بازیافت پلیمر زیست تخریب پذیر

دسته: مقالات منتشر شده در 05 آبان 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 731

بازیافت مخلوط پلیمری زیست تخریب پذیر

بازیافت مکانیکی یکی از روش های ممکن برای افزایش ارزش مواد پلاستیکی پس از مصرف است. با این حال، عملکرد نهایی مواد بازیافتی به شدت کیفیت مواد انتخاب شده و میزان تجزیۀ آن بستگی دارد. برهمین اساس، در اینجا به بررسی اثرات پردازش مجدد برای پنج چرخۀ اکستروژن پی در پی بر روی خواص رئولوژیکی، مکانیکی و حرارتی مخلوط با پایۀ پلی (بوتیلن آدیپات کو ترفتالات) (PBAT) در نمونه های بازپردازش شده در محیط های خشک و مرطوب پرداخته ایم. نتایج حاصل شده نشان داد که با پردازش نمونه پس از خشک شدن، تجزیه مواد کمتر از نمونه پردازش شده در محیط مرطوب است. با این حال، نتایج تجربی نشان داد که کاهش خواص رئولوژیکی و مکانیکی چندان قابل ملاحظه نبوده و میتواند از مواد مجددآ استفاده کرد.

 

اگرچه به اصطلاح بیوپلاستیک ها یا پلیمرهای زیست تخریب پذیر نشان دهندۀ حجم کمی از مواد پلاستیکی تولید شده در سراسر جهان هستند و اگرچه سرنوشت کاملآ مشخص این پلیمرها همان تجزیه بیولوژیکی با تولید دی اکسید کربن، آب و زیست توده است؛ بازیافت مکانیکی میتواند یک گام و فرایند امیدوار کننده باشد. در واقع، بازیافت مکانیکی میتواند ابزار جالبی برای استفاده بیشتر از همان پلیمرها به شمار رود؛ در صورتی که خواص پلیمرهای زیست تخریب پذیر تجزیه شده در برخی کاربردها همچنان عملی باشد. در بررسی های قبلی، مسیرهای کلیدی تجزیه چندین بیوپلاستیک من جمله مهمترین آنها مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده شده است که بازیافت مکانیکی در مقایسه با بازیافت شیمیایی، دارای چندین مزیت است من جمله کم هزینه بودن و کاهش اثرات زیست محیطی. با این وجود، مطالعات کمتری به بررسی آن پرداخته اند. لا مانیتا و همکارانش خواص رئولوژیکی و مکانیکی یک پلیمر زیست تخریب پذیر را با پایه نشاسته را پس از چندین مرحله پردازش در یک دستگاه اکسترودر مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل شده نشان داد که شرایط پردازش مجدد اثرات قابل توجهی بر خواص رئولوژیکی و مکانیکی نمونه ها ندارد. بنابراین، مشخص شد که این مواد را میتوان با همان شرایط بکار رفته در نمونه های تصفیه شده مجددآ پردازش کرد. مورئال و همکارانش هیچ گونه کاهش قابل ملاحظه ای در خواص مکانیکی کامپوزیت های سبز از ماتریس بیوپلیمر (بیوفلکس) و خاک اره پس از چندین چرخه پردازش مشاهده نکردند. بلتران و همکارانش نیز اثرات پردازش مجدد را بر روی خواص پلی (اسید لاکتیک) (PLA) در چرخه های متعدد اکستروژن را مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه رسیدند که PLA بازیافتی با خواص خوب را میتوان با افزودن مقدار کمی افزودنی در حین فرایند بازیافت مکانیکی بدست آورد. علاوه براین، بارلتا و همکارانش نیز استفاده از توسعه دهنده زنجیره ای در بازیافت  PLAبیوپلاستیک ها با پایۀ PLA را مورد مطالعه قرار دادند. این مطالعه نشان داد که چرخه های اکستروژن پی در پی باعث کاهش وزن مولکولی پلیمرها می شود. با این حال، تغییرات کوچکتری از شاخص ذوب (MFI) با بازیافت در مواردی ثبت شد که یک توسعه دهنده زنجیره ای به مواد افزوده شد. در واقع، کاملآ واضح است که این پلیمرهای زیست تخریب پذیر از نظر تجزیه مکانیکی و اکسیداسیون نوری کاملآ ناپایدار هستند. در اینجا، هدف از این مقاله ارزیابی تأثیرات پردازش مجدد در دستگاه اکسترودر تک پیچ بر روی خواص رئولوژیکی و مکانیکی در یک مخلوط زیست تخریب پذیر با پایه پلی (بوتیلن آدیپات کوترفتالات) (PBAT) و پلی (اسید لاکتیک) (PLA) است. علاوه بر انجام آزمایشات روی مواد پردازش شده با پنج چرخه اکستروژن پی در پی، آزمایش چرخه های اکستروژن بر روی نمونه های خشک و مرطوب نیز انجام شد.

