استفاده از پوسته برنج بعنوان فیلر بالقوه در ترکیبات لاستیک استایرن بوتادین/ پلی اتیلن
در این مطالعه، از پوسته برنج برای پرکردن ترکیبات لاستیک استایرن بوتادین (SBR)/ پلی اتیلن خطی با چگالی کم (LLDPE) 50/50 با یک سازگارکننده و همچنین از پلاستی کوردر برای تهیۀ انیدرید مالئیک (MAH) استفاده شده است. همچنین مخلوط Virgin SBR/LLDPE نیز تهیه شد. علاوه بر خواص دی الکتریک، خواص فیزیکومکانیکی نیز مورد بررسی قرار گرفتند. افزایش غلظت های MAH در مخلوط SBR/LLDPE منجر به افزایش مقاومت کششی، افزایش طول در شکست و سختی می شود. پس از رسیدن به غلظت مشخص (2.5 phr)، کاهش این خواص قابل مشاهده است. از طرف دیگر، افزایش خواص دی الکتریک و همچنین تورم جرم در تولوئن و روغن با MAH نیز مشاهده شد. همچنین پس از غلظت خاصی از فیلر پوسته برنج (25 phr)، افزایش ناگهانی در έ و تلفات دی الکتریک ἕ نیز بدست آمدند. این نتایج با ارزیابی خواص مکانیکی پشتیبانی می شوند. میکروسکوپ الکترون روبشی (SEM) نشان داد که وجود MAH باعث افزایش تعامل سطحی بین مخلوط های SBR/LLDPE و همچنین از یک طرف فیلر پوسته برنج و ازطرف دیگر، مخلوط می شود.
اخیرآ مخلوط های لاستیک و پلاستیک ازلحاظ تکنولوژیکی برای استفاده بعنوان الاستومرهای ترموپلاستیک (TPE) بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. TPE ها معمولآ در بخش صنعتی به شکل کامپوزیت های حاوی مواد با ماهیت و کمیّت مختلف کاربرد دارند. این کار باعث بهبود خواص حرارتی و فیزیکوشیمیایی می شود؛ تا شکل خالص آن. انواع مختلفی از آنها که با مخلوط پلی الفین و الاستومر تهیه می شوند، به دلیل روش سادۀ آماده سازی و دستیابی آسان به خواص فنی موردنیاز بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. خواص کشش خوب زمانی حاصل می شود که لاستیک و پلی الفین در ساختار زنجیره ای علاوه بر سازگاری، دارای شباهت هایی نیز باشند. با این حال، تعامل فازها ممکن است با افزودن عاملی که با هر دو فاز در تعامل بوده و آنها را متقابلآ سازگار می کند، یا با واکنش های خاص بین دو فاز ایجاد شود. افزودن فیلر به ماتریس پلیمری یک روش سریع و ارزان برای اصلاح خواص پلیمر پایه محسوب میشود. هر فیلر خواص خاص خود را به ماتریس میزبان اضافه نموده و در نتیجه خواص کامپوزیت را تغییر می دهد. در سال های اخیر از الیاف و فلورهای طبیعی بعنوان فیلرهای تقویت کننده در مواد کامپوزیت پلیمر- ترموپلاستیک استفاده شده است. این کامپوزیت ها دارای مزایای متعددی همچون کم هزینه بودن، تجدیدپذیری، زیست تخریب پذیری و سازگار با سلامتی هستند. پسماندهای کشاورزی مانند پوسته برنج، باگاس و تراشه های چوب عملآ منابع طبیعی هستند؛ پوسته برنج یک پسماند کشاورزی صنعتی است که در فرایند آسیاب برنج بعنوان محصولات جانبی تولید می شود. پوستۀ برنج خام حاوی 35 درصد سلولز، 25 درصد همی سلولز، 20 درصد لیگنین، 17 درصد خاکستر (94 درصد سیلیس) و تقریبآ 3 درصد وزنی رطوبت است.
در اکثر اوقات این ماده یا بعنوان بستری برای حیوانات استفاده شده و سوزانده می شود، یا برای پر کردن زمین کاربرد دارد. با این حال استفاده از آن و مشتقات آن در ساخت کامپوزیت های پلیمر-ترموپلاستیک توجه بسیاری را به خود جلب کرده و به یکی از مهمترین جنبه های صنعتی برای غلبه بر مشکل آلودگی محیط زیست تبدیل شده است. فرایند سوزاندن این ماده محیط زیست را با سیلیس آلوده می کند؛ بنابراین این روش مناسبی برای خلاص شدن از شر پوسته های زیاد برنج که هر ساله تولید می شوند نیست. یکی از اولین رویکردها درمورد استفاده از پوسته برنج بعنوان فیلر تقویت کننده در پلیمرها توسط هاگزو و مهتا گزارش شد. همچنین فواد و همکارانش از کاربرد خاکستر پوسته برنج (RHA) بعنوان یک فیلر تقویت کننده در پلی پروپیلن خبر دادند. با این حال، اسحاق و همکارانش اولین کسانی بودند که از پوست برنج بعنوان فیلر لاستیک استفاده کردند. استفاده از خاکستر پوسته برنج بعنوان فیلر در SBR، EPMD وNP نشان میدهد که فیلر به ندرت فرایند ولکانیزاسیون و همچنین عمر این لاستیک ها را تغییر می دهد. در ترکیب لاستیک برای عایق های الکتریکی، نقطۀ استفاده از فیلر بسیار مهم است. علاوه بر خواص الکتریکی، بایستی تقویت و استحکام آنها را نیز در نظر گرفت. مقدار فیلر بکار رفته در فرمولاسیون عایق معمولآ بین الزامات خواص الکتریکی و مکانیکی با هزینه های ترکیب سازگار است. بهترین خواص الکتریکی با افزودن فیلر کم (یا صفر) حاصل می شود. با این حال، بهترین فرآوری زمانی بدست می آید که نسبت فیلر بیشتر باشد. باتوجه به خواص فیزیکی (مکانیکی)، همیشه یک نسبت مطلوب برای هر نوع فیلر وجود دارد. در اینجا، اثرات انیدرید مالئیک (MAH) و بارهای مختلف پوسته برنج بر خواص مکانیکی، تورم، خواص دی الکتریک و مورفولوژی مخلوط های SBR/LLDPE بیان شده است.
