تولید بیوکامپوزیت از پلی استایرن بازیافتی

ساخت بیوکامپوزیت از پلی استایرن بازیافتی - بیوچار پر مرغ

ضایعات پلی استایرن یک مشکل زیست محیطی مهم است که بازیافت و استفاده مجدد از آنها می‌تواند اثرات زیست محیطی آن را کاهش دهد. ازطرفی، بیوچار پر مرغ یک محصول جانبی صنعت طیور است که می‌توان از آن در تولید بیوکامپوزیت استفاده کرد. هدف از این مطالعه، تبدیل ضایعات پر مرغ به بیوچار به عنوان پرکننده در تولید کامپوزیت است. همچنین در اینجا یک رزین مبتنی بر پلی استایرن ساخته می شود که به عنوان ماتریس عمل می کند. بیوچار با کمک یک راکتور جریان روبه بالا تهیه شد. کامپوزیت‌ها با نسبت‌های مختلف مخلوط بیوچار (10-40 درصد) و رزین پلی استایرن تهیه شدند. سپس کامپوزیت ها با استفاده از روش های FTIR، SEM-EDX و آزمون سختی تجزیه و تحلیل شدند. در بررسی های SEM مشاهده شد که بیوچار غیریکسان در سراسر ماتریس پراکنده شده است. تغییرات و جابه‌جایی پیک ها با سنجش FTIR مشخص شدند که نشان دهنده برهمکنش شیمیایی بین ماتریس و بیوچار است. همچنین ماهیت آبدوست کامپوزیت نیز مشاهده شد. آزمون سختی نشان داد که غلظت 20 درصدی بیوچار میزان سختی مواد را بهبود می‌بخشد. نتایج حاصل از آنالیز EDX نشان داد که ماتریس و کامپوزیت ها عمدتا از اتم های کربن تشکیل شده اند. به طور کلی، نتایج به دست آمده در اینجا نشان دهنده پتانسیل استفاده از بیوچار پر مرغ به عنوان ماده پرکننده به منظور بهبود خواص مکانیکی و ریزساختاری بیوکامپوزیت های ساخته شده از پلی استایرن بازیافتی است. این رویکرد می تواند راه حلی پایدار و سازگار با محیط زیست باهدف استفاده مجدد از ضایعات صنایع طیور و پلاستیک ارائه دهد.

بایستی در سراسر جهان نیاز به منابع نفت محدود شده و به استفاده از منابع پایدار و تجدید پذیر باهدف ساخت مواد زیستی روی بیاوریم. در برخی از کشورها برای دستیابی به این هدف تلاش هایی درحال انجام است. این تلاش ها برای رفع نیازهای نسل بعدی لازم است. کمبود مواد نفتی در کاربردهای صنعتی تمرکز را به سمت محصولات جانبی کشاورزی معطوف کرده است. اخیرا استفاده از الیاف برای تولید مواد افزایش یافته است. حتی اگر بتوان از الیاف مصنوعی و الیاف طبیعی برای توسعه مواد استفاده کرد، الیاف طبیعی از مزیت هایی همچون توانایی در تسهیل کاهش انتشار CO₂، کاهش انرژی مصرف، زیست تخریب پذیری، چگالی کم، هزینه پایین تولید، قابلیت استفاده گسترده و دسترسی آسان برخوردار هستند. الیاف طبیعی به 3 دسته الیاف حیوانی، گیاهی و معدنی تقسیم می شوند. براساس برنامه محیط زیست سازمان ملل متحد، در سراسر جهان حدود 140 میلیارد تن ضایعات زیست توده در بخش کشاورزی تولید می شود. همچنین در سراسر جهان، تولید سالانه پر مرغ نیز حدود 8.5 میلیون تن است. پر مرغ حاوی تقریبا 95-98 درصد پروتئین، بتا کراتین و همچنین گروه های عامل متعددی مانند کربوکسیل، هیدروکسیل، آمیدوژن و سولفیدریل است. کراتین موجود در پر مرغ آن را غیرلیگنوسلولزی می کند و اگر این ضایعات به درستی مدیریت نشوند، موجب خطرات زیست محیطی خواهند شد. ضایعات پر مرغ (WCF) نوعی الیاف حیوانی برای توسعه کامپوزیت به دلیل پایداری مکانیکی و فیزیکی است. صنعت طیور محیط زیست را با مقدار زیادی WCF آلوده می کند. با این حال در تلاش برای به حداقل رساندن این ضایعات، آنها معمولا سوزانده یا دفن می شوند. این نوع تکنیک های مدیریت زباله اثرات منفی بر محیط زیست به همراه دارند. در این مطالعه استفاده از WCF به عنوان پیش ساز در توسعه کامپوزیت پیشنهاد می شود زیرا علاوه بر حل بحران محیط زیست ناشی از دفع آن، به تولید مواد زیست تخریب پذیر، تجدید پذیر و ارزان کمک می کند.

