استحکام کششی کامپوزیت ضایعات پارچه پنبه ای و HDPE

ارزیابی استحکام کششی و چگالی کامپوزیت ها از ضایعات پارچه های پنبه ای و پلی اتیلن سنگین (HDPE): کمک به صنعت کامپوزیت و محیط زیست سالم تر

رشد صنعت نساجی و استفاده گسترده از مواد پلاستیکی باعث رشد اقتصادی می شود اما پس از استفاده، ضایعات زیادی هم تولید می شود همچون ضایعات پارچه های پنبه ای و HDPE که می توانند بازیافت شده و بعنوان مواد کامپوزیتی ترکیب شوند. بنابراین، آزمایشی با هدف بررسی و تجزیه و تحلیل اثر کسر حجمی الیاف ضایعات پارچه های پنبه ای (بین 1.5، 3.5، 4.5، 6 و 7.5 درصد) با آرایش الیاف مستقیم بر استحکام کششی و چگالی انجام شد. نتایج حاصل از این آزمایش نشان داد که استحکام کششی 178.4 مگاپاسکال و نرخ تسلیم 182.6 مگاپاسکال در کسر حجمی 7.5 درصدی الیاف به دست آمد. در همین حال، بیشترین چگالی 0.95 گرم بر سانتیمتر مکعب در کسر حجمی 1.5 درصدی الیاف حاصل شد. نمای ماکروسکوپی این کسری نشان دهندۀ کسری ارتجاعی (ناهموار و رشته ای به نظر می رسد) است. اگرچه استحکام این کامپوزیت هنوز نمی تواند با مواد کامپوزیت جدید رقابت کند، اما مزایای زیست محیطی خوبی دارد. با توجه به در دسترس بودن ضایعات پارچه های پنبه ای و HDPE، این آزمایش این نوید را می دهد که از آنها می توان بعنوان یک کامپوزیت کم استحکام برای صنعت ساختمان، دکوراسیون یا عایق استفاده کرد.

در چند دهه اخیر، فرایند بازیافت مواد بسیار مورد توجه قرار گرفته است، به ویژه کامپوزیت هایی که امروزه کاربرد گسترده ای در سراسر جهان برای صنایعی همچون خودرو سازی، ساختمان، هوافضا و بسته بندی دارند. مواد کامپوزیتی حاصل از ضایعات مشکلات و بارهای زیست محیطی را کاهش داده و اقتصاد دورّانی جدیدی ایجاد می کند. رشد صنعت پوشاک به اقتصاد داخلی و جهانی کمک می کند اما مشکلات زیست محیطی جدیدی نیز به همراه دارد. در شکل زیر تصویری از ضایعات محصولات نساجی و HDPE ارائه شده است.

شکل 1:

این مشکل نه تنها در حین فرایند تولید، بلکه پس از استفاده از این محصولات نیز وجود دارد مانند ضایعات محصولات نساجی. از سوی دیگر، این ضایعات یک تهدید جدی برای محیط زیست به شمار می روند و قابلیت بازیافت بعنوان تقویت کننده مواد کامپوزیتی با ماتریس های پلیمری مناسب را دارند. اکثر پلیمرهای کامپوزیتی ترموست (گرما سخت) و زیست تخریب ناپذیر هستند و با این حال، قابلیت بازیافت ندارند. یکی از مواد پلیمری قابل بازیافت پلی اتیلن سنگین (HDPE) است که یک پلیمر سخت و مقاوم در برابر خش خوردگی محسوب می شود که به همین دلیل برای ساختار استاتیک مناسب است. در همین حال با توجه به خواص آن، زباله های HDPE یک گزینه ماتریسی بالقوه هستند. بنابراین، انتظار می رود که ترکیب الیاف پنبه از این زباله ها و ضایعات HDPE راه حلی برای کاهش بارهای زیست محیطی باشد؛ همانطور که قبلآ هم بحث شد، در تولید یک ماده کامپوزیتی جدید مفید خواهد بود. بررسی جامع کامپوزیت های HDPE به خواص جدید و منحصر به فرد این مواد اشاره می کند.

