ویژگی های چندسازه  حاصل از رس - کاه گندم و پلی پروپیلن

   سطح مخاطبین این مطلب:  کارشناسی ارشد

تهيه و تنظيم : مهندس میثم زاهدی - مهندس حکیمه کافی کنگ

چکیده:

در این پژوهش،نمونه های کامپوزیت هیبرید پلی پروپیلن شامل کاه گندم و رس،با روش اختلاط مذاب با استفاده از اکسترودر چرخشی جفت پیچ(دوقلو) تهیه شدند.ساختار ترکیبی کامپوزیت،مثل درصد کاه گندم،رس و انیدرید مالئیک پیوند داده شده با پلی پروپیلن(PP-MA) بعنوان جفت کننده،بمنظور بررسی تاثیر آنها روی جذب آب و ویژگیهای خمش،متفاوت در نظر گرفته شدند.نتایج مطالعه نشان داد که افزایش میزان کاه گندم و میزان رس در کامپوزیت،مدول خمشی را افزایش و مقاومت به جذب آب را کاهش میدهد.افزایش عامل جفت کننده PP-MA نیز مدول خمشی و مقاومت به جذب آب را افزایش میدهد.علاوه بر این اندازه ذرات کاه گندم قبل و بعد از اکستروژن،بمنظور بررسی تاثیر اکستروژن بر روی ابعاد کاه گندم آنالیز شد.

کلمات کلیدی:

پلی پروپیلن،کاه گندم،کامپوزیت هیبرید،مدول خمشی،مقاومت به جذب آب

مقدمه:

مواد کامپوزیت پلیمری دوستدار محیط زیست،از تقویت کننده های زیستی طبیعی بدست می آیند که طی چندوقت اخیر بعلت تاثیرگذاری زیاد آنها مورد توجه قرار گرفته اند،زیرا آگاهی های زیست محیطی و نگرانی های اکولوژیکی افزایش یافته است.در بین الیاف طبیعی،چوب در سطح وسیع بعنوان تقویت کننده برای پلیمرها استفاده میشود.اگرچه چوب یک منبع تجدیدپذیر است اما در مقایسه با منابع کشاورزی دوره رشد طولانی دارد.کاه گندم یکی از این مواد مشتق شده کشاورزی است که در کامپوزیتهای پلیمری استفاده میشود.برخلاف هزینه نسبتا پایین،بهبود ویژگیهای مکانیکی،وزن سبک،قابلیت

بازیافت و دوستدار محیط زیست،الیاف طبیعی تقویت شده با کامپوزیتهای پلیمری برخی ویژگیها دارند که ادامه کار را به چالش میکشانند.مقاومت کم برای جذب آب،استفاده از الیاف طبیعی را در بسیاری از کاربردهای ساختمانی و خارج از ساختمان محدود میکند.ترکیب عوامل جفت کننده،واکنش بین لایه ای و مقاومت به جذب آب را افزایش میدهد.مطالعه زیر بر روی تعیین ویژگیهای فیزیکی کامپوزیت حاصل بویژه مدول خمشی و جذب آب متمرکز است.

مواد و روشها:

مواد لازم برای این آزمایش:هوموپلی پروپیلن،کاه گندم،نمونه رس،عامل جفت کننده پلی پروپیلن انیدریدمالئیک،و آنتی اکسیدان های Irganox1010 و Irgafos163 بودند.

کاه گندم در ابتدا به قطعاتی به طول cm5-3 تبدیل شد و بعد با استفاده از آسیاب چکشی ریز شد.کاه گندم آسیاب شده،از الک با مش 35 عبور داده شد.فرمولاسیون با اختلاط ذوب با استفاده از اکسترودر چرخشی مخروطی جفت پیچ بدست آمد.ترکیبات قبل از تغذیه اکسترودر،با دست مخلوط شدند تا یکنواخت شوند.شرایط عملکرد اکسترودر در دمای 190 درجه و سرعت rmp40 تنظیم شد.نمونه ها با توجه به استاندارد ASTM برای جذب آب و تست خمش تولید شدند.3 نمونه از هر فرمولاسیون برای تست جذب آب استفاده شدند.مقاومتهای خمش نیز مورد بررسی قرار گرفتند.الیاف کاه گندم از کامپوزیت استخراج شدند و برای اندازه ذرات با میکروسکپ چشمی آنالیز شدند.مورفولوژیکی نمونه ها با استفاده از میکروسکپ اسکن الکترونی LEO مجهز به ستون انتشار آنالیز شد.

