مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

طراحی و سنتز مایعات یونی جدید به عنوان پیش تیمارکننده آرد چوب، و بررسی اثرات آن بر خواص فیزیکی، مکانیکی و ویسکوالاستیک چندسازه ساخته شده از پلی‌اتیلن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه سلولزی و بسته بندی، پژوهشکدة شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، ایران.
2 گروه سلولزی و بسته‌بندی، پژوهشکدة شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، ایران.
10.22034/ijwp.2025.2066533.1715
چکیده
بیان مساله و اهداف: با توجه به نگرانی‌های روزافزون زیست‌محیطی و کاهش منابع سوخت‌های فسیلی، جستجو برای مواد اولیه پایدار از اهمیت بالایی برخوردار است. زیست‌توده لیگنوسلولزی امروزه به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین مواد اولیه جایگزین برای تولید چندسازه مهندسی شده در نظر گرفته می‌شود. در این راستا، فن­آوری‌های مختلف پیش‌فرآوری برای افزایش کارآیی و اصلاح ساختار مواد لیگنوسلولزی به کار گرفته شده‌اند، اما توسعه یک فرآیند پیش‌فرآوری نوآورانه، مؤثر و سازگار با محیط زیست همچنان چالش برانگیز است. مایعات یونی، به دلیل خواص منحصربه‌فرد خود، به ویژه پایداری حرارتی بالا و فشار بخار پایین، در مقایسه با حلال‌های آلی شیمیایی مرسوم، به عنوان جایگزین‌های سازگار با محیط زیست برای فرآوری مواد لیگنوسلولزی به منظور استفاده مؤثر از آن­ها در ساخت چندسازه­ها ظهور یافته­اند. از این­رو، پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر پیش تیمار مایعات یونی بر خواص فیزیکی و مکانیکی چندسازه پلی­اتیلن سنگین- آرد چوب انجام شد.
مواد و روشها: برای انجام این پژوهش، ابتدا دو نوع مایع یونی جدیدبا بار آنیونی متفاوت، به نام­های ۱-(۳- تری متوکسی سیلیل پروپیل)-۳- متیل ایمیدازولیوم کلرید (IL-Cl) و ۱-(۳- تری متوکسی سیلیل پروپیل)-۳- متیل میدازولیوم تیوسیانات (IL-SCN)، طراحی و سنتز شدند. سپس با استفاده از آنالیزهای طیف­سنجی مادون‌قرمز (FTIR) و طیف­سنجی رزونانس مغناطیسی هسته کربن (13CNMR) صحت­سنجی مایعات یونی سنتز شده مورد بررسی قرار گرفت. پس از آن فرآیند پیش تیمار آرد چوب با مایعات یونی در شرایط رفلاکس انجام شد. در نهایت، آرد چوب تیمار شده با نسبت وزنی50 درصد با پلی اتیلن به روش اختلاط مذاب با یکدیگر ترکیب و نمونه‌های آزمونی با روش قالب‌گیری فشاری تولید شد. سرانجام، استحکام مکانیکی، رفتار ویسکوالاستیک و جذب رطوبت نمونه‌های تیمار شده و تیمار نشده مورد ارزیابی قرار گرفت. علاوه بر این، شناسایی ساختار شیمیایی آرد چوب تیمار شده و تعیین مقدار چسبندگی مایعات یونی سنتز شده بر روی سطح آرد چوب، به ترتیب با استفاده از طیف‌سنجی مادون‌قرمز و آنالیز عنصری ردیابی شد. جنبه‌های ریخت‌شناسی نمونه‌ها نیز با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM) مورد مطالعه قرار گرفت.
نتایج: نتایج حاصل از آنالیز طیف سنجی مادون‌قرمز (FTIR) نشان داد، شدت پیک گروه­های هیدروکسیل (OH) در باند جذبی cm-1 3434 کاهش یافت که بیانگر اثبات موفقیت‌ آمیز پیش تیمار آرد چوب با مایعات یونی است. آنالیز عنصری آشکار ساخت که هر دو نوع مایع یونی بر روی سطح آرد چوب چسبیده­اند، اما مقدار درجه اتصال یافتگی در مایع یونی IL-SCN بیشتر از مایع یونی IL-Cl است. همچنین مشخص شد که برهمکنش قوی بین آرد چوب و ماده زمینه پلیمری، ناشی از انجام پیش تیمار با هر دو مایع یونی، تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی نمونه­های مورد مطالعه داشت. چندسازه­های ساخته شده از آرد چوب پیش تیمار شده با مایع یونی، مقاومت و مدول الاستیسیته خمشی، مقاومت و مدول الاستیسیته کششی و مقاومت به ضربه بالاتری نسبت به چندسازه­های تیمار نشده از خود بروز دادند. علاوه بر این، جذب آب و واکشیدگی ضخامت نمونه­ها با انجام پیش تیمار مایع یونی، به دلیل کاهش ترک­ها و سوراخ­ها در ناحیه فصل مشترک و مسدود کردن گروه‌های آبدوست، کاهش می­یابد. از طرف دیگر مشاهده شد که مایع یونی IL-SCN در مقایسه با مایع یونی IL-Cl، به دلیل تفاوت در مقدار درجه اتصال ­یافتگی، می­تواند استحکام مکانیکی بالاتر و جذب رطوبت کمتری در نمونه­ها ایجاد کند. نتایج آزمون دینامیکی مکانیکی نشان داد که حضور مایعات یونی از طریق کاهش تحرک زنجیره پلیمری موجب بهبود قابل ملاحظه مدول ذخیره و مدول اتلاف شد. همچنین پیک منحنی فاکتور اتلاف (tan δ) برای نمونه‌های تیمار شده در مقایسه با تیمار نشده، به دماهای بالاتر انتقال یافت. یافته‌های ریخت‌شناسی نشان داد که روش پیش‌تیمار مایع یونی، موجب بهبود چسبندگی در ناحیه فصل مشترک از طریق کاهش ترک­ها و منافذ می­شود.
نتیجه­ گیری: با استناد به نتایج به­دست آمده از آزمون­های فیزیکی، مکانیکی و ویسکوالاستیک و همچنین مشاهدات ریخت­شناسی نمونه­ها می­توان گفت، پیش تیمار مواد لیگنوسلولزی با مایعات یونی می­تواند به عنوان یک فن­آوری بسیار موثر و پاک در ساخت چندسازه­ها برای مصارف خارج ساختمان مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Klyosov, A.A., 2007. Wood-plastic composites. John Wiley & Sons; Inc., Hoboken, New Jersey, USA.
[2] Oksman, K. and Sain, M., 2008, Wood-Polymer Composites, Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, UK.
[3] Rangappa, S.M.,   Parameswaranpillai, J.,  Kumar, M.H. and Siengchin, S., 2021. Wood Polymer Composites: Recent Advancements and Applications, Springer.
[4] Li, X., Tabil, L.G. and Panigrahi, S., 2007. Chemical treatments of natural fiber for use in natural fiber-reinforced composites: A Review. Journal of Polymers and the Environment, 15, pp. 25–33.
[5] Susheel, K., Kaith, B.S. and Inderjeet, K., 2009, Pretreatments of natural fibers and their application as reinforcing material in polymer composites: A Review. Polymer Engineering Science, 49, pp. 1253-1272.
[6] Zhang, Y., 2024, Surface Chemical Modification, MDPI.
[7] Gieparda, W., Rojewski, S., Wüstenhagen, S., Kicinska-Jakubowska, A. and Krombhol, A., 2021. Chemical modification of natural fibres to epoxy laminate for lightweight constructions. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 140, pp. 106171-106180.
[8] Anderson, J.L., Ding, J., Welton, T. and Armstrong, D.W., 2002. Characterizing ionic liquids on the basis of multiple solvation interactions. Journal of the American Chemical Society, 124, pp. 14253–14254.
[9] Wasserscheid, P. and Welton, T., 2008, Ionic liquids in synthesis, Second Edition, Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
[10] Zhu, S.D., Wu, Y.X., Chen, Q.M., Yu, Z.N., Wang, C.W., Jin, S.W., Ding, Y.G. and Wu, G., 2006. Dissolution of cellulose with ionic liquids and its application: a mini-review. Green Chemistry, 8, pp.325-327.
[11] Brandt, A., Grasvik, J., Hallett, J.P. and Welton, T., 2013. Deconstruction of lignocellulosic biomass with ionic liquids. Green Chemistry, 15, pp. 550–583.
[12] Shiflett, M.B., 2020. Commercial Applications of Ionic Liquids, Springer.
[13] Greer, A.J., Jacquemin, J. and Hardacre, C., 2020. Industrial applications of ionic liquids. Molecules, 25, pp. 5207-5238.
[14] Jacob, M. and Anandjiwala, R.D., 2009. Chemical modification of flax reinforced polypropylene composites. Composite Part A, 40, pp. 442–448.
[15] Dányádi, L., Móczó, J. and Pukánszky, B., 2010. Effect of various surface modifications of wood flour on the properties of PP/wood composites. Composite Part A, 41, pp.199–206.
[16] Sawpana, M.A., Pickering, K.L. and Fernyhoughc, A., 2011. Effect of various chemical treatments on the fiber structure and tensile properties of industrial hemp fibers. Composite Part A, 42, pp. 888–895.
[17] Ghasemi, I. and Farsi, M., 2010. Interfacial behavior of wood plastic composite: Effect of chemical treatment on wood fibers. Iranian Polymer Journal, 19(10), pp. 811-818. (In Persian)
[18] Kord, B. and Taghizadeh Haratbar, D., 2016. Influence of fiber surface treatment on the physical and mechanical properties of wood flour-reinforced polypropylene bionanocomposites. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 29, pp.979-992.
[19] Abdulkhani, A., Hojati-Marvast, E., Ashori, A. and Karimi, A.N., 2013. Effects of dissolution of some lignocellulosic materials with ionic liquids as green solvents on mechanical and physical properties of composite films. Carbohydrate Polymers, 95, pp. 57-63.
[20] Ou, R., Xie, Y., Wang, Q., Sui, S. and Wolcott, M.P., 2014. Effects of ionic liquid on the rheological properties of wood flour/high density polyethylene composites. Composite Part A, 61, pp. 134-140.
[21] Mahmood, H., Moniruzzaman, M., Yusup, S. and Akil, H., 2016. Pretreatment of oil palm biomass with ionic liquids: a new approach for fabrication of green composite board. Journal of Cleaner Production, 126, pp. 677-685.
[22] Borysiak, S., Grzabka-Zasadzinska, A., Odalanowska, M., Skrzypczak, A. and Ratajczak, I., 2018. The effect of chemical modification of wood in ionic liquids on the supermolecular structure and mechanical properties of wood/polypropylene composites. Cellulose, 25, pp. 4639–4652.
[23] A.S.T.M. D638, 2014. Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics. ASTM International.
[24] A.S.T.M. D790, 2017. Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials. ASTM International.
[25] A.S.T.M. D638, 2024. Standard Test Methods for Determining the Izod Pendulum Impact Resistance of Plastics. ASTM International.
[26] A.S.T.M. D570, 2022. Standard Test Method for Water Absorption of Plastics. ASTM International.
[27] A.S.T.M. E1640-18, 2018. Standard Test Method for Assignment of the Glass Transition Temperature by Dynamic Mechanical. ASTM International.
[28] Wu, J., Gao, Y., Zhang, W., Tan, Y., Tang, A., Men, Y. and Tang, B., 2014. Deep oxidation desulfurization with a new imidazole-type acidic ionic liquid polymer. RSC Advances, 102, pp. 58800-58804
[29] Paul, A. and Samanta, A., 2007. Photo-induced electron transfer reaction in room temperature ionic liquids: a combined laser flash photolysis and fluorescence study. The Journal of Physical Chemistry B, 111, pp. 1957–1962.
[30] Memon, S., 2014. Phase changed materials integrated in building walls: a state of the art review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 31, pp. 870-906.
[31] Cao, R., Li, X., Chen, S., Yuan, H. and Zhang, X., 2017. Fabrication and characterization of novel shape-stabilized synergistic phase change materials based on PHDA/GO composites. Energy, 138, pp. 157-166.
[32] Jiang, L., Liu, Z., Wang, Y., Lei, J. and Zhou, C., 2018. Fabrication and characterization of fatty acid/wood-four composites as novel form-stable phase change materials for thermal energy storage. Energy and Buildings, 171, pp. 88-99.
[33] Croitoru, C., Varodi, A.M., Timar, M.C., Roata, I.C., Stanciu, E.M. and Pascu, A., 2018. Wood-plastic composites based on HDPE and ionic liquid additives. Journal of Materials Science, 53, pp. 4132–4143.
[34] Kord, B., Movahedi, F., Adlnasab, L. and Masrouri, H., 2020. Influence of eco-friendly pretreatment of lignocellulosic biomass using ionic liquids on the interface adhesion and characteristics of polymer composite boards. Journal of Composite Materials, 54(25), pp. 3717-3729.
[35] Remsing, R.C., Hernandez, G., Swatloski, R.P., Massefski, W.W., Rogers, R.D. and Moyna, G., 2008. Solvation of carbohydrates in n,n′-dialkylimidazolium ionic liquids: a multinuclear NMR spectroscopy study. The Journal of Physical Chemistry B, 112, pp. 11071-11078.
[36] Zavrel, M., Bross, D., Funke, M., Büchs, J. and Spiess, A.C., 2009. High-throughput screening for ionic liquids dissolving lignocellulose. Bioresource Technology, 100, pp. 2580-2587.
[37] Lu, B., Xu, A. and Wang, J., 2014. Cation does matter: how cationic structure affects the dissolution of cellulose in ionic liquids. Green Chemistry, 16, pp. 1326-1335.
[38] Forsyth, S.A., Batten, S.R., Dai, Q. and MacFarlane, D.R., 2004. Ionic liquids based on imidazolium and pyrrolidinium salts of the tricyanomethanide anion. Australian Journal of Chemistry, 57, pp. 121–124.
[39] MacFarlane, D.R., Forsyth, S.A., Goldinga, J. and Deacon, G.B., 2002. Ionic liquids based on imidazolium, ammonium and pyrrolidinium salts of the dicyanamide anion. Green Chemistry, 4, pp. 444-448.
[40] Wooster, T.J., Johanson, K.M., Fraser, K.J., MacFarlane, D.R. and Scott, J.L., 2006. Thermal degradation of cyano containing ionic liquids.Green Chemistry, 8, pp. 691-696.
[41] Sarmah, B. and Srivastava, R., 2017. Highly efficient and recyclable basic ionic liquids supported on SBA-15 for the synthesis of substituted styrenes, carbinolamides, and napthopyrans. Molecular Catalysis 2017, 427, pp. 62-72.
[42] Simmons, T.J., Lee, S.H., Miao, J., Miyauchi, M., Park, T.J., Bale, S.S., Pangule, R., Bult, J., Martin, J.G., Dordick, J.S. and Robert J. Linhardt, R.L., 2011. Preparation of synthetic wood composites using ionic liquids. Wood Science and Technology, 45, pp. 719-733.
[43] Ornaghi, H.L., Amico, S.C., Bolner, A.S., Fiorio, R. and Zattera, A.J., 2010. Mechanical and dynamic mechanical analysis of hybrid composites molded by resin transfer molding. Jornal of Applied Polymer Science, 118, pp. 887-896.
[44] Pothan, L.A., Ommen, Z. and Thomas, S., 2003. Dynamic mechanical analysis of banana fiber
reinforced polyester comiposites. Composite Science Technology, 63, pp. 283-293.
[45] Ghasemi, I. and Farsi, M., 2010. Interfacial behavior of wood plastic composite: Effect of chemical treatment on wood fibers. Iranian Polymer Journal, 19, pp. 811–818. (In Persian)
[46] Kord, B. Roudkoli Nejati, M. and Najafi, A., 2015. Effect of chemical modification of wood flour on the static and dynamic mechanical properties of polypropylene based composites. Journal of Forest and Wood Product, 68(3), pp. 559-572. (In Persian)