در اینجا مشاهده شد که افزودن WCF به عنوان پرکننده به مواد کامپوزیت می تواند خواصی ازجمله آب گریزی، رفتار غیرسایشی، کیفیت صوتی، عایق حرارتی و وزن سبک را بهبود بخشد. اگرچه مطالعات متعددی ویژگی ها و کاربردهای کامپوزیت های مبتنی بر WCF به ویژه آنهایی که ماتریس پلیمری دارند را مورد بررسی قرار داده اند، اما همچنان محدودیت هایی وجود دارد. یکی از مسائلی که مانع از تجاری سازی پلیمرها با تقویت الیاف طبیعی می شود، وجود گروه های هیدروکسیل است که می تواند موجب ناپایداری حرارتی و اتصال ضعیف سطحی به ماتریس پلیمری می شود. همچنین مشخص شد که درمان حرارتی زیست توده برای تولید بیوچار می تواند مقدار گروه های هیدروکسیل موجود در مواد را کاهش دهد. بیوچار که دارای ساختار متخلخل و غلظت بالای کربن است، ماده جامدی است که از تبدیل زیست توده به صورت ترموشیمیایی در محیط محدود ساخته می شود. در اینجا از بیوچار، درمقایسه با پرکننده های طبیعی، به عنوان یک پرکننده بیوکامپوزیت به دلیل پایداری حرارتی عالی و مقاومت در برابر آب استفاده شد. پلی استایرن یکی از پلیمرهای مصنوعی است که در محیط بیشتر یافت می شود و معمولا در بسته بندی مواد غذایی، عایق یخچال و ضربه گیر برای حمل کالاها کاربرد دارد. با این حال، باتوجه به خطراتی که تجمع پلی استایرن می تواند برای سلامتی داشته باشد، جهل بشر باعث تجمع آن در محیط زیست شده است. استفاده از پلی استایرن در توسعه کامپوزیت ها نه تنها تجمع و اثرات منفی زیست محیطی آن را به حداقل می رساند، بلکه به تولید موادی با خواص گسترده کمک می کند. کامپوزیت های تولید شده از پلی استایرن علاوه زیست تخریب پذیری، سبک وزن بوده و دارای خواص مکانیکی و حرارتی خوبی هستند. تولید و دفع ضایعات پلاستیکی ازجمله پلی استایرن یک مشکل زیست محیطی مهم است که به نگرانی ها از اثرات طولانی مدت ضایعات پلاستیک در اکوسیستم دامن می زند. بازیافت و استفاده مجدد از ضایعات پلاستیک می تواند به کاهش اثرات آن بر محیط زیست کمک کند. کاربرد بیوچار پر مرغ، که یک  محصول جانبی صنعت طیور به شمار می رود، به عنوان یک ماده پرکننده در تولید بیوکامپوزیت های حاوی پلی استایرن بازیافتی می تواند راه حلی پایدار برای استفاده از ضایعات هر دو صنعت طیور و ساختمان ارائه دهد. این اولین مطالعه ای است که از ضایعات بیوچار پر مرغ و پلی استایرن برای توسعه کامپوزیت استفاده می کند.

نتیجه گیری

در این مطالعه، نویسندگان به بررسی خواص مکانیکی و ریزساختاری یک بیوکامپوزیت تولید شده از پلی استایرن بازیافتی و بیوچار موجود در پر مرغ پرداخته اند. از راکتور جریان روبه بالا برای تبدیل ترموشیمیایی ضایعات پر مرغ (WCF) به بیوچار استفاده شد. همچنین از روش های هم زن دستی برای ساخت کامپوزیت ها استفاده شد و سپس در دمای اتاق قرار داده شدند. این کامپوزیت های رزین بیوچار-پلی استایرن پر مرغ با نسبت های مختلف رزین بیوچار-پلی استایرن ساخته شدند. در ادامه، کامپوزیت ها با کمک روش های FTIR، SEM-EDX و آزمون سختی تجزیه و تحلیل شدند. آنالیز SEM نشان داد که بیوچار به طور غیریکسان در سرتاسر ماتریس پراکنده شده است. تحلیل FTIR نیز برهمکنش شیمیایی بین بیوچار و ماتریس پلی استایرن را نشان داد؛ همانطور که با تغییرات و جابجایی در موقعیت های پیک مشخص می شود، ماهیت آبدوست بودن کامپوزیت را نشان می دهد. نتایج به دست آمده نشان داد که افزودن بیوچار پر مرغ به پلی استایرن بازیافتی همان طور که سختی مواد را افزایش می دهد، خواص مکانیکی کامپوزیت را نیز بهبود می بخشد. همان طور که در تصاویر SEM نیز مشخص است، بهبود خواص مکانیکی را می توان به پیوند خوب بین بیوچار و ماتریس پلی استایرن نسبت داد. یافته های این پژوهش پیامدهای مهمی برای استفاده مجدد از ضایعات صنعت پلاستیک و طیور دارد. استفاده از بیوچار پر مرغ به عنوان یک ماده پرکننده می تواند راهکار پایداری برای هر دو صنعت ارائه دهد و درعین حال، اثرات زیست محیطی ضایعات پلاستیکی را به حداقل برساند. باتوجه به نتایج حاصل از این مطالعه باید گفت خواص مکانیکی و ریزساختاری بیوکامپوزیت آن را به یک ماده امیدوارکننده برای کاربردهای مختلف در صنایع مختلف ازجمله خودروسازی، ساختمان و بسته بندی تبدیل کرده است. با این حال، به مطالعات بیشتری برای بررسی پتانسیل این ماده در دیگر کاربردها و بهینه سازی خواص آن برای مصارف خاص نیاز است.