الیاف اصلاح شده سلولزی در کامپوزیت ‌‌های سیمانی

الیاف اصلاح شده سلولزی در کامپوزیت ‌‌های سیمانی –  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.

الیاف اصلاح شده سلولزی در کامپوزیت‌‌های سیمانی

چکیده

در این مقاله تاثیر اصلاح سطح الیاف خمیری – سلولزی بر روی پارامتر‌های مکانیکی و ریزساختار کامپوزیت‌‌های مبتنی بر الیاف – سیمان مورد بررسی قرار می گیرد. اصلاح سطح الیاف خمیر سلولزی با استفاده از متااکریلکسی پروپیلتری – متوکسیسیلین (MPTS) و آمینو پروپیلتری- اتوکسیسیلین (APTS) اعمال گردیده تا قابلیت ارتقای دوام آنها در کامپوزیت‌‌های الیاف- سیمان، بوجود آید. این اصلاح سطح معرف تاثیر قابل توجهی بر روی ریز ساختار‌ کامپوزیت‌ها در ارتباط با سطح میانجی الیاف- ماتریس و کانی سازی الیاف می باشد که برای مشخص سازی ویژگیهای آن از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) با بهره گیری از تشخیص‌گر الکترون پس انتشاری (BSE) استفاده شد. سیکل پیرشدگی تسریعی سبب کاهش ضریب پارگی (MOR) و زبری (TE)‌ این کامپوزیت‌ها شد. کامپوزیت‌‌هایی که با استفاده از الیاف اصلاح شده MPTS تقویت شده‌اند معرف الیافی عاری از محصولات هیدراسیون سیمانی می‌باشند، در حالیکه الیاف اصلاح شده APTS معرف روند کانی سازی تسریعی هستند. کانی سازی بیشتر الیاف، پس از چرخه‌‌ های پیرشدگی تسریعی، سبب تردی و شکنندگی بیشتر ‌این کامپوزیت خواهد شد. این مشاهدات برای درک مکانیزم تجزیه کامپوزیت‌‌های الیاف- سیمانی بسیار مفید می باشند.

کلمات  کلیدی:  الیاف،‌ پیوند الیاف- ماتریس، ریزساختارها،‌ فرآوری سطح

۱- مقدمه

در غالب کشور‌های در حال توسعه، الیاف سلولزی بطور گسترد‌ه ای از چوب یا گیاهان یک ساله بدست می آیند. این محصولات از چندین مزیت قابل توجه نظیر‌ چگالی پایین،‌ ویژگی تجدید پذیری زیستی، دسترس پذیری در همه مناطق  با هزینه معتدل، شکل های متفاوت، ضرایب و ویژگیهای گوناگون، برخوردار می باشند. کلیه ‌این خواص سبب شده است تا آنها بعنوان مواد مناسبی در زمینه تقویت ماتریس هایی چون کامپوزیت‌‌های پلیمری یا در کاربرد‌های الیاف- سیمان بشمار آیند. بر این مبنا، اخیرا تعدادی از مقاله های مهم در این مبحث انتشار یافته اند. نقص اصلی الیاف سلولزی در کاربرد با سیمان دوام آنها در ماتریس سیمانی  و سازگاری بین فازها می باشد. در حقیقت، ویژگی قلیایی بالای آب و نفوذ آن در منافذ ماتریس سیمانی سبب تضعیف الیاف سلولزی و کانی شدگی آن و متعاقبا تنزل چسبندگی کامپوزیت به هنگام استفاده طولانی مدت خواهد شد. به علاوه، شرایط آب و هوایی سخت که چنین کامپوزیت‌‌هایی در معرض آنها قرار می‌گیرند سبب جذب آب و در نتیجه سست شدگی و وارفتگی کامپوزیت ها و متعاقب آن تغییرات پیوسته حجمی ‌در ماتریس های سیمانی منفذدار و جداره سلولی الیاف سلولزی آبدوست می شود. ‌ به عنوان پیامد ‌این چرخه ‌‌های جذب و واجذب آب، ‌مشاهده شده است با وجود‌ مقدار زیاد مواد چسبنده در الیاف و سطح میانجی سیمان، عناصر تقویت شده آن سست گردیده و موجبات تنزل خواص مکانیکی کامپوزیت ها را فراهم می آورد.

