پلیمریزاسیون مونومرها کامپوزیت چوب – پلیمر

پلیمریزاسیون مونومرها کامپوزیت چوب – پلیمر – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

پلیمریزاسیون مونومرهای داخل چوب جهت تهیه کامپوزیت های چوب- پلیمر

چکیده

در این مطالعه با استفاده از یک روش دو مرحله ای کامپوزیت های چوب- پلیمر (WPCها) از چوب درخت سپیدار / صنوبر (P. ussuriensisKomarov) تهیه گردیدند. برای انجام این فرآیند مالئیک ایندرید (MAN) در ابتدا در استون حل شد و به داخل چوب تزریق گردید. این مرحله با فرایند حرارت دهی تداوم یافته و سپس، گلی سیدیل متاکریلات (GMA) و استایرن (St) نیز به داخل چوب فرآوری شده با MAN تزریق شده فرآوری گرمایی ثانویه اعمال شد. در نهایت، کامپوزیت چوب- پلیمر جدیدی ساخته شد. واکنش هایی که در این نوع از کامپوزیت ها روی می دهند، همراه با انباشتگی پلیمرهای حاصله، و بر همکنش آنها با سوبسترای چوب به وسیله میکروسکوپی پویشی الکترون، طیف سنجی فرو سرخ تبدیل فوریه، پراش پرتو X و آنالیز مکانیکی دینامیکی آنالیز گردیدند. عملکرد کامپوزیت چوب- پلیمر نیز بر حسب خواص مکانیکی و دوام ارزیابی گردید و همبستگی با تحلیل ساختاری این نوع از کامپوزیت ها مشخص شد. نتایج آزمایشات  نشان دهنده آن هستند که MAN و GMA/ST بصورت ترتیبی دارای واکنش شیمیایی با دیواره های سلولی چوب بوده و به طور واضح تعداد گروه های هیدروکسیل در دیواره های سلولی چوب کاهش یافته اند. ضمنا، St با GAM یا MAN کوپلیمر می شود و پلیمرهای حاصله عمدتا به صورت بی شکل (آمورف) اقدام به پر کردن حفره سلولی چوب نموده و دیواره های سلولی چوب را محکم و بدون ترکهای قابل توجه به یکدیگر متصل می کنند. در نتیجه، خواص مکانیکی، مقاومت در برابر فساد و پایداری ابعادی کامپوزیت چوب – پلیمر نسبت به چوب فرآوری نشده به طور قابل توجهی اصلاح شده و دمای تبدیل شیشه ای آن نیز افزایش می یابد.

کلمات کلیدی: کامپوزیتها / چند سازه ها، خواص مکانیکی، اصلاح، مونومرها، منابع تجدید پذیر

پلیمریزاسیون مونومرها کامپوزیت چوب – پلیمر

مقدمه

چوب یک ماده طبیعی با منشاء بیولوژیکی محسوب می شود که به علت نسبت بالای استحکام به وزن، ساختار تخلخلی منحصر بفرد، فراوانی گسترده، تجدید پذیری، ماهیت محیط زیستی    بی خطر، سهولت نسبی کار با آن و اثر دیداری خوب، از بشر اولیه تاکنون بعنوان یک ماده خام ضروری و مهم برای بقای بشر تلقی گردیده است. بنابراین، چوب از مقبولیت در نززد عامه برخوردار بوده و به گستردگی در حوزه هایی چون ساخت مبلمان، وسایل نقلیه و ساختمان سازی مورد استفاده قرار می گیرد. با این وجود، چوب علیرغم داشتن خواص مفید، معایبی نیز دارد از جمله تغییر خواص، امکان کج شدگی با جذب رطوبت، آسیب پذیری در برابر تجزیه توسط میکرو ارگانیسم ها و قابلیت آسیب دیدن در اثر آتش. این خواص، عمر کاری چوب را به طور قابل توجهی کاهش می دهند. علاوه بر این، با توسعه شهرنشینی، مصرف چوب سال به سال افزایش یافته است در حالیکه استفاده از چوب دارای کیفیت بالا به عنوان یک ماده ساختمانی شدیدا کاهش پیدا کرده است. این تناقض برجسته، محققین را به سمت یافتن منابع کم کیفیت جایگزین برای کاربردهای دارای ارزش افزوده هدایت کرده است. برای رسیدن به این هدف و به منظور اصلاح خواص کیفی مخصوص چوب (مانند خواص مکانیکی، پایداری ابعادی، مقاومت در برابر فساد و پایداری گرمایی)، جهت برآورده ساختن شرایط استفاده نهایی، تکنولوژی های مناسبی مورد نیاز می باشند.

