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 محیطزیست 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.هدفِ این تحقیق، بررسی اثر میزان فشار تزریق مورداستفاده جهت تولید و مدت زمان قرارگیری نمونهها در برابر نور خورشید بر استحکام کششی و تغییرات ابعادی قطعات قالبگیری تزریقی تولیدشده از یک نوع ترموپلاستیک گیاهی بر پایه نشاسته گندم میباشد . از یک دستگاه قالبگیری تزریقی 88 تنی و یک قالب تزریق دارای حفرهای دمبلی شکل برای انجام آزمایش تعیین استحکام کششی طبق استاندارد ASTM-D638 جهت تولید قطعات استفاده گردیده است. نمونههای تولیدشده در زمانها ی مختلف در محیط تحت تششعات فرابنفش خورشید قرار داده شده، سپس استحکام کششی1، درصد ازدیاد طول تا شکست2 و انقباض آنها تعیین گردید. نتایج نشان داد که نگهداری قطعات در معرض نور خورشید، انقباض را افزایش و استحکام کششی را به شدت کاهش داده و قطعات رو به تردی بیشتر و چقرمگی کمتر میروند. همچنین با افزایش فشار تزریق برای قطعات میتوان مقادیر استحکام کششی و انقباض را تا حدی بهبود بخشید.
واژه های کلیدی
ترموپلاستیک گیاهی، قالبگیری تزریقی، فشار تزریق، گذشت زمان، استحکام کششی، انقباض
-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 محیطزیست میباشند؛ بنابراین مواد آلوده کنندهی محیطزیست 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 گی اهی 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. ای ن امر سبب میشود که پلیمرگیاهی یک ترموپلاستیک بیشکل با حلقههای پیوندی OH باشد. [3]
پلیمرها به روشهای میکروبی، شیمیایی و نوری - هوازدگی - تخریب میشوند. هر سه روش تحت عنوان زیست تخریبپذیری تقسیمبندی شده که محصولات نهایی حاصل از تخریب، در طبیعت بازیافت میشوند. [4]
هوازدگی نتیجهای از تأثیرات تابش نور خورشید، گرما، رطوبت و آلودگی بوده که بر ساختار قطعات ترموپلاستیکی و در نتیجه بر خواص مختلف آنها تأثیر میگذ ارد 5]و .[6 تابشهای خورشیدی سبب برش زنجیرههای پلیمری و تخریب ساختار این مواد شده و بدین ترتیب کاهش خواص مکانیکی را موجب میشوند. انرژی تابش یا به عبارتی انرژی هر طول موج نقش بسیار مهمی در شکستن پیوندهای مولکولی پلاستیکها دارد؛ به طوری که طول موجهایی
توانایی شکستن پیوندهای پلاستیک را دارند که انرژیشان بالاتر از انرژی لازم برای شکستن آن پیوندها باشد. 6]و[7
همچنین گرما یکی از عوامل مؤثر در تجزیه ساختار پلاستیکها میباشد .[5]
پدیده هوازدگی در آب و هوای گرم و دارای رطوبت زیاد بیشتر از آب و هوای گرم و خشک است. برای بررسی اثرات پدیده هوازدگی بر خواص قطعات دو روش طبیعی و روش مصنوعی - شبیه سازی شده - قابل انجام است. در روش طبیعی نمونهها بر روی صفحات مخصوص تحت سه زاویه تابش 0، 45، 90 درجه در معرض عوامل محیطی قرار میگیرند. البته به دلیل وجود تغییرات آب و هوایی در مناطق مختلف جغرافیایی استاندارد مشخصی برای این روش وجود نداشته و معمولاً دادههای آب و هوایی جمعآوری شده و در طی دورهی
آزمایش تابشهای فرابنفش، رطوبت و دما به عنوان مرجعی برای آزمایشهای بعدی در سایر نقاط جغرافیایی به کار میروند.
سپس نمونهها در دورههای معین پس از تأثیر پذیرفتن از عوامل محیطی، مورد آزمایشهای مکانیکی قرار میگیرند. 6]و[8
افزایش تنش کششی و کاهش کرنش پس از 504 ساعت از زمان پیری - گذشت زمان - ، در نمونههای قالبگیری تزریقی ترموپلاستیک بر پایه نشاسته ذرت رخ میدهد .[9] همچنین با اعمال فشار تزریق و نگهداری بالا، مقادیر مدول کششی پس از 168 ساعت از زمان پیری نیز افزایش مییابد .[10]
میزان انقباض قطعات ترموپلاستیکی بر پایه نشاسته ذرت بالا میباشد ولی میتوان انقباض آن را با استفاده از مقادیبالاترِ فشار نگهداری کاهش داد .[10] میزان انقباض این مواد به صورت لگاریتمی با افزایش زمان پیری، افزایش مییابد. این رفتار به جز برای مقادیر بالایی از انقباض، شبیه به ترموپلاستیکهای بر پایه مواد نفتی است. [9] همچنین با گذشت زمان، خواص مواد از حالت نرم و لاستیکی به حالت ترد و سخت تغییر مییابد 9]و.[10
با گذشت زمان پیری، استحکام کششی قطعات تولید شده از ترموپلاستیکهای گیاهی کاهش و میزان انقباض افزایش خواهد یافت؛ 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 بررسی اثر میزان فشار تزریق مورداستفاده جهت تولید قطعات و شناخت میزان تغییرات خواص کششی و ابعادی قطعات تولیدی به روش قالبگیری تزریقی در اثر گذشت زمان به منظور تعیین زمان بازگشت به چرخه طبیعت و جایگزینی قطعات پلیمرگیاهی 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. پارامترهای ثابت شامل دمای قالب - 35œC - ، دمای مذاب - 170œC - ، زمان خنککاری - 25s - ، سرعت تزریق - 20Cm3/s - ، زمان تزریق - 9s - و زمان نگهداری فشار - 6s - میباشند. تنها پارامتر متغیر مورداستفاده در تولید قطعات، فشار تزریق در سه سطح 600، 700 و 800bar بوده و فشار نگهداری برابر با فشار تزریق در نظر گرفته شد.