نینگ الیاف طبیعی کناف را بعنوان تقویت کنندۀ HDPE مورد مطالعه قرارد داد و به این نتیجه رسید که استحکام کششی کامپوزیت کناف HDPE، 49 مگاپاسکال بود. بسیاری از تحقیقات الیاف کناف را در نمای میکروسکوپی بررسی کرده اند، اگرچه الیاف کناف و HDPE در تصاویر ماکرو همگن به نظر می رسند. همچنین، مندز نیز الیاف باگاس را با ماتریس HDPE بررسی کرد. ترکیب باگاس با ماتریس HDPE استحکام کششی را به حداقل رساند؛ حتی کمتر از مقاومت کششی خودِ HDPE. بالاترین استحکام کششی در محتوای 20 درصدی الیاف باگاس نیشکر 7.7 مگاپاسکال است، در حالی که مقایسۀ HDPE با حداکثر استحکام کششی 24.1 مگاپاسکال است. استفاده از سایز زباله های پلاستیکی نیز توسط عبدالله مورد مطالعه قرار گرفت. او روی الیاف برگ کوانگ برای تقویت پلی پروپیلن بازیافتی تحقیق کرد. الیاف برگ با/بدون غوطه وری NAOH تیمار شدند. در نتیجه، استحکام کششی در کامپوزیت الیاف پلی پروپیلن- برگ تیمار نشده 15.6 مگاپاسکال است که کمتر از مقدار مقاومت 18.1 مگاپاسکالی در پلی پروپیلن است. با این حال، تیمار الیاف می تواند استحکام کششی را تا 23.1 مگاپاسکال بالا ببرد. تحقیق دیگری توسط اجیگو بر روی زباله های پلاستیکی انجام شد. او در این مطالعه، الیاف پوست نارگیل را برای تقویت ضایعات پلی پروپیلن مورد بررسی قرار داد. مخلوطی از 100-50 درصد ضایعات پلی پروپیلن می تواند استحکام کششی را تا 30 مگاپاسکال افزایش دهد. در همین حال، افزودن الیاف پوست نارگیل (50، 60، 70، 80 و 90 درصد) به ماتریس استحکام پلی پروپیلن را تا 33، 34، 35، 36 و 40 مگاپاسکال افزایش می دهد.

تست خواص مکانیکی

این مطالعه استحکام کششی الیاف منفرد و HDPE را در مقایسه با کامپوزیت های پنبه ای HDPE ارزیابی می کند. در جدول زیر نتیجه حاصل از بررسی کششی الیاف منفرد (تک الیاف) ارائه شده است که در آن میانگین استحکام 60.3 مگاپاسکال و متوسط کرنش هم 12.6 درصد گزارش شده است.

جدول 1:

علاوه براین، استحکام کششی الیاف پنبه ای جدید به دلیل استفاده از ضایعات نساجی 249 مگاپاسکال است. همچنین، در شکل زیر نتایج آزمایش استحکام کششی با کسر حجمی 1.5، 3.5، 4.5، 6 و 7.5 درصد با آرایش الیاف مستقیم بیان شده است.

شکل 2:

کمترین مقاومت کششی و تنش تسلیم در محتوای الیاف 1.5 درصدی به ترتیب 160.83 و 164.7 مگاپاسکال مشاهده شد. در شکل بالا نشان داده شده است که الیاف پنبه به طور قابل توجهی استحکام کامپوزیت را تحت تأثیر قرار می دهند. در محتوای 1.5 و 3.5 درصدی، مقاومت کششی کمتر از ضایعات HDPE است اما کسری از الیاف پنبه مقاومت کامپوزیت ها را افزایش می دهد. بالاترین استحکام کشی در محتوای 7.5 درصدی الیاف 161.87 مگاپاسکال است. با این حال، اگر کسر حجمی الیاف کمتر از 4.5 درصد باشد، وجود الیاف پنبه استحکام HDPE را کاهش می دهد. کسر حجمی الیاف پنبه و خاصیت ارتجاعی HDPE وابستگی متقابل دارند. این پدیده با گرفتن نمای ماکروسکوپی از نمونه کسر شده تفسیر می شود. در اشکال زیر ایجاد شکستگی های ارتجاعی با افزودن الیاف در کامپوزیت ها نشان داده می شود.

شکل 3:

شکل 4:

شکل 5:

شکل 6:

شکل 7:

شکل 8:

شکستگی های ارتجاعی با شکستگی ناهموار به دلیل وجود الیاف تشخیص داده می شوند. در همین حال، شکستگی HDPE صاف به نظر می رسد که نشان دهندۀ یک شکستگی شدید است. افزایش چسبندگی الیاف پنبه ای HDPE را سخت تر کرده و استحکام آن را هم افزایش می دهد. علاوه بر استحکام، افزودن الیاف پنبه باعث کاهش تراکم آن نیز می شود.

نتیجه گیری

الیاف پنبه ای به دست آمده از ضایعات نساجی و ترکیب HDPE انتخاب مناسبی در تولید کامپوزیت رقابتی محسوب می شود. با توجه به ارزیابی آزمون کششی می توان گفت که افزایش کسر الیاف پنبه در HDPE مقاومت کششی را افزایش داده است. بالاترین نتایج مقاومت کششی در کسر حجمی 7.5 درصدی الیاف یافت شد. در بررسی نمای ماکروسکوپی، شکستگی های انعطاف پذیری با افزودن الیاف ایجاد شد در حالی که شکستگی های HDPE شدیدتر بودند. افزودن الیاف پنبه به HDPE نیز چگالی آن را کاهش می دهد و باعث می شود این کامپوزیت تهیه شده از الیاف پنبه-HDPE قابلیت صنعتی شدن را داشته باشد.