بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش به بررسی اثر افزودن پلیاتیلن سبک و نانو ذرات رس به کامپوزیتهای چوب/پیویسی پرداختهشده است. کامپوزیتهای چوب/پیویسی در صنایع ساختمانی به عنوان دربهای ساختمانی و دیوارهای پیشساخته کاربرد فراوان دارند، اما ازجمله ضعف این کامپوزیتها میتوان به جذب آب بالا و مقاومت به ضربه پایین این کامپوزیتها اشاره کرد. بهمنظور کاهش جذب آب و افزایش مقاومت به ضربه این کامپوزیتها پلیاتیلن سبک به این کامپوزیت اضافه شد. به دلیل ماهیت غیر قطبی پلیاتیلن افزودن آن به کامپوزیت چوب/ پیویسی که اجزای اصلی آن قطبی میباشد به عوامل دیگری جهت سازگار کردن مواد تشکیلدهنده کامپوزیت و پلیاتیلن نیاز است.
لذا با افزودن عامل جفت کننده در کامپوزیت بین زنجیرههای پلیاتیلن و ذرات چوب محصور در بین زنجیرههای پیویسی اتصال برقرار میشود، لذا با افزودن پلیاتیلن سبک در مقادیر مختلف به این کامپوزیت جذب آب و مقاومت به ضربه بهبود یافت اما میزان ضریب انبساط حرارتی کامپوزیت افزایش یافت که این افزایش برای کامپوزیتها در صنایع ساختمان مشکلات زیادی ایجاد میکند؛ به منظور کاهش ضریب انبساط حرارتی این کامپوزیتها در مرحله دوم پژوهش نانو ذرات رس به کامپوزیت افزوده شد که به علت ایجاد ساختار لایهلایهای از ذرات رس درون کامپوزیت ضمن کاهش ضریب انبساط حرارتی باعث کاهش جذب آب و افزایش مقاومت به ضربه نیز گردید.
.1 مقدمه
بیش از سه دهه است که پلیمرها جایگزین فلزات و مواد مختلف در کاربردهای گوناگون شدهاند. مهمترین علت استفاده گسترده از پلیمرها،کاهش هزینه، سبک بودن و آسانی فرآیند پذیری آنهاست. در سالهای اخیر پلیمرهای تقویتشده با پرکنندههای طبیعی، مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرارگرفته است. الیاف طبیعی از جمله پرکنندههای طبیعی است،الیاف با چگالی کم، خواص ویژه بالا، زیستتخریبپذیر و غیر سایندهاند و به سهولت در دسترساند .[1]
کامپوزیتهای چوب پلاستیک مخلوطی از مواد لیگنوسلولزی1 - شامل آرد چوب و کاغذ، خاکاره و.... - و پلیمری ترموپلاستیک یا ترموست میباشد که ظاهری شبیه چوب دارند و با فرآیندهای معمول تولید پلاستیک شکلدهی میشوند. این کامپوزیتها قابلیت چسب پذیری خوبی دارند، بهراحتی میخ کاری میشوند، پیچ میخورند و با تجهیزات صنایع چوب قابل برش، سمباده زنی و... هستند. این کامپوزیتها کاربرهای فراوانی در صنایع ساختمانی به عنوان کفپوش، لنگرگاه، الوار و نرده پیداکردهاند که تا حدودی به دلیل نیاز به جایگزین کردن الوارهای چوبی میباشد .[2]
پراکنش و توزیع یکنواخت پرکننده سلولزی در ماتریس پلیمری کار مشکلی میباشد. برهمکنش قوی بین الیاف یا پودر چوب ناشی از پیوند هیدروژنی پراکنش پرکننده در ماتریس را با مشکل مواجه میکند. اگر برهمکنش پلیمر و چوب بهبود داده شود انتقال تنش بین دو جزء بهتر صورت میگیرد و خواص مکانیکی و پراکنش ذرات چوب در ماتریس نیز بهترمی شود .[3] از پلیوینیلکلراید به عنوان پلیمر زمینه در ساخت کامپوزیتهای چوب پلاستیک، به علت داشتن خواص خوبی نظیر استحکام بالا، مقاومت شیمیایی، قطبیت و قیمت مناسب استفاده میشود. در ساخت کامپوزیتهای چوب پلاستیک از افزودنیهایی نظیر پایدارکننده حرارتی و نرمکننده نیز استفاده میشود.
استفاده از پلیاتیلن سبک به همراه سازگار کننده مناسب، که از مطالعات گذشته محققان برگرفتهشده، در کامپوزیت پیویسی پرشده با چوب موجب بالا رفتن خواص کششی و ازدیاد طول نمونه در نقطه شکست میشود. پراچایاواراکن2 و همکاران اثر سه نوع سازگار کننده را بر روی آمیزه LDPE/PVC3 بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که استفاده از 15 درصد سازگار کننده مناسب درون آمیزه PVC/LDPE - 100/10 - خواص فیزیکی مکانیکی را نسبت به PVC خالص بهبود میبخشد.
