بخشی از مقاله
چکیده
این پژوهش با هدف افزایش بهداشت محیط شهری و روستایی با رویکرد استفاده از پسماندهای سلولزی - کاغذ های باطله و ضایعاتی - در ساخت کامپوزیت های چوب پلاستیک و بهبود مقاومت خمشی آن با استفاده از ذرات نانو رس مورد بررسی قرار گرفت.بدین منظور الیاف کاغذ باطله و ضایعاتی، پلی پروپیلن و سازگارکننده با نسبتهای مشخص با یکدیگر مخلوط گردید و از نانورس نیز با نسبتهای وزنی 0، 2 و 4 درصد استفاده شد، همچنین مقدار سازگارکننده ثابت و به میزان %3 در نظر گرفته شد. به منظور تهیه کامپوزیت، مواد با یکدیگر در دستگاه مخلوط کن داخلی مخلوط شده و سپس کامپوزیت چوب پلاستیک با استفاده از روش قالبگیری تزریقی ساخته شد و مقاومت خمشی مطابق استاندارد ASTM اندازه گیری شد. نتایج نشان داد که با افزایش مقدارنانو ذرات رس از 0 به 4 درصد مقاومت خمشی آن درنانوکامپوزیت حاصله افزایش مییابد.
کلمات کلیدی: کامپوزیت چوب پلاستیک، نانورس، کاغذ باطله، مخلوطکن داخلی،مقاومت خمشی.
مقدمه
کامپوزیت چوب -پلاستیک که به اختصار WPC نامیده می شود، گروه جدیدی از مواد هستند که در طی سالیان اخیر، مورد توجه بسیاری از محققان و نیز بخش عمده ای از صنعت قرار گرفته است. در ساخت این کامپوزیتها، محدوده وسیعی از پلیمرهای گرمانرم از قبیل :پلیپروپیلن، پلیاتیلن، پلیوینیل کلراید، پلیاستایرن و پلیاستر به همراه مواد لیگنوسلولزی یا بازمانده کشاورزی - آرد چوب، خاک اره، پوست، کاغذ، کارتن، مقوا، ضایعات کارخانجات چوب بری، کاه و کلش برنج، کتان،کنف و ... - مورد استفاده قرار میگیرند. تقویتکنندههای لیگنوسلولزی - طبیعی - در مقایسه با دیگر تقویت کنندههای رقیب خود مانند الیاف شیشه و پرکنندههای معدنی دارای مزیتهای فراوانی از جمله دانسیته کمتر، مقاومت و مدول ویژه بالاتر، سایش نسبی کم و سهولت اصلاح سطح الیاف بوده وضمناً به طور گستردهای در دسترس میباشند.
همچنین این الیاف از الیاف مصنوعی ارزانتر بوده و میتوانند در بسیاری از کاربردهایی که در آنها صرفهجویی در هزینه بر روی خواص مقاومتی محصول ارجح است، جایگزین الیاف مصنوعی شوند - . - 11در جهان امروزی رشد سریع جمعیت، گسترش چشمگیر شهرها، روند روبه رشد صنعتی شدن و کاربردهای نامناسب و بی رویه از منابع طبیعی، علاوه بر مشکلات عدیده ای که در کیفیت زندگی انسان پدید آورده، موجب کاهش شدید منابع مصرف انسان ها در هر زمینه ای گشته است. به عبارت دیگر، جامعه جهانی مواجه با کم شدن و از بین رفتن منابع ماده اولیه است. رشد مصرف به چنان وضعیتی رسیده است که نه تنها منابع تجدید ناپذیر، بلکه حتی منابع تجدید شونده در حال نابودی هستند. به ناچار سیاست گذاران، حامیان محیط زیست و صاحبان صنعت توجه خود را معطوف به استفاده بهینه از منابع ماده اولیه موجود از طریق بهینه سازی فرآیندها، افزایش بازده و کاهش دورریزها و همچنین بازیافت و بهره گیری از پسماندها و ضایعات کرده اند.
افزایش سالیانه مواد زاید جامد یکی از مشکلات اساسی جوامع بشری است که باید به نحو مطلوبی حل شود، مواد زایدی که تولیدشان اجتناب ناپذیر است باید حتی الامکان بازیافت و آنهایی که غیر قابل بازیافت هستند دفن بهداشتی و یا در کوره های زباله سوز سوزانده شوند. بازیافت در مفهوم رایج آن، به معنی استفاده مجدد از مواد پس از اعمال پردازش های خاص بر روی آنها است. اجزای قابل بازیافت خشک با ارزش موجود در مواد زائد شهری شامل: انواع پلاستیک، کاغذ، مقوا، شیشه، فلزات، منسوجات و نان خشک می باشد. کاغذ و مقوا که درصد قابل توجهی از زباله های شهری را شامل میشود بنابراین عدم توجه به کاغذ و مقوا و استفاده مجدّد آن باعث هدر رفتن سرمایه ملی و همچنین باعث ضرر و زیان به محیط زیست و از بین رفتن جنگل ها میشود که خود اثرات دیگری برای محیط زیست به دنبال خواهد داشت.
