کامپوزیت پلی اتیلن - چوب

تأثیر فاکتورهای اتصال در کامپوزیت های الیاف پلی اتیلن - چوب

پلی اتیلن خطی با چگالی کم (LLDPE) با الیاف مختلف چوب، پالپ مکانیکی ترموشیمیایی آسپن (سفید شده و نشده) و سایر پالپ های چوب تجاری تقویت شد. از عوامل اتصال سیلان A-172، A-174، A-1100 و پلی متیل فنیل ایزوسیانات برای بهبود اتصال بین الیاف و ماتریس استفاده شد. LLDPE پر شده با الیاف چوب از پیش تصفیه شده بهبود چشمگیری در مقاومت کششی و مدول ایجاد می کند. مقایسۀ خواص کششی و ضربه ای کامپوزیت های الیاف چوب با کامپوزیت های میکا و الیاف شیشه نشان دهندۀ مزیت بالقوۀ الیاف چوب (ازلحاظ هزینۀ مواد و خواص خاص) بعنوان فیلر تقویت کننده هستند.

پتانسیل خوبی برای کاربرد الیاف طبیعی بعنوان فیلر تقویت کننده در ترموپلاستیک وجود دارد. فاکتورهایی همچون کم هزینه بودن، چگالی کم و مقاومت بالا در برابر شکست در حین پردازش را میتوان از مزیت های مهم این الیاف دانست. همچنین این الیاف فرصتی عالی برای استفاده از منابع فراوان از این گونه مواد طبیعی را فراهم می کنند. برخی ضایعات سلولزی مانند خاک اره، پوست، پوستۀ مغز، باگاس، چوب ذرت، بامبو و کاه غلات اغلب بعنوان فیلر پلاستیک ها استفاده شده اند. الیاف تقویت کننده با انتقال مؤثر تنش بین الیاف و ماتریس نقش مهمی در تقویت کامپوزیت ها ایفا می کنند. سازگاری پلیمر آبگریز و الیاف سلولزی آبدوست را میتوان با اصلاح سطوح پلیمری یا الیاف افزایش داد. مورل استفاده از عوامل اتصال را برای بهبود چسبندگی بین سطح الیاف و ماتریس گزارش کرده است. اصلاح شیمیایی چوب با عوامل اتصال آلوکسی سیلان توسط برنر و اشنایدر نیز گزارش شده است؛ همچنین کاهش انقباض و ثبات ابعادی را با موارد گزارش شده برای اصلاح کننده های شیمیایی چوب مانند اپوکسیدها، انیدریدها و ایزوسیانات ها مقایسه کردند. بشای و همکارانش نیز این سؤال را مطرح کردند که آیا پالپ مکانیکی اسپن پیوندی که بعنوان فیلر استفاده می شود، خواص مکانیکی پلی اتیلن با چگالی پایین را افزایش می دهد؟ و اینکه آیا بهبود خواص کششی در کامپوزیت های پلی الفین-کرافت با لمینت و اشباع پلیمر توسط مک کنزی و یوریتا گزارش شده است؟ واکنش های سلولز و لیگنین با ایزوسیانات ها و پیش پلیمرهای حاوی گروه های ایزوسیانات توسط ریشلت و پولر بررسی شده اند. گایلرد با استفاده از پلیمریزاسیون شروع شده با یون- سریک، سازگاری دو پلیمر معمولآ ناسازگار را با استفاده از جزء سوم که پیوند یا کوپلیمر بلوک است نشان داده است. پراکندگی الیاف چوب در مواد پلاستیکی ممکن است با پیش تصفیه الیاف با پلیمر ترموپلاستیک تسهیل شود و حامد نیز یک روان کننده گزارش داده است. نوارهای چوبی الیاف دارای استحکام کششی و مدول هایی هستند که بطور مطلوبی با فایبرگلاس مقایسه می شوند. علاوه براین، چگالی کمتر الیاف چوب ازنظر هزینه و عملکرد ویژه نسبت به سایر موارد بکار رفته در ساختار مزایای قابل توجهی را بیان می کند. در اینجا، عوامل مختلف اتصال سیلان و پلی متیلن- پلی فنیل ایزوسیانات برای اصلاح سطح الیاف چوب به منظور بهبود چسبندگی بین الیاف و ماتریس استفاده شد. تأثیر پالپ های چوبی مختلف بر خواص مکانیکی کامپوزیت ها نیز مورد بررسی قرار گرفته است. کشش و مقاومت ضربه ای در کامپوزیت های تقویت شده با الیاف چوب با کامپوزیت های میکا و فایبرگلاس مقایسه شد.

