بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از مواد با منشأ طبیعی که قابل تجزیه بیولوژیکی در محیطزیست توسط میکروارگانیسمها پس از اتمام عمر استفاده خود میباشند، موجب آلودگی کمتر محیط زیست میگردد. یک نوع از این مواد، ترموپلاستیکهای زیست تخریبپذیر - گیاهی - بوده که در مواردی جایگزین مناسبی برای ترموپلاستیکهای هیدروکربنی میباشند. جهت جایگزین نمودن ترموپلاستیکهای گیاهی با مواد دیگر و گسترش استفاده از آنها، نیاز به شناخت خواص مختلف این نوع مواد میباشد. هدف این تحقیق بررسی اثر گذشت زمان و جذب آب بر میزان استحکام کششی، مقاومت به ضربهو انقباضِ قطعات قالبگیری تزریقی تولیدشده از یک نوع ترموپلاستیک گیاهی بر پایه نشاسته گندم میباشد. بررسی این تغییرات به منظور کاربرد و تعیین حد دوام قطعات ترموپلاستیک گیاهی در محیطهای با رطوبت زیاد حائز اهمیت میباشد. از یک دستگاه قالبگیری تزریقی 88 تنی و یک قالب تزریق دو حفرهای برای انجام آزمایش تعیین استحکام کششی طبق استاندارد ASTM-D638 و آزمایش مقاومت به ضربه طبق استاندارد ASTM-D6110 جهت تولید قطعات استفاده گردیده است . نمونههای تولیدشده در زمانهای مختلف در آب رودخانه قرار داده شده و سپس استحکام کششی، مقاومت به ضربه و انقباض آنها تعیین گردید. نتایج نشان داد که غوطه وری و نگهداری قطعات در آب، خواص کششی و مقاومت به ضربه را به شدت کاهش داده و قطعات رو به تردی بیشتر و چقرمگی کمتر میروند. تغییراتانقباضِ قطعات غوطهور در آب نیز ارتباط مستقیم با تغییرات چگالی و ارتباط عکس با جذب آب دارد . همچنین چگالی قطعاتی که به مدت یک ماه در آب غوطهور شده، با گذشت زمان افزایش مییابد.
واژه های کلیدی
ترموپلاستیک گیاهی، قالبگیری تزریقی، جذب آب، خواص مکانیکی، خواص ابعادی
-1 مقدمه
مواد پلیمری در ساخت اشیای مختلف، از وسایل زندگی و مورد مصرف عمومی تا ابزار دقیق و پیچیده پزشکی و علمی بکار میروند.
ساختمان پلیمرها با مولکولهای دراز زنجیر گونه با ساختمان فلزات کاملاً متفاوت است. این مولکولهای بلند از اتصال و بهم پیوستن هزاران واحد کوچک مولکولی موسوم به مونومر تشکیل شدهاند. پلاستیکهای سنتی موادی چند منظوره و منعطف بوده و استحکام و دوام نسبت به وزن آنها مهمترین دلایل موفقیت آنها در انواع کاربردهای روزمره است. با این وجود، محصولات پلاستیکی پس از پایان مصرف اگر جمعآوری نشده و پاکسازی نشوند، صدها سال در محیط باقی میمانند. [1] پلیمرها از نظر منشأ مواد اولیه به دو دسته هیدروکربنی و گیاهی تقسیمبندی میشوند. پلیمرهای گیاهی بر خلاف پلیمرهایی که از مواد نفتی به دست میآیند، قابل برگشت سریع به محیط زیست میباشند؛ بنابراین مواد آلوده کنندهی محیط زیست به شمار نمیآیند. پلیمرهای گیاهی به وسیله موجودات زنده ساخته شده و در نتیجه در چرخه ساخت و تجزیه مواد بیولوژیک قرار میگیرند؛ پس هیچگاه منابع آن محدود و تمام شدنی نیست؛ در حالی که مواد پلیمری و پلاستیکی امروزی از منابع فسیلی ساخته شده که منابع آن محدود و تمام شدنی است. [2] بخش عمدهای از پلیمرهای گیاهی از منابع گیاهی مانند نشاسته سیب زمینی، گندم و ذرت تولید میشوند . نشاسته - سلولز - از اتمهای اکسیژن، هیدروژن و کربن تشکیل شده و دارای حلقههای پیوندی OH است. [3]
پلیمرها به روشهای میکروبی، شیمیایی - از طریق قرارگیری در محلولهای آبی - و نوری تخریب میشوند. هر سه روش تحت عنوان زیست تخریبپذیری تقسیمبندی شده که محصولات نهایی حاصل از تخریب، در طبیعت بازیافت میشوند. [4]
بعضی از پلیمرهای گیاهی وقتی در محلولهای آب ی قرار میگیرند، به سرعت در آب حل شده و تخریب میشوند . با قرارگیری در معرض جذب آب، نمونهها متورم شده و سبب پایین آمدن خواص مکانیکی آنها میگردد. [5]