بحث و نتیایج:

آنالیز اندازه ذرات:

آنالیز اندازه ذرات نشان داد که الیاف با طول بیشتر از  ،به قطعات کوچکتری طی فرایند اکستروژن شکسته شدند.الیاف کاه گندم با ابعاد کوچکتر در اکسترودر،حداقل آسیب را متحمل شدند و همچنین ویژگیهای مقاومت به جذب آب بهتری به علت ترشدگی بهتر و پوشش الیاف ماده زمینه داشتند.کاهش جزیی در طول ذرات بعد از ترکیب مشاهده شد که ناشی از سایش مکانیکی یا تجزیه حرارتی طی اکستروژن است.این مشاهدات بطور غیرمستقیم نشان دادند که کاه گندم بازیابی شده از کامپوزیت،ساختار آسیب دیده ای دارد و الیاف ممکن است مقاومت مکانیکی را کاهش دهند.بنابراین میتوان تصور کرد که بازیافت الیاف و کاربرد مشابه در کامپوزیت،ممکن است ویژگیهای مکانیکی کامپوزیت را کاهش دهند.

ویژگیهای خمش:

نمونه عاری از کاه گندم،مدول خمشی Mpa1060 را نشان داد.افزایشwt 30٪ کاه گندم،مدول خمشی را تا Mpa 2000

افزایش داد که حدود 70٪ در مقایسه با پلی پروپیلن خالص بیشتر بود.افزایش میزان کاه گندم از wt30٪ به  wt40٪،مدولخمشی کامپوزیت را تا 5٪ دیگر افزایش داد.با افزایش میزان کاه گندم تا wt50٪ ،مدول خمشی تا 16٪ دیگر افزایش یافت.افزایش در مدول خمشی با افزایش میزان کاه گندم پیش بینی شد.

تاثیر افزایش عوامل جفت کننده(PP-MA)روی مدول خمشی،با تغییر در میزان PP-MA در wt0٪ ،wt2٪ وwt4٪ و ثابت نگه داشتن غلظت دیگر ترکیبات مورد مطالعه قرار گرفت.مشاهده شد که کامپوزیت بدون عوامل جفت کننده،پایین ترین مقدار مدول خمشی را دارد.افزایش wt2٪ PP-MA ،مدول خمشی را از Mpa1800 به Mpa2000 افزایش داد.افزایش عوامل جفت کننده از 2٪ به 4٪ ،مدول خمشی را تا Mpa2065 افزایش داد که تنها 4٪ افزایش مشاهده شد.مدول خمشی پایین در مورد کامپوزیت بدون عامل جفت کننده،واکنش بین لایه ای ضعیف بین ترکیبات کامپوزیت را نشان داد.این مشاهدات بیان کردند که افزایش عامل جفت کننده،سازگاری بین کاه گندم و ماتریکس پلیمر را افزایش میدهد که در عوض منجر به مقاومت بالاتر و کارایی بهتر برای انتقال انرژی میشود.علاوه بر این،افزایش عامل جفت کننده مثل PP-MA ،منجر به واکنش شیمیایی بین گروههای هیدروکسیل فیلر و عملکرد انیدریدمالئیک در PP-MA میشود.

تاثیر افزایش ارگانو رس روی مدول خمشی کامپوزیت،با ثابت نگه داشتن دیگر ترکیبات مورد مطالعه قرار گرفت.نمونه های کامپوزیت با مقادیر مختلفی از ارگانو-رس 0٪ ، 2٪ و 5٪ تهیه شدند.کامپوزیت بدون ارگانو رس،مدول الاستیسیته

Mpa1834 را نشان داد.افزایش 2٪ رس،افزایش کمی در مدول الاستیسیته حدوداMpa 1877 را نشان داد(حدود 2٪ ).علاوه بر این کامپوزیت با 5٪ رس،مدول خمشیMpa2000 را نشان داد.بنابراین گزارش شد که رس میتواند برای پلیمرها در سطوح بارگذاری زیرwt 5٪ ، بعنوان تقویت کننده باشد.در این مطالعه افزایش ویژگیهای خمش،معنی دارنبود.زیرا افزایش ارگانورس،مدول خمشی را به مقدار جزیی افزایش داد.

واکنش بین لایه ای ماتریکس و ارگانورس نیز،مورد بررسی قرار گرفت.مشاهده شد که در مقایسه با افزایش گندم،واکنش بین لایه ای مشاهده شده تاثیر قابل توجهی روی مدول خمشی ندارد.

جذب آب:

بعد از غوطه وری نمونه ها بمدت 4ماه،جذب آب در نمونه های پلی پروپیلن خالص،کمتر از 3/. ٪ بود.نمونه با کاه گندم

wt30٪ ،حدود 8٪ آب جذب کرد و در 90 روز اشباع شد.نمونه ها با wt40٪ کاه گندم،12٪ آب جذب کردند و در 70 روز اشباع شدند.و نمونه ها با wt50٪ کاه گندم،17٪ آب جذب کردند و طی 40 روز اشباع شدند.بنابراین افزایش میزان کاه گندم،منجر به افزایش جذب آب شد و زمان اشباع کاهش یافت.

