ترکیبات مواد بازیافتی پلی پروپیلن پس از مصرف در بسته بندی ترموفرمینگ
ضایعات بسته بندی پلاستیکی پلی پروپیلن (PP) از محصولات بسته بندی شده پلاستیکی مختلفی تشکیل شده است که رفتار رئولوژیکی و مکانیکی پلاستیک را تحت تاثیر خود دارند. درنتیجه، مواد بازیافتی پس از مصرف معمولا نرخ جریان جرمی مذاب (MFR) را در گریدهای قالب تزریقی و خواص مکانیکی نشان می‌دهند. بسته بندی با کیفیت بالا به ویژگی‌های متمایزی نیاز دارد که با گریدهای سفارشی PP تامین می‌شود؛ نه با عملکرد نسبی مواد بازیافتی. یکی از این کاربردها با حجم بالای بازار، سینی‌های ترموفینگ شده بسیار مقاوم است. هدف از این تحقیق، ترکیب مواد بازیافتی با عملکرد متوسط در گرید PP بکر به‌منظور دستیابی به ترکیباتی که نیازهای رئولوژیکی و مکانیکی این کاربردها را را برآورده می‌کند است. سه نوع مواد بازیافتی تجاری پس از مصرف به‌دست آمده و با نسبت‌های مختلف مخلوط بسیار سخت و گرید PP بکر با MFR پایین ترکیب شدند. همانطور که مواد بازیافتی خالص خواص رئولوژیکی متفاوتی را نشان می‌دهند، نسبت‌های اختلاط باید هر یک از آنها در محدوده MFR 4-2 گرم در 10 دقیقه قرار گیرند که در کاربردهای ترموفرمینگ مطلوب است. با این حال، خواص حاصل شده به‌طور مستقیم به عملکرد مواد بازیافتی استفاده شده بستگی دارد. مواد بازیافتی دارای عملکرد خوب بایستی در نسبت مخلوط 65 درصدی محتوای مواد بازیافتی استفاده شود درحالی که محدودیت‌هایی نیز دارند؛ MFR 4-2 گرم در 10 دقیقه و سختی کششی پایین 1500 مگاپاسکال.
پلی پروپیلن (PP) یک پلیمر محبوب است که کاربرد گسترده‌ای در برنامه‌های مختلف دارد. این محبوبیت تا حدودی به دلیل قیمت پایین آن است اما همچنین به دلیل قابلیت استفاده از کوپلیمرها، افزودنی‌ها یا پرکننده‌ها برای کاربردهای خاص طراحی می‌شود. استفاده از محصولات بسته بندی یکبار مصرف به‌خوبی از این خواص بهره می‌گیرد و PP به یکی از پرکاربردترین مواد در بسته بندی محصولات تبدیل شده است. با این وجود، گریدهای PP به‌دلیل دارا بودن ویژگی‌هایی همچون سختی، چقرمگی و رئولوژیکی بسیار متفاوت بوده و کاربردهای مختلفی دارند. این امر منجر به افزایش انباشت زباله‌های بسته بندی PP می‌شود حتی اگر پلیمرهای دیگر نیز به این جریان ضایعات افزوده شوند مرتب شوند. محصولات PP خواص متفاوتی دارند؛ از سفتی و شکنندگی تا نرمی و انعطاف پذیری متغیر است. مواد بازیافتی PP (rPP) تجاری موجود حاصل از ضایعات بسته بندی معمولا دارای نرخ‌های جریان جرمی مذاب (MFR) هستند که از قالب گیری تزریقی برای پردازش آن استفاده می‌شود. به دلیل بالا بودن تغییرپذیری مواد اولیه، تنها می‌توان به خواص مکانیکی نسبی دست یافت. از این‌رو، این مواد بازیافتی معمولا در کاربردهای خاص مناسب نیستند. علاوه براین، PP درمقایسه با پلی اتیلن ترفتالات (PET) که پتانسیل آلودگی زدایی دارد، دارای معایبی است. از این‌رو بازیافت rPP در تماس با مواد غذایی همچنان چالش برانگیز است و به توسعه و اثبات بیشتری نیاز دارد. برای استفاده مفید از این مواد بازیافتی با عملکرد متوسط، ترکیب آنها با مواد اولیه با کیفیت بالا میتواند راه‌حل خوبی برای این کار باشد. هدف از این تحقیق ارائه شده در اینجا، بررسی کاربرد rPP در فرایند ترموفرمینگ است. ترموفرمینگ یک روش تولید با حجم بالا و کم هزینه است که از آن برای تولید طیف وسیعی از محصولات استفاده می‌شود.