استحکام کششی قطعات قالبگیری تزریقیپلیمرگیاهیِ پلی لاکتیک اسید 1 - PLA - در طول 4 هفته نگهداری در آب تغییری نمییابد؛ در حالی که استحکام کششی2 و درصد ازدیاد طول تا شکست1 - انعطافپذیری - برای نمونههای ترکیبی PLA و نشاسته ذرت متناسب با افزایش زمان ذخیرهسازی در آب، کاهش مییابد. همچنین به اندازه کافی خشک نمودن نشاسته و PLA منجر به چسبندگی قوی بین دو فاز و خواص مکانیکی بالاتر میشود. [6]
کاهش استحکام کششی و انعطافپذیری با گذشت 90 روز غوطهوریقطعاتِ قالبگیری تزریقی 2PLLA در آب دریای 40œC رخ میدهد. ولی برای آب دریا با دمای 20œC استحکام کششی کاهش و در عین حال میزان انعطافپذیری افزایش مییابد. [7]
انعطافپذیریِ کم و جذب آب بالای PLLA را با افزودن ماده زیستی پلیکپرولاکتون 3 - 3 &/ - به PLLA میتوان بهبود بخشید . دلیل افزایش جذب آب در زمانهای طولانی، پدیده ترک گلبولها میباشد. مقاومت به ضربه نمونههای PLLA خالص و ترکیب 3//$/3 &/ با گذشت زمان غوطهوری در آب، کاهش مییابد. روند مقاومت به ضربه قطعات نگهداری شده در آب، تقرباًی همان روند جذب آب را دارد؛ یعنی با افزایش جذب آب مقاومت به ضربه کاهش مییابد که میتواند مربوط به هیدرولیز و یا عدم انسجام ترکیب باشد. ازدیاد طول تا شکست نیز برای ترکیب PLLA با 3 &/ و غوطهوری در آب تحت شرایط حرارتی 65œC با گذشت زمان، کاهش پیدا میکند. [5]
میزان مدول کششی قطعات پلیمرگیاهی بر پایه نشاسته ذرت در طول 60 روز غوطهوری در یک محلول نمکی تغییری نمییابد .[8]
جذب آب نمونههای قالبگیری تزریقی ترکیبات نشاسته و PLA سبب افزایش ابعاد به علت تورم میشود که با افزایش درصد نشاسته، به دلیل جذب آب بیشتر، درصد تغییرات ابعادی نیز افزایش مییابد .[6]
استفاده از ترموپلاستیکهای گی اهی در تولید قطعات توسط دستگاههای قالبگیری تزریقی معمول امکانپذیر است که پس از تولید و نگهداری قطعات در آب، استحکام کششی و مقاومت به ضربه مواد ترموپلاستیک گیاهی با گذشت زمان کاهش مییابد؛ که شناسایی عوامل فرآیند تولید مناسب جهت دستیابی به زمان قابل استفاده مطلوب از قطعه برای تولیدکنندگان دارای اهمیت میباشد. لذا شناخت پارامترهای مناسب برای هر قطعه نیاز به انجام آزمایشاتی داشته که دانستن روند انجام آنها و چگونگی تحلیل نتایج آنها برای تولیدکنندگان الزامی میباشد.
هدف این تحقیق شناخت میزان تغییر ساختار قطعات در اثر جذب آب و میزان تأثیر آن بر خواص مکانیکی و ابعاد ی قطعات تولیدی به روش قالبگیری تزریقی، تجزیه و تحلیل خواص مکانیکی و ابعادی نمونههای تزریقی در طی جذب آب به منظور تعیین زمان بازگشت به چرخه طبیعت و جایگزینی قطعات ترموپلاستیک گیاهی با قطعات هیدروکربنی بهدلیل ویژگیهای زیست تخریبپذیری و عدم نیاز به منابع نفتی میباشد.
-2 آزمایشات
: 1-2 مواد و پارامترهای فرآیند مواد مورد استفاده از پلیمرگیاهی بر پایه نشاسته گندم ساخت شرکت گلسبزجاوید اصفهان با نام تجاری دکتر ظهوری با حداکثر دمای ذوب 205œC و شاخص جریان مذاب 1,25±0,25 gr/10min در 130œC میباشند. این پلیمرگیاهی شامل 60 تا 70 درصد نشاسته گندم، 20 تا 25 درصد اکوفلکس و 15 تا 20 درصد واکس، روغن و رنگدانهها بوده که توسط دستگاه اکسترودر به طول ماردون 2,6m و قطر 63mm گرانولگیری شده است. شکل 1 گرانولهای پلیمرگیاهی مورد استفاده را نشان میدهد.
شکل :1 گرانول پلیمرگیاهی بر پایه نشاسته گندم مورد استفاده
مقادیر پارامترهای فرآیند بر اساس محدودیت مواد، قالب، دستگاه تزریق انتخاب گردیده است. تمام پارامترهای فرآیند جهت تولید قطعات ثابت در نظر گرفته شد. این پارامترها شامل دمای قالب - 35œC - ، دمای مذاب - 170œC - ، زمان خنککاری - 25s - ، سرعت تزریق - 20Cm3/s - ، زمان تزریق - 9s - ، زمان نگهداری فشار - 6s - ، فشار تزریق و نگهداری - 700bar - میباشند. لازم به ذکر است که یکی از دلایل انتخاب دمای مذاب، تنش تسلیم و مقاومت به ضربهی بالاتر قطعات تولیدی در این دما است 4]و.[9
:2-2 آمادهسازی نمونهها به منظور از بین بردن رطوبت مواد قبل از تزریق، با استفاده از دستگاه خشک کن با قابلیت جابجایی اجباری هوا، پلیمرهای گیاهی به مدت 2 ساعت در دمای 80œC خشک شدند.