در این تحقیق، عوامل جفت ساز MAN و GAM با مونومروینیل در یک روش دو مرحله ای برای تهیه WPCها ترکیب می شوند. MAN پس از حل شدن در محلول استون، ابتدا برای واکنش با گروه هیدروکسیل روی دیواره های سلولی چوب تحت یک دمای معین به کار برده می شوند.^{۲۲و  ۲۱} واکنش GAM و St به وسیله کوپلیمریزاسیون طبیعی از طریق پیوندهای دو گونه آنها ادامه     می یابد و پلیمرهای حاصله پس از اینکه به داخل حفره های سلولی چوب تزریق می شوند، با چوب فعال شده به وسیله MAN به طور همزمان واکنش می کنند. هدف از این تحقیق، بررسی مورفولوژی (ریخت شناسی)، مکانیسم واکنش ها، خواص مکانیکی و دوام WPC های حاصله می باشد.

پلیمریزاسیون مونومرها کامپوزیت چوب – پلیمر

ویژگیهای آزمایشی

مواد خام و تکنیک های تجزیه ای

GAM با خلوص تجزیه ای از شرکت صنعت شیمیایی نانجینگ جیولانگ، با مسئولیت محدود (نانچینگ، چین) خریداری شد و قبل از استفاده برای خالص سازی بیشتر رقیق شد. St با خلوص تجزیه ای نیز از صنعت شیمیایی جیولانگ تهیه شد و با سدیم هیدروکسید تمیز شد، با CaCl₂ بی آب خشک گردید و سپس قبل از استفاده برای خالص سازی بیتشر تحت فشار خلأ رقیق شد. پیریمیدین، خریداری شده از شرکت ماده جدید هوبی زینجینگ، با مسئولیت محدود، مستقیما بدون فرآوری بیشتر مورد استفاده قرار گرفت. MAN و ۲،۲- آزوبیس – ایزوبوتیرونیتریل (AIBN) از کارخانه واکنشگر شیمیایی شانگهای (شانگهای، چین) دریافت شد و هر دو ماده شیمیایی قبل از استفاده تبلور مجدد شد. نمونه های چوب الوار سپیدار (صنوبر) (پاپیولوس سوسورنیزیس کوماروف) انتخاب شد و برای این تحقیق از مناطق کشت و زرع اصلی در مائوارشان واقع در شمال شرقی چین تهیه شد. تخته های mm³  ۲۰۰۰×۳۰۰×۲۵ (طولی × مماسی × شعاعی) از الوار سپیدار بریده شد و در دمای اتاق خشک گردید. نمونه های آزمایشی سپس از این تخته ها بریده شدند. نمونه های تهیه شده در دمای ۱۰۵ درجه سانتیگراد در آون خشک شدند تا به وزن ثابت برسند و برای آزمایش ذخیره شدند.

تهیه کامپوزیت های MAN/ چوب سپیدار

MAN، با چند قطره پیریمیدین به عنوان کاتالیزور، در ابتدا در استون حل شد تا محلول مخلوطی با غلظت ۱۰% تهیه شد. سپس نمونه های چوب سپیدار با اندازه های مختلف تحت خلأ تقریبا Mpa08/0 به مدت ۲۰ دقیقه در این محلول مخلوط غوطه ور شدند. آنها سپس به مدت ۲۰ دقیقه در معرض فشار تقریبا Mpa8/0 که بر اساس تحقیقات قبلی تعیین شده بود، قرار گرفتند.^{۳۱ و ۳۳}

تهیه کامپوزیت های چوب/ پلیمر سنتزی در محل

AIBN به عنوان یک آغاز، در ابتدا به ترتیب در محلولهای St و GAM/St (با نسبت مولی       ۵ : ۱) حل شد که در هر محلول، غلظت ۵/۰ درصد وزنی از AIBN/ چوب سپیدار، که قبلا به مدت ۲۴ ساعت به وسیله استون تحت خلأ MP08/0 به مدت ۲۰ دقیقه و سپس مجاورت با فشار Mpa8/0 به مدت ۲۰ دقیقه استخراج شده بود، تزریق گردیدند. پس از این کار، دو نوع نمونه چوب فرآوری شده سپیدار و MAN/ چوب سپیدار در یک فویل آلومینیوم پیچیده شدند و به طور جداگانه به مدت h10-8 در آون تحت دمای به ترتیب ۸۰ و ۱۱۰ درجه سانتی گراد خشک گردیدند. سرانجام، نمونه های چوب فرآوری شده در دمای اتاق و در فشار Mpa01/0 تحت خلأ قرار گرفتند تا وزنهای ثابتی به دست آیند.

