کامپوزیت پلیمری از ضایعات کشاورزی

نقش چسبندگی سطحی در کامپوزیت های پلیمری مهندسی شده از ضایعات کشاورزی لیگنوسلولزی

این مقاله یک مطالعه جامع از کاربرد ضایعات کشاورزی لیگنوسلولزی موجود در پوست تخمه آفتابگردان برای تولید کامپوزیت های پلیمری مختلف ارائه می دهد. دو نوع پوست تخم آفتابگردان آسیاب شده با فاکتورهای هندسی مختلف در پلی پروپیلن، پلی اتیلن سبک و سنگین، پلی استایرن (PS)، پلی اتیلن ترفتالات اصلاح شده با گلیکول (PETG) و پلی لاکتیک اسید (PLA) ترکیب شدند. محتوای فیلر کامپوزیت ها بین 0 تا 60 درصد متغیر بود. مواد در یک میکسر اینترنال با هم ادغام شده و پلت ها برای انجام قالب گیری فشرده شدند. از مدل لوئیز-نیلسن برای مدول های هر مجموعه کامپوزیت استفاده شد و مشخص شد که تماس فیزیکی ذرات فیلر یک عامل محدود کننده در مدول مرکب است. تعاملات سطحی از دو رویکرد مستقل ارزیابی شدند. ابتدا، میزان تقویت ذرات براساس وابستگی ترکیب مقاومت کششی تعیین شد. در مرحله بعد، برگشت پذیری چسبندگی از روی انرژی های سطحی اجزای ترکیب محاسبه شد. از آنجایی که تنها برهمکنش های ضعیف واندروالس در فاز میانی پلی الفین ها و ذرات پوست تخمه آفتابگردان ایجاد می شوند، چسبندگی کامپوزیت های آن ضعیف است و در نتیجه، کمتر تقویت می شوند. چسبندگی سطحی توسط برهمکنش های خاص در فاز میانی مانند برهمکنش های الکترون π برای PS، پیوندهای هیدروژنی برای PLA و هر دو برای کامپوزیت های تهیه شده از PETG افزایش می یابد.

در سال های اخیر، پایداری مواد در بسیاری از زمینه ها همچون مهندسی پلیمر به یک اصل تبدیل شده است. با این حال، تلاش های روزافزونی با هدف کاهش میزان پلیمرهای تهیه شده از فسیل و جایگزینی آنها با پلیمرهای تجدید پذیر و طبیعی صورت گرفته است. اما از طرفی، این اهداف با چالش هایی نیز مواجه هستند زیرا پردازش پذیری و خواص پلیمرهای طبیعی از پلاستیک های پایه نفتی پایین تر است. چندین رویکرد را می توان برای از بین بردن این چالش دنبال کرد که از بین آنها تهیه کامپوزیت ها و مخلوط های پلیمری یک گزینه نسبتا ساده، کارآمد و اقتصادی است. مقالات متعددی در مورد استفاده از پلیمرهای طبیعی تهیه شده از بیومتریال و همچنین تجدید پذیر در مخلوط ها و کامپوزیت ها یافت می شود. بیوپلی اتیلن، نشاسته، پروتئین و لیگنین بعنوان ماتریکس یا جزء پراکنده مخلوط ها استفاده شده است در حالی که سلولز، کیتین و لیگنوسلولز بعنوان تقویت کننده در کامپوزیت ها استفاده شده اند. علاوه براین، خواص سودمند بیوپلیمرها و الیاف طبیعی در کامپوزیت های آنها در چندین مورد ترکیب شد. از بین فیلرهای لیگنوسلولزی، انواع مختلفی از ضایعات کشاورزی پس از برداشت محصول من جمله پوسته برنج، کاه گندم، باگاس نیشکر، ذرت، ساقه آفتابگردان و غیره بررسی شده اند. پوست تخمه آفتابگردان همچنین یک نوع ضایعات لیگنوسلولزی پس از برداشت محصول کشاورزی محسوب می شود که با قیمت پایین و تناژ بالا در دسترس است. همچنین حاوی 34 درصد وزنی سلولز، 25 درصد لیگنین، 27 درصد همی سلولز و 13 درصد مواد استخراجی است. به دلیل گرمای قابل توجه حاصل از احتراق آن، بیشتر بعنوان سوخت برای تامین گرما در فرایند استخراج روغن آفتابگردان استفاده می شود. این بدان معنا است که استفاده از پوسته آفتابگردان در کامپوزیت ها می تواند از مزیت های اقتصادی و زیست محیطی برخوردار باشد؛ با این حال، مزیت های زیست محیطی با تبدیل شدن کامپوزیت ها به ضایعات تا حدودی با مدیریت دشوار کامپوزیت ها کاهش می یابد.

