردهای پلیمر کندسوز شده میشود.
در این مطالعه، ابتدا نانو هیدروکسید منیزیم به روش رسوبی تهیه شد و سپس نمونهها بعد از مخلوط شدن توسط دستگاه اختلاط مذاب توسط دستگاه پرس قالبگیری شدند و جهت بررسی استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر شعله مورد آزمایش قرار گرفتند.
3-1- نتایج آزمون میکروسکوپ الکترونی روبشی:
جهت مشاهده و تخمین اندازه نانو ذرات منیزیم هیدروکسید سنتز شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شده است. نتایج آزمون در شکل 1 ارائه شده است. همانطور که در تصویر مشاهده میشود، نانوذرات از یکنواختی در توزیع اندازه و شکل برخوردار میباشند؛ عمدتاً مورفولوژی صفحهای شکل بوده و متوسط اندازه ضخامت آنها با استفاده از نرم افزار Image J حدود 45 نانومتر تخمین زده شده است.
شکل 1: تصویر میکروسکوپ الکترونی نانو ذرات هیدروکسید منیزیم
3-2- نتایج آزمایش خواص مکانیکی نمونه های نانو رس در چوب پلاست
نتایج آزمون کشش پنج نمونه با درصد ترکیب های مختلف در اشکال2و 3و 4 ارائه شده است. در نمونههای حاوی نانو ذرات Mg(OH)2 به علت چسبندگی ذرات منیزیم هیدروکسید به هم در درصدهای بالا، عدم پراکنش مطلوب ذرات وعدم سازگاری نانو هیدروکسید منیزیم قطبی با بستر غیر قطبی پلیمر، استحکام کششی نانو کامپوزیت کاهش یافته است. ضمن اینکه اجتماع ذرات و کلوخهای شدن آنها می تواند به عنوان نقطه‌ی تمرکز تنش در بستر پلیمری عمل کرده و منجر به تضعیف در برابر تنش کششی شود. همچنین میتوان خاطر نشان کرد، به دلیل اینکه ذرات نانو به کار برده شده، آب دوست و بستر پلیمری پلی اتیلن آبگریز هستند، و به علت عدم کارایی سازگار کننده، تاثیر منفی بر استحکام نانو کامپوزیت داشته است. با توجه به مقادیر بالای استفاده از نانو ذرات هیدروکسید منیزیم، کلوخه شدن ذرات بیشتر شده که خود باعث خود گرایی ( جاذبه‌های پرکننده- پرکننده افزایش مییابد) میشود. این موضوع باعث تمرکز تنش و افت خواص شده، و افزایش درصد پرکنندهها نیز باعث افت خواصی مثل استحکام کششی و افزایش طول در نقطه‌ی شکست شد (Liu, 2014).
شکل 2: اثر مقدار و نوع نانو ذره بر استحکام کششی نمونه های نانو رس در چوب پلاست
شکل 3: اثر مقدار و نوع نانو ذره بر مدول الاستیک نمونه های نانو رس در چوب پلاست
شکل 4: اثر مقدار و نوع نانو ذره بر ازدیاد طول در نقطه شکست نمونه های نانو رس در چوب پلاست
در نمونه اول پلی اتیلن خالص که به عنوان نمونه شاهد است، مدول الاستیک حاصل از شیب ناحیه خطی نمودار تنش بر حسب کرنش 610 مگاپاسکال بدست آمده است. در نمونه دوم مدول الاستیک به 664 مگاپاسکال افزایش یافت و نشان دهنده این است که با افزودن 4 درصد منیزیم هیدروکسید بالک سفتی نمونه در مقابل پلی اتیلن خالص افزایش پیدا کرده است. در نمونه سوم بر حسب انتظار مدول الاستیته کاهش پیدا کرده است. منیزیم هیدروکسید