کامپوزیت های پالپ چوبی تیمارنشده:

خواص کششی در LLDPE تقویت شده با پالپ های چوبی تیمارنشده در جدول زیر ارائه شده است.

جدول 1: خواص کششی در کامپوزیت های پالپ چوبی تیمارشده، A-174، A-172، سیلان تیمارنشده

تنش عملکرد تا حدی 10.0 درصد در سطح الیاف افزایش یافته و سپس با افزودن بیشتر فیلر در کامپوزیت های Tempure 626 و Temalfa-A6816 کاهش می یابد. انتظار می رود که الیاف آسپن CTMP به دلیل محتوای بالای لینگین تنش عملکردی بیشتری ایجاد کنند. اما نتایج تجربی حاصل شده کاهش تنش را با همزمان با افزایش غلظت الیاف نشان می دهند؛ که ممکن است به دلیل پراکندگی ضعیف الیاف در ماتریس باشد. انرژی شکست و کشش در عملکرد با افزایش غلظت الیاف کاهش یافته و تحت تأثیر نوع الیاف چوب قرار نمی گیرد. با این حال، تقویت بیشتر الیاف منجر به افزایش سفتی در کامپوزیت می شود. افزایش قابل توجه در مدول الاستیک، با افزودن الیاف در کامپوزیت هایTempure 626 و Temalfa-A6816 مشاهده شد.

کامپوزیت های الیاف چوب تیمارشده با سیلان:

پیش تصفیه الیاف چوب با عوامل اتصال سیلان تأثیر مثبتی بر خواص کششی کامپوزیت ها دارد. بهبود تنش و مدول در کامپوزیت های الیاف چوب تیمارشده با سیلان نسبت به کامپوزیت های الیاف چوب تیمارشده با سیلان -A-172 نسبتآ بهتر بود. در کامپوزیت های Tempure 626، تنش عملکرد از 10.9 مگاپاسکال در پلیمرهای فیلرنشده به 17.3 مگاپاسکال در محتوای الیاف 30 درصدی افزایش یافت. طول کامپوزیت های آسپن تیمارشده با سیلان A-172 در مقایسه با نمونه های تیمارنشده بیشتر بود. افزایش چشمگیری در شکست  انرژی عملکرد در کامپوزیت های آسپن، Tempure 626 و Temalfa-A6816 مشاهده شد. LLDPE پرشده با Tempure 626 تیمارشده با سیلان A-172 بیشترین مدول افزایشی 826 مگاپاسکال را در محتوای 30 درصدی فیلر در مقایسه با 325 مگاپاسکال در پلیمر بدون فیلر را تولید می کند. با افزایش غلظت سیلان (40 درصد از وزن الیاف)، خواص کششی نیز افزایش می یابند. نتایج بدست آمده افزایش قابل توجهی در تنش عملکرد، همزمان با افزایش میزان الیاف، در کامپوزیت های آسپن تیمارشده با سیلان A-172 را نشان می دهند؛ در حالی که افزایش در عملکرد بدون تغییر باقی می ماند، انرژی شکست در مقایسه با LLDPE پرنشده افزایش یافت. ازطرفی، انرژی شکست و مدول الاستیک بطور قابل توجهی بهبود می یابند. راندمان بالای الیاف آسپن ممکن است به دلیل محتوای بالای لینگنین اتفاق افتاده باشد که تأثیر مثبتی بر میزان چسبندگی به ماتریس پلیمری خواهد داشت. همچنین میتوان گفت که انتخاب عامل اتصال و غلظت آن نیز میتوانند خواص مکانیکی را تحت تأثیر قرار دهند. مشاهدات مشابهی توسط کوتس و کمپبل نیز در زمینه کامپوزیت های سمان تقویت شده با الیاف چوب ارائه شده است.