:2-2 آماده سازی 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 طراحی و ساخته شده است. صفحات متحرک و ثابت قالب در شکل2 نشان داده شده است.
شکل :2 صفحات متحرک و ثابت حفره قالب
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 ثابت و متغیر با هدف تعیین اثر گذشت زمان تولید شدند.
: 3-2 قرارگیری نمونهها در محیط پس از تولید قطعات، جهت استقرار نمونهها در محیط، از یک ردیف
سیم مفتول نصب شده در پشت بام استفاده شد و نمونهها به وسیلهی گیره بر روی این مفتول با زاویه 90 درجه مستقر شدند. قطعات پس از دورههای زمانی 1 - 168هفته - ، 2 - 336هفته - ، 504 3 - هفته - و 672 ساعت 4 - هفته - از محیط خارج شدند و تحت آزمایشهای مختلفی قرار گرفتند. در این مطالعه شرایط محیطی به معنای آن است که نمونهها در طول شبانه روز در محیط خارجی و هوای آزاد و همچنین در معرض نور خورشید نگهداری شده بودند، - تخریب توسط بارش باران مورد مطالعه نبود - .
مشخصات آبوهوایی در دوره یک ماهه اندازهگیری شد که دمای محیط از 32,8 تا 68,3œC و رطوبت نسبی محیط از 0,7 تا 39,3 درصد متغیر بود.
شدت تابش فرابنفش خورشید 3 - UV - در طول 14ساعتِ روز، در فصل تابستان - تیر و مرداد ماه - هر یک ساعت توسط دستگاه UVمتر اندازهگیری میشد و 11 ساعت باقیمانده - بعد از غروب تا قبل از طلوع خورشید - مقدار انرژی صفر درنظر گرفته شد. میانگین شدت تابش فرابنفش خورشید در طول شبانه روز به عنوان معیار در مدت 1 ماه نگهداری قطعات محاسبه شد. میانگین شدت تابش با احتساب مقادیر صفر برای زمانهایی که تابش خورشید وجود نداشت، 1930W/Cm2 میباشد. شکل 4 دستگاه UVمتر مورد استفاده را نشان میدهد.
شکل :4 دستگاه UVمتر جهت اندازهگیری میزان انرژی تابشی خورشید
شکل 5 قطعات نصب شده در شرایط محیطی را نشان میدهد.
شکل :5 قطعات قرار داده شده در محیط
:4-2 آزمایش کاهش وزن و تغییرات چگالی به منظور بررسی اثر زیست تخریبپذیری قطعات تولیدی از
پلیمرهای گیاهی، تمامی نمونههای تولیدی قبل و بعد از قرارگیری در محیط توسط ترازوی دیجیتال با دقت 0,01gr تعیین وزن شدند. بدین ترتیب از دست دادن جرم نمونهها پس از دورههای مختلف زمانی به ثبت رسید. درصد وزن باقیمانده توسط رابطه 1 محاسبه میشود .[11]
=[ - M0-Md - /M0]×100 - 1 - درصد وزن باقیمانده درصد وزن باقیمانده به طور متوسط با 5 تکرار در دورههای
زمانی مختلف اندازهگیری شد.
تغییرات چگالی قطعات با گذشت زمان قرارگیری در محیط نیز با استفاده از روش ارشمیدس و تعداد 3 مرتبه تکرار اندازهگیری شد.
: 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 نگهداری در محیط 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 رو ی قطعات انجام شد، نمونهها از نظر عرض و ضخامت تقرباًی همگی یکسان و اختلاف آنها بسیار ناچیز بوده و بیشترین اختلاف در راستای طول قطعه ایجاد شده بود. میزان درصد انقباض خطی از رابطه 2 با 5 مرتبه تکرار در دورههای مختلف زمانی محاسبه میشود .[11]
S=[ - Lm-Lp - /Lm]×100 - 2 -
:6-2 آزمایش کشش خواص کششی نمونهها شامل استحکام کششی نهایی و ازدیاد
طول تا شکست با استفاده از دستگاه کشش یونیورسال مدل هیوا200 با ظرفیت 200Kgf مطابق با استاندارد ASTM-D638 در دمای اتاق اندازهگیری شد. در کلیه آزمایشها، نرخ کشش ثابت و برابر 5mm/min با 3 مرتبه تکرار برای هر کدام از شرایط در نظر گرفته شد .[12]