باعث کاهش چشم‌گیر مدول شد به طوری که با افزودن 4% از این نانو ذره به پلی اتیلن خالص نزدیک به چهل درصد از مدول کاهش پیدا کرد و به 31/384 مگاپاسکال رسید. این کاهش به علت تجمع نانوذرات منیزیم هیدروکسید به علت سطح تماس بالا و بهم جسبیدن نانو ذرات و عدم پراکنش مناسب میباشد. در نمونه چهارم مدول الاستیک به 04/937 مگاپاسکال رسیده، که باعث افزایش بسیار زیاد سفتی نمونه در مقایسه با پلی اتیلن خالص شده است. علت این امر را میتوان حضور نانو ذرات رس و برهمکنش آن با زنجیرههای پلیمری دانست، و به علت آنکه مدول یک خاصیت جمعپذیر میباشد و این خاصیت در نانوذرات بسیار بالاتر از پلیمر میباشد، لذا باعث افزایش آن در کامپوزیت شده است. نتایج نمونه پنجم نشان میدهد استفاده هم زمان این دو نانوذره منیزیم هیدروکسید و نانورس با یکدیگر باعث کاهش شدید مدول الاستیته و سفتی نمونه شده و مقدار آن را به 326 مگاپاسکال میرساند. افزودن نانو منیزیم هیدروکسید به پلی اتیلن و نانو کلی نه تنها باعث افزایش خواص مکانیکی نمی‌شود بلکه مدول و ازدیاد طول در پارگی را کاهش میدهد، در نتیجه در مواردی که مدول و تنش کششی از اهمیت بالایی برخوردار است، نباید از این نانو ذره با هم استفاده کرد. اگر پارامترهای دیگری همانند دیرسوزکنندگی از اهمیت بیشتری برخوردار بودند، استفاده از نانو ذره منیزیم هیدروکسید بلامانع است. این کاهش در مقاومت کششی و مدول میتواند ناشی از آن باشد که وقتی از نانوذرات به مقدار زیاد استفاده میشود به علت افزایش سطح تماس، تجمع کرده و موجب تشکیل کلوخه و نقطه تمرکز تنش میشود. بعلاوه از آنجایی که هر دو ذره سطحی قطبی دارند، توانایی برهمکنش مناسب با بستر پلیمری غیر قطبی را ندارند. مجموع این عوامل باعث میشود که خواص مکانیکی نمونه‌هایی که دارای نانو ذرات ذکر شده هستند افزایش یابد. همچنین از آنجایی که این ذرات، معدنی و بسیار سختتر از پلیمر هستند، باعث کاهش خاصیت چقرمگی محصول و افزایش شکنندگی آن می‌شوند. بعلاوه، از آنجایی که نانوذرات دارای سطح زیادی میباشند، در اثر اعمال نیرو با بستر پلیمری حالت لیزخوردگی ایجاد می‌کنند و سبب افزایش طول در نقطه پارگی می‌شوند. این دو اثر متفاوت باعث می شود ازدیاد طول در نقطه پارگی یا کرنش در نقطه شکست تغییر چندانی نداشته باشند.
3-3- نتایج آزمون شاخص حدی اکسیژن ( LOI ): همان طور که اشاره شد، برای بررسی خواص آتشگیری از شاخص حدی اکسیژن استفاده شد که معیاری برای تخمین آتشگیری نسبی مواد پلیمری است. با توجه به اینکه 21 درصد هوا را اکسیژن تشکیل میدهد. موادی که LOI آنها بزرگتر از 21 است و در هوا نمی سوزند. از آنجا که اعمال شرایط آزمایش باید دقیق باشد، بنابراین LOI نمیتواند معیار مطلقی برای تعیین میزان آتشگیری یک پلیمر باشد. در شکل 5 انواع نمونههای تهیه شده و میزان LOI بر حسب شماره نمونهها آورده شده است.