خوشبختانه یکی از مزایای بزرگ مواد مرکب چوب-پلاستیک این است که می-توان در تولید آنها از پلاستیکهای ضایعاتی و کاغذهای باطله استفاده نمود که این امر منجر به تبدیل این ضایعات به موادی با کاربردها و ارزش افزوده بالا، کاهش حجم ضایعات و به دنبال آن کاهش آلودگیهای محیط زیست میشود - . - 15 امروزه قسمت عمدهای از زبالههای جامد کشورهای پیشرفته را کاغذ و مقوا تشکیل میدهد. کاغذ یکی از اقلام با ارزش مواد زائد جامد شهری است که "سلطان ضایعات"لقب گرفته است. در واقع تفکّر بازیافت کاغذ با اهداف کلی مثل جلوگیری از غارت بیرویه منابع طبیعی، کاهش در مصرف انرژی و تقلیل میزان زباله برای کاهش هزینههای دفن و تغییر الگوی مصرف بوجود آمده است. نتایج آنالیز فیزیکی زبالههای شهری در ایران به طور متوسط حدود % 10/9 از این زبالهها را کاغذ و مقوا تشکیل میدهد.
استفاده مجدّد از فرآوردههای کاغذی به عنوان یکی از مهمترین روشهای مطرح در دنیا از ظرفیت مناسبی برای حل بخشی از این مشکل برخوردار است. بعلاوه اهمیت اقتصادی و زیست محیطی این روش لزوم توجه جدیتر این روش را ایجاب میکند. بطور کلی جنگلها و مراتع از حیث تأمین مواد غذایی، محصولات چوبی و کاغذی، تأمین مایحتاج عمومی، جلوگیری از فرسایش خاک و حفظ آب نقش مهمی را در اکوسیستم طبیعی ایفا میکنند. بنابراین تلاش برای جلوگیری از نابودی این منابع طبیعی و حفظ محیط زیست از اهمیت حیاتی برخوردار است. در سالهای اخیر به دلیل کمبود منابع طبیعی و جلوگیری از اثرات تخریب محیط زیست، بازیافت کاغذ از کاغذهای باطله، مورد توجه قرار گرفته است . - 3 - کاغذ و مقواهای موجود در زباله های شهری شامل: روزنامه، کتاب، مجله، کاغذهای چاپی، تبلیغاتی، تجاری، مکاتبات اداری، مقوا، کاغذهای بسته بندی و دستمال کاغذی می باشد، بعد از مواد زائد فساد پذیر و قابل کمپوست، کاغذ دومین جزبا ارزش و قابل بازیافت است.
یک رهیافت برای استفاده بهینه از کاغذ باطله علاوه بر تهیه خمیر کاغذ جهت تولید مجدد کاغذ، استفاده از آن به عنوان الیاف تقویت کننده در پلاستیکهاست . - 6 - وودهومس از دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه تورنتو کانادا از الیاف کاغذ روزنامه به منظور تقویت پلیپروپیلن و پلیاتیلن استفاده نمودند و دریافتند افزایش درصد الیاف مقاومت-های مکانیکی را افزایش میدهد - . - 15 مواد مرکب با استفاده از کاغذ روزنامه بازیافتی و پلیپروپیلن ساختند و در این بررسی جهت بهبود واکنش میان پلیپروپیلن غیرقطبی و الیاف قطبی از مالئیکانیدرید و اکریلیک اسید پیوند خورده با پلیپروپیلن استفاده کردند. نتایج نشان داد که با افزایش مالئیک انیدرید مقاومتها افزایش یافتند، در حالی که با افزایش اکریلیک اسید مقاومتها بهبود کمتری یافتند - . - 12
محرابزاده و فرهمند با استفاده از مخلوط پلیاتیلن و پلیپروپیلن بازیافتی و کاغذ روزنامه، فرآورده مرکب تهیه کردند و به این نتیجه رسیدند که مخلوط 48 درصد پلیپروپیلن، 12 درصد پلیاتیلن و 40 درصد الیاف کاغذ روزنامه بهترین استحکام و مدول کششی را دارد - . - 10 در مطالعه ای بر روی خواص مهندسی و ویسکوالاستیک کامپوزیتها، از پلیپروپیلن و پلیاتیلن سنگین بهعنوان ماده زمینه و از الیاف کنف، آرد چوب، سبوس برنج و کاغذ روزنامه ضایعاتی به عنوان تقویتکننده در درصدهای وزنی 25 و %50 استفاده کرد. نتایج نشان دادند که در هر یک از درصدهای وزنی یادشده، بیشترین مدول الاستیسیته و مقاومتهای کششی و خمشی در مورد ترکیبات الیاف کنف و کمترین آنها در مورد ترکیبات حاوی سبوس برنج میباشد.
