بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از مواد با منشأ طبیعی که قابل تجزیه بیولوژیکی در محیطزیست توسط میکروارگانیسمها پس از عمر استفاده خود میباشند، موجب آلودگی کمتر محیط زیست میگردد. یک نوع از این مواد ترموپلاستیکهای گیاهی بوده که در مواردی جایگزین مناسبی برای ترموپلاستیکهای هیدروکربنی میباشند. برای استفاده از پلیمرهای گیاهی در صنعت نیاز به بهبود خواص مکانیکی آنها میباشد.
برای این کار باید یک پلیمر هیدروکربنی را با پلیمرگیاهی ترکیب کرد. در این تحقیق به بررسی تجربی اثر ترکیب ترمو پلاستیک هیدروکربنی و زیست تخریب پذیر و عوامل فرایند بر استحکام کششی1 قطعات تولید شده به روش قالبگیری تزریقی دو مرحلهای پرداخته می شود.
انتخاب پارامترهای تزریق صحیح و همچنین نسبت ترکیب مناسب در رسیدن به خواص مکانیکی بهینه حائز اهمیت است . از یک نوع پلیمرگیاهی بر پایه نشاسته گندم و پلی پروپیلن برای ترکیب با آن و یک دستگاه قالبگیری تزریقی جهت تولید قطعهها استفاده گردید. آزمایش تعیین ماکزیمم استحکام کششی طبق استاندارد ASTM-D638-2a انجام شد. بعد از تولید قطعات به صورت دو مرحله ای که در شش سطح مختلف از نسبت ترکیب 2Bio/PP ، سه سطح فشار تزریق و سه سطح از دمای مذاب انجام شد بر روی نمونهها تست کشش صورت گرفت.
نتایج نشان داد که در استحکام کششی بالاترین تاثیر را در میان پارامترهای متغیر، نسبت ترکیب Bio/PP دارد که با افزایش درصد پلی پروپیلن در ترکیب استحکام کششی زیاد میشود. همچنین با افزایش درصد PP در ترکیب، مدول الاستیک3 کاهش قابل توجهی پیدا میکند و این دلیلی بر ترد بودن Bio نسبت به PP است.
-1 مقدمه
امروزه استفاده از مواد پلیمری در زندگی ما امری عادی بوده زیرا که از این مواد در ساخت اشیای مختلف همچون وسایل زندگی، ابزار دقیق و پیچیده پزشکی و علمی و ظروف یکبار مصرف غذایی استفاده میشود. ساختمان پلیمرها با مولکولهای بسیار 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 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.
پلیمرها 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. مزیت بعدی پلیمرهای گیاهی اقتصادی بودن این مواد است، زیرا تولید پلیمر گیاهی نیاز به کارخانه و صنعت پیشرفته نداشته و با حداقل امکانات میتوان به تولید آن مبادرت ورزید. همچنین قیمت بالای نفت خام، کشورها را به سوی استفاده از این مواد سوق داده است.
بخش عمدهای از پلیمرهای گیاهی از منابع گیاهی مانند نشاسته سیب زمینی، گندم و ذرت تولید میشوند. پلیمرگیاهی یک ترموپلاستیک بیشکل با حلقههای پیوندی OH میباشد.
پلیمرها به روشهای میکروبی، شیمیایی و نوری تخریب میشوند. هر سه روش تحت عن وان زیست تخریبپذیری تقسیم بندی شده که محصولات نهایی حاصل از تخریب، در طبیعت بازیافت میشوند.
در سالهای ابتدایی، استفاده از پلیمرهای گیاهی تنها به تولید و بسته بندی ظرف یکبار مصرف محدود می شد ولی به تدریج از این پلیمرها در تولید قطعات صنعتی - خودروسازی، ساختمان و هوا فضا - نیز استفاده شد. از آنجا که بکارگیری این مواد در قطعات صنعتی نیازمند خواص مکانیکی مناسب بوده و همچنین با گذشت زمان، خواص مکانیکی آنها به دلیل زیست تخریبپذیر بودن تغییر خواهد نمود، توجه به فرایند تولید و نحوه میزان ترکیب مواد در آنها دارای اهمیت میباشد .