شکل 5: نمودار اثر مقدار و نوع نانو ذره بر مقادیر شاخص حدی اکسیژن نمونه های نانو رس در چوب پلاست
همانطور که در شکل 5 مشاهده میشود آمیزه اول که چوب – پلیمر مقدار LOI 2/18را دارد که میتوان گفت شاخص حدی اکسیژن کمتر از 21 است و این پلیمر به بیان ساده‌تر در هوا می‌سوزد. به طور کلی، مکانیسم سوختن چوب پلاست ها تقریباً مشابه است. بدین ترتیب که پلاستیکها و ذرات چوب وقتی در معرض گرمای کافی قرار می‌گیرند ساختار آنها تخریب شده و گازهای فرار تولید می‌کنند. این گاز‌ها گرما را از شعله به ماده منتقل می‌کنند و در نتیجه موجب تفکافت بیشتر ماده چوبی و پلیمری شده و سبب تولید بیشتر گازهای آتشگیر می‌شوند. آمیزه 2 که چند سازه چوب پلاست حاوی 4% منیزیم هیدروکسید بالک میباشد شاخص حدی اکسیژن از 2/18 به 6/19 افزایش یافت که مشاهده شد که با اضافه کردن میکرو منیزیم هیدروکسید، سبب افزایش شاخص حدی اکسیژن به مقدار کمی شده است و زمان بیشتری برای آتش گرفتن این چند سازه نسبت به نمونه چند سازه بدون هیدروکسید منیزیم نیاز است. آمیزه 3 که درای %4 از نانو منیزیم هیدروکسید میباشد شاخص حدی اکسیژن از 6/19 به 23 افزایش یافته است که این ناشی از وجود هیدروکسیدهای فلزی است. هیدروکسیدهای فلزی معمولاً در اثر واکنش گرماگیر در هنگام گرمادهی تجزیه شده و آب و اکسیدهای فلزی را به وجود می‌آورند. نانو منیزیم هیدروکسید ایجاد آب میکند. مقدار بخار آب آزاد شده باعث میشود که از مقدار گازهای آتشگیر کم شده و مقدار گازهای غیر آتشگیر افزوده شود (به عبارت دیگر مواد سوختنی رقیق شدند). همچنین، تجزیه گرماگیر این ماده باعث میشود که گرما از چند سازه چوب پلاست گرفته و سرعت تخریب کاهش یابد. آمیزه 4 نمونه چند سازه چوب – پلیمر حاوی 4% نانو رس میباشد شاخص حدی اکسیژن از 6/19 به1/22 افزایش یافت که مشاهده شد که افزایش نانو رس سبب افزایش شاخص حدی اکسیژن و آتشگیری را کاهش داد. افزودن نانو رس به چند سازه سبب میشود که سرعت آزاد سازی محصولات گازی کاهش یافته و نانو ذره به عنوان یک سد عمل کرده و خواص نفوذ ناپذیری کامپوزیت بهبود یافت و اکسیژن نمیتواند به داخل چندسازه (پلی اتیلن و چوب) نفوذ نماید و مقدار اکسایش چندسازه کم میشود. همچنین در اثر سوختن نانو رس یک لایه شیشه ای نفوذ ناپذیر در سطح قطعه چندسازه تشکیل می دهد ( سلیکات لایهای شده طی احتراق فرو می‌ریزد و ساختار لایه ای شده یکنواختی تشکیل میشود این لایهها بعنوان تقویت کننده ذغالی که بر سطح پلیمر شکل گرفته عمل کرده و در نتیجه نفوذ پذیری را کاهش میدهد. در آمیزههای 5 که نانو رس و نانو منیزیم هیدروکسید با هم در بستر پلیمری چندسازه هستند مقادیر LOI به دلیل تاثیر همزمان دو مکانیسم مختلف مربوط به دو نوع بازدارندگی اشتعال است به طوری که 4 درصد نانو رس به همراه 4 درصد نانو هیدروکسید منیزیم شاخص حدی اکسیژن را به 4/30 درصد افزایش داد.
4- نتیجه گیری
چوب پلاست هایی بر پایه پلی اتیلن سنگین به همراه ذرات نانو رس، نانو منیزیم هیدروکسید و همچنین منیزیم هیدروکسید بالک به روش اختلاط مذاب تهیه شدند. دو دسته نانو کامپوزیت بدین ترتیب ساخته شدند:
1- نانو کامپوزیتهایی که در تهیه آنها از یک نوع نانو ذره استفاده شد. 2- هیبرید نانو کامپوزیت که در تهیه آن از دو نوع نانو ذرات بکار گرفته شد. نتیجه بدست آمده از SEM نانو ذره منیزیم هیدروکسید سنتز شده، تشکیل نانو ذره را تایید میکند و این نانو ذرات به صورت مخلوطی از مورفولوژی میلهای و صفحهای پولک شکل میباشند.
