کامپوزیت پلی لاکتیک اسید PLA و فیبر موز BF

کامپوزیت های سبز زیست تخریب پذیر پلی لاکتیک اسید (PLA) و الیاف موز (BF)

در این مطالعه، کامپوزیت های پلی لاکتیک اسید (PLA) و الیاف موز (BF) به روش مخلوط مذاب تهیه شدند. علاوه براین، BF از طریق عامل جفت کننده و اصلاح شیمیایی روی زنجیره های PLA کونژوگه می شود. در نتیجه، پایداری حرارتی و خواص مکانیکی PLA را می توان به طور قابل ملاحظه ای با ادغام BF افزایش داد. آزمایشات مکانیکی نشان داد که استحکام کششی کامپوزیت ها با محتوای الیاف به طرز چشمگیری افزایش می یابد و در صورت تقویت الیاف با 40 phr، به 78.6 مگاپاسکال می رسد که در مقایسه با پریستین PLA دو برابر است. علاوه براین، افزودن 40 phr از BF به کامپوزیت می تواند HDT در PLA خالص را از 62 درجه سلسیوس به 139 درجه سلسیوس افزایش داده؛ و تا 122 درصد بهبود یابد. جدا از افزایش خواص مکانیکی و پایداری حرارتی، ادغام BF می تواند هزینه تولید مواد را کاهش داده و مزایای حفاظت از محیط زیست را افزایش دهد.

در سال های اخیر، قیمت نفت خام به طور متوالی افزایش یافته است؛ به طوری که از سال 2003 (28.1 دلار) تا سال 2006 (61.24 دلار) دو برابر شده است. بر این اساس، هزینه مشتقات نفت خام  مانند الیاف مصنوعی همچنان رو به افزایش بوده و شرکت های تولیدی را تحت فشار قرار داده است. علاوه براین، امکانات کشاورزی تایوان به خوبی توسعه یافته و انواع زیادی از محصولات کشاورزی تولید می شود. با بررسی های انجام شده، می توان گفت که کل ضایعات کشاورزی در تایوان به حدود 23 میلیون تن در سال می رسد. اخیرآ بسیاری از کشورهای جهان تمام تلاش خود را برای توسعه الیاف طبیعی به جای الیاف مصنوعی به کار می برند. حتی، این واقعیت نیز وجود دارد که الیاف طبیعی نه تنها ارزان قیمت هستند؛ بلکه باعث ایجاد آلرژی در بدن انسان نمی شوند. مزایای چنین الیافی نسبت به الیاف مصنوعی در چگالی کم، هزینه کم، قابلیت بازیافت و زیست تخریب پذیری است. به همین دلیل، به جایگزین بالقوه ای برای الیاف شیشه در مواد کامپوزیتی تبدیل شده اند و محققان بسیاری نیز اثرات تقویتی را بر روی کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با فیلرهای طبیعی مورد بررسی قرار داده اند. اخیرا توسعه پلیمرهای زیست تخریب پذیر از دو دیدگاه اکولوژیکی و زیست پزشکی در علم مواد بسیار مورد توجه قرار گرفته است. یکی از پلیمرهای زیست تخریب پذیر، پلی اسید لاکتیک PLA بعنوان یک پلیمر ترموپلاستیک با استحکام و مدول بالا است که می تواند در حوزه بسته بندی صنعتی یا ساخت تجهیزات پزشکی زیست سازگار/ زیست تخریب پذیر استفاده شود. با این حال، در حال حاضر دمای تغییر شکل حرارتی پایین و قیمت بسیار بالای PLA کاربرد آن را محدود می کند و تلاش های زیادی برای بهبود این خواص پلیمری انجام شده است. ترکیب الیاف گیاهی در پلیمرهای زیست تخریب پذیر نه تنها می تواند خواص حرارتی و مکانیکی را افزایش دهد، بلکه هزینه مواد را نیز کاهش داده و یک کامپوزیت سبز کاملآ طبیعی تشکیل می دهد. در این مطالعه، فرایندی را برای تولید PLA تقویت شده با BF با کارایی بالا را توسعه دادیم که در آن، BF از طریق عامل جفت کننده و اصلاح شیمیایی به زنجیره های PLA کونژوگه شده تا سازگاری بین PLA و BF را بهبود بخشد؛ استحکام مکانیکی مواد را تقویت کند؛ پایداری حرارتی را افزایش دهد؛ هزینه تولید مواد و کامپوزیت های زیست سازگار را در نهایت کاهش دهد.