اگر فرایند تولید قطعات بصورت دو مرحلهای انجام شود یکنواختی در مواد ترکیبی و در قطعات تولید شده بیشتر میشود. یکی از روشهای افزایش خواص مکانیکی و افزایش عمر قطعات تولیدشده با ترموپلاستیکهای زیست تخریب پذیر، ترکیب نمودن آنها با ترموپلاستیکهای هیدروکربنی میباشد. بدین صورت قطعهای بدست خواهد آمد که خواص هر دو نوع ترموپلاستیک هیدروکربنی و زیست تخریبپذیر را دارا میباشد.
این قطعات ترکیبی، به دلیل تجزیه مواد زیست تخریب پذیر درون آنها پس از اتمام عمر استفاده از آنها، در مدت چند ماه به قطعات ریزتر تبدیل شده و تجزیه ترموپلاستیک هیدروکربنی موجود در آنها نیز سریعتر صورت میگیرد. همچنین به میزان حجم ترموپلاستیک زیستتخریبپذیر مورد استفاده، در مصرف ترموپلاستیک هیدروکربنی صرفهجویی شده است.
از ترکیب پلی پروپیلن با الیاف گیاهی مشخص شد که مدول الاستیک پلی پروپیلن در حالت خالص کمتر از ترکیب با الیاف گیاهی است
نحوه ترکیب، میزان ترکیب و پارامترهای فرآیندی تنظیمی جهت دستیابی به قطعاتی با خواص مطلوب در بسیاری از موارد و بخصوص برای مواد موجود در کشور ناشناخته بوده و همین موضوع تمایل تولیدکنندگان به استفاده از این مواد را کاهش داده است. لذا شناخت این موارد به گسترش استفاده از مواد زیست تخریبپذیر کمک خواهد نمود.
هدف این تحقیق بررسی تجربی اثر میزان ترکیب پلیمر زیست تخریب پذیر و هیدروکربنی بر استحکام کششی و مدول الاستیک قطعات تولید شده و همچنین بدست آوردن پارامترهای تزریق بهینه برای ثبات در روش تولید قطعات با خواص مکانیکی مناسب می باشد.
-2 آزمایشات
:1-2 مواد و پارامترها
مواد مورد استفاده در این پژوهش شامل پلیمرگیاهی و پلیپروپیلن بودهاند. پلیمرگیاهی بر پایه نشاسته گندم ساخت شرکت گلسبزجاوید اصفهان با نام تجاری دکتر ظهوری با حداکثر دمای ذوب 205œC و شاخص جریان مذاب1,25±0,25gr/10min 1 در 130œC است. این پلیمرگیاهی شامل 60 تا 70 درصد نشاسته گندم، 20 تا 25 درصد اکوفلکس2 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. ماده دوم بکار برده شده پلیپروپیلن با نام تجاری C 30 S 92020 ساخت پتروشیمی مارون با نقطه ذوب 171 œC، دمای تخریب 286 œC و چگالی0,95gr/cm3 میباشد. شکل1 گرانولهای پلیمرگیاهی و پلی پروپیلن مورد استفاده را نشان میدهد.
شکل :1 پلیپروپیلن - راست - پلیمرگیاهی - چپ - مورد استفاده
مقادیر پارامترهای فرآیند بر اساس محدودیت مواد، قالب و دستگاه تزریق انتخاب گردیده است. پارامترهای ثابت دمای قالب - 35œC - ، زمان خنککاری - 25s - ، سرعت تزریق - 15Cm3/s - ، زمان تزریق - 9s - ، فشار نگهداری - - 700bar و زمان نگهداری فشار - 6s - میباشند. پارامترهای متغیر شامل نسبت ترکیب Bio/PP که در شش سطح شامل 100/0، 80/20، 60/40 ، 40/60، 20/80 و 0/100 و دمای تزریق در سه سطح 180، 190 و 200 درجه سانتیگراد و فشار تزریق در سه سطح 600، 700 و 800bar میباشد.