پراکنش و برهم کنش خوب نانو ذرات با بخش آبدوست چندسازه چوب پلاست سبب افزایش مدول و استحکام کششی نانو کامپوزیت و اینکه با افزودن نانو ذرات حاوی نانو رس به کامپوزیت چوب پلاست خواص مکانیکی افزایش یافت که ناشی از برهم کنشهای خوب بین نانو ذرات و پلیمر است که به راحتی تنش از بستر به نانو ذره منتقل شده و استحکام کششی نانو کامپوزیت افزایش یافت. در آزمون شاخص حدی اکسیژن مشاهده شد که با افزایش 4% از نانو ذرات منیزیم هیدروکسید و 4% از نانو رس شاخص حدی اکسیژن به بالاترین مقدار و عدد30.4 رسید و منیزیم هیدروکسید بالک اثر چندانی بر شاخص حدی اکسیژن نداشت.
5- مراجع:
-Al-Hazmi, F., Umar, A., Dar, G. N., Al-Ghamdi, A. A., Al-Sayari, S. A., Al-Hajry, A., … & El-Tantawy, F. (2012). Microwave assisted rapid growth of Mg (OH) 2 nanosheet networks for ethanol chemical sensor application. Journal of Alloys and Compounds, 519, 4-8.
– Balakrishnan, H., Hassan, A., Isitman, N. A., & Kaynak, C. (2012). On the use of magnesium hydroxide towards halogen-free flame-retarded polyamide-6/polypropylene blends. Polymer degradation and stability, 97(8), 1447-1457.
– Black, A. P. (1966). Split‐Treatment Water Softening at Dayton. Journal‐American Water Works Association, 58(1), 97-106.
– Camino, G., Costa, L., Casorati, E., Bertelli, G., & Locatelli, R. (1988). The oxygen index method in fire retardance studies of polymeric materials. Journal of Applied Polymer Science, 35(7), 1863-1876.
– Costache, M. C., Wang, D., Heidecker, M. J., Manias, E., & Wilkie, C. A. (2006). The thermal degradation of poly (methyl methacrylate) nanocomposites with montmorillonite, layered double hydroxides and carbon nanotubes. Polymers for Advanced Technologies, 17(4), 272-280.
– Dong, H., Du, Z., Zhao, Y., & Zhou, D. (2010). Preparation of surface modified nano-Mg(OH)2 via precipitation method. Powder Technology, 198(3), 325-329.
– Dong, C., He, G., Li, H., Zhao, R., Han, Y., & Deng, Y. (2012). Antifouling enhancement of poly (vinylidene fluoride) microfiltration membrane by adding Mg (OH) 2 nanoparticles. Journal of Membrane Science, 387, 40-47.
– Dong, C., Cairney, J., Sun, Q., Maddan, O. L., He, G., & Deng, Y. (2010). Investigation of Mg(OH)2 nanoparticles as an antibacterial agent. Journal of Nanoparticle Research, 12(6), 2101-2109.
-Džunuzović, E., Vodnik, V., Jeremić, K., & Nedeljković, J. M. (2009). Thermal properties of PS/TiO2 nanocomposites obtained by in situ bulk radical polymerization of styrene. Materials Letters, 63(11), 908-910.
– Eliaz, R. E., & Kost, J. (2000). Characterization of a polymeric PLGA‐injectable implant delivery system for the controlled release of proteins. Journal of Biomedical Materials Research: An Official Journal of The Society for Biomaterials, The Japanese Society for Biomaterials, and The Australian Society for Biomaterials and the Korean Society for Biomaterials, 50(3), 388-396.
– Ersoy, S., & Taşdemir, M. (2012). Zinc oxide (ZnO), magnesium hydroxide [Mg (OH) 2] and calcium carbonate (CaCO3) filled HDPE polymer composites: Mechanical, thermal and morphological properties. Marmara Fen Bilimleri Dergisi, 24(4), 93-104.
-Fenimore, C. P., & Martin, F. J. (1966). Flammability of polymers. Combustion and Flame, 10(2), 135-139.
– Giorgi, R., Bozzi, C., Dei, L., Gabbiani, C., Ninham, B. W., & Baglioni, P. (2005). Nanoparticles of Mg (OH) 2: synthesis and application to paper conservation. Langmuir, 21(18), 8495-8501.
– Hu, Y., & Li, S. (2007). The effects of magnesium hydroxide on flash pyrolysis of polystyrene. Journal of analytical and applied pyrolysis, 78(1), 32-39.
-Hui, X., & Deng, X. R. (2006). Preparation and properties of superfine Mg (OH) 2 flame retardant. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 16(2), 488-492.
