تحلیل تجربی خواص نانوکامپوزیت‌های هیبریدی پلی پروپیلن/ پودر چوب/ گرافن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهران، ایران

3 استاد، مهندسی پلیمر، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی، تهران، ایران

چکیده

هدف از این تحقیق ارزیابی برخی خواص فیزیکی، مکانیکی و همچنین ریخت شناسی و رفتار گرمایی نانو‌کامپوزیت‌های تشکیل شده از پودر چوب، پلی‌پروپیلن و گرافن می‌باشد. در تحقیق حاضر، از مالئیک انیدرید پیوند داده شده با پلی‌پروپیلن به­عنوان عامل جفت کننده، جهت ازدیاد برهم‌کنش بین اجزا استفاده شد. نمونه‌های نانو کامپوزیت‌ با مقادیر مختلف گرافن (0، 5/0، 1، 5/1، 2 درصد وزنی) با روش اختلاط مذاب و با استفاده از مخلوط‌کن داخلی و سپس با روش قالبگیری فشاری تهیه شد. جذب آب، واکشیدگی ضخامت، ریخت شناسی و خواص کششی و رفتار بلورینگی نانو‌کامپوزیت‌ها مورد سنجش قرار گرفت. نتایج آزمون‌ها نشان داد که با افزودن گرافن به نانو کامپوزیت‌‌ها تا 1 درصد وزنی، استحکام و مدول کششی آنها  به­ترتیب 4/33  و 9/7 درصد نسبت به نمونه‌ی کنترل(بدون گرافن) افزایش یافت. استحکام ضربه‌ی نانو‌کامپوزیت‌ها با اضافه کردن گرافن تا 5/0 درصد وزنی، 7/5 درصد نسبت به نمونه­ی کنترل بهبود یافت. همچنین با افزایش گرافن تا 1 درصد وزنی، جذب آب و واکشیدگی ضخامت نانوکامپوزیت‌ها کاهش یافت. سطح شکست هموار و برهم‌کنش خوب میان اجزای نانوکامپوزیت‌ها در حضور مقادیر کم گرافن  به وسیله تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داده شد. آنالیز گرمایی با استفاده از گرماسنجی روبشی تفاضلی(DSC)، نشان داد با افزودن پودر چوب و گرافن به پلی‌پروپیلن خالص، دمای بلورینگی و مقدار بلورینگی افزایش پیدا می‌کند.

