پلی استایرن تقویت شده با بیوچار از علف فیل

خواص مورفولوژیکی و حرارتی کامپوزیت پلی استایرن تقویت شده با بیوچار از علف فیل (Pennisetum purpureum)

استفاده از ضایعات در توسعه مواد مفید یکی از جنبه های کلیدی مدیریت پسماند جامد است. هدف از این مطالعه، استفاده از بیوچار تهیه شده از علف فیل به عنوان فیلر در ساخت کامپوزیت های پلی استایرن با در نظر گرفتن خواص مورفولوژیکی و حرارتی کامپوزیت های توسعه یافته است. کامپوزیت ها با تکنیک لایه گذاری دستی تهیه می شوند. رزین تهیه شده و کامپوزیت نهایی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، کالریمتری اسکن تفاضلی و اسپکترومتری FTIR بررسی می شوند. بیوچار حاوی هیچ گونه گروه آبدوست فعالی نیست و بنابراین، با پلی استایرن سازگار است. نتایج حاصل از آزمون حرارتی ظرفیت حرارتی کامپوزیت ها نشان داد که برای به دست آوردن ظرفیت حرارتی بین 760-600 J/kgK، به ترکیب بیوچار 30-10 درصد وزنی نیاز است. در ترکیب 30 درصدی بیوچار، ظرفیت حرارتی حداکثر 757.66 J/kgK بود.

تولید زباله در آفریقای جنوبی تقریباً 62 میلیون تن در سال است. به طور کلی تولید سرانه زباله در این منطقه کم است اما به طور گسترده با متوسط 0.65 کیلوگرم در روز از 0.09 کیلوگرم برای هر نفر در روز به 3.0 کیلوگرم رسیده است. افزایش سریع تولید ضایعات پلاستیکی در جهان ناشی از رشد اقتصادی، تغییر الگوی مصرف و تولید محصولات پلاستیک است. برای مثال در ایالات متحده، تولید زباله شهری در پنج دهه گذشته با افزایش سالانه 5 درصدی از 88.1 میلیون تن به 250.9 میلیون تن افزایش یافت. این افزایش تولید منجر به تبدیل شدن زباله‌های پلاستیکی به جریان اصلی پسماندهای جامد، پس از ضایعات مواد غذایی و کاغذی شده است. یکی از اجزای اصلی این ضایعات پلاستیکی پلی استایرن است. با توجه به شکل زیر، پلی استایرن که معمولاً استایروفوم نامیده می شود، نوعی پلیمر هیدروکربنی آروماتیک سنتزی است که از پلیمریزاسیون مونومر استایرن تهیه شده و می تواند به صورت فوم پلی استایرن منبسط شده یا پلی استایرن اکسترود شده تولید شود.

شکل 1:

فوم پلی استایرن معمولی سخت، شفاف، شکننده و ارزان است. علاوه براین، پلی استایرن یکی از پرمصرف ترین پلاستیک ها در جهان است. با اینکه شفاف است، اما می‌توان آن را رنگ کرد. از آنجا که پلی استایرن یک ترموپلاستیک است، در دمای محیط به حالت جامد (شیشه ای) است اما در دمای بالاتر از 100 درجه سانتیگراد، که دمای انتقال شیشه ای آن محسوب می شود، سرد شده و به حالت جامد در می آید. سایر خواص کلیدی پلی استایرن در جدول زیر توضیح داده شده است.

جدول 1:

زمان تجزیه برای پلی استایرن هنوز ناشناخته است اما برخی از کارشناسان آن را حدود 500 سال تخمین زده اند. این ارزیابی آن را به یک آلاینده زیست تخریب ناپذیر در محیط زیست تبدیل می کند. کامپوزیت های پلی استایرن تقویت شده از الیاف تقویت کننده و ماتریس پلیمری تشکیل شده اند که به عنوان یک اتصال دهنده برای الیاف عمل می کند. استفاده از الیاف طبیعی به عنوان اجزای تقویت کننده در ماتریس های ترموپلاستیک و ترموست به دلیل خواصی همچون تجدید پذیری، زیست تخریب پذیری و زیست سازگاری بسیار مورد توجه قرار گرفته است. همچنین از الیاف طبیعی به عنوان جایگزین مناسبی برای الیاف شیشه یا دیگر تقویت‌ کننده‌ های سنتی در کامپوزیت ها استفاده می شود. این الیاف فراوان، ارزان و تجدید پذیر هستند. در حال حاضر، صنایع لوکوموتیو و ساختمان از کامپوزیت های تقویت شده با الیاف طبیعی گیاهی به عنوان مواد جایگزین در کامپوزیت های تقویت شده با الیاف شیشه در کاربردهای ساختاری با استحکام نسبی استفاده می کنند. اخیرا، علاقه به توسعه و کاربرد بیوچار به دلیل کاربرد مناسب آن در حوزه بیوکامپوزیت افزایش یافته است که دست کم یکی از قطعات آنها منشأ آلی دارد؛ می تواند به این معنا باشد که فیلر یا پلیمر از منابع پایدار مانند الیاف گیاهی، مواد بازیافتی یا و روغن ها تهیه شده باشند. افزودن بیوچار به کامپوزیت می تواند به بهبود خواص کامپوزیت های حاصل و همچنین کاهش استفاده از فیلرهای مهندسی موجود در این مواد همچون کربن سیاه کمک کند. کربن سیاه یک فیلر غیر قابل تجدید است که با تصفیه و تهیه هیدروکربن ها از صنعت نفت و گاز به دست می آید.