تاثیر PP-MA روی جذب آب با تغییر میزانwt 2٪ وwt 4٪ مورد مطالعه قرار گرفت.نمونه کامپوزیت بدونPP-MA،جذب آب بالاتری طی دوره اولیه قرارگیری نمونه ها در آب(در 40 روز)نشان داد.بنابراین سرعت جذب آب بکندی کاهش یافت و به ماکسیمم 9٪ رسید و در 90 روز اشباع شد.نمونه ها با  2٪ PP-MA،آب بیشتری قبل از رسیدن به نقطه اشباع در مقایسه با نمونه بدونPP-MA جذب کردند.نمونه ها با wt4٪ PP-MA،جذب آب کاهش یافته را در 8٪ نشان دادند و در 90 روز اشباع شدند.کاهش جذب آب در این نمونه ها تقریبا بعلت افزایش میزان بیشتر PP-MA بوده که پیوند بین لایه ای بین فیلر و ماتریکس پلیمر را افزایش داد.

تاثیر رس روی جذب آب،با استفاده از ارگانورس درwt0٪ ،wt2٪ و wt5٪ مورد بررسی قرار گرفت.نمونه بدون ارگانورس،wt2٪ و wt5٪ ارگانورس،بترتیب wt5/7 ٪ ، wt8٪ و wt2/10٪ آب جذب کردند.نمونه های کامپوزیت،افزایش جذب آب را با افزایش میزان رس نشان نمیدهند.در هر 3نمونه،نقطه اشباع تقریبا در یک زمان بدست آمد.درصد جذب آب قبل از اشباع بطور جزیی متفاوت بود.

مورفولوژی:

نمونه های حاوی wt30٪ ،wt40٪ و wt50٪ کاه گندم بررسی شدند.هر 3 نمونه با 2٪ PP-MA فراوری شدند.میکروگرافها نشان دادند که در همه نمونه ها،الیاف در سطح شکسته شدند که نشان دهنده واکنش بین الیاف و ماده زمینه است.در نمونه های wt30٪ کاه گندم، wt5٪ رس و wt0٪ PP-MA ،الیاف کنده و واکنش ضعیف بین ماتریکس پلیمر و الیاف وجود داشت.2 تصویر زیر نشان دهنده این واقعیت میباشند.

در نمونه های با wt30٪ کاه گندم، wt5٪ رس و wt4٪ PP-MA واکنش خوبی ناشی از واکنش شیمیایی بین گروههای هیدروکسیل سطح الیاف با انیدریدمالئیک PP-MA وجود داشت.تصویر زیر این واقعیت را نشان میدهد.

منابع:

1-C. Ravindra Reddy, A. Pouyan Sardashti, Leonardo C. Simon,2010,

2-Preparation and characterization of polypropylene–wheat straw–clay composites.

 Panthapulakkal S, Sain M. Studies on the water absorption properties of short hemp-glass fiber hybrid polypropylene             composites .J Comp Mater 2007;41:1871–83.

3-Saheb DN, Jog JP. Natural fiber polymer composites: a review. Adv Polym Technol 1999;18:351–63.

 4-Panthapulakkal S, Zereshkian A, Sain M. Preparation and characterization of wheat                straw      fibers      for reinforcing application in injection       molded thermoplastic composites. Bioresour Technol 2006;97:265–72.

 5- Hornsby PR, Hinrichsen E, Trivedi K. Preparation and properties of polypropylene composites reinforced with wheat and flax straw fibers. Part 1. Fiber characterization. J Mater Sci 1997;32:443–9.

6- Hornsby PR, Hinrichsen E, Trivedi K. Preparation and properties of polypropylene composites reinforced with wheat and flax straw fibers. Part  II. Analysis of composite microstructure and mechanical properties. J Mater Sci 1997;32:1009–15.

7- Marcovich EV, Reboredo MM, Aranguren MI. Dependence of the mechanical properties of woodflour-polymer composites on the moisture content. J Appl Polym Sci 1998;68:2069–76.

8- Arbelaiz A, Fernandez B, Ramos JA, Retegi A, Liano-Ponte R, Mondragon I. Mechanical properties of short flax fiber bundle polypropylene composites: influence of fiber matrix modification, fiber content water uptake and recycling. Comp Sci Technol 2005;65:1582–92.

9- George J, Sreekala MS, Thomas S. A review on interface modification and characterization of natural fiber reinforced plastic composites. Polym Eng Sci 2001;41:1471–85.