طیف FTIR

باتوجه به شکل زیر، یک پیک در 1602 cm⁻¹ برای عامل جفت کننده مشاهده شد.

شکل 1:

این پیک جذب مشخصۀ C=C از عامل جفت کننده ناشی شده است. پیک های جذب مشخصه سیلان نیز در 962 و 1167 cm⁻¹ مشاهده شد. این را می توان به وجود کشش نامتقارن پیوند Si-OEt نسبت داد. پیک 3396 cm⁻¹ برای الیاف تیمار نشده نیز مشاهده شد. این پیک جذب مشخصه –OH ناشی از سلولز است. لازم به ذکر است که پیک ها در 1603، 1161 و 1074 cm⁻¹ برای MBF مشاهده نشد. این را می توان به حضور C=C، Si-OEt و Si-O-Si نسبت داد که نشان دهندۀ وجود پلی سیلوکسان ها بر روی الیاف و وقوع یک واکنش تراکم بین عامل جفت کنندۀ سیلان و الیاف است.

آنالیز TGA

در شکل و جدول زیر، نتایج TGA حاصل از نمونه های مختلف تحت نیتروژن ارائه شده است.

شکل 2:

جدول 1:

دمای تجزیۀ (Td5) کامپوزیت های تقویت شده با الیاف با کاهش وزن 5 درصدی به دلیل ماهیت گیاه، کمتر از دمای PLA بکر هستند. الیاف گیاهی تقریبآ 140-40 درجه سلسیوس رطوبت جذب شده را آزاد می کنند و در دمای 370-140 درجه سلسیوس فرایند تجزیه مواد سلولزی مانند همی سلولزها و سلولز را ادامه می دهند. با این حال، بازدهی ذغال در کامپوزیت های تقویت شده با الیاف بیشتر از PLA بکر هستند. این نتایج نشان می دهد که افزودن الیاف به PLA بازدهی نمونه ها را به طور کاملآ مؤثری افزایش می دهد.

دمای خمشی حرارتی

در جدول زیر، مقادیر دمای انحراف حرارتی PLA و کامپوزیت ها ارائه شده است.

جدول 2:

دمای انحراف حرارتی افزایش قابل توجهی در حدود 76.4-68.1 درجه سلسیوس با افزودن MBF را نشان داد. بویژه اینکه در PLA40، افزایش HDT در کامپوزیت حاوی الیاف تیمار نشدۀ 20 phr در مقایسه با PLA پریستین (بکر) کمتر است. این بدان معنا است که پیوند MBF بر روی زنجیره PLA می تواند دمای انحراف حرارتی PLA را افزایش دهد.

استحکام کششی

با توجه به جدول 2 ارائه شده در بالا، استحکام کششی کامپوزیت های PLA تقویت شده با MBF بیشتر از PLA بکر است. بویژه در PLA40 که استحکام کششی آن (78.6 مگاپاسکال) 2 برابر بیشتر از PLA تمیز (39.3 مگاپاسکال) است. با این حال، استحکام کششی PLA60 تا حدودی کمتر از PLA40 است که نشان دهندۀ کاهش چسبندگی الیاف/ ماتریس در کامپوزیت PLA60 است. بنابراین، این مورفولوژی خاص یا تجمع ناشی از محتوای بالای الیاف ممکن است خواص مکانیکی کامپوزیت ها را تحت تأثیر قرار دهد. علاوه براین، استحکام کششی PLA20 بهتر از PLA20* است.

در نتیجه، می توان گفت که MBF به زنجیره اصلی PLA کونژوگه می شود؛ سازگاری و پایداری PLA نیز می تواند به طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد. علاوه براین، پایداری حرارتی و خواص مکانیکی PLA را می توان افزایش داد. نرخ افزایش در دمای تغییر شکل حرارتی و استحکام کششی می تواند از 100 درصد فراتر رود. این کامپوزیت PLA تقویت شده با MBF نه تنها می تواند وابستگی داخلی به الیاف مصنوعی را کاهش دهد؛ بلکه هزینه ها را در بخش صنعتی نیز کاهش می دهد. علاوه براین، از آنجایی که چنین PLA تقویت شده از استحکام بالایی برخوردار بوده و برای محصولاتی که در دمای بالا استفاده می شوند مانند ظروف غذای داغ، محصولات الکترونیکی و فتوالکترونیکی اعمال می شوند؛ می تواند دامنه کاربرد آنها را گسترش دهد. در نهایت، به دلیل زیست تخریب پذیری ذاتی الیاف موز، این نوع PLA تقویت شده نسبت به الیاف مصنوعی تقویت شده با محیط زیست سازگارتر است.