تعیین خصوصیات ریز ساختاری و آنالیز کامپوزیت ها

نمونه ها برای آنالیز میکروسکوپی پویشی الکترون (SEM) هم از PSt / چوب سپیدار و هم از P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب بدون استخراج استون به دست آمدند. بخش های داخلی صفحه های شعاعی و مماسی با یک چاقوی جراحی بریده شدند، با کربن پوشیده شدند، با طلا به صورت پرانشی پوشیده شدند و سپس در دستگاه QUANTA 200 ESEM با بزرگنمایی های مختلف مورد آزمایش قرار گرفتند.

پلیمریزاسیون مونومرها کامپوزیت چوب – پلیمر

ارزیابی عملکرد

نمونه ها برای آزمایشهای فیزیکی و مکانیکی بر اساس روش های آزمایش استاندارد ملی چین برای خواص فیزیکی و مکانیکی چوب (GB1928-1929-91) تهیه شدند. نمونه هایی که از انتها جفت و جور شده اند با ابعاد mm³300×۲۰×۲۰ برای آزمایش مدول گسیختگی، mm³ 30×۲۰×۲۰ برای آزمایش استحکام تراکمی و mm³ 50×۲۰×۲۰ (شعاعی×مماسی×طولی) برای آزمایش سختی از یک جفت نمونه کنترلی و فرآوری شده تهیه گردیدند. پنج نمونه برای هر آزمایش به کار برده شد. تمام آزمایشهای خواص مکانیکی بر روی نمونه های چوب سپیدار فرآوری نشده و فرآوری شده با یک دستگاه آزمایش عمومی (AG-10TA، شرکت شیمادزو، کیوتو، ژاپن) انجام شدند. در طی آزمایش سختی، دندانه دار کننده (یک توپ فولادی با قطر mm3/11) متصل به استوانه بارگذاری دستگاه آزمایش، تا سطح نمونه آزمایشی پایین آورده شد.

پلیمریزاسیون مونومرها کامپوزیت چوب – پلیمر

نتایج و مباحث

توصیف ریزساختار WPC  با SEM

تصاویر SEM PSt چوب سپیدار P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب در شکل ۲ نشان داده شده اند، شکل ۲ (a,b) به وضوح نشان می دهد که پلیمر در PSt / چوب سپیدار، حفره سلولی چوب را در یک حالت جامد پر می کند. با این وجود، به نظر می رسد که پلیمرها به طور کامل به  دیواره های سلولی چوب می باشد. همچنین، خود پلیمر تعداد شکاف (ترک) آشکار را نشان       می دهد. از این مشاهدات چنین نتیجه می گیریم که St، به عنوان یک مونومر وینیل منفرد، در طی پلیمریزاسیون با دیواره های سلولی چوب به صورت شیمایی واکنش نمی دهد. این امر حاکی از بر همکنش ضعیف میان پلیمر و چوب و شکنندگی در خود پلیمر می باشد. در مقابل، همانطور که به صورت واضح در شکل ۲ (c,d) نشان داده شده، پلیمرها نه تنها حفره های سلولی چوب را پر می کنند بلکه هیچ نقص آشکاری در P[MAN-(GAN-co-St)]/ چوب که در آن چوب هم به وسیله MAN و هم به وسیله GMA/St فرآوری می شود، به طور کامل به دیواره های سلولی چوب متصل می شوند. علاوه بر این، چند خراش ریز یا علامت به جا مانده از برش چاقو در طی تهیه نمونه نیز در پلیمرها وجود دارد.

