بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش کامپوزیتهای بر پایهی پلی - لاکتیک اسید - - - PLA و لیکور پخت کاه برنج بنزیله شده - BRSPL - که خواص گرمانرمی پیدا کرده ساخته شد. بدین شکل که ابتدا کاه برنج تحت عملیات پخت قرار گرفت سپس لیکور حاصل از پخت تغلیظ گردید و با استفاده از واکنش اتریشدن به وسیله بنزیلکلراید از حالت شبه گرماسخت به حالت گرمانرم اصلاح گردید، سپس ماده حاصل به عنوان تقویت کننده در ماتریس پلی - لاکتیک اسید - مورد استفاده قرار گرفت. کامپوزیتهایی با درصدهای مختلف از این پرکننده - 50،40،30،20،%10 وزنی - به روش محلولی در حلال کلروفرم ساخته شد، که در آن کاه برنج بنزیله شده وارد زمینه پلیمری پلی - لاکتیک اسید - شد.
خواص مکانیکی، حرارتی و ریختشناسی کامپوزیتهای حاصل با استفاده از آزمونهای کشش مکانیکی - Tensile - Strength، آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی - DSC - مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین برای اثبات وجود گروههای عاملی مورد نظر در نمونهها از طیفسنجی مادون قرمز بهره گرفته شد. بررسیها نشان داد که افزودن 10درصد وزنی لیکور پخت کاه برنج بنزیلهشده به پلیلاکتاید مناسبترین خواص را دارد. نتایج حاصله نشان میدهد که افزودن لیکور پخت کاه برنج بنزیله شده - به میزان 10درصد وزنی - به پلیلاکتاید باعث بهبود خواص مکانیکی و حرارتی این پلیمر میگردد. همچنین لیگنین بنزیله نشده موجود در ساختار لیکور پخت کاه برنج بنزیلهشده باعث نرمتر شدن نمونهها و افزایش کشش آنها، افزایش مقاومت در مقابل پارگی و کاهش دمای انتقال شیشهای آنها گردید. به علاوه عکس میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز برهمکنش فیزیکی این دو پلیمر را به خوبی نشان داده و نتایج به دست آمده را تایید میکند
کلمات کلیدی: پلیمرهای طبیعی، واکنش اتریشدن، بنزیلکلراید، لیکور پخت کاه برنج، پلیلاکتاید، کامپوزیت
.1 مقدمه
ساخت وسایل مختلف از مواد پلیمری چیزی در حدود %80 از کل بازار پلیمر را به خود اختصاص داده است، درصد بالایی از این پلیمرها از منابع تجدیدناپذیر نفتی که منابعی رو به اتمام و با قیمتی روبه افزایش هستند، تولید میشوند. بعلاوه دوره تجدیدپذیری طولانی این منابع - حدود یک میلیون سال - را نیز نباید فراموش کرد. با توجه به این اوصاف استفاده از منابع فسیلی در این صنایع برای مدت طولانی ادامهدار نخواهد بود. بدین منظور برای کاهش وابستگی به این منابع توجه ها به سمت پلیمرهای جدید تولید شده از منابع تجدیدپذیر جلب شده است. همچنین استفاده از پلیمرهای طبیعی که با سرعت قابل قبولی در طبیعت جذب شوند یک گزینه مناسب برای این امر خواهند بود. از سال 1970 و با وخیم شدن میزان انباشتگی زباله در سطح جهان، موضوع استفاده از پلیمرهای زیستتخریبپذیر مطرح گردید که اولین موضوع در خصوص کیسههای زباله و مواد یک بار مصرف بود. طوری که 30 درصد از پلاستیکهای تولیدی برای مصارف یک بار مصرفی میباشد و تنها 2 درصد از این میزان بازیابی میگردد. لذا استفاده از پلیمرهای زیستتخریبپذیر به عنوان جایگزین برای پلاستیکهای رایج، مطرح گردید.[1]
