کامپوزیت سبز تولید شده از ضایعات کاغذ

کامپوزیت های سبز تولید شده از ضایعات صنعت کاغذ و خمیر کاغذ: روشی پایدار برای مدیریت پسماندهای صنعتی

به منظور دستیابی به استفاده مجدد و مؤثر از ضایعات صنعت کاغذ و خمیر کاغذ (PIW)، PIW بازیافت شده و بعنوان فیلر در تولید کامپوزیت سبز با پایۀ پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE)، پلی تیلن سنگین (HDPE) و پلی اتیلن فوق سنگین (UHMWPE) از طریق قالب گیری اکستروژن و تزریقی در این مطالعه استفاده شد. کامپوزیت های سبز به دست آمده با اسپکتروسکوپی مادون قرمز، پراش اشعه ایکس، کالریمتری اسکن تفاضلی، ترموگراویمتری، تحلیلی خواص کششی، تحلیل خواص مکانیکی دینامیکی و مکانیزم میکرو ارزیابی شدند. نتایج حاصل شده نشان داد که افزودن PIW باعث بلورینگی و بهبود پایداری حرارتی در هر سه نوع اتیلن می شود. علاوه براین، خواص کششی آنها نیز به طور قابل ملاحظه ای به دلیل افزودن PIW بهبود یافته است. بهترین استحکام کششی 26.73 مگاپاسکال و مدول یانگ 1.82 گیگاپاسکال در کامپوزیت های PIW/HDPE به دست آمد. تجزیه و تحلیل مکانیکی دینامیکی نشان داد که افزودن PIW استحکام و الاستیسیتۀ هر سه نوع اتیلن را افزایش می دهد. استفاده از PIW نه تنها از آلودگی های ثانویه جلوگیری می کند، بلکه کامپوزیت های سبز با خواص حرارتی و مکانیکی بهتری نیز تولید می کند.

با توسعه علم و فناوری، صنعت کاغذ و خمیر کاغذ نیز به تدریج در حال گسترش است که به دلیل تولید حجم زیادی از پسماند جامد منجر به افزایش مشکلات زیست محیطی و اجتماعی شده است. از بین پسماندهای جامد مختلف، پسماندهای این صنعت به شدت در حال افزایش است و مدیریت آن در مقایسه با سایر انواع پسماندها، بسیار دشوار است. ضایعات صنعت کاغذ و خمیر کاغذ (PIW) دارای ترکیب پیچیده و مقدار زیادی آب است. همچنین، حاوی بسیاری از ترکیبات آلی است و در حال حاضر، با استفاده از روش های متداول دفن زباله یا سوزاندن مدیریت می شود که نه تنها گازهای گلخانه ای مضر منتشر می کند، بلکه خاک و آب های زیرزمینی را هم آلوده می کند. علاوه بر مواد آلی، PIW حاوی مقدار زیادی مواد معدنی است که در زمرۀ زباله های خطرناک و مضر برای سیستم آب، محیط زیست و سلامت انسان قرار می گیرد. این ضایعات با روش های مختلفی مدیریت می شود که پس از آبگیری، سوزاندن مؤثرترین روش است اما از طرفی، باعث ایجاد آلاینده های ثانویه می شود که برای محیط زیست خطرناک هستند. استفاده از PIW در تولید کود، استفاده از منابع آن را محقق کرده است اما هزینه های بالای تولید مانع اصلی بر سر راه توسعه آن است. ترکیب PIW با شیل برای تولید مصالح ساختمانی نیز یکی از روش های مؤثر است اما کیفیت مصالح تهیه شده چندان مطلوب نیست. با این حال، امروزه می توان ضرورت توسعه یک روش پایدار برای مدیریت این زباله های فراوان را به وضوح مشاهده کرد. در دهه های گذشته، بیوکامپوزیت ها به دلیل دارا بودن خواص مکانیکی عالی، مقاومت در برابر مواد اسیدی و قلیایی، مقاومت در برابر خوردگی و فرآوری آسان کاربرد گسترده ای در ساخت مصالح ساختمانی، قطعات خودرو و دکوراسیون داخلی پیدا کردند. به طور کلی، بیوکامپوزیت ها از ترکیب مذاب الیاف چوب بعنوان تقویت کننده یا فیلر و یک پلیمر ترموپلاستیک بعنوان ماتریس به دست می آیند. فرآوری و استفاده از کامپوزیت ها باعث ایجاد هیچ گونه آلاینده ثانویه ایی نمی شود و به همین دلیل، در دسته کامپوزیت های سبز قرار دارند. علاوه براین، از الیاف طبیعی و بسیاری از فیلرها در تهیه کامپوزیت های الیاف پلیمری مانند بیوچار، فرآورده های زیست سوخت، ضایعات صنایع کشاورزی و جنگلی استفاده می شود.

موهانتی و همکارانش در بررسی های اخیر پسماندهای پساصنعتی را به طور جداگانه بعنوان نوعی تقویت کننده بیان کردند. بسیاری از مطالعات نشان دادند که بیوکامپوزیت های متشکل از پسماندهای پسا صنعتی از خواص قابل مقایسه ای با بیوکامپوزیت های حاوی الیاف طبیعی برخوردار هستند. تنوع فیلرهای بیوکامپوزیت مسیر جدیدی را برای استفاده از این پسماندها من جمله PIW باز کرده است. مواد خام مورد استفاده در فرایند کاغذسازی عمدتآ الیاف چوب است که با این حال، PIW ممکن است ترکیبی مشابه با الیاف چوب مانند سلولز، همی سلولز و لیگنین داشته باشد. در اکثر مطالعات گزارش شده است که PIW اساسآ حاوی مواد آلی با وزن مولکولی بالا همچون سلولز، همی سلولز، لیگنین و مواد معدنی مانند کلسیت و کائولن است. از آنجایی که اجزای اصلی مادۀ آلی در PIW مشابه با الیاف طبیعی است، انتظار می رود PIW بعنوان یک ماده خام جایگزین برای تهیه بیوکامپوزیت ها استفاده شود. از سوی دیگر، کلسیت و کائولن تا حد زیادی از کربنات کلسیم تشکیل شده اند که می تواند خواص مکانیکی بیوکامپوزیت ها را تا حد مطلوبی بهبود بخشیده و شرایط را برای استفاده از PIW بعنوان فیلر برای تهیه بیوکامپوزیت ها فراهم کند. اکثر رزین های ماتریس در بیوکامپوزیت ها عمدتآ ترموپلاستیک های غلیظ مانند پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP) و پلی وینیل کلراید (PVC) هستند. ترموپلاستیک ها به دلیل سبک وزن بودن، استحکام بالا، پایداری شیمیایی خوب، عایق حرارتی بودن، انتقال نور، ضربه پذیری و عایق صدا بودن کاربرد گسترده ای در صنایع تولیدی، ساخت و ساز، بسته بندی و همچنین دیگر صنایع دارند. از بین این ترموپلاستیک ها، پلی اتیلن پرکاربردترین پلیمر در صنعت پلاستیک است که در عین حال، ضایعات زیادی نیز تولید می کند. زباله های پلی اتیلن در حال حاضر با سوزاندن و دفن در زمین مدیریت می شوند. زیست تخریب پذیری ضایعات اتیلن به دلیل ساختار مولکولی آن بسیار ضعیف است و حتی 100-50 سال طول می کشد تا به طور کامل تجزیه شوند. با این حال، دفن ضایعات پلی اتیلن در خاک جذب آب و مواد مغذی برای گیاهان را مسدود کرده و منجر به خطرات زیست محیطی جدی می شود.

در این مطالعه، کامپوزیت های سبز با استحکام بالا برای اولین بار با استفاده از ضایعات صنعت کاغذ و خمیر کاغذ (PIW) تهیه شدند. در تهیه این کامپوزیت های سبز از اتیلن سبک خطی (LLDPE)، اتیلن سنگین (HDPE) و اتیلن فوق سنگین (UHMWPE) کمک گرفته شد. سه کامپوزیت سبز PIW/LLDPE (PLC)، PIW/HDPE (PHC) و PIW/UHMWPE (PUC) از طریق فرایند قالب گیری اکستروژن و تزریقی تولید شدند. افزودن PIW نه تنها میزان بلورینگی را افزایش داد، بلکه پایداری حرارتی در هر سه نوع اتیلن را نیز بهبود بخشید. خواص کششی مشاهده شده نشان داد که PLC، PH و PUC با افزودن PIW به استحکام کششی و مدول یانگ بالاتری می رسند. علاوه براین، DMA نشان داد که افزودن PIW به دلیل دارا بودن خواص بازدارندگی بر روی ماتریس ها، استحکام و کشش هر سه نوع اتیلن را بالا برده است. تهیه این کامپوزیت های سبز مسیر جدیدی را برای بازیافت PIW و پلاستیک های زائد رها شده در طبیعت فراهم می کند و از طرفی، برای کاهش آلودگی زیست محیطی و کمبود منابع مثمر ثمر خواهد بود.