آنالیز واکنش با FTIR

نتایج آنالیز FTIR چهار نمونه چوب و WPC در جدول ۱ ارائه شده و در شکل ۳ نشان داده   شده اند. این چهار نمونه، به ترتیب کاهش شدت نوار در cm^-1 1733 برای ارتعاش های کششی کربونیل، P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب یا بالاترین پیک، MAN/ چوب سپیدار با پیک بالا، PSt چوب سپیدار با پیک کوچکتر و چوب سپیدار می باشند. این مشاهدات نشان می دهند که تعدادی از گروه های کربونیل حاصل از مولکولهای MAN بر روی دیواره های سلولی چوبی MAN/ چوب سپیدار و همچنین گروه های کربونیل حاصل از MAN و GMA، هر دو بر روی دیواره های سلولی چوبی P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب پیوند می یابند. به عبارت دیگر،  گروه های کربونیل حاصل از MAN وGMA، هر دو، که به روی دیواره های سلولی چوبی P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب پیوند می یابند، بالاترین شدت را نشان می دهند و این امر حاکی از آن است که ابتدا MAN به دیواره های سلولی چوب پیوند می یابد و سپس GMA به وسیله گروه اپوکسی خود با یک واکنش حلقه گشایی به روی دیواره های سلولی چوب پیوند برقرار می کند.

آنالیز XRD

منحنی های XRD چوب سیپدار فعال نشده و دو نوع چوب سیپدار فعال شده در شکل ۴ نشان داده شده اند. همان گونه که در الگوی XRD نشان داده شده، ماکزیمم مقادیر پیک چوب سپیدار، MAN / چوب سپیدار و P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب برای ضلع ۰۰۲ در ۲q=22.5° به ترتیب کاهش یافتند در حالیکه مینیمم مقادیر فضای بین دو موج مربوط به آنها برای ضلع ۱۰۱ در ۲q=18.5° به ترتیب افزایش یافتند. علاوه بر این، مقادیر بلوریت (کریستالینیته) نسبی این سه نوع نمونه چوب بر اساس روش سگال (Segal) (معادله ۴) محاسبه شدند که این مقادیر نیز به ترتیب کاهش یافتند. به طور کلی، الگوهای پراش ۲q برای تمام نمونه مشابه بودند اما اختلافاتی در شدت میان نمونه ها وجود داشتند که اختلاف بلوریت نسبی را نشان می دهد. بلوریت نسبی دو نمونه چوب سپیدار فرآوری شده در مقایسه با چوب سپیدار کاهش می یابد.

DMA

منحنی های DMA مربوط به نمونه های چوب و چوب فرآوری شده در شکل ۵ نشان داده     شده اند. به طور کلی، مدول ذخیره (E’) نمونه های چوب و چوب فرآوری شده با افزایش دما در محدوده آزمایش، کاهش می یابد. این امر بدین علت است که دما تحرک واحدهای مولکولی هر جزء را افزایش می دهد. بنابراین، انرژی گرمایی جذب شده که به وسیله مقاومت اصطکاکی حاصله مصرف می شود، سبب کاهش E’ می شود. با این وجود، E’ برای P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب در دمای عادی بالاترین مقدار است که این امر نشان می دهد که بر همکنش پلیمرهای تولید شده و دیواره های سلولی چوب، پس از واکنش دو مرحله ای MAN و GMA به ترتیب با   دیواره های سلولی چوب، افزایش می یابد.

پلیمریزاسیون مونومرها کامپوزیت چوب – پلیمر

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی چوب سپیدار، PSt/ چوب سپیدار و P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب در جدول ۲ خلاصه شده اند. مدول گسیختگی، سایش پذیری، استحکام تراکمی و سختی برای P[MAN(GAN-co-St)]/چوب در مقایسه با چوب سپیدار فرآوری نشده به ترتیب ۵۱، ۷۹، ۱۳۱، ۱۵۳% و برای PSt/ چوب سپیدار به ترتیب ۳۸، ۵۹، ۲۱ و ۹۷% اصلاح شده اند در حالیکه چقرمگی ضربه ای PSt/ چوب سپیدار و P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب به ترتیب ۵۵ و ۳۴% کاهش یافته اند. این نکته آشکار است که به جز چقرمگی ضربه ای، سایر خواص مکانیکی چوب سپیدار پس از افزایش MAN و GMA/St به ترتیب در واکنش دو مرحله ای، تا حد زیادی اصلاح شده اند. اغلب خواص مکانیکی P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب از خواص مکانیکی چوب سپیدار به طور قابل ملاحظه ای برتری یافتند و تمام خواص مکانیکی از خواص مکانیکی PSt/ چوب سپیدار برتری پیدا کردند.

مقاومت در برابر فساد قارچی

نتایج آزمایش درصد کاهش وزن برای چوب سپیدار فرآوری نشده و سه نمونه چوب سپیدار فرآوری شده پس از مجاورت با یک قارچ قهوه ای، چی. ترابیوم (Pers. ex Fr.) مور، برای یک دوره ۱۲ هفته ای در جدول ۳ ارائه شده اند. همانگونه که در نتایج آزمایشی نشان داده شده، مقاومت در برابر فساد بر حسب کاهش وزن برای P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب، در مقایسه با چوب سپیدار فرآوری نشده، بدون استخراج استون ۹۷% اصلاح شد در حالیکه برای PSt/ چوب سپیدار در مقایسه با چوب سپیدار فرآوری نشده ۵۴% اصلاح گردید و برای چوب سپیدار مستقیما فرآوری شده با ترکیب بوریک قابل حل در آب به ازای بازده وزنی ۱% (بوریک اسید: بوراکس =  ۱: ۵ وزنی/ وزنی)^۴۱ در مقایسه با چوب سپیدار فرآوری نشده ۹۲% اصلاح شد. این نتایج نشان می دهند که P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب نسبت به چوب سپیدار فرآوری نشده و دو نمونه چوب سپیدار فرآوری نشده دیگر، مقاومت خیلی بهتری در برابر فساد دارد.

پایداری ابعادی

نتایج بازده تورم حجمی نیز در جدول ۳ ارائه شده اند. بازده تورم حجمی
 P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب در مقایسه با چوب سپیدار فرآوری نشده پس از اینکه به مدت ۷۲۰ ساعت در آب خیسانده شد،  بدون استخراج استون ۷۰% کاهش یافت و برای
 PSt/ چوب سپیدار در مقایسه با چوب سپیدار فرآوری نشده ۱۵% کاهش پیدا کرد. اصلاح بازده تورم حجمی برای P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب احتمالا ناشی از جایگزینی گروه های هیدروکسیل روی  دیواره های سلولی چوب با پلیمرهای نسبتا آبگریز
 P[MAN(GAN-co-St)]/ می باشد. این امر منجر به کاهش زیاد سایتهای رطوبت گیر (گروههای هیدروکسیل) می شود و بنابراین، نفوذ آب به داخل دیواره های سلولی چوب تا حد قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. علاوه بر این، پلیمرهای حاصله با خصوصیات آبگریزی آشکار، محتوای آب در حفره های سلولی چوب را نیز کاهش می دهند. تمام این اصلاحات منجر به پایداری ابعادی بالاتر P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب در مقایسه با PSt/ چوب سپیدار و چوب سپیدار فرآوری نشده می شود.

پلیمریزاسیون مونومرها کامپوزیت چوب – پلیمر

نتیجه گیری

بر اساس تعیین خصوصیات و آنالیز کامپوزیت های جدید چوب/ پلیمر سنتزی طبیعی و آزمایشهای عملکرد آنها، نتیجه گیری های زیر را ارائه می دهیم:

ساختار P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب که به وسیله SEM، اسپکتروسکوپی XRD,FTIR و DMA تعیین شده، نشان می دهد که پلیمرها عمدتا در حفره های سلولی چوب بصورت یک حالت آمورف (بی شکل) وجود دارند و به صورت شیمیایی به دیواره های سلولی چوب پیوند
می یابند. بنابراین، این پلیمرها به صورت محکم به دیواره های سلولی چوب متصل می شوند. این پدیده منجر به دمای تبدیل شیشه ای بالاتر WPCها در مقایسه با چوب سپیدار فرآوری نشده می شود.  

اغلب خواص مکانیکی و فیزیکی P[MAN(GAN-co-St)]/ چوب شامل مدول گسیختگی، سایش پذیری، استحکام تراکمی و سختی در مقایسه با چوب سپیدار فرآوری نشده به طور قابل توجهی اصلاح شده اند. دوام WPCها که شامل پایداری ابعادی و مقاومت در برابر فساد می باشد، نیز به طور آشکار اصلاح گردیده است.

به طور کلی، عملکرد چوب سپیدار دارای کیفیت پایین با فرایند دو مرحله ای جدید به طور قابل توجه و تا حد زیادی اصلاح گردیده است و به نظر می رسد که این فرایند، روش اطمینان بخشی برای فعال سازی شیمیایی چوب باشد.