ایده گرمانرم کردن مواد لیگنوسلولزی از سال 1980 توسط ژاپنیها مطرح شد آنها چوب را توسط واکنشهای استریکردن و اتریکردن گرمانرم کردند.[2]موریتو و ساکاتا با سیانو اتیلدار کردن چوب و سلولز به منظور بهبود تقویت در برابر پوسیدگی، گرما و سایش و همچنین پودر چوب اصلاح شده به عنوان ماده عایق استفاده کردند.[3]در سال 1989 هان و همکارانش چوب را با واکنش بنزیله کردن به ترموپلاستیک تبدیل کردند. پارامترهای مختلف واکنش مانند قلیائیت محیط واکنش، دمای واکنش، زمان انجام واکنش را مورد بررسی قرار دادند. دادههای تجربی نشان دادند که پیش تورمی و دمای واکنش اثرات کلیدی روی واکنش بنزیله کردن دارد. لیگنین چوب از واکنش بنزیله شدن ممانعت بعمل میآورد اما مواد استخراجی اثرات کمتری دارند. چوب ترموپلاست شده خواص ذوبی خوبی از خود نشان میدهد و میتوان با قالبریزی مواد حجیم را ساخت یا اینکه توسط اکسترودر ورقها و فیلمهای مختلف را ساخت. دمای تبدیل شیشهای چوب بنزیله بسته به مقدار افزایش وزن از 66 تا 280 C میتواند متغیر باشد. محصولات بنزیله قالبریزی شده و اکسترودشده برای کاربردهای مهندسی ساختاری مقاومت مکانیکی قابل قبول داشتند. برای بدست آوردن افزایش وزن زیاد غلظت NaOH باید بیشتر از 25% باشد.
برای بدست آوردن نتایج خوب باید دمای واکنش بالاتر از 90 C باشد. افزایش وزن بالا موجب پائین آمدن دمای تبدیل شیشهای میشود. با یک افزایش وزن متوسط بیشینه مقاومت مکانیکی حاصل میشود.[4] در سال 1993 نیز کامپوزیتهایی از چوب بنزیله و پلیاستایرن با درصدهای مختلف پلیاستایرن ساخته شد. نتایج نشان داد که چوب بنزیله به عنوان یک نرمکننده برای پلیاستایرن عمل کرده و دمای تبدیل شیشهای آن را پایین میآورد.[5] پریرا و همکارانش در سال 1997 خمیر باگاس را بنزیله کرده و مورد بررسی قرار دادند. بر خلاف مشاهدات مربوطه به هان آنها مشاهده کردند با زیاد شدن افزایش وزن دمای تبدیل شیشهای خمیر بنزیله افزایش پیدا میکند.[6] در سالهای 2003 - 2005 یک رشته تحقیقات در زمینه بنزیله کردن ضایعات چوبی و مواد لینگوسلولزی دیگر انجام شد حتی کامپوزیتهای پلیمری از محصولات بنزیله و پلیکاپرولاکتون تهیه شد و خواص مکانیکی این کامپوزیتها مورد بررسی قرار گرفت.[7 ]در سال 2002 زون لو و همکارانش خاک اره چوب را بنزیله کرده و با الیاف گیاهی از آن کامپوزیت ساختند مشاهده شد این کامپوزیتها دارای خواص مکانیکی مناسبی هستند.[8]
درسال 2004 همان گروه تحقیقاتی، خود الیاف گیاهی را بنزیله کرده و از آن به عنوان یک ماده چسباننده در چسباندن الیاف استفاده کردند. این کامپوزیتها کاملا تخریبپذیر بودند.[9] در سال 2014 چن و همکارانش ترموپلاستیکهایی از کاه گندم را بوسیله بنزیله کردن در محیط قلیایی ساختند، در این پژوهش برای بهبود بنزیله شدن کاه ابتدا آن را بطور کامل به مدت 4 ساعت توسط آسیاب گلولهای* خرد کردند و سپس تاثیر آن روی خواص حرارتی و مکانیکی مورد بررسی قرار گرفت.[10] فالودی و همکارانش[11] کامپوزیتهایی از پلی - لاکتیک اسید - و الیاف لیگنوسلولزی حاصل از بلال ذرت ساختند و خواص و ساختار آنها مورد بررسی قرار گرفت. چوب بلال ذرت به عنوان پرکننده و تقویتکننده در این کامپوزیتها مورد استفاده قرار گرفت و دیده شد که میزان تقویت و استحکام بستگی به میزان چسبندگی سطحی دارد. در سال 2013 این گروه بر روی پیوستگی الیاف و تشکیل شبکه حاصل از الیاف لیگنوسلولزی و پلی - لاکتیک اسید - تحقیق کردند.[12]
این گروه پلیلاکتاید را با الیاف لیگنوسلولزی در مخلوطکنهای داغ ترکیب کرده و ورقههایی همگون به ضخامت 1میلیمتر ساختند. مقدار الیاف در کامپوزیت از 0 تا %60 متغیر بود و خواص بررسی شد. دیده شد که با افزایش الیاف خواص ضعیف میشود و ساختار کامپوزیتها ضعیف است این استحکام ضعیف ساختار کامپوزیتها را در شرایط فرایندی بسیار حساس می کند. در این تحقیق کاه برنج به عنوان یک ماده لینگوسلولزی فراوان انتخاب شده، خود و اجزاء آن پس از پخت شیمیایی تحت واکنش بنزیله با بنزیل کلراید قرار گرفت. تحت این شرایط محصول گرما نرم بنزیله لیکورکاه برنج بنزیله - - BRSPL بدست آمد. از لیکورکاه برنج بنزیله و پلیلاکتاید کامپوزیتهایی با درصدهای مختلف با روش محلول ساخته شد. خواص مکانیکی، حرارتی و مورفولوژی این کامپوزیتها توسط روش های FT-IR، DSC، آزمایش کشش، DMTA، SEM و رئومتری مورد بررسی کامل قرار گرفت. نتایج حاصل نشان داد که افزودن لیکور پخت کاه برنج بنزیله شده به پلیلاکتاید باعث بهبود خواص مکانیکی و حرارتی این پلیمر میگردد. همچنین لیگنین بنزیله نشده موجود در ساختار لیکور پخت کاه برنج بنزیله شده باعث نرمتر شدن نمونهها و افزایش کشش آنها و کاهش دمای انتقال شیشهای آنها می گردد.
.2 بخش تجربی
.1,2 مواد
در این تحقیق از پلی لاکتیک اسید - PLA - با وزن مولکولی 180000 گرم بر مول، دانسیته 1,27گرم بر سانتیمترمکعب، نقطه ذوب 170-160 درجه سانتیگراد ساخت کارخانه Nature Works آمریکا استفاده شد. بنزیل کلراید با وزن مولکولی 126/59 گرم بر مول، دانسیته1/1 کیلوگرم بر لیتر، نقطه ذوب - 43 درجه سانتی گراد از شرکت مرک آلمان هیدروکسید سدیم با وزن مولکولی 40 گرم بر مول،نقطه ذوب 324 درجه سانتی گراد شرکت مرک آلمان اتانول با جرم مولکولی 46/07 گرم بر مول و نقطه ذوب -117 درجه سانتی گراد خریداری شده از شرکت مرک آلمان مورد استفاده قرار گرفت. همچنین کاه برنج از مزارع پره سر گیلان تهیه گردید و برای استفاده خرد شده و به اندازه مش 70 در آمده و در آون خشک گردید.
2,2. پخت کاه برنج
100 گرم کاه برنج به 3-2 سانتی متر خرد و خشک شده در یک بالن ته گرد 2000 میلی لیتری جای داده شده و با 1000 میلی لیتر هیدروکسید سدیم %10 مخلوط گردیده و به مدت 1 ساعت در دمای 120 درجه سانتیگراد مورد عمل رفلاکس قرار گرفت. پس از این مدت لیکور از خمیر جدا شده و به مدت دو ساعت در دمای 100 درجه سانتی گراد و در فشار محیط قرار داده شد تا آب آن بخار گردیده و حجم محلول به 200 میلی لیتر برسد. این حجم غلظت مواد داخل