:2-2 طراحی آزمایشها و آماده سازی نمونهها
از آنجا که تولید قطعات بر اساس سه پارامتر متغیر انجام شده و یکی از پارامترها دارای شش سطح و دو پارامتر دیگر دارای سه سطح مختلف از مقادیر هستند درنتیجه تعداد حالات موجود برای تولید قطعه با این پارامترهای متغیر 54 عدد میباشد و با سه بار تکرار هر آزمایش مجموعاً 162 قطعه باید تولید شود. ازاینرو برای کاهش هزینهها از روش تاگوچی برای طراحی آزمایش و تعداد قطعات استفاده شد. همچنین نرم افزار Minitab 16 برای طراحی آزمایش به روش تاگوچی3 بکار گرفته شد که با استفاده از این روش 18 آزمایش و هرکدام با سه مرتبه تکرار انجام شد. که در جدول1 مقادیر آنها نمایش داده شده است. مقادیر موجود در جدول میانگین سه مرتیه تکرار هر آزمایش و بر حسب Mpa می باشند.
جدول:1 نتایج بدست آمده برای استحکام کششی و مدول الاستیک نمونهها
به تعداد آزمایشها، مواد را با توجه به درصد وزنی بسته بندی کرده و برای خشک نمودن مواد پلیمری به منظور از بین بردن رطوبت مواد قبل از تزریق، از دستگاه خشککن با قابلیت جابجایی اجباری هوا استفاده شد. بدین منظور مواد پلیمرگیاهی و پلیپروپیلن به مدت 2 ساعت در دمای 80 درجه سانتیگراد خشک شدند. بعد از خشک کردن مواد آنها را به درون قیف دستگاه تزریق ریخته و با عقب راندن سیستم تزریق، مواد را به صورت رشته ای به بیرون قالب تزریق میکنیم. که این عمل در دمای 170درجه سانتیگراد و فشار 900 بار انجام میگیرد. به منظور خرد کردن مواد پس از تزریق اولیه بصورت رشتهای، از دستگاه خردکن مواد پلاستیکی استفاده شد.
قالب تزریق دو حفرهای مورد استفاده، دارای پران میلهای و اندازه حفره قالب برای آزمون کشش مطابق با استاندارد ASTM D-638 طراحی و ساخته شده است. صفحات متحرک و ثابت قالب در شکل2 نشان داده شده است.
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. مواد پس از خرد شدن، برای تولید نهایی نمونهها به درون دستگاه تزریق ریخته شدند. شکل3 نمونه قطعه تست کشش تولید شده توسط دستگاه قالبگیری تزریقی را نشان میدهد.
شکل:3 قطعه تست کشش
:3-2 آزمون کشش
از دستگاه کشش یونیورسال مدل AL-7000 LA10 ساخت کمپانی GOTECH، برای انجام آزمون کشش برروی نمونهها مطابق با استاندارد ASTM-D638-2a استفاده شد. ظرفیت دستگاه KN 100 همچنین فاصله مفید بین دو فک دستگاه 570 میلی متر، در کلیه آزمایشها نرخ کشش ثابت و طبق استاندارد برابر 5 میلیمتر بر دقیقه در نظر گرفته شده است.
نمونههای آماده شده به ترتیب شمارهگذاری بین فکهای دستگاه بسته شدند. قبل از بستن هر نمونه بین فکهای دستگاه، ابتدا ابعاد مورد نیاز هر قطعه از قبیل طول اولیه، ضخامت وعرض قطعه در محل کشش یادداشت شدند. پس از آن نرمافزار مربوطه اجرا شده و اطلاعات مربوط به هر قطعه در تنظیمات آن وارد گردیده و آزمایش شروع شد. به محض آغاز کشش، نرمافزار شروع به ترسیم دیاگرام تنش-کرنش و نیرو-تغییر طول میکند.
-3نتایج و بحث
در این بخش از نتایج تست کشش، بر روی استحکام کششی و مدول الاستیک بحث میشود. استحکام کششی بالاترین میزان استحکام در نمودار تنش-کرنش می باشد و مدول الاستیک نسبت تنش به کرنش در ناحیه الاستیک است. با توجه به تاثیر پارامترهای متغیر بر استحکام کششی اثر هرکدام بطور جداگانه بررسی میشود. در شکل 4 تاثیر نسبت ترکیب بر استحکام کششی مشاهده میشود.