دیدگاه مختلفی برمبنای استفاده از فرآوری سطح مکانیکی بر روی الیاف سلولزی جهت کاهش ویژگی آبدوستی آنها و ارتقای چسبندگی آنها به ماتریس مطرح شده است. تمامی ‌‌این مباحث برمبنای بررسی عملکرد‌های هیدروکسیل راکتیو / واکنشی الیاف سطحی با توجه به بهره گیری از رویه‌‌های شیمیایی مختلف نظیر استرفیکاسیون / استری کردن، اترفیکاسیون / اتری کردن و تشکیل اورتان، و همچنین عوامل بسیار دیگر مد نظر خواهند بود. رویه بلوکه ‌شدگی در مسیر‌های شیمیایی سبب کاهش تعدادی از گروه‌‌ های هیدروکسیل واکنشی همراه با تشکیل پیوند‌هایی بین الیاف سلولزی و ماتریس سیمانی گردیده که خود موجب کاهش جذب آب و ارتقای خواص مکانیکی کامپوزیت خواهد شد.

هدف از مطالعه جاری ارزیابی اصلاح سطح الیاف سلولزی می‌باشد تا آنکه قابلیت ارتقای دوام آنها در کامپوزیت‌‌های الیاف – سیمانی ارتقا یابد. تحقیق جاری همچنین نسبت به بررسی عملکرد فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت‌‌های سیمانی تقویت شده با استفاده از الیاف اصلاح شده سطح و دوام ‌این کامپوزیت‌ها اقدام نموده و رویه ارزیابی به وسیله آزمایشات پیر شدگی تسریعی انجام گرفته است. همانگونه که قبلا مشخص شده است، انتخاب عامل‌های کوپلینگ سیلان تحت انگیزه مکانیزم تعاملی آنها می‌باشد که شامل تشکیل یک شبکه سیلوکسان (siloxane) آبگریز پیوسته خواهد بود که از طریق آن چهارمین عنصر تشکیل دهنده به ماتریس رجوع داشته و از این طریق تشکیل دهنده پیوند میان وجهی خواهد بود. از ‌اینرو هدف، محافظت از الیاف سلولزی از جذب آب و ارتقای کیفیت سطح میانجی الیاف – ماتریس می‌باشد و از ‌این طریق اقدام به افزایش تعامل و فعل و انفعالات بین آنها خواهد شد.

الیاف اصلاح شده سلولزی در کامپوزیت ‌‌های سیمانی

۲- رویه تجربی 

۱-۲٫ اصلاح و توصیف سطح سلولزی

خمیر کاغذ اکالیپتوس سفید شده معمولی بوسیله شرکت برزیلی سلولز و کاغذ Votorantim Cellulose  فراهم شد. این خمیر به طور مستقیم قبل از عملیات خشک سازی و پرس از کارخانه تهیه گردید. در ابتدا عملیات شستشوی به صورت گسترده‌ با آّب انجام گردید و سپس رویه سانتریفوژ جهت حذف هر گونه مواد پسماند شیمیایی از فرآیند خمیر سازی و سفید سازی انجام شد.

این فرآیند جهت اصلاح سطح الیاف سلولزی می باشد و انتخاب سیلان‌های استفاده شده برمبنای مطالعات Abdelmouleh و همکاران و Delvasto بوده است. این سیلانها عبارتند از (MPTS ) methacryloxypropyltri-methoxysilane  و (APTS) aminopropyltri-ethoxysilane که ساختار آنها در جدول ۱ ارائه شده است. نسبت خمیر سیلان – سلولز به میزان ۶% (w/w) بوده است. این سیلان‌ها برای مدت ۲ ساعت یا با استفاده از آسیاب در آب مقطر –  اتانول  v/v 20/80 تحت فرآیند پری هیدرولیز قرار گرفتند. سپس، خمیر سلولزی به سیلان پری هیدرولیز شده اضافه گردیده و تعلیق حاصله برای مدت ۲ ساعت تحت فرآیند مخلوط کردن قرار گرفت. در انتهای واکنش، خمیر مربوطه با ۱۴۰۰ دور در دقیقه برای ۲ دقیقه سانتریفوژ شد.

۲-۲٫ آماده سازی کامپوزیت

کامپوزیت‌های سیمانی با استفاده از الیاف خمیری اصلاح شده و اصلاح نشده تقویت گردیدند. کامپوزیت‌های سیمانی در قالب‌های ۲۰۰ در ۲۰۰ میلیمتر مدل سازی شدند. آنها در مقیاس آزمایشگاهی با استفاده از سیستم خلأ دوغ آب آبزدایی پس از تکنیک پرس‌کاری همانگونه که جزئیات آن بوسیله Savastano Jr و همکاران تشریح شده است مهیا گردیدند.

فرمولاسیون الیاف ـ سیمان برمبنای مطالعه قبلی استوار می‌باشد. این تعلیق‌ها با استفاده از عناصر سازنده ذیل حاصل شدند ( درصد در جرم خشک): ۵% خمیر( کاغذ اکالیپتوس سفید شده)، ۷۷٫۲% از سیمان پرتلند نوعی (OPC) CPV-ARI و ۱۷٫۸% از کربنات پودرشده. در ابتدا خمیر در آب مقطر بوسیله همزن با سرعت ۳۰۰۰ دور در دقیقه برای ۵ دقیقه مخلوط شده تا آنکه این الیاف قبل از اضافه نمودن سیمان کاملا غیرمتراکم شوند. ترکیب تشکیل یافته، با تقریبا ۲۰% جامد، سپس در سرعت ۱۰۰۰ دور در دقیقه برای یک ۴ دقیقه دیگر هم زده شد. این دوغاب سپس به یک جعبه ریخته منتقل شده و عملیات خلا (در حدود  kPa 80) اعمال گردید تا آنکه آب تخلیه شده و یک سطح جامد حاصل شود. لایه‌های حاصله سپس تحت  MPa 2/3 برای مدت ۵ دقیقه پرس گردیده و با تکنولوژی بسته بندی مرطوب در یک کیسه پلاستیکی قرار گرفته و کیسه در دمای اتاق برای مدت دو روز باقی ماند و سپس در آب به مدت ۲۶ روز غوطه ور شد. لایه‌های مهیا شده تحت فرآیند برش مرطوب به ۴ نمونه تست  ‌۱۶۵ در ۴۰ میلیمتری با استفاده از اره الماسی خنک شده با آب بریده شدند. ضخامت نمونه در حدود ۵ میلیمتر مشخص شد. هشت نمونه الیاف – سیمان برای هر یک از این شرایط مورد استفاده گرفت. پس از تکمیل غوطه وری در آب،‌ نمونه‌ها در بیست و هشتمین روز پس از تولید مورد  آزمایش قرار گرفتند. بعلاوه، نمونه‌ها برای ۲۴ ساعت تحت شرایط اشباع قبل از انجام تست‌های مکانیکی در آب غوطه‌ور شدند.

۳-۲٫ چرخه‌های پیر شدگی تسریعی / خیسیدگی و خشک شدگی

چرخه‌های پیرشدگی تسریعی خیساندن و خشک کردن شامل تحلیل مقایسه‌ای عملکرد فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت‌ها قبل و بعد از این تست می‌باشد. این کامپوزیت‌ها به صورت متوالی در آب با دمای  درجه سانتیگراد برای ۱۷۰ دقیقه باقی مانده و پس از یک ابقای ۱۰ دقیقه‌ای، آنها تحت فرآیند حرارتی در دمای ۷۰ درجه  برای ۱۷۰ دقیقه در داخل کوره دارای سیستم تهویه قرار گرفتند. فاصله زمانی ۱۰ دقیقه ای (در اتاق دما) قبل از شروع چرخه بعدی به کار گرفته می‌شود که این فاصله برمبنای پیشنهاد ارائه شده در استاندارد EN 494 است. هر یک از مجموعه‌های خیسانده شده و خشک شده معرف یک سیکل / چرخه می‌باشند که برای ۲۰۰ بار تکرار می شوند، بدین معنا که ما دارای ۲۰۰ چرخه پیر شدگی می‌باشیم. این روش، پیرشدگی طبیعی را در شرایط سخت شبیه سازی می‌نماید، با این وجود به مطالعات بیشتری جهت تعیین مرتبط‌ترین شرایط تسریعی منطبق با شرایط آّب و هوایی طبیعی نیاز خواهیم داشت تا آنکه قابلیت پیش‌بینی دقیقتر رفتار طویل‌المدت کامپوزیت‌های تولیدی را داشته باشیم.

۴-۲٫ خواص مکانیکی، فیزیکی و ریزساختاری کامپوزیت‌ های الیاف- سیمان

آزمایشات مکانیکی با استفاده از ماشین تست کلی DL-30,000 که مجهز به بارسنج kN 1 می‌باشد انجام شد. چهار پیکربندی نقطه‌ای خمشی جهت برآورد محدوده تناسب ( LOP)، ضریب پارگی (MOR) ضریب کشسانی (MOE) و زبری (TE) نمونه‌ها به کار گرفته شد. یک طیف ۱۳۵میلیمتری و میزان نرخ خمش ۵/۱ میلیمتر در دقیقه در زمینه آزمایشات خمشی انتخاب گردید تا آنکه LOP، MOR و MOE در پی محاسبات در معادله‌های  (۳)-(۱) مشخص گردند.

الیاف اصلاح شده سلولزی در کامپوزیت ‌‌های سیمانی

۳- مباحث و نتایج

 ۱-۳٫ توصیف اصلاح الیاف

خمیرهای اصلاح شده APTS معرف میزان حجم ابقای آب بیشتری در مقایسه با خمیرهای فرآوری نشده و فرآوری شده با استفاده از تکنیک MPTS می‌باشند (شکل ۲). این نتیجه را می‌توان به وسیله ویژگی آبدوستی بالاتر الیاف اصلاح شده APTS بیان داشت، بنابراین توجیه استفاده از برآورد میکروسکوپی و برآورد انرژی سطح امکان‌پذیر خواهد بود. شکل ۳ معرف طیف EDS نمونه‌های سلولزی است. علیرغم چگالی اندک، پیک انتشار پرتو X شاخص Si بر روی سطح نمونه‌های اصلاح شده تشخیص داده شد، که خود شاهدی دال بر وقوع پیوند همراه با دو سیلان مورد استفاده شده ‌می‌باشد. در حقیقت، با به حساب آوردن آنکه این پرتوی ایکس از  عمق کمتر از ۱میکرومتر در ماده حاصل می آید، چگالی اندک پیک  Si با توجه به پیکهای انتشار C و O   ‌ مشخص کننده آن است که سیلان‌ها بر روی سطح الیاف توزیع می شند و همچنین تشکیل دهنده یک کامپوزیت سیلیکات – سلولزی ترکیبی نیز نمی‌باشند. تشکیل کامپوزیت منجر به شکل‌گیری یک لایه sesquisiloxane همراه با الیاف انتشار یافته داخلی گردیده و پس از آن اکثریت پرتوی X از این لایه حاصل آمده و غالب Si/C شدید نیز قابل مشاهده خواهد بود. ذکر این نکته مهم ‌می‌باشد که سیلیکون بر روی نمونه‌های بدون تغییر (اصلاح نشده) که در معرض عاملهای کوپلینگ سیلان قرار نگرفته‌اند قابل تشخیص نخواهند بود. هیچگونه اطلاعاتی را نمی‌توان در زمینه لایه ضخامت سیلان یا میزان پوشش آن از برآوردهای EDS به دست آورد.

۲-۳٫ تاثیر اصلاح الیاف بر روی عملکرد مکانیکی و فیزیکی کامپوزیت ‌های تقویت شده بوسیله الیاف

جدول ۳ نشان دهنده تاثیر اصلاح خمیر بر روی پدیده پیرشدگی تسریعی در عملکرد مکانیکی کامپوزیت‌ها ‌می‌باشد. پس از ۲۸ روز از انجام رویه‌های فرآوری، کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف اصلاح شده APTS- معرف ارزش بالاتر MOR در مقایسه با کامپوزیت‌هایی هستند که از خمیرهای اصلاح نشده یا اصلاح شده MPTS – ساخته شده‌‌اند. زبری (TE) کامپوزیت‌ها پس از ۲۸ روز فرآوری تحت تاثیر اصلاح با عاملهای کوپلینگ سیلان قرار نخواهد گرفت. با این وجود، مقادیر انحراف خاص نهایی (d_final) الیاف اصلاح نشده و فرآوری شده MPTS- این کامپوزیت‌ها بالاتر از مقادیر مرتبط با کامپوزیت تقویت شده با الیاف اصلاح شده APTS- ‌می‌باشند (شکل ۵). مقادیر LOP به نظر تحت تاثیر اصلاح الیاف و سیکلهای پیرشدگی تسریعی نخواهند بود. همانگونه که در بخش قبلی گزارش شده است این امر امکان‌ پذیر ‌می‌باشد که شرایط اصلاح الیاف سبب افزایش پالایش سطح الیاف شود (استخراج لیگنین و دیگر عناصر تشکیل دهنده) که خود موجب افزایش مقادیر MOE کامپوزیت‌ها پس از گذشت ۲۸ روز از فرآوری بواسطه افزایش الیاف به چسبندگی ماتریس ‌می‌باشد. پیرشدگی تسریعی سبب افزایش مقادیر MOE گردیده که در مقابل و در نتیجه متراکم سازی و هیدراسیون پیوسته فاز سیمانی کامپوزیت ناشی از چرخه‌های خیسیدگی و خشک شدگی بوجود ‌می‌آید.

۳-۳٫ تاثیراصلاح الیاف بر روی ریز ساختار کامپوزیت ‌‌های تقویت شده بوسیله الیاف

شکل ۸ نشان دهنده ریز تصاویر SEM از این کامپوزیت‌‌ها پس از یک چرخه ۲۸ روزه فرآوری و تقویت با الیاف تصحیح نشده و اصلاح شده سیلان می‌باشد. نواحی تیره در این تصویر (به واسطه عدد اتمی ‌پایین) متعلق به سطوح عرضی یا طولی الیاف می‌باشند. این موضوع مشاهده شده است که اکثریت الیاف اصلاح نشده (شکل ۸ الف و ب) و الیاف اصلاح شده APTS- (شکل ۸ ج و د) معرف یک حفره لومن هستند که با محصولات هیدراسیون سیمانی (به رنگ خاکستری روشن) پر شده‌اند. این الیاف معرف شواهدی از تشکیل کانی اترینگایت (ettringite) / مونوسولفات و کلسیم هیدروکسید (CH) در داخل لومن الیاف می‌باشند. این امر علی‌الخصوص در نقاط EDS (1 الی ۷ در شکل ۸) مشهود می‌باشد، که در آن کلسیم به عنوان عنصر شایع مشاهده شده در داخل لومن لیف مد نظر است. در طی این فرآوری بوسیله اشباع در داخل آب، یون‌‌های آزاد از محلول فازهای OPC به داخل لومن الیاف نفوذ نموده و منجر به تشکیل اترینگایت / مونوسولفات و کلسیم هیدورکسید (CH) می‌شوند. 

الیاف اصلاح شده سلولزی در کامپوزیت ‌‌های سیمانی

۴- نتیجه گیری

اصلاح سطح الیاف در این تحقیق مدنظر قرار داده شده است که خود معرف تاثیر قابل توجهی بر روی ریزساختار کامپوزیت‌ها‌ (سطح میانجی الیاف- ماتریس و فرآیند کانی سازی لومن الیاف) ‌می‌باشد. نتایج حاصله با توجه به برآوردهای رطوبت‌ پذیری معرف تفاوتهای بین دو الیاف اصلاح شده با الیاف اصلاح شده – APTS آبدوست و الیاف اصلاح شده – MPTS کمتر آبدوست ‌می‌باشند. پیامد این پیوندهای متفاوت در ریزساختار کامپوزیت‌ها‌ مشاهده شده است. کامپوزیت‌ها‌یی که دارای الیاف اصلاح نشده و اصلاح شده – APTS ‌می‌باشند معرف آن هستند که این لومن ‌ها‌ از محصولات هیدراسیون سیمانی پر/ انباشته شده اند (که تحت عنوان کانی سازی الیاف سلولزی شناخته ‌می‌شوند)، از این رو سبب ارتقای چسبندگی بین مواد آلی و غیر عالی پس از اعمال آزمایشات پیر شدگی تسریعی می شوند. در مقابل، الیاف پیوندی – MPTS پرشدگی و انباشتگی لومن‌ها‌ را نشان نمی دهند. این مشاهدات معرف آن است که تصحیح انرژی سطح الیاف به عنوان یک دیدگاه معتبر جهت بررسی چسبندگی بین الیاف خمیری سلولزی و ماتریس سیمانی مدنظر خواهد بود. چرخه‌ها‌ی پیرشدگی تسریعی سبب کاهش MOR و زبری کامپوزیت‌ها‌یی ‌می‌شوند که خود معرف تجزیه کامپوزیت‌ها‌ هستند، بدون آنکه رویه فرآوری اولیه کاربردی برای خمیر سلولزی چه بوده باشد. فیلامت‌ها‌ی غیر معدنی در کامپوزیت‌ها‌ با الیاف اصلاح شده- MPTS منجر به صدمه‌ کمتری در زبری و خمیدگی خاص نهایی پس از پیر شدگی تسریعی در مقایسه با دیگر کامپوزیت‌ها‌ خواهد شد. این نتایج برای تحقیقات آتی در جهت استراتژی‌ها‌ی اصلاح الیاف دیگر و برای درک مکانیزم‌ها‌ی اصلی تاثیر تجزیه عملکرد مکانیکی مواد الیاف – سیمان سلولزی بسیار مناسب هستند.