خواص کامپوزیت های BioCaCO₃ - LDPE

دسته: مقالات منتشر شده در 13 شهریور 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 323

بررسی خواص ساختاری و مکانیکی کامپوزیت های BioCaCO₃-LDPE

در این مقاله به بررسی سه پوستۀ مختلف نرم تنان Pecten maximus، Crepidula fornicate و Crassostrea gigas پرداخته شده و با پودرهای مصنوعی و تجاری مقایسه شده اند. تمام نمونه ها با اشعه ایکس، تجزیه و تحلیل پراش، تحلیل فاز کمّی و تحلیل کمّی ریز ساختار با استفاده از روش تحلیل ترکیبی آنالیز شدند. کامپوزیت های BioCaCO₃-LDPE در یک اکسترودر دو پیچ در ترکیب حاوی 10.8-0 فیلر آماده شدند. خواص مکانیکی نهایی تزریق از نوع داگ-بون در نمونه های کششی قالب گیری شده اندازه گیری شدند. نتایج به دست آمده نشان می دهد که کربنات کلسیم بیوژنیک در بهبود سفتی پلی اتیلن نسبت به نمونه های مصنوعی کارایی کمتری دارد و جدا از شکل کریستالی آن، استفاده از پوشش اسید استئاریک باعث بهبود سفت شدن ماتریس می شود. استحکام مواد بدون دخالت نوع فیلر، تغییر نمی کند که در نتیجه، استفاده مجدد از پوسته را در صنعت پلیمر فراهم می کند.

 

پوسته نرم تنان که در مطالعات بسیاری مورد بررسی قرار گرفته است، دارای مواد بیولوژیکی تقویت کنندۀ آلی / غیر آلی با کارایی بالایی است. همچنین به دلیل انعطاف پذیری زیاد در برابر ترک خوردگی، خواص مکانیکی بسیار خوبی از خود نشان می دهند. از آنجایی که کربنات کلسیم معدنی سخت و شکننده است و لایه های آلی هم نرم هستند، ترکیب آنها الهام گرفته از پوستۀ نرم تنان است که بیومتریال کامپوزیتی متشکل از 99-95 درصد وزنی کربنات کلسیم هستند و اجزای باقی ماندۀ ماتریس آلی را تشکیل می دهند. امروزه، این مواد حاوی مقادیر زیادی از پوسته های دریایی هستند که پس از برداشت و بازاریابی، از آبزی پروری، کشاورزی، ماهیگیری، مواد غذایی، مروارید سازی و کنسروسازی در محیط زیست دور ریخته می شوند. این ضایعات جامد که همیشه با برخی از مواد آلی مرتبط هستند، می توانند در آب و حتی محیط های دریایی تجزیه شوند. در نتیجه، استفاده مجدد از پوسته نرم تنان می تواند برای مقابله با تهدیدهای زیست محیطی مفید باشد. برای مثال، پراکندگی نانوفیلرها در ماتریس پلیمری با کمک فعل و انفعالات قوی انجام می شود که امکان تولید نانوکامپوزیت های پلیمری با محتوای بالای نانوفیلرها را فراهم می کند. لازری و همکارانش به این نتیجه رسیدند که افزودن کربنات کلسیم رسوبی به HDPE هم مدول یانگ و هم تنش تسلیم را افزایش می دهد و برعکس، مقاومت در برابر ضربه را به حداقل می رساند اما تیمار سازگارکنندۀ اسید استئاریک در مقایسه با کامپوزیت های بدون پوشش اثرات منفی بر روی آنها دارد. با این حال، گای و همکارانش گزارش دادند که خواص مکانیکی PP با استفاده از فیلرهای پودری بیشتر از PP تولید شده با استفاده پودرهای تیمار (تصفیه) نشده است. از سوی دیگر، گونزالس و همکارانش ضایعات پوسته دریایی را در نسبت های مختلف به ماتریس های PP و HDPE افزودند و به جزء افزایش مدول یانگ، تغییرات قابل توجهی در خواص رئولوژیکی و مکانیکی کلی مشاهده نکردند. توافق خوبی بین مشاهدات تجربی و پیش بینی استحکام کششی در نانوکامپوزیت های مونت موریلونیت /  پلیمر مشاهده شده است. هدف از این مطالعه بررسی اثرات افزدون پودر پوسته های دریایی بیوژنیک به اتیلن سبک بر روی خواص مکانیکی و بلورینگی ماتریس، در مقایسه با کامپوزیت های حاوی ذرات کلسیت مصنوعی و آراگونیت CaCO₃ است. پوسته های پودر شده از سه گونه نرم تنان مختلف شکم پایان و دو کفه ای ها برای بررسی ریزساختارهای مختلف CaCO₃ از گونه های مختلف تهیه شدند. این پودرها با اندازۀ ذرات کمتر از 1 میکرومتر کنترل می شوند تا رابط فیلر/پلیمر در کامپوزیت ها افزایش یابد.