قالب تزریق دو حفرهای مورد استفاده، دارای پران میلهای و اندازه حفره قالب برای آزمون کشش مطابق با استاندارد ASTM-D638 و برای آزمون ضربه مطابق استاندارد ASTM-D6110 طراحی و ساخته شده است. شکل 2 اجزای مختلف قالب را نمایش میدهد.
برای تولید نمونهها، از یک دستگاه تزریق پلاستیک مدل HXF88 ساخت شرکت HAIXING چین با ظرفیت حجم تزریق 140gr و نیروی گیره 88ton استفاده گردید . شکل 3 دستگاه قالبگیری تزریقی به همراه قسمتهای مختلف آن را نشان میدهد.
شکل :3 دستگاه قالبگیری تزریقی استفاده شده در تولید نمونهها
بدین منظور مواد پس از رطوبتزدایی، توسط دستگاه تزریق با توجه به پارامترهای ذکر شده با هدف تعیین اثر گذشت زمان و جذب آب تولید شدند. شکل 4 نمونهی تولید شده از قطعات ترموپلاستیک گیاهی را نشان میدهد.
شکل :4 نمونهی تولید شده از قطعات ترموپلاستیک گیاهی
در نهایت مطابق استاندارد ASTM-D6110 با ایجاد شکاف1 Vشکل بر روی نمونههای آزمایش ضربه، قطعات آماده میگردند. شکل 5 قطعهای که بر روی آن شکاف ایجاد شده را نشان میدهد.
شکل :5 نمونهی ناچ خورده از قطعات آزمایش ضربه
:3-2 غوطهوری نمونهها در آب پس از تولید قطعات، برای تجزیه و تحلیل اثر جذب آب و میزان
تخریب آن در قطعات، نمونهای از آب استفاده شده برای تعیین مشخصات به آزمایشگاه ارسال گردید. آب مورد استفاده از رودخانه دز تهیه شده بود که مشخصات آن در جدول 1 آورده شده است.
بعد از ارائه نتایج از سوی آزمایشگاه، قطعات در آب قرار داده شدند. قطعات غوطهور پس از دورههای زمانی 1 - 168هفته - ، 336 2 - هفته - ، 3 - 504هفته - و 672 ساعت 4 - هفته - از آب خارج شده و سطح آنها با دستمال پارچهای خشک و به مدت 24 ساعت در دمای 28±1œC برای جلوگیری از کپکزدگی نگهداری شدند و در نهایت تحت آزمایشهای مختلفی قرار گرفتند.
دمای آب و محیط در طول یک ماه غوطهوری در آب، 28±1œC، رطوبت نسبی 35±5 درصد و دمای نقطه شبنم بین 8,2 تا 12,9œC اندازهگیری شد.
شکل 6 تمامی قطعات نگهداری شده در آب را نشان میدهد.
جدول :1 نتایج آزمایش بر روی نمونه آب
شکل :6 قطعات غوطهور در آب
:4-2 آزمون جذب آب
آزمون جذب آب طبق استاندارد ASTM-D570 برای 3 نمونه انجام گرفت. نمونهها ابتدا به مدت 24 ساعت در خشککن با دمای 50œC خشک و بلافاصله با دقت نزدیک 0,001gr وزن شدند. طبق استاندارد نمونهها به حالت ایستاده در یک ظرف حاوی آب مقطر با دمای 23±1œC بطور کامل غوطهور شدند. در پاانِی هر زمان، نمونهها از آب خارج شده و تمام سطوح آنها با یک پارچه خشک و با دقت 0,001gr وزن شدند. سپس به منظور تعیین میزان جذب آب در زمانهای طولانیتر، مجدداً درون آب قرار گرفتن د. افزایش درصد جذب آب در زمان t توسط رابطه 1 تعیین میشود .[5]
=[ - Ww-Wd - /Wd]×100 - 1 - درصد جذب آب شکل 7 قطعات در معرض آزمون جذب آب را نشان میدهد.
شکل :7 آزمون جذب آب قطعات
: 5-2 انقباض برای اندازهگیری انقباض با استفاده از کولیس دیجیتال با دقت 0,01mm طول قطعه مورد نظر در زمانهای مختلف که شاخصی از میزان انقباض و تغییر ابعاد قطعه در اثر نگ هداری در آب با زمانهای مختلف میباشد، اندازهگیری گردیده و با طول حفره قالب - 166,8mm - مقایسه شد. اختلاف آنها حاکی از می زان انقباض قطعه است. در تمام اندازهگیریهایی که روی قطعات انجام شد، نمونهها از نظر عرض و ضخامت تقرباًی همگی یکسان و اختلاف آنها