کلیدواژه‌ها


1]     Tajvidi M., Static and dynamic mechanical properties of a kenaf fiber–wood flour/polypropylene hybrid composite, Journal of applied polymer science, Vol. 98, No. 2, pp. 665-672, 2005.
[2]    Lei B., Zhang Y., He Y., Xie Y., Xu B., Lin Z., Huang L., Tan S., Wang M., and Cai X., Preparation and characterization of wood–plastic composite reinforced by graphitic carbon nitride, Materials & Design, Vol. 66, pp. 103-109, 2015.
[3]    Sheshmani,S. Ashori A., and Fashapoyeh M. A., Wood plastic composite using graphene nanoplatelets, International journal of biological macromolecules, Vol. 58, pp. 1-6, 2013.
[4]    Mwaikambo L.,and Ansell M., The effect of chemical treatment on the properties of hemp, sisal, jute and kapok fibres for composite reinforcement, Die angewandte makromolekulare Chemie, Vol. 272, No. 1, pp. 108-116, 1999.
[5]    Hosseinaei O., Wang S. Enayati, A. A.,and Rials T. G., Effects of hemicellulose extraction on properties of wood flour and wood–plastic composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 43, No. 4, pp. 686-694, 2012.
[6]    Ichazo M., Albano C., Gonzalez J., Perera R.,and Candal M., Polypropylene/wood flour composites: treatments and properties, Composite structures, Vol. 54, No. 2, pp. 207-214, 2001.
[7]    Ashori A., Wood–plastic composites as promising green-composites for automotive industries!, Bioresource Technology, Vol. 99, No. 11, pp. 4661-4667, 2008.
[8]    Yeh S. K., Kim K. J.,and Gupta R. K., Synergistic effect of coupling agents on polypropylene‐based wood–plastic composites, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 127, No. 2, pp. 1047-1053, 2013.
[9]    Ghasemi I., Azizi H.,and Naeimian N., Investigation of the dynamic mechanical behavior of polypropylene/(wood flour)/(kenaf fiber) hybrid composites, Journal of Vinyl and Additive Technology, Vol. 15, No. 2, pp. 113-119, 2009.
[10]  Ghasemi I., Farsi M., Interfacial behaviour of wood plastic composite: effect of chemical treatment on wood fibres, Iranian Polymer Journal, Vol. 19, No. 10, pp. 811-818, 2010.
[11]  Faruk O.,and Matuana L. M., Nanoclay reinforced HDPE as a matrix for wood-plastic composites, Composites Science and Technology, Vol. 68, No. 9, pp. 2073-2077, 2008.
[12]  Ghasemi I.,and Kord B., Long-term water absorption behaviour of polypropylene/wood flour/organoclay hybrid nanocomposite, Iranian Polymer Journal, Vol. 18, No. 9, pp. 683-691, 2009.
[13]  Ashori A., Effects of nanoparticles on the mechanical properties of rice straw/polypropylene composites, Journal of Composite Materials, pp. 0021998312437234, 2012.
[14]  Alzari V., Nuvoli D., Scognamillo S., Piccinini M., Gioffredi E., Malucelli G., Marceddu S., Sechi M., Sanna V.,and Mariani A., Graphene-containing thermoresponsive nanocomposite hydrogels of poly (N-isopropylacrylamide) prepared by frontal polymerization, Journal of Materials Chemistry, Vol. 21, No. 24, pp. 8727-8733, 2011.
[15]  Song P., Cao Z., Cai Y., Zhao L., Fang Z.,and Fu S., Fabrication of exfoliated graphene-based polypropylene nanocomposites with enhanced mechanical and thermal properties, Polymer, Vol. 52, No. 18, pp. 4001-4010, 2011.
[16]  Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski C. W.,and Ruoff R. S., "Graphene-based polymer nanocomposites, Polymer, Vol. 52, No. 1, pp. 5-25, 2011.
[17]  Chaharmahali M., Hamzeh Y., Ebrahimi G., Ashori A., and Ghasemi I., Effects of nano-graphene on the physico-mechanical properties of bagasse/polypropylene composites, Polymer bulletin, Vol. 71, No. 2, pp. 337-349, 2014.
[18]  An J. E., Jeon G. W.,and Jeong Y. G., Preparation and properties of polypropylene nanocomposites reinforced with exfoliated graphene, Fibers and Polymers, Vol. 13, No. 4, pp. 507-514, 2012.
[19]  نوربخش امیر، مقایسه چهار ماده لیگنوسلولزی در تولید چندسازه چوب پلاستیک/ نانورس، فصلنامه­ی علمی – پژوهشی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران، جلد 27، شماره 2، صفحه 235-255، 1391
 [20] کرد بهزاد، بررسی تاثیر ذرات نانو رس بر خواص مکانیکی کامپوزیت چوب پلاستیک حاصل از پلی اتیلن سنگین-آرد چوب، دوفصلنامة علمی-پژوهشی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران،  جلد 25 ، شماره1، صفحه 91-101، 1391
[21]  تسوجی محمد، نوربخش امیر، کارگر فرد ابوالفضل، حسینخانی حسین، اثر نوع ماده لیگنوسلولزی و نانورس بر خواص فیزیکی، مکانیکی و مورفولوژیکی چندسازه چوب پلاستیک، فصلنامه علمی-پژوهشی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران، جلد 27، شماره 2، صفحه 189-201، 1391
 [22] آشنای قاسمی فرامرز، قاسمی اسماعیل، بصیری مهدی، تحلیل تجربی خواص مکانیکی پلی پروپیلن در حضور نانو صفحات گرافن و پلی اولفین الاستومر در زمان های ساخت متفاوت، مجله مهندسی مکانیک مدرس، دوره 15، شماره 11، صفحه 225-232، بهمن 1394
[23]  Kordkheili H. Y., Farsi M., and Rezazadeh Z., Physical, mechanical and morphological properties of polymer composites manufactured from carbon nanotubes and wood flour, Composites Part B: Engineering, Vol. 44, No. 1, pp. 750-755, 2013.
[24]  Oksman K.,and Clemons C., Mechanical properties polypropylene-wood, Journal of applied polymer science, Vol. 67, pp. 1503-1513, 1998.
[25]  Zhao X., Zhang Q., Chen D.,and Lu P., Enhanced mechanical properties of graphene-based poly (vinyl alcohol) composites, Macromolecules, Vol. 43, No. 5, pp. 2357-2363, 2010.
[26]  منبری سامان، آشنای قاسمی فرامرز، قاسمی اسماعیل، مقایسه خواص مکانیکی نانوکامپوزیت هیبریدی پلی پروپیلن/تالک/گرافن و نانو کامپوزیت دوتایی پلی پروپیلن/گرافن"، مجله مهندسی مکانیک مدرس، دوره 15 ، شماره 7، صفحه329-335 ، مهر 1394
[27]  Ashori A., Sheshmani S.,and Farhani F., "Preparation and characterization of bagasse/HDPE composites using multi-walled carbon nanotubes", Carbohydrate polymers, Vol. 92, No. 1, pp. 865-871, 2013.
[28]  شکریه محمود، احمدی جنیدی وهاب، "ساخت و مشخصه سازی آزمایشی نانوکامپوزیت گرافن/پلی پروپیلن"، مجله مهندسی مکانیک مدرس، دوره 13 ، شماره 11، صفحه55-63، بهمن 1392
[29]  Deka B.,and Maji T., "Study on the properties of nanocomposite based on high density polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride and wood", Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 42, No. 6, pp. 686-693, 2011.
[30]  Das S., Saha A., Choudhury P.,  Basak R., Mitra B., Todd T., Lang S.,and Rowell R., "Effect of steam pretreatment of jute fiber on dimensional stability of jute composite", Journal of Applied Polymer Science, Vol. 76, No. 11, pp. 1652-1661, 2000.
[31]  Li Y., Zhu J., Wei S., Ryu J., Sun L., and Guo Z., "Poly (propylene)/graphene nanoplatelet nanocomposites: melt rheological behavior and thermal, electrical, and electronic properties", Macromolecular Chemistry and Physics, Vol. 212, No. 18, pp. 1951-1959, 2011.
[32]  احسانی زنوز، جواد، منتخبی کلجاهی سعید، شلش نژاد کریم، "مطالعه تجربی خواص مکانیکی، رفتار حرارتی و جذب آب در نانو کامپوزیت­های پلی­پروپیلن-الیاف چوب-کربنات کلسیم"، مجله مهندسی مکانیک مدرس، دوره 13 ، شماره 2، صفحه70-78، اردیبهشت 1392
[33]  Lin Z., and Renneckar S., "Nanocomposite-based lignocellulosic fibers 2: layer-by-layer modification of wood fibers for reinforcement in thermoplastic composites", Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 42, No. 1, pp. 84-91, 2011.
[34]  Hristov V.,and Vasileva S.,  "Dynamic mechanical and thermal properties of modified poly (propylene) wood fiber composites", Macromolecular Materials and Engineering, Vol. 288, No. 10, pp. 798-806, 2003.
[35]  El Achaby M., Arrakhiz F. E., Vaudreuil S., el Kacem Qaiss A., Bousmina M.,  and Fassi‐Fehri O., "Mechanical, thermal, and rheological properties of graphene‐based polypropylene nanocomposites prepared by melt mixing", Polymer Composites, Vol. 33, No. 5, pp. 733-744, 2012.