آنجلی کاسیل و همکارانش در مقاله خود چندین رویکرد برای مدیریت پسماند کامپوزیت های لیگنوسلولزی را مورد بحث و مطالعه قرار دادند. از بین آنها، یک روش بازیافت امیدوارکننده توسط جرازدان و همکارانش پیشنهاد شد. اولین گام، ادغام پوسته برنج و الیاف کناف در PLA بود که با آسیاب کردن این بیوکامپوزیت دنبال شد. در نهایت، مواد آسیاب شده بعنوان تقویت کننده در رزین پلی لستر استفاده شد. کامپوزیت های پلیمری/ لیگنوسلولز نیز بعنوان مواد ساختاری در صنایع بسته بندی، خودروسازی، ساختمان و تولید مبلمان کاربرد دارد. کامپوزیت های پلیمری/ پوسته آفتابگردان را می توان برای اهداف مشابه به کار برد. با این وجود، تنها چند مقاله در مورد کاربرد پوسته آفتابگردان بعنوان فیلر در کامپوزیت های پلیمری منتشر شده است. سوی و همکارانش در مقاله خود پلی پروپیلن (PP) را با 5 درصد وزنی پوست تخمه آفتابگردان آسیاب شده (SHDS) پر کردند. با توجه به تصاویر گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، اندازه ذرات SHDS نسبتا فیبری بین 10-1 میکرومتر بود. آزمایش مکانیکی نشان داد که مدول خمشی و استحکام کامپوزیت بالاتر از PP تمیز است. اثر تقویتی SHDS احتمالا به ساختار فیبری آن مرتبط است زیرا چسبندگی بین پلی الفین ها و لیگنوسلولزها به دلیل پایین بودن انرژی سطحی آنها ضعیف است. سالاسینکا و ریکاسکا در مقاله خود علاوه بر نشان دادن نقش ساختاری، کامپوزیت ها را با ترکیب پوسته آفتابگردان ریز آسیاب شده و پلی اتیلن سنگین (HDPE) با 30-5 درصد وزنی محتوای فیلر تهیه کردند. مدول به طور یکنواخت با افزایش محتوای پوسته آفتابگردان افزایش یافت در حالی که بیشترین استحکام کششی با افزودن 15 درصد وزنی فیلر مشاهده شد. استحکام بهبود یافته مستلزم انتقال تنش کافی بین اجزا است که از نسبت تصویر بالا و پراکندگی ریز ذرات پوسته آفتابگردان ناشی می شود. مارهون از پوسته آفتابگردان بعنوان تقویت کننده در کامپوزیت های پلی یورتان استفاده کرد.

پوسته پس از آسیاب شدن، به اندازه های مختلف (53، 75 و 106 میکرومتر) الک شده و به پلی یورتان انعطاف پذیر تا 10 درصد وزنی در دو مرحله اضافه شد. مدول الاستیسیته و استحکام کششی هم با افزایش محتوای فیلر افزایش یافت. علاوه براین، گرادیان شاخص ها با کاهش ذرات افزایش می یابد زیرا ذرات فیلر کوچکتر سطح تماس بیشتری با ماتریس دارد که انتقال تنش بهتری را بین اجزا ایجاد می کند. بارزسکی و همکارانش کامپوزیت هایی با پایه اپوکسی حاوی 35-15 درصد وزنی پوسته آفتابگردان با اندازه متوسط ذرات 110.6 میکرومتر و نسبت ابعاد 3.04 تهیه کردند. استحکام کششی و خمشی با افزودن پوسته بدتر شد که با ایجاد حفره ها در حین آماده سازی نمونه و همچنین با آزاد شدن بقایای چربی از فیلر در طول فرایند پیوند عرضی اگزوترمیک توضیح داده شد که منجر به نرم شدن پلاستیک می شود.

نتیجه گیری

در این مقاله یک مطالعه جامع در مورد نقش چسبندگی سطحی و ساختاری در کامپوزیت های پلیمر/ لیگنوسلولز ارائه شده است. فیلر لیگنوسلولزی که در اینجا استفاده شد، پوسته آفتابگردان بعنوان ضایعات کشاورزی بود که با قیمت پایین و در مقایر بالا در دسترس است. مدول کامپوزیت ها با عوامل متعددی محدود می شود. در ماتریس های پلیمری دارای انرژی سطحی کم، جدا شدن رابط ماتریس/ فیلر در اطراف ذرات بزرگتر ممکن است حتی در تغییر شکل های بسیار کوچک هم رخ دهد. علاوه براین، در محتوای بیشتر فیلر ذرات پوسته به طور فیزیکی با یکدیگر تماس پیدا می کنند که منجر به پیوندهای بسیار ضعیف می شود. چسبندگی سطحی به صورت کمّی از میزان تقویت و برگشت پذیری چسبندگی تخمین زده شد. هر دو رویکرد نتایج هماهنگی از تعاملات بین سطحی ارائه دادند. فقط نیروهای ضعیف واندروالس در فاز میانی کامپوزیت های تهیه شده از پلی الفین عمل می کنند که منجر به چسبندگی و تقویت ضعیف می شود. در نمونه های تهیه شده از PS، اثر تقویت کنندگی ذرات پوسته آفتابگردان افزایش می یابد که می تواند با ایجاد برهمکنش های الکترون π در فاز میانی مرتبط باشد. در پلیمرهای مورد مطالعه، چسبندگی سطحی در کامپوزیت های تهیه شده از PLA و PETG قوی تر است زیرا پیوندهای هیدروژنی نیز می توانند در فاز میانی هم ایجاد شوند. با توجه به ساختار فیلر، هیچ تفاوت محسوسی بین اثرات تقویت کننده در دو نوع پوسته آسیاب شده در آزمایشات ما یافت نشد که بتوان آن را با نسبت ابعاد مشابه توضیح داد. در تمام کامپوزیت ها، با افزایش میزان پوسته آفتابگردان می توان کامپوزیت های سخت تولید کرد که با استفاده از الاستومرها کاهش می یابد. استحکام نسبتا کم کامپوزیت ها را نیز می توان با افزایش استحکام ذاتی ذرات پوسته بهبود بخشید. به همین منظور، هم اصلاح هندسی فیلر با آسیاب بیشتر و هم تیمار شیمیایی ذرات فیلر می تواند مفید باشد.