– Kong, X. J., Liu, S. M., & Zhao, J. Q. (2008). Flame retardancy effect of surface-modified metal hydroxides on linear low density polyethylene. Journal of Central South University of Technology, 15(6), 779-785.
– Kum, C. H., Cho, Y., Joung, Y. K., Choi, J., Park, K., Seo, S. H., … & Han, D. K. (2013). Biodegradable poly (l-lactide) composites by oligolactide-grafted magnesium hydroxide for mechanical reinforcement and reduced inflammation. Journal of Materials Chemistry B, 1(21), 2764-2772.
– Li, Z., & Qu, B. (2003). Flammability characterization and synergistic effects of expandable graphite with magnesium hydroxide in halogen-free flame-retardant EVA blends. Polymer Degradation and Stability, 81(3), 401-408.
– Liany, Y., Tabei, A., Farsi, M., & Madanipour, M. (2013). Effect of nanoclay and magnesium hydroxide on some properties of HDPE/wheat straw composites. Fibers and Polymers, 14(2), 304-310.
– Liu, S. P. (2014). Flame retardant and mechanical properties of polyethylene/magnesium hydroxide/montmorillonite nanocomposites. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 20(4), 2401-2408.
– Liu, L., Hu, J., Zhuo, J., Jiao, C., Chen, X., & Li, S. (2014). Synergistic flame retardant effects between hollow glass microspheres and magnesium hydroxide in ethylene-vinyl acetate composites. Polymer degradation and stability, 104, 87-94.
– Ma, H., Chen, Z., & Mao, Z. (2013). Controlled growth of magnesium hydroxide crystals and its effect on the high-temperature properties of cotton/magnesium hydroxide composites. Vacuum, 95, 1-5.
-Moreira, F. K., Pedro, D. C., Glenn, G. M., Marconcini, J. M., & Mattoso, L. H. (2013). Brucite nanoplates reinforced starch bionanocomposites. Carbohydrate polymers, 92(2), 1743-1751.
– Nguyen, V. G., Thai, H., Mai, D. H., Tran, H. T., & Vu, M. T. (2013). Effect of titanium dioxide on the properties of polyethylene/TiO2 nanocomposites. Composites Part B: Engineering, 45(1), 1192-1198.
– Pan, X., Wang, Y., Chen, Z., Pan, D., Cheng, Y., Liu, Z., … & Guan, X. (2013). Investigation of antibacterial activity and related mechanism of a series of nano-Mg (OH) 2. ACS applied materials & interfaces, 5(3), 1137-1142.
-Parveen, M.F., et al., Synthesis and characterization of nanosized Mg (OH) 2 and its nanocomposite with poly (vinyl alcohol). Nano, 2009. 4(03): p. 147-156.
– Pilarska, A., Bula, K., Myszka, K., Rozmanowski, T., Szwarc-Rzepka, K., Pilarski, K., … & Jesionowski, T. (2015). Functional polypropylene composites filled with ultra-fine magnesium hydroxide. Open Chemistry, 13(1).
– Pilarska, A., Paukszta, D., Bula, K., Mazur, M., & Jesionowski, T. (2012). Physico-chemical and usable properties of magnesium hydroxide obtained by conversion of various precursors with ammonium hydroxide. Przemysl Chemiczny, 91(7), 1400-1406..
– Qiu, L., Xie, R., Ding, P., & Qu, B. (2003). Preparation and characterization of Mg (OH) 2 nanoparticles and flame-retardant property of its nanocomposites with EVA. Composite Structures, 62(3-4), 391-395.
– Song, G., Ma, S., Tang, G., Yin, Z., & Wang, X. (2010). Preparation and characterization of flame retardant form-stable phase change materials composed by EPDM, paraffin and nano magnesium hydroxide. Energy, 35(5), 2179-2183.
Sung, G., Kim, J. W., & Kim, J. H. (2016). Fabrication of polyurethane composite foams with magnesium hydroxide filler for improved sound absorption. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 44, 99-104.
-Suihkonen, R., Nevalainen, K., Orell, O., Honkanen, M., Tang, L., Zhang, H., … & Vuorinen, J. (2012). Performance of epoxy filled with nano-and micro-sized magnesium hydroxide. Journal of Materials Science, 47(3), 1480-1488.
[1] pyrolysis
[2] coke
بدون دیدگاه