به عنوان نمونه افزودن % 15 سازگار کننده آکریلیکی PA204 به این آمیزه میزان مقاومت به ضربه را نسبت به آمیزه با همان نسبت 100/10 اما بدون حضور سازگار کننده حدود %34 افزایش میدهد که این میزان، از PVC خالص %0/25 بیشتر است. همچنین میزان مقاومت کششی و ازدیاد طول تا شکست نمونه به ترتیب به میزان %7 و %80 نسبت به نمونه فاقد سازگار کننده افزایش مییابد اما میزان آنها در مقایسه با PVC خالص حدود %41 و %12 کمتر میباشد .[4]
نتایج آزمایشگاهی نشان داده که استفاده از پلیاتیلن گرافت شده با مالئیک انیدرید - MAPE - 5 که در آن میزان گرافت حدود % 1 است؛ به عنوان عامل جفت کننده چوب و پلیاتیلن در کامپوزیت چوب/پیویسی/ پلیاتیلن، در مقایسه با حالت بدون استفاده از سازگار کننده مقاومت کششی نمونه را حدود دو برابر و استحکام ضربهای را حدود سه برابر میکند .[5] پراچایاواراکن و همکاران اثر سه نوع عامل جفت کننده را برای چسبندگی بین سطحی ذرات چوب و آمیزه PVC/LDPE بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که چسبندگی بین سطحی چوب و آمیزه پلیمری میتواند هم از نوع شیمیایی و هم از نوع فیزیکی باشد که منجر به پیوندهای کووالانسی، هیدروژنی و گرهخوردگیهای مولکولی میشود.
با افزودن 40 درصد LDPE به کامپوزیت چوب/ پیویسی در میزان خاصی از چوب و در حضور سازگار کننده PA20، افزودن 3 درصد وزنی MAPE نسبت به چوب به عنوان جفت کننده چوب و پلیاتیلن، باعث ایجاد خواص مکانیکی بسیار خوبی از کامپوزیت حاصل شد که علت این امر برقرار شدن پیوندهای کووالانت استری بین قسمتهای آنیدریدی MAPE و قسمتهای هیدروکسیل چوب و همچنین برقراری پیوندهای فیزیکی بین گروههای غیر قطبی MAPE و ماتریس پلیمری است .[6]
افزودن نانو ذرات رس به کامپوزیت حاصل از آمیزه پیویسی/ پلیاتیلن سبک و ذرات چوب، موجب افزایش خواص کششی، خمشی و ضربهای نمونه میشود. نانو ذرات رس با توجه به خاصیت جوانهزنی، موجب تشکیل ساختار بلوری در کامپوزیت میشود که باعث بهبود خواص مکانیکی آن میشود. همچنین افزودن نانو رس به کامپوزیت، لایههای سیلانی درون ماتریس پلیمری ایجاد میکند که باعث کاهش انبساط و انقباض گرمایی کامپوزیت میشود. طبیعت آبگریز سطح رس مانع از نفوذ آب به درون زمینه پلیمری میشود. لایههای سیلیکاتی ذرات رس به دلیل داشتن ضریب ظاهری بالا، باعث طولانیتر و پرپیچوخم تر شدن مسیر عبور مولکولها درون ماتریس پلیمری میشوند که این امر موجب به تعویق افتادن نفوذ مولکولهای آب به درون کامپوزیت میشود.
.2 مواد و روشها
.1-2 مواد
پیویسی مورداستفاده در این پژوهش از نوع سوسپانسیونی پتروشیمی بندر امام گرید 6558 میباشد. پلیاتیلن سبک مورداستفاده در این پژوهش نیز گرید LF0200 پتروشیمی بندر امام میباشد. نانو رس استفادهشده در این پژوهش Cloisite 30B ساخت شرکت Southern clay آمریکا میباشد.
.2-2 فرآیند اختلاط
اجزای تشکیلدهنده کامپوزیت اولیه شامل پیویسی، چوب، سازگار کننده و سایر افزودنیها طبق جدول یک درون مخلوطکن با دور بالا تا دمای 100درجه سانتیگراد و به مدت 5دقیقه مخلوط میشوند، سپس وارد قسمت خنککن مخلوطکن شد و در آنجا تا دمای 30 درجه سانتیگراد خنک شد. نیمی از مخلوط حاصل در اکسترودر دو مارپیچه ناهمسوگرد ریخته میشود و فرآیند اکستروژن در دمای بین 170 تا 180 درجه سانتیگراد و دور بین 15 تا rpm 20 انجام میشود و رشتههای میلهای از کامپوزیت به دست میآید که توسط خردکن به گرانول تبدیل گردید.
در مرحله اول، یکپنجم از گرانول تولیدشده توسط قالبگیری فشاری، قطعهنمونه تهیه شد و تحت آزمایش قرار گرفت. در مرحله دوم، مابقی گرانول تولیدشده بهصورت چهار قسمت با گرانول پلیاتیلن سبک با نسبتهای / PVC LDPE ، 10/100 و 20/100 و 30/100 و 40/100 به همراه گرانول مالئیک انیدرید گرافت شده با پلیاتیلن - که به میزان 3درصد وزنی نسبت به چوب در هر نمونه مورداستفاده قرار میگیرد - مخلوط شد و هر چهار مخلوط حاصل بهطور جداگانه در اکسترودر دو مارپیچه همسوگرد آزمایشگاهی ریخته شد و پس از اکستروژنمجدداً میلهها توسط خردکن گرانول شده و قالبگیری فشاری شدند و نمونه حاصل جهت انجام آزمایشات آماده گردید و تحت آزمایش قرار گرفت.