همچنین در هر ترکیب با افزایش درصد الیاف، مدول الاستیسیته و مقاومتهای کششی و خمشی افزایش یافتند - . - 1 باتیله و همکاران بیان کردند که با استفاده از عوامل سازگار کننده ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی با ایجاد اتصال درون سطحی افزایش قابل توجهی مییابند - . - 5 شاکری و همکاران چندسازه پلیاتیلن- کاه گندم را با استفاده از 5 نوع سازگارکننده - پروکسید،مالئیک انیدرید، مالئیک انیدرید مخلوط شده با پلیپروپیلن، سیلان و پلیمتیل ایزوسیانات - ساختندو دریافتند که مناسب ترین ماده سازگارکننده برای بهبود اتصال فاز پلیمری وفاز الیاف، مالئیک انیدرید میباشد.پلیالیفینهای مالئیکدار شده، مهمترین عوامل اتصال دهندهای هستند که در حال حاضر استفاده میشوند. این سازگارکنندهها دارای دو ناحیه عاملی هستند: عامل اول پلیالیفینها شامل HDPE، LDPE یا PP که با بخش پلیمری اتصال برقرار میکنند و عامل دوم انیدریدمالئیک که قادر است با الیاف سلولز - از طریق پیوند هیدروژنی، یونی و کوالانسی - واکنش دهند - . - 2
امروزه با ورود فناوری نانو در علم مواد، پلیمرهای تقویت شده با پرکنندههای نانو مورد توجه جوامع علمی و صنعتی قرار گرفته است و از نظر علمی موضوع جدیدی در پژوهشها در مقیاس حد واسط مطالعات در مقیاسهای میکرو، گشوده شده و شناخت رفتار و برهمکنش مواد در محدوده نانو در زمره اولویتهای پژوهش قرار گرفته است از دیدگاه صنعتی آنچه باعث جلب توجه بسیاری از صنایع به این موضوع شده، بهبود چشمگیر خواص کامپوزیتها است. مواد پلیمری اغلب به وسیله پرکنندهها برای اصلاح خواص مکانیکی تقویت میشوند، بهتازگی کامپوزیتهای پلیمر- خاک رس اصلاح شده - نانورس - علایق زیادی را در حوزه صنعت و پژوهش ایجاد کرده اند، زیرا این ترکیبات در مقایسه با پلیمرهای خالص و کامپوزیتهای معمولی خواص عالی از خود نشان میدهند.
بنابراین با توجه به اهمیت موضوع و رویکرد جهانی به سوی نانوکامپوزیتها و ناشناخته بودن سازوکار این مواد، در سالهای اخیر مطالعات بسیاری در راستای شناسایی خواص نانوکامپوزیتهای پلیمری- خاک رس و توسعه کاربردی این گروه از مواد شکل گرفته است. نانوکامپوزیتها در واقع طبقه جدیدی از کامپوزیتهای پلیمری را تشکیل می دهند که در ساختار آنها ذرات با ابعاد نانو مورد استفاده قرار می گیرد، که از جمله این نانو ذرات میتوان به نانو کربنها و ذرات نانورس اشاره کرد که به علت ابعاد خاص و ضریب ظاهری بالا در مقایسه با سایر پرکنندهها، در مقادیر بسیار اندک موجب بهبود خواص کامپوزیتهای پلیمری میگردند - . - 13 از آنجایی که فرآوردههای چند سازه چوب پلاستیک از نظر مقاومت خمشی و سفتی در حد چوب نیستند استفادههای محدودی دارند.
برای بهبود ویژگیهای این محصول، استفاده از ذرات نانو - به میزان 1 تا 5 درصد - طبق مطالعات انجام شده مفید بوده است - . - 16 در تحقیقی که ونگ و همکاران انجام دادند اظهار داشتند که تأثیر پرکننده ذرات نانورس بر خصوصیات کامپوزیتها به شکل، اندازه، ضریب ظاهری، نوع، مقدار و کیفیت پراکنده شدن ذرات و چسبندگی آنها در سطح اتصال بستگی دارد. همچنین بیان کردند که افزودن مقادیر اندک ذرات نانورس موجبات بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و ثبات ابعاد در کامپوزیتها را فراهم میسازند - . - 14 در تحقیقی با عنوان تأثیر نانورس بر خصوصیات مکانیکی کامپوزیتها بیان کردند که