اثر انیدرید مالئیک (MAH):
در شکل زیر تنش هنگام گسیختگی SBR/LLDPE فیلر شده با 20 phr پوسته برنج بعنوان تابعی از غلظت MAHارائه شده است.
شکل 1: اثر محتوای MAH بر استحکام کششی
کاملآ مشخص است که با افزایش غلظت MAH، تنش هنگام گسیختگی نیز حداکثر تا 2.5 phr افزایش یافته و سپس با افزایش غلظت کاهش می یابد. این نتایج نشان می دهد که وجود سازگارکننده (2.5 phr از MAH) منجر به بهبود قابل توجهی در پیوند ماتریس فیلر- سطح، پراکندگی بهتر فیلر در ترکیب و پیوند بهتر بین مواد تشکیل دهنده می شود. باتوجه به شکل زیر، تأثیر افزودن غلظت های مختلف SBR/LLDPE انیدرید مالئیک پر شده با پوسته برنج (20 phr) میتواند غلظت را تا 2.5 phr افزایش داده و سپس همزمان با افزایش غلظت کاهش یابد؛ ازطرفی با افزایش غلظت MAH، سختی و شکنندگی کامپوزیت ها نیز افزایش می یابد.
شکل 2: تأثیر محتوای MAH بر شکست غلظت
به این معنا که غلظت بالای MAH باعث ایجاد اختلال در روند تراز زنجیره می شود. همچنین میتوان گفت که مخلوط حاوی 2.5 phr از MAH مدول بالاتری را نسبت به دیگر غلظت ها نشان می دهد. این کار ممکن است به بهبود پیوند ماتریس- فیلر نسبت داده شود که منجر به افزایش کارآیی انتقال تنش از ماتریس به فازهای فیلر می شود. در اینجا تأثیر غلظت MAH بر تورم جرم (بترتیب در تولن و روغن) در SBR/LLDPE فیلرشده با 20 phr از پوسته برنج بیان شده است؛ به این معنا که تورم جرم در تولن همزمان با افزایش غلظت MAH تا بیش از5 phrMAH کاهش یافته و سپس همزمان با افزایش MAH نیز افزایش می یابد. بعبارت دیگر، میزان تورم جرم در روغن همزمان با افزایش غلظت MAH بی بیش از 2.5 phr کاهش یافته و سپس افزایش می یابد. رفتار تورمی نتایج حاصل از خواص مکانیکی را اثبات کرد؛ به این صورت که MAH پیوند سطحی بین پوسته برنج و مخلوط را بهبود بخشید.
تأثیر بارگیری فیلر پوسته برنج:
افزودن فیلر پوسته برنج باعث افزایش استحکام کششی تا 25 phr می شود؛ افزایش بیشتر منجر کاهش تدریجی مقاومت کششی به می شود. افزایش در مقاومت کششی نیز به نوبۀ خود به دلیل وجود MAH باعث بهبود پیوند سطحی بین پوسته برنج و ترکیب SBR/LLDPE می شود. ازطرف دیگر، مواردی همچون جاسازی نامناسب و تعامل سطحی ضعیف بین پوسته برنج و ماتریس در مقادیر بالای فیلر ممکن است ناشی از کاهش مقاومت کششی باشد. در این مقاله، به وابستگی کششی در شکست پوسته برنج در مخلوط SBR/LLDPE/2.5 phr MAH اشاره شده است؛ بدیهی است که افزایش کشش در شکست آن تا بیش از 25 phr افزایش یافته و سپس اندکی کاهش می یابد. مدول کششی نیز با افزایش پوسته برنج تا بیش از 25 phr افزایش یافته و سپس کاهش می یابد. این کار ممکن است به قابلیت پوسته برنج در ایجاد سفتی بیشتر به کامپوزیت SBR/LLDPE نسبت داده شود. در نهایت میتوان گفت که این سفتی به توزیع فیلر سفت در ماتریس میزبان با افزایش محتوای فیلر بستگی دارد. ترکیب ذرات فیلر در ماتریس نرم میتواند کشش زنجیره های پلیمری را کاهش دهد.
نتیجه گیری
علاوه بر خواص دی الکتریک، خواص مکانیکی مخلوط های SBR/LLDPE (50/50) مورد بررسی قرار گرفته اند. در هر دو مخلوط پس از ترکیب MAH سازگاری مشاهده شده است. در نتیجه، باید گفت که سازگاری هر دو مخلوط و امیدوارکننده ترین خواص برای نمونۀ حاوی 2.5 phr MAH بدست آمده است. تأثیر افزودن غلظت های مختلف پوسته برنج بر خواص فوق نیز بررسی شده است. براساس این مطالعه میتوان استنباط کرد که 20-25 phr از پوسته برنج مناسب ترین مقدار برای عایق کاری پلیمر است.