اکثر تحقیقات منتشر شده در این رابطه بر استفاده از rPP در تولید ورق متمرکز هستند اما تنها پردازش ورق‌های چند لایه مورد بررسی گرفته و هیچ ویژگی مکانیکی از ترکیب مواد مشاهده و آزمایش نشده است. راه حل دیگر برای اصلاح rPP میتواند ترکیب با پلیمرهای بکر باشد. اگرچه پژوهش هایی از دیگر کاربردها در دسترس است، اما هیچ یک از تحقیقات قبلی به ایجاد و ارزیابی ترکیبات ترموفرمینگ با محتوای مواد بازیافتی پس از مصرف اشاره نکردند. گریدهای ترموفرمینگ PP بسیار تخصصی هستند و اغلب از آنها به دلیل برخورداری از مزایای کوپلیمریزاسیون برای شفاف‌تر کردن یا سخت‌تر کردن استفاده می‌شود؛ به‌عنوان مثال در بسته بندی مواد غذایی با درجه حرارت کم. از سخت‌ترین گریدها برای ساخت ظروف و سینی، با و بدون تماس با مواد غذایی استفاده می‌شود. از آنجا که این ظروف و سینی‌ها کاربرد زیادی در بسته بندی مواد غذایی دارند، هدف اصلی این تحقیق آماده سازی ترکیبات مواد بازیافتی ترموفرمینگ با استفاده از مواد بازیافتی PP تجاری موجود در کاربردهای سختی است. از این‌رو، خواص و محدودیت‌ها تعیین شده و با کمک روش‌های تحلیلی اضافی آزمایش شده است. نتایج حاصل از این آزمایشات برای ارزیابی عملکرد ترکیبات مواد بازیافتی ایجاد شده به عنوان گریدهای ترموفرمینگ کاربرد دارند.
کلام آخر
از آنجا که در مباحث قبلی نتایج حاصل از بررسی ترکیبات ایجاد شده ارائه شد، هدف اولیه این تحقیق ایجاد ترکیباتی در یک چارچوب خواص کوچک که توسط MFR، مدول کششی و تاثیر چقرمگی آنها تعریف شده است که ازطریق ضریب مقاومت برشی شارپی اندازه گیری می‌شود. ضریب چقرمگی هموپلیمرهای PP بکر که در ترموفرمینگ استفاده می‌شوند، قبلا از مواد بازیافتی خالص به دست آمده اند و به احتمال زیاد از آنجایی که این مواد بازیافتی از گریدهای مختلف PP (هموپلیمرها، کوپلیمرهای تصادفی و بلوکی) استخراج می‌شوند، از پتانسیل آلودگی زادیی پلی اتیلن برخوردار هستند. ترکیبات حاوی 50-35 درصدی ضریب استحکام نسبتا بالاتری دارند و این خاصیت مکانیکی در همه ترکیبات مشاهده می‌شود. محتوای مواد بازیافتی MFR ترکیبات را تعیین می‌کند و از این طریق، MFR و مدول کششی برای این ترکیبات به یکدیگر وابسته هستند. مطابق با اشکال زیر محتوای مواد بازیافتی بالاتر منجر به افزایش MFR و کاهش مدول‌های کششی می‌شود و هر دوی این خواص به مقادیر اولیه مواد بازیافتی مربوطه بستگی دارد.
