بررسي تاثير ميزان پركننده سلولزي بر خواص خمشي و كششي چندسازه پليپروپيلن– پودر ساقه ذرت
بررسي تاثير ميزان پركننده سلولزي بر خواص خمشي و كششي چندسازه پليپروپيلن– پودر ساقه ذرت
مصطفي برزگر شيري 1 اصغر اميدوار 2 تقي طبرسا 3 عليرضا شاكري 4
1- دانشجوي مقطع كارشناسي ارشد فرآوردههاي چندسازه چوب- دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي گرگان
2- استاد گروه مهندسي چوب و كاغذ - دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي گرگان
3- دانشيار گروه مهندسي چوب و كاغذ - دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي گرگان
4- دانشيار گروه مهندسي شيمي و پليمر – دانشگاه گلستان
چكيده:
در اين پژوهش با استفاده از پسماند ساقه گياه ذرت دانهاي و پليپروپيلن و با روش ناپيوسته ( اختلاط خشك و قالبگيري در پرس گرم ) به ساخت چندسازه چوب-پلاستيك اقدام شد، نتايج نشان داد كه توليد چندسازه چوب-پلاستيك با استفاده از پودر ساقهذرتدانهاي و پليپروپيلن امكانپذير بوده و استفاده از سطوح مختلف ماده پركننده موجب بروز تغييرات مشخص و معنيدار بر روي خواص مكانيكي ماده چندسازه ميشود. نتايج حاكي از اين بود كه استفاده از پركننده در كليه سطوح موجب تقويت مدول الاستيسيته كششي و مدول خمشي ماده زمينه پليپروپيلن شده و بيشترين تاثير مثبت در سطح 60% پركننده مشاهده شد. افزايش نسبت وزني پليمر به ماده سلولزي، بهبود مقاومت خمشي و استحكام ضربه را در پيداشت. با افزايش ميزان ماده پركننده از 45 به 60 و سپس 75% ، استحكام كششي اغلب تغيير زيادي نداشته و در بعضي تيمارها كاهش اندكي مشاهده شد. به طور كلي اندازه ذرات ماده پركننده بر روي تمام خواص تاثير معنيدار داشت، اما شدت تاثير و تغييرات حاصل از تفاوت اندازه ذرات، كمتر از نوع و ميزان ماده سلولزي بود. اندازه ذرات ماده پركننده در برخي تيمارها موجب كاهش مدول خمشي چندسازه شده لكن مدول كششي چندسازه با ريزتر شدن ذرات پركننده بهبود يافت.
كلمات كليدي :
پسماند كشاورزي – چند سازه چوب پلاستيك- ساقه ذرت دانهاي – خواص مكانيكي – پليپروپيلن
1- مقدمه:
بشر از دیر باز، برای تولید فرآوردههای چندسازه، مواد سلولزی را استفاده میکرده است؛ سابقهي این امر به اعصار باستانی میرسد؛ یعنی همان زمانیکه مصریان کاه را به گل اضافه میکردند تا خشت چندسازهای تولید کنند که بسیار محکمتر و بادوامتر باشد؛ امروزه در کابردهای تجاری و همچنین غیر تجاری، انواع چندسازههای مبتني بر مواد زيستي ، موادي مناسب و جالب توجه به شمار ميروند. (دازی 2006) امروزه کاهش منابع جنگلی و به تبع آن، افزایش قیمت الوار و اشکال دیگر چوب آلات در سطح جهان از یک سو و فشار سازمانهای زیست محیطی و سازمانهای مردم نهاد از سوی دیگر، کارشناسان و متولیان صنعت را ناگزیر به جستجوی منابع جایگزین و ارزانتر برای جایگزینی با چوب، واداشته است.(برزگر شیری و همكاران1388)
یکیاز مهمترین منابعی که برای این منظور مورد توجه و استفاده قرار گرفته، ضایعات کشاورزی و پودرهای سلولزی است؛ که پیش از این، روزانه مقادیر زیادی از آن سوزانده شده و از بین میرفت ولی امروزه در بسیاری از صنایع از جمله صنایع ساخت تختههای فشرده، صنایع شیمیایی ، خمیر و کاغذ سازی، صنعت تولید چندسازه و سایر مصارف پراکنده به عنوان مواد اولیه ارزان مورد استفاده قرار می گیرد.(رول و همكاران1987) هرچند خاک اره، نمونه شاخص یک پودر سلولزی است که از خرد و آسیاب کردن چوب خام و ضایعات کارخانجات چوب بری و ساير واحدهاي توليدي صنایع چوب حاصل میگردد، اما کلمه پودرسلولزی در کاربرد عبارت عامتری است؛ چرا که نه تنها چوب درختان، بلکه بسیاری از محصولات گیاهی مثل ساقه و کاه غلاتی چون گندم ، جو ، برنج، ذرت و... را نیز شامل می شود. استفاده از اين مواد در کشورهای توسعه یافته، خصوصا در اروپای غربی و امریکا، تا حد زیادی مورد توجه قرار گرفته است، در حال حاضر دهها کارخانه در این مناطق از جهان، صرفاً از ضایعات کشاورزی به عنوان مواد اولیه استفاده می کنند و تعداد بیشتری نیز، این مواد را به عنوان درصدی از مواد اولیه مصرف می کنند. ( برزگر شيري و همكاران 1388؛ رحمان و همكاران 2008؛ گاراي و همكاران 2008؛ ساتيانارايانا و همكاران 2009)
