مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

اثر نانو رس بر ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و آتش‌گیری کامپوزیت‌های ترکیبی آرد چوب زبان گنجشک و ضایعات پلی‌پروپیلن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار دانشگاه آزاد اسلامی، واحد سوادکوه، گروه چوب و کاغذ، سوادکوه، ایران
2 گروه علوم مهندسی، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران
10.22034/ijwp.2025.2051616.1698
چکیده
بیان مساله و اهداف
با توجه به اهمیت مسائل زیست‌محیطی و نیاز به استفاده از مواد پایدار، تولید کامپوزیت‌های ترکیبی از مواد طبیعی و پلیمرها به موضوعی کلیدی در تحقیقات صنعتی تبدیل شده است. آرد چوب زبان گنجشک به عنوان یک منبع طبیعی با خواص مکانیکی مناسب و پلی‌پروپیلن به عنوان یک پلیمر پرکاربرد، می‌توانند در ایجاد کامپوزیت‌های با کیفیت موثر باشند. اما یکی از چالش‌های اصلی در این زمینه، بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و آتش‌گیری این کامپوزیت‌هاست. نانو رس به عنوان یک تقویت‌کننده می‌تواند در این راستا مؤثر باشد، اما نیاز به تحقیقات بیشتری پیرامون تأثیرات آن بر ویژگی‌های مختلف کامپوزیت‌ها احساس می‌شود. هدف اصلی این پژوهش، بررسی تأثیر نانو رس بر خواص مکانیکی، حرارتی و آتش‌گیری کامپوزیت‌های حاصل از آرد چوب زبان گنجشک و ضایعات پلی‌پروپیلن است.
مواد و روش‌ها
برای این منظور پلی‌پروپیلن (در سطح ثابت 50 درصد)، آرد چوب زبان گنجشک (در سطح ثابت 50 درصد)، نانو رس (در چهار سطح 0، 2، 4 و 6 درصد وزنی) و انیدرید مالئیک پیوند داده‌شده با پلی‌پروپیلن در سطح ثابت 3 درصد، به‌وسیله اکسترودر دو ماردونی (دو مارپیچه) با یکدیگر مخلوط و نمونه‌های آزمونی استاندارد با استفاده از روش قالب‌گیری تزریقی ساخته شدند. سپس خواص مکانیکی شامل مقاومت کششی و خمشی، مدول کششی و خمشی، مقاومت به ضربه فاق‌دار، و خواص حرارتی، آتشگیری اندازه‌گیری شدند.
نتایج
نتایج نشان داد افزودن نانو رس به چندسازه حاصل از آرد چوب زبان گنجشک و پلی پروپیلن ضایعاتی تا حدی منجر به بهبود در خواص مکانیکی، حرارتی و آتش‌گیری چندسازه می‌شود که می‌تواند کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف داشته باشد. افزایش نانو رس تا سطح 2 درصد باعث افزایش مقاومت و مدول کششی و مدول خمشی به ترتیب برابر 9/7، 6/3 و 4/6 شد. افزایش نانو رس تا سطح 4 درصد باعث افزایش 6/5 درصدی مقاومت خمشی شد. افزایش نانو رس تا سطح 6 درصد باعث کاهش 5/20 درصدی مقاومت به ضربه فاقدار و افزایش 7/4 درصدی شاخص اکسیژن محدود شد. با افزایش نانو رس تا 6 درصد ثبات حرارتی افزایش می‌یابد و میزان زغال بیشتری نیز باقی می‌ماند.
نتیجه‌گیری
افزودن نانو رس به چندسازه موجب افزایش قابل توجهی در مقاومت و مدول کششی و خمشی آن می‌شود. این بهبود ناشی از توزیع یکنواخت نانو رس در ماتریس و ایجاد پیوند قوی بین نانو رس و ماتریس پلیمری است. همچنین، نانو رس باعث ارتقای مقاومت حرارتی چندسازه می‌گردد؛ زیرا ساختار لایه‌ای آن مسیر انتقال حرارت را بهبود می‌بخشد. در حوزه آتش‌گیری، نانو رس موجب کاهش سرعت احتراق می‌شود که این امر به تشکیل لایه محافظ سیلیکاتی در زمان احتراق مربوط می‌شود و از انتشار گازها و مواد سوختنی جلوگیری می‌کند. در مجموع، افزودن نانو رس به چندسازه‌های حاصل از آرد چوب زبان گنجشک و ضایعات پلی‌پروپیلن، به بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و آتش‌گیری منجر می‌شود و این ویژگی‌ها می‌تواند کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف فراهم آورد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Samariha, A., pourabbasi, S. and Khademi Eslam, H. 2023. Investigating the characteristics of wood-plastic composites made from bagasse. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 14(3), 271-283. doi: 10.22034/ijwp.2023.2008110.1622 (In Persian)
[2] Yari Firouzabadi, Z., vaziri, V., kord, B. and Jamalirad, L. 2023. Investigation of the mechanical-dynamic and thermal properties of nanocomposites manufactured from rapeseed stalk flour/ nanographene and high-density polyethylene. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 13(4), 445-456. doi: 10.22034/ijwp.2023.1971217.1571 (In Persian).
[3] Rajeshkumar, G., Seshadri, S. A., Ramakrishnan, S., Sanjay, M. R., Siengchin, S., and Nagaraja, K. C. 2021. A comprehensive review on natural fiber/nano‐clay reinforced hybrid polymeric composites: Materials and technologies. Polymer Composites, 42(8), 3687-3701.
[4] Ibrahim, M. A., Hirayama, T., and Khalafallah, D. 2019. An investigation into the tribological properties of wood flour reinforced polypropylene composites. Materials Research Express, 7(1), 015313.
[5] Gill, Y. Q., Abid, U., Irfan, M. S., Saeed, F., Shakoor, A., and Firdaus, A. 2022. Fabrication, characterization, and machining of polypropylene/wood flour composites. Arabian Journal for Science and Engineering, 47(5), 5973-5983.
[6] Rafiee, R., and Shahzadi, R. 2019. Mechanical properties of nanoclay and nanoclay reinforced polymers: a review. Polymer Composites, 40(2), 431-445.
[7] Asim, M., Paridah, M. T., Chandrasekar, M., Shahroze, R. M., Jawaid, M., Nasir, M., and Siakeng, R. 2020. Thermal stability of natural fibers and their polymer composites. Iranian Polymer Journal, 29, 625-648.
[8] Ao, X., Vázquez-López, A., Mocerino, D., González, C., and Wang, D. Y. 2024. Flame retardancy and fire mechanical properties for natural fiber/polymer composite: A review. Composites Part B: Engineering, 268, 111069.
[9] Kord, B. 2009. Improvement of practical properties of wood polymer composite with nanoclay particles. Journal of Advanced Materials and Technologies, -2(4), 369-377. doi: 10.30501/jamt.2632.70163. (In persin).
[10] Tijjani, N., Tofa, M. S., Abdullahi, I., Yunusa, A. S., and Adam, I. B. 2023. Polymer Matrix Composites Reinforcement with Nanoparticulate Rice Husk Ash. Journal of Energy Technology and Environment, 5(2).
[11] Asif, A. L., V. Roa, and K. N. Ninan, 2007. Hydroxyl terminated poly (ether ether ketone) with pendant methyl group-toughened epoxy ternary nanocomposites: preparation, morphology and thermomechanical properties. Journal Applied Polymer Science (103), 3793-3799.
[12] Danesh, M. A., H. Ziaei Tabari, R. Hosseinpour, N. Nazarnezhad, and M. Shams, 2012. Investigation of the morphological and thermal properties of waste newsprint/recycled polypropylene/nanoclay composite, BioResources 7(1), 936-945.
[13] Karimpour-Motlagh, N., Khonakdar, H. A., Jafari, S. M. A., Mahjub, A., Panahi-Sarmad, M., Kasbi, S. F., ... and Arjmand, M. 2020. Influence of polypropylene and nanoclay on thermal and thermo-oxidative degradation of poly (lactide acid): TG-FTIR, TG-DSC studies and kinetic analysis. Thermochimica Acta, 691, 178709
[14] Jahromi, G., B. Andalibizade, and S. Vossough, 2010. Engineering Properties of Nanoclay Modified Asphalt Concrete Mixtures. The Arabian Journal for Science and Engineering, 35(1), 89-103.
[15] Golmakani, M. E., Wiczenbach, T., Malikan, M., Mahoori, S. M., and Eremeyev, V. A. 2021. Experimental and numerical investigation of tensile and flexural behavior of nanoclay wood-plastic composite. Materials, 14(11), 2773.
 
[16] Ziaei Tabari, H., A. Nourbakhsh, and A. Ashori, 2011. Effects of nanoclay and coupling agent on the mechanical, morphological, and thermal properties of wood flour/polypropylene composites, Polymer Engineering and Science 51(2), 272-277.
[17] Yeh, S. K., and Gupta, R. K. 2010. Nanoclay‐reinforced, polypropylene‐based wood–plastic composites. Polymer Engineering & Science, 50(10), 2013-2020.
[18] Liu, L., Yuan, Z., Fan, X., Pan, C., and Li, X. 2021. A review of interfacial bonding mechanism of bamboo fiber reinforced polymer composites. Cellulose, 1-18.
[19] Lei, W., X.Y. Ding, and C. Xu, 2010. Effect of Compatibilizing Agent on Mechanical and Thermal Properties of Wood-Plastic Composites. J. Adv. Mater. Res., 150, 406-409.
[20] Kiaei, M., Amiri, H., Samariha, A., and Amani, N. 2018. Effect of nanosilica on thermal, flammability, and morphological properties of WF/RPS-based nanocomposites. Cerne, 24(1), 59-66.
[21] Gilman, J. W., C.L. Jackson, A.B. Morgan, R.H. Harris, J.E. Manias, E.P. Giannelis, M. Wuthenow, D. Hiltion, and S. H. Philips, 2000. Flammability properties of Polymer–layered–silicate nanocomposites. polypropylene and polystyrene Nanocoposites. Chemical Materials, 12: 1866-1873.\
[22] He, W., Song, P., Yu, B., Fang, Z., and Wang, H. 2020. Flame retardant polymeric nanocomposites through the combination of nanomaterials and conventional flame retardants. Progress in Materials Science, 114, 100687.
[23] Wang, X., Kalali, E. N., Wan, J. T., and Wang, D. Y. 2017. Carbon-family materials for flame retardant polymeric materials. Progress in Polymer Science, 69, 22-46.