 

تجزیه و تحلیل ساختارها و ریزساختارها با استفاده از SEM و XRD

CaCO₃ بیوژنیک

در بخش اول از شکل زیر نمای مقطعی یک دریچۀ مسطح Pecten maximus در شعاع 3.2 پوسته (دور از میوستر) ارائه شده است که ساختار پیچیدۀ پوسته را نشان می دهد.

 

شکل 1:

 SEM observation of a cross section of the flat valve of Pecten maximus

 

از ضلع داخلی (پایین) تا بیرون (بالا) دریچه می توان انباشتگی تمام لایه ها، لایۀ پیچیدۀ کلسیتی (ICoCL)، منشورهای نامنظم متوسط (IIP) و لایه های متقاطع پیچیده (CoCL) با ضخامت های متفاوت در جهت رشد (افقی) را مشاهده کرد. با توجه به دومین بخش از همین شکل، لایه های ICoCL از لاملاهای تیغه ای معمولآ با طول 10 میکرومتر، عرض 1 میکرومتر و ضخامت 0.1 میکرومتر ساخته شده اند که بزرگترین سطح آنها تقریبآ موازی با صفحه (G,M) است. در تصویر سوم نشان داده شده است که لاملاها به دسته های چند صدتایی تقسیم شده و در زوایای 120 درجه ای یکدیگر را قطع می کنند. تعداد لایه های IIP از نقطه ای به نقطه دیگر در پوسته متفاوت است و روندی کلی برای کاهش یا حتی ناپدید شدن تا نزدیک به مرحله رشد وجود دارد. در تصویر چهارم آمده است که برخی از لاملاها در بعضی نقاط و اغلب پس از رشد، بین برخی از لایه های منشوری نامنظم قرار می گیرند. این لایه های منشوری، با توجه به آخرین تصویر از همین شکل، در واقع از لحاظ شکلی بسیار نامنظم هستند؛ نه از زیرواحدهایی مانند گودال ستونی در صدف توربو آندولاتوس ساخته شده اند و نه مانند منشورهای کلسیتی آترینا سراتا متوازی السطوح است. به جزء زیر عضلۀ ادکتور که ما سعی کردیم تا حد امکان آن را از تجزیه و تحلیل خود حذف کنیم، ترکیبات معدنی تمام لایه های پوسته ای به صورت کلسیت با مقدار تصفیۀ 99.8 (3) درصد است.

 

در این مطالعه، ساختارهای پوستۀ Pecten maximus، Crassostrea gigas و Crepidula fornicate توسط SEM و XRD مشخص شد و کاربرد بالقوه آنها بعنوان فیلرهای پلیمری مورد بررسی قرار گرفت. ریزساختارهای لایه ای و ستونی پوسته در Pecten maximus و Crepidula fornicate از طریق میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده شد. لت های لاملا در گونه های Scallop و Crepidula قابل مشاهده هستند، در حالی که ساختار Crassostrea gigas دارای مورفولوژی های ریزساختاری لاملا، ستونی و گچی است که بسیار متفاوت تر از ریزساختارهای دو گونه دیگر هستند. در صورتی که این منابع بیوژنیک پس از آسیاب شدن در یک ماتریس پلیمری گنجانده شوند، اثرات مشابهی بر روی خواص ساختاری و مکانیکی پلیمر بعنوان کربنات های کلسیم معدنی مصنوعی همزمان با محدود شدن تجمع مواد توسط تیمار اسید استئاریک دارد. حتی اگر اثرات قابل توجهی از حضور مولکول های آلی در این فیلرهای بیوژنیک شناسایی شده باشد، هیچ اثر مخربی مشاهده نشده است. منابع کربنات کلسیم بیوژنیک که معمولآ بعنوان ضایعات چندین صنعت در نظر گرفته می شوند، می توانند بعنوان فیلر در صنعت کامپاند استفاده شده و منجر به تولید مواد کامپوزیتی با خواصی معادل با پلیمرهای پر شده با فیلر سنتی شوند.