تیمار ایزوسیانات در کامپوزیت های الیاف چوب LLDPE:

خواص کششی در LLDPE تیمارشده با PMPPIC تقویت شده با الیاف چوب مختلف در شکل های زیر ارائه شده است.

شکل1:

شکل 2:

شکل 3:

شکل 4:

استحکام کششی در عملکرد با افزایش غلظت فیلر افزایش می یابد؛ در محتوای فیلر 30 درصدی، تنش در کامپوزیت های Tempure 626 به بیش از 70 درصد می رسد. افزایش طول بازدهی با افزایش محتوای فیلر همچنان کاهش می یابد؛ LLDPE پرشده با کامپوزیت های Tempure 626 و Temalfa-A6816 انرژی شکست بالاتری را در بازدهی نشان می دهند. مدول الاستیک نیز بطور مداوم افزایش یافته و تحت تأثیر ماهیت الیاف چوب قرار نگرفته است. خواص کششی این کامپوزیت های عایق شده با PMPPIC در جدول زیر ارائه شده اند.

جدول 2: کامپوزیت های LLDPE حاوی آسپن، میکا و فایبرگلاس

تنش عملکرد بطور خطی با غلظت الیاف افزایش یافت. کامپوزیت های Tempure 626 نسبت به Temalfa-A6816 عملکرد بالاتری داشتند. با این حال، افزایش طول و عملکرد شکست در مورد دوم بهتر بود؛ مدول الاستیک با PMPPIC تیمار نشد. کارایی بالاتر آن درصورتی که با الیاف پوشانده شود، ممکن است به دلیل ایجاد پیوند مستقیم بین گروه های ایزوسیانات و گروه های OH سلولز باشد. دلیل کارایی پیوند عالی ایزوسیانات توسط جانسون بیان شده است. در کامپوزیت های آسپن، الیاف بلندتر تنش عملکردی بیشتر و انرژی شکست بالاتری ایجاد می کنند. با این حال، نتایج بدست آمده افزایش مداوم مدول را در زمان استفاده از الیاف بلندتر برای تقویت نشان می دهند. تنش عملکرد در کامپوزیت های میکا و فایبرگلاس در غلظت بیشتر فیلر کاهش یافت، در حالی که در کامپوزیت های آسپن افزایش تدریجی مشاهده شد. مدول الاستیک ازنظر محتوای فیلر 30 درصدی در کامپوزیت های فایبرگلاس برتر بود اما کامپوزیت های آسپن در مقایسه با نمونه های میکا مدول بالاتری داشتند. بنابراین بایستی به خاطر داشت که الیاف چوب چگالی کمتری نسبت به فایبرگلاس دارند که عامل مهمی در انتخاب مواد برای کاربردهایی محسوب می شود که به نسبت استحکام شان وزن بالاتری نیز دارند. در کامپوزیت های اسپن و فایبرگلاس، افزایش مقاومت ضربه ای فقط در محتوای 20 درصدی فیلر مشاهده می شود. کامپوزیت های اسپن با عایق PMPPIC افزایش 65.1 درصدی باعث مقاومت کششی در عملکرد می شوند. مدول الاستیک بالاتر در کامپوزیت های اسپن تیمارشده با سیلان A-172 نیز بدست آمده اند. LLDPE پرشده با Tempure 626 تیمارشده با PMPPIC نیز در مقایسه با کامپوزیت Temalfa-A6816 عملکرد خوبی داشت. در نهایت، باید گفت که مدول الاستیک تحت تأثیر تیمار الیاف قرار نگرفت.

نتیجه گیری

بهبود مقاومت کششی و مدول در LLDPE پرشده با کامپوزیت های الیاف چوب تیمارشده با سیلان مشاهده شد. PMPPIC درصورتی که با الیاف اعمال شود، بطور قابل توجهی تنش عملکرد را افزایش می دهد. روش تهیه و ترکیب الیاف چوب میتواند بر خواص نهایی کامپوزیت تأثیر بگذارد. قدرت ضربه در محتوای بالای فیلر در کامپوزیت ها کاهش می یابد. خواص مکانیکی LLDPE پرشده با الیاف چوب در مقایسه با نمونه های میکا و فایبرگلاس بسیار مطلوب هستند.