شکل 1:
شکل 2:
شکل 3:
شکل 4:
شکل 5:
شکل 6:
![Graphical illustration of tensile modulus (a), yield stress (b), and strain at break values (c) for all materials. 3.5. Charpy Notched Impact Strengths The Charpy notched impact strength is a critical design parameter, as filled thermoforming containers must be able to survive a drop without critical failure and leakage of its contents. Semi-crystalline polymers naturally have high impact strengths and the 0 50 55 60 65 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 tensile modulus [MPa] recyclate content [m%] vPP A B C R² = 0.995 R² = 0.982 R² = 0.998 ISO 527-2 & ISO 19069-2, 23 °C, 1 mm/min 0 50 55 60 65 100 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 yield stress [MPa] recyclate content [m%] vPP A B C R² = 0.973 R² = 0.955 R² = 0.999 ISO 527-2 & ISO 19069-2, 23 °C, 50 mm/min 0 50 55 60 65 100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 strain at break [MPa] recyclate content [m%] vPP A B C ISO 527-2 & ISO 19069-2, 23 °C, 50 mm/min R² = 0.999 Figure 6. Graphical illustration of tensile modulus (a), yield stress (b), and strain at break values (c) for all materials](/images/sampledata/Fig6.jpg "Graphical illustration of tensile modulus (a), yield stress (b), and strain at break values (c) for all materials. 3.5. Charpy Notched Impact Strengths The Charpy notched impact strength is a critical design parameter, as filled thermoforming containers must be able to survive a drop without critical failure and leakage of its contents. Semi-crystalline polymers naturally have high impact strengths and the 0 50 55 60 65 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 tensile modulus [MPa] recyclate content [m%] vPP A B C R² = 0.995 R² = 0.982 R² = 0.998 ISO 527-2 & ISO 19069-2, 23 °C, 1 mm/min 0 50 55 60 65 100 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 yield stress [MPa] recyclate content [m%] vPP A B C R² = 0.973 R² = 0.955 R² = 0.999 ISO 527-2 & ISO 19069-2, 23 °C, 50 mm/min 0 50 55 60 65 100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 strain at break [MPa] recyclate content [m%] vPP A B C ISO 527-2 & ISO 19069-2, 23 °C, 50 mm/min R² = 0.999 Figure 6. Graphical illustration of tensile modulus (a), yield stress (b), and strain at break values (c) for all materials")
شکل 7:
شکل 8:
این مطالعه چشم اندازی از نحوه استفاده کاملا تخصصی از PP بکر ترکیب‌شده با مواد بازیافتی تجاری موجود ارائه می‌دهد که از خواص مکانیکی خوبی برای ترموفرمینگ با سختی بالا برخوردار هستند. همانطور که انتظار می‌رود، خواص ترکیبات به شدت به مواد مخلوط شده بستگی دارد. بنابراین، تمام مواد بازیافتی برای استفاده در ترکیبات ترموفرمینگ مناسب نیستند؛ به عنوان مثال، کم بودن سختی مواد بازیافتی منجر به تشدید عملکرد ضعیف ترکیب می‌شود. از آنجایی که نه تنها سختی بلکه MFR هم دو فاکتور ضروری به شمار می‌روند، نوع ترکیب براساس مواد بازیافتی (rPP) متفاوت است. rPP-B بهترین عملکرد را داشت، زیرا کمترین MFR و بالاترین سختی را نشان داد. با این حال، ترکیبات حاوی rPP-B می‌توانند بیشترین مقدار بازیافت (65 درصد) را به خود اختصاص دهند در حالی که مدول کششی همچنان بالای 1500 مگاپاسکال و MFR کمتر از 4 گرم در 10 دقیقه باقی می‌ماند. اگرچه این مطالعه اثرات و محدودیت‌های مواد بازیافتی تجاری مختلف موجود را با یک جزء ترکیبی بکر و مناسب بیان می‌کند، اما رویکردهای دیگری به منظور بهینه سازی عملکرد مکانیکی وجود دارد مانند استفاده از مواد افزودنی یا پرکننده که در اینجا مورد بررسی قرار نگرفته اند. استفاده از مواد بازیافتی خالص در ترکیب با مواد بکر به عنوان مثال، یک ترکیب چند لایه، نیز همچنین در این مقاله مورد بررسی قرار نگرفت. با این وجود، اکستروژن فیلم چند لایه از نظر پردازش چالش برانگیزتر است.