بیوچار علف فیل از تجزیه در اثر حرارت و گاز شدن علف فیل به دست می آید که عملکرد زیست توده بالاتری نسبت به سایر علف های انرژی زا دارد. در چندین گزارش، از بیوچار برای اصلاح خاک مناسب استفاده شده است. چندین مطالعه نیز استفاده از بیوچار در ساخت کامپوزیت های پلاستیکی را بررسی کرده اند. بهازین و همکارانش خواص مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی بیوچار تهیه شده از میسکانتوس، علف خشک و تراشه چوب نرم به عنوان تقویت کننده در ساخت کامپوزیت های پلاستیکی را بررسی کرده اند. توصیه های حاصل از این مطالعه مثبت ارزیابی شد. کاتبرستون ترکیب بیوچار پیرولیتیک در کامپوزیت بتن را مطالعه کرد. داس و همکارانش نیز استفاده از بیوچار در ساخت کامپوزیت پلی پروپیلن را بررسی کرده و همچنین خواص شیمیایی، مکانیکی، حرارتی و مورفولوژیکی کامپوزیت های پلی پروپیلن حاصل شده را با انواع بیوچار مشتق شده از زباله به عنوان فیلر ارزیابی کردند و در آخر، به این نتیجه رسیدند که استفاده بیوچار تهیه شده از ضایعات چوب در کامپوزیت پلی پروپیلن در مقایسه با پوسته برنج، تفاله قهوه و پشم ضخیم عملکرد بهتری داشت. علاوه براین، استفاده از فیلرهای بیوچار در سایر کامپوزیت‌های پلیمری ساخته شده از پلی اتیلن سنگین، پلی وینیل الکل (PVA)، استایرن-بوتادین کربوکسیله، اپوکسی و برخی دیگر مورد مطالعه قرار گرفته اند. در حطیه جستجوی جامع نویسندگان هیچ گزارشی از  کاربرد فیلر‌های بیوچار بایومس در کامپوزیت‌ های پلی استایرن وجود ندارد. هدف از این مطالعه استفاده از بیوچار تهیه شده از علف فیل به عنوان فیلر در ساخت کامپوزیت های پلی استایرن است. همچنین در اینجا بر خواص مورفولوژیکی و حرارتی کامپوزیت های توسعه یافته تمرکز شده است. رزین تهیه شده و کامپوزیت نهایی با استفاده از روش های میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، کالریمتری اسکن تفاضلی (DSC) و اسپکتروسکوپی FTIR بررسی شده اند.

کامپوزیت پلی استایرن پرشده با بیوپار با روش تکنیک لایه گذاری دستی با موفقیت تهیه شد و این تکنیک نشان داد که بیوچار مانند دیگر فیلرهای تجاری، به دلیل وجود تخلخل سطحی و ترک هایی که ممکن است به تعامل فیزیکی از طریق قفل شدن زنجیره پلی استایرن در سطح بیوچار کمک کنند، از پتانسیل بالایی برخوردار است. ذرات بیوچار ساختار کوچکی دارند که نشان می دهد می توان آن را به راحتی در رزین پلی استایرن پراکنده کرد. علاوه براین، پراکندگی اندازه ذرات بیوچار در محدوده سایر فیلر‌های تجاری قرار می‌ گیرد. علاوه براین، بیوچار حاوی هیچ گروه آبدوست واکنشی نیست و با این حال، با پلی استایرن سازگار است. با توجه به نتایج حاصل از آزمایش حرارتی، ظرفیت حرارتی تخمین زده شدۀ کامپوزیت ها نشان داد که برای بدست آوردن ترکیبی از ظرفیت حرارتی بین 760-600 J/kgK، از 10 تا 30 درصد وزنی بیوچار باید استفاده کرد. در نهایت، افزودن بیوچار دارای پایدار حرارتی به کامپوزیت زمانی مفید است که خواص حرارتی نیز در نظر گرفته شوند.