 

در شکل زیر منحنی های جریان Ecovio، بکر، سه پردازشی و پنج پردازشی در نمونه های پردازش شدۀ خشک و مرطوب ارائه شده است.

 

شکل 1:

 Flow curves of the Ecovio

 

اولین نکته قابل مشاهده این است که منحنی های خروجی بدست آمده در رئومتر منحنی های خروجی ارزیابی شده در ویسکومتر مویرگی روی هم قرار نمی گیرند؛ همانطور که قانون Cox-Merz پیش بینی کرده بود. این بدان معناست که معادلۀ کاکس - مرز در این سیستم ها عملی نیست. این ویژگی قبلآ در نمونه Mater-Bi و سایر نمونه ها مشاهده شده بود و باتوجه به وضعیت چند فازی این سیستم های پلیمری تفسیر شد. در صورت پردازش شدن نمونه پس از فاز خشک شدن، ویسکوزیته اندکی افزایش می یابد؛ بویژه در فرکانس های پایین با افزایش تعداد مراحل اکستروژن. برعکس، با پردازش پلیمر در محیط مرطوب، ویسکوزیتۀ نمونه همزمان با افزایش تعداد اکستروژن کاهش می یابد. استحکام ذوب (MS) یا همان نیروی شکست در فیلامنت مذاب در شکل زیر بعنوان تابعی از سرعت برشی ظاهری در ویسکومتر مویرگی ارائه شده است.

 

شکل 2:

 Melt strength MS as a function of the apparent shear rate

 

رفتار MS مشابه با رفتار ویسکوزیته است. در واقع، با پردازش نمونه در محیط خشک MS با افزایش تعداد مراحل پردازش اندکی افزایش می یابد. این رفتار در نمونه های خشک نسبت به منحنی های جریان در محدوده فرکانس پایین متفاوت است. علت این کار را میتوان انجام آزمایشات غیر ایزوترمال در نرخ برشی نسبتآ بالا دانست؛ در صورتی که ویسکوزیته هر سه نمونه تقریبآ یکسان باشد. MS با ویسکوزیته مذاب کاملآ مرتبط است و این امر رفتار منحنی های MS را در نمونه مرطوب توجیه کرد. تغییر شکل فیلامنت مذاب در نمونه های بازپردازش شده بعد از خشک شدن اندکی کاهش یافته و نمونه های بازپردازش شدۀ سه و پنج مرحله ای منحنی های BSR یکسانی را ارائه دادند. همین رفتار در منحنی های BSR در نمونه بازپردازش شده در محیط مرطوب مشاهده شد اما نرخ کاهش این منحنی ها بالا بود. کاهش ویسکوزیته با کاهش وزن مولکولی به دلیل تجزیه ترمودینامیکی در مراحل پردازش مجدد مرتبط است. بنابراین افزایش ویسکوزیته بایستی با افزایش وزن مولکولی یا تشکیل برخی از پیوندهای عرضی در حین پردازش مجدد مرتبط باشد. در نمونه های بازپردازش شده، هیچ پیوند عرضی یافت نشد؛ با این حال، افزایش ویسکوزیته را فقط میتوان ناشی از حضور ماکرومولکول های شاخه ای ایجاد شده به دلیل تنش ترمودینامیکی دانست.

 

در این مقاله، تأثیر پردازش مجدد بر خواص رئولوژیکی، مکانیکی و حرارتی در یک مخلوط زیست تخریب پذیر با پایۀ PBAT مورد بررسی قرار گرفت. این مخلوط پلیمری پیش و پس از خشک شدن بازپردازش شد. در نمونه بعد از خشک شدن، تجزیه کمتری مشاهده شد زیرا وجود آب علاوه بر تجزیه ترمومکانیکی، باعث هیدرولیز اجزاء نیز شد. بویژه اینکه در این نمونه ها، انشعاب در مؤلفه PBAT باتوجه به پارگی زنجیره کمتر غالب شد؛ در حالی که روند معکوس در نمونه های بازپردازش شده در محیط مرطوب مشاهده شد. با این حال در هر دو شرایط ، پنج مرحله اکستروژن کاهش قابل توجهی در خواص مکانیکی مخلوط ایجاد نکرد؛ بنابراین، نشان می دهد که میتوان از این مخلوط زیست تخریب پذیر در واقع می تواند تحت چرخه های بیشتری از بازپردازش قرار گیرد. در نتیجه، باید گفت که نتایج تجربی حاصل شده نشان دهندۀ اثرات مثبتی بر بازپردازش این مخلوط هستند.