پوسته تخم مرغ در کامپوزیت PP

دسته: مقالات منتشر شده در 09 دی 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 620

پوسته تخم مرغ بعنوان یک فیلر زیستی جدید برای کامپوزیت های پلی پروپیلن

پوسته تخم مرغ یک محصول جانبی صنعتی حاوی 95 درصد کربنات کلسیم است و دفع آن یک خطر زیست محیطی جدی محسوب می شود. نسبت های مختلف پوسته تخم مرغ بعنوان فیلر زیستی برای کامپوزیت های پلی پروپیلن با اندازه ذرات مختلف و نسبت فیلرهای تجاری تالک و کربنات کلسیم با آزمایشات کششی مقایسه شد. مدول یانگ (E) با افزایش محتوای ES بهبود یافت و این فیلر زیستی بهتر از انواع فیلرهای کربناتی با اندازه ذرات مختلف مورد استفاده در این مطالعه بود. اگرچه کامپوزیت های ES مقادیر E کمتری نسبت به کامپوزیت های تالک نشان دادند؛ فیلر تالک را میتوان تا 75 درصد با ES جایگزین کرد؛ در حالی که استحکام E در مقایسه با کامپوزیت های تالک حفظ شد. میکروسکوپ الکترونی روبشی پیوند سطحی بهبود یافته روی سطح شکسته کششی نشان داد. بهبود خواص مکانیکی رابط ES/ ماتریس به نسبت هندسی ذراتES مشابه با ذرات تالک نسبت داده شده است.

 

کامپوزیت ها موادی هستند که از دو یا چند جزء قابل شناسایی با ماهیت های مختلف تشکیل شده اند. کامپوزیت هایی که از الیاف مصنوعی یا ذرات آلی با تقویت مدول بالا در یک ماتریس مدول نسبتآ پایین تر مانند پلی پروپیلن تشکیل شده اند، بسیار مورد توجه هستند. با این حال، به دلیل هزینۀ بالای فرآورده های نفتی یا خطرات زیست محیطی، در سالهای اخیر تلاش های فزاینده ای در زمینه تحقیق، توسعه و کاربرد بیوکامپوزیت ها صورت گرفته است. یک بیوکامپوزیت حداقل دارای یک ماده تشکیل دهنده است که از منابع تجدید پذیر مانند پرهای پرندگان یا الیاف سلولز از کناف، رامی، کتان، سیسال، گشنیز، پوسته برنج و کنف هندی بدست می آید. کامپوزیت های پلی پروپیلن (PP) معمولآ حاوی فیلرهای معدنی مانند کربنات کلسیم معدنی و تالک هستند. پوسته تخم مرغ یک محصول جانبی در مرغداری است که در سراسر جهان بعنوان یکی از بدترین مشکلات زیست محیطی محسوب می شود. تنها در ایالات متحده حدود 150.000 تن از این مواد بعنوان زباله دفن می شود. ES حاوی 95 درصد کربنات کلسیم به شکل کلسیت و 5 درصد مواد آلی مانند کلاژن نوع X، پلی ساکاریدهای سولفاته و سایر پروتئین ها است. اگرچه برای استفاده از اجزای پوسته تخم مرغ برای کاربردهای مختلف تلاش شده است، ES به دلیل ترکیبات شیمیایی و در دسترس بودن به یک فیلر بالقوه در کامپوزیت های PP تبدیل شده است.

در گزارش قبلی نشان دادیم که ES چگالی نسبتآ کمتری نسبت به کربنات کلسیم معدنی دارد و کامپوزیت ES-PP تبلور نسبتآ بالاتری از کامپوزیت های PP ساخته شده از کربنات کلسیم معدنی نشان داد (باتوجه به ارزیابی های DSC، این مواد در مقایسه با تبلور 46 درصدی کربنات کلسیم تجاری یا کامپوزیت های تالک ، 48 درصد تبلور داشتند). این خواص ES را بعنوان یک انتخاب خوب در کاربردهای کامپوزیت انبوه، ارزان، سبک و مقاوم من جمله صنعت خودرو، کامیون ها، منازل، ادارات و کارخانجات معرفی کرده اند. به منظور تعیین اثر فیلرهای مختلف مانند تالک، کربنات کلسیم تجاری و پوسته تخم مرغ بر روی خواص مکانیکی، مقاومت الاستیک یا مدول یانگ یکی از شاخص ترین و مناسب ترین خواصی است که معمولآ برای تعیین فیلرهای مختلف در کاربردهای مختلف استفاده می شود. در اینجا، داده های مدول یانگ (E) موجود در درخواست ثبت اختراع را ارائه می دهیم که قابلیت ES بعنوان فیلر جایگزین در کامپوزیت های PPرا در مقایسه با تقویت کننده های تجاری سنتی مانند تالک و کربنات کلسیم معدنی بیان می کند.

 

باتوجه به شکل زیر، تمام کامپوزیت های PP-فیلر مدول یانگ بالاتری را در مقایسه با PP نشان دادند.

 

شکل 1:

 PPfiller composites with 40 ww filler

 

افزایش مدول کششی این کامپوزیت ها زمانی مشاهده شد که اندازه ذرات فیلر تالک (TA) یا کربنات کلسیم (CC) کاهش یافت. کامپوزیت های PP-CC مدول کششی کمتری نسبت به کامپوزیت های PP-TA نشان دادند. حتی باوجود ذرات ES بزرگتر از کربنات کلسیم معدنی، مدول کششی کامپوزیت PP-ES بالاتر از کامپوزیت های PP-CC است؛ در صورتی که فیلر ES تا 75 درصد از فیلر تالک را در کامپوزیت PP جایگزین کند، مقادیر مدول کششی معمولآ مطابق با مقادیر حاصل از کامپوزیت های PP-TAهستند. همانطور که در شکل زیر مشخص است، مورفولوژی فیلر ES بیشتر شبیه به مورفولوژی تالک است تا کربنات کلسیم معدنی.

 

شکل 2:

 SEM micrographs of the different fillers

 

در واقع، ذرات ES بهتر از ذرات کربنات کلسیم در ماتریس PP قرار می گیرند؛ و از این نظر باتوجه به شکل زیر، با ذرات تالک برابری می کنند.

 

شکل 3:

 SEM micrographs of the fracture surface of PPfiller composites

 

بنابراین، ذرات ES تداوم فازی را در کامپوزیت نشان می دهند که به خوبی یا بهتر از آن است که توسط ذرات کربنات کلسیم یا تالک نشان داده می شود.

 

رفتار مکانیکی کامپوزیتPP-ES باتوجه به اندازه ذرات، مدول کششی بالاتری نسبت به کامپوزیت PP-CC نشان می دهند. یک نسبت هندسی مشابه در ذرات ES و تالک می تواند عامل مؤثری در دستیابی به ترکیبی از PP-ES- تالک با مدول و همگنی مشابه در کامپوزیت PP-TA باشد. در نتیجه، پوسته تخم مرغ حاصل از ضایعات پرورشی در مرغداری به راحتی می تواند بعنوان یک فیلر در کامپوزیت های PP استفاده شود زیرا خواص تقویت کنندگی بهتری در مقایسه با کامپوزیت های حاوی فیلرهای کربنات کلسیم سنتی دارد و همچنین می تواند تا حد زیادی جایگزین کامپوزیت های PP-تالک بدون کاهش خواص مکانیکی آن شود.