نام چندسازههای چوب-پلاستیک[1]، به فرآوردههایی اطلاق میشود که، از طریق اختلاط انواع پلیمرهای ترموپلاستیک، به عنوان ماده زمینه با الیاف چوب و یا دیگر مواد «سلولزی» بهعنوان فاز تقویتکننده یا فیلر ساخته میشوند، (اميدوار1383). این فرآوردهها از جمله مواد مهندسی و ساختمانی جدیدی هستند که، در توسعه و کاربرد آنها، متخصصین فراوانی از رشتههای مختلف از جمله پلیمر، علوم و مهندسی مواد، شیمی و مهندسی شیمی، مهندسی صنایع چوب، مکانیک جامدات سهم بهسزایی داشته و دارند. لذا بهدلیل گسترده بودن موضوع، بحث در مورد آن در کلیه جوانب علوم فوق الذکر غیر ممکن بهنظر میرسد. ولی میتوان بیان کرد که این فناوری در وهله نخست حاصل همکاری و تداخل دو صنعت پلیمر و صنعت چوب با یکدیگر است؛ به این نحو که صنعت پلیمر عمدتا واجد دانش ساخت و فراورش بوده و صنعت چوب نیز صاحب دانش مواد اولیه و بازار مصرف آنها میباشد(تجويدي 1384).
معرفی گیاه ذرت :
گیاه ذرت[2] با نام علمی Zea Mays یکی از غلات گرمسیری و از خانواده گندمیان (گرامینه[3]) متعلقبه خانواده گیاهان تکلپهای میباشد؛ ذرت يكي از پرمحصولترین غلات دنیا بهحساب میآید و بر اساس آمار رسمي سازمان خواروبار و كشاورزي ملل متحد[4]، سالیانه بیش از یکصد میلیون هکتار از اراضی زراعی دنیا به کشت ذرت اختصاص پیدا میکند؛ ذرت بعد از گندم بزرگترین سطح کشت محصولات زراعی دنیا را اشغال میکند.(گزارش فائو 2008) کشورهای عمده تولید کننده ذرت عبارتند از: ایالات متحده آمریکا ، رومانی ، روسیه ، ایتالیا ، چین، آرژانتین، برزیل و آفریقای جنوبی.
مطابق با آمار رسمی وزارت جهاد كشاورزي(9) ، در کشور ما گیاه ذرت دانهای بیشتر از سایر واریتهها مورد کشت قرار میگیرد؛ در سال1385 به میزان2166130 تن، دانه ذرت دانهای تولید شده که به ترتیب استانهای فارس، خوزستان، کرمانشاه، قزوین و کرمان بیشترین سهم تولید را به خود اختصاص دادهاند.(شکل 1)
شکل 1 ميزان توليد ذرت دانهاي كشور در سال زراعی 1387به تفكيك استانها(آمارنامه رسمی وزارت جهاد کشاورزی)
مقدار تولید سالانه پسماند ذرت :
با توجه به اینکه میزان تولید پسماندهای کشاورزی، از نظر وزنی حداقل برابر و حداکثر تا چهار برابر میزان تولید محصول اصلی گیاه است(طبرسا و همکاران 1386)؛ برای محاسبه میزان پسماند محصولات کشاورزی، از فاکتوری به نام شاخص برداشت[5] استفاده میشود(مدهوشی و همکاران 1387)؛ این شاخص برای گیاه ذرت در حدود 35%تا40% برای ارقام مختلف، متفاوت است؛ این بدین معنیاست که، از هر واحد گیاه ذرت حدود 35% وزنی دانه ذرت و مابقی توده زيستي گياه شامل ساقه، برگ، کاه و غیره میباشد . (برزگر و امیدوار 1388)
بر اساس آمار رسمی وزارتجهاد کشاورزی و مطالعات صورت گرفته مجموع كل پسماند زراعي توليد شده در ایران قريب به 39 ميليون تن برآورد ميشود که ساقه و كاه گندم با مقدار 18 ميليون تن، بيشترين سهم را در اختيار دارد. پسماند ذرت نيز با ميزان حدودا 3 ميليون تن مقدار قابل توجهي را به خود اختصاص ميدهد(برزگر و اميدوار 1389). (با توجه به اينكه پس از بررسی و جستحوی نگارنده، هيچگونه اطلاعات و آمار قابل استنادي در زمينه مصارف فعلي پسماندهای کشاورزی بهدست نیامد)، با فرض اینکه از این میزان عظیم پسماند گیاه ذرت حدودا 50% به مصارف روستایی (دامداريهاي صنعتي و سنتي) رسيده و 10% نيز جهت تقويت خاك در مزارع رها شده و یا سوزانده شوند؛ و اگر در حدود 10% نیز هنگام جمع آوری و حمل از بین برود؛ دست کم30% از این مقدار که قابل برنامه ریزی برای استفاده صنعتی است، معادل 1 میلیون تن خواهد بود.
ميزان و نوع كربوهيدراتهاي الياف ذرت به ميزان زيادي به منشاء گياه بستگي دارد و عموما گزارش شده كه الياف ذرت حاوي 30 تا 50% آرابينوزايلان[6]، 15تا 20درصد آلفاسلولز و نشاستههاي شبه سلولزي (كه پليمرهايي از گلوكز هستند) ميباشند؛ ساختار ويژه اين تركيبات شبه سلولزي مشتمل بر زنجيرههاي متراكم با ساختاري بهشدت بلورین است كه در برابر شكسته شدن زنجير پليمر در آب، مقاومند. ديگر كربوهيدرات موجود در ساقه ذرت، هميسلولز است كه پليمری شديدا شاخه دار متشكل از زايلوز ، آرابينوز ، گالاكتوز ، مانوز و گلوكز است.(گاراي و همكاران 2008)
با عنایت به حجم بالای واردات چوب آلات، الوار و پانلهای چندسازه در کشور ما (برزگر شيري و همكاران 1388) ، و اینکه چند سازه چوب-پلاستیک در بسیاری از موارد و مصارف جدید و سنتی میتواند جایگزین مناسبی برای چوب باشد بهنظر میرسد عرصه وسیعی برای پرداختن به این موضوع پیش روی پژوهشگران گشوده شده، افق پیش رو نیز نمایانگر این است که در این مسیر راههای ناپیموده زیادی پیش روی ماست، لذا مطالعه بر روی خواص مكانيكي و کاربردی این چندسازهها، از جهات فوق الذکر اهمیت مییابد.
2- مواد و روشها
در انجام این مطالعه مراحل عملیاتی، زیر به ترتیب انجام پذیرفت:
1) تهیه مواد اولیه
2) آماده سازی مواد اولیه
3) ساخت تختههای چندسازه
4) برش تختهها و تهیه نمونههای آزمونی
5) انجام آزمونهای فیزیکی و مکانیکی مورد نظر
6) جمعآوری نتایج
7) تجزیه و تحلیل آماری دادهها
مواد : جهت ساخت چندسازه چوب-پلاستیک، از پلیپروپیلن به عنوان ماده پلیمری این مطالعه، نام تجاری V30S از تولیدات شرکت پتروشیمی بندر امام (ره) (ماهشهر) و آرد ساقه ذرت دانهایآجیلی (Zea Mays var.Everta) ، تهيه شده از مزرعهای در منطقه نوکنده واقع در غرب استان گلستان به عنوان پودر سلولزی در سطوح 45 و 60 وزنی، به دو صورت با مغز و بدون مغز استفاده شد؛ همچنین جهت ایجاد سازگاری نسبی بین این دو ماده، از ترکیب مالئیک انیدرید پیوند شده به پلیپروپیلن صنعتی، با درصد وزنی 3% در تمامی تیمارها، استفاده گردید.
ساخت تختههاي چندسازه :
برای ساخت تخته ها از روش ناپيوسته ( اختلاط خشك – پرس گرم) استفاده شد، جهت تشکیل کیک، از یک قالب فلزی با اندازه تختههای مورد نیاز (به ابعاد داخلی20×30 و ضخامت 1 سانتیمتر) استفاده شد؛ بهاینترتیبکه، ابتدا قالب آهنی بر روی یک سینی فلزی که ورقهای از فویل آلومنیومی آغشته به پارافین روی آن گذاشته شده بود، قرار گرفت(شکل 1)
شكل 2 - نیم رخ کیک تخته قبل از ورود به پرس گرم
جهت ساخت تختهها بهروش ناپیوسته، کیک تخته آماده شده تحت پرس با دما c°185 قرار گرفت؛ (تصویر 3-9 ز) این دما در تمام دوره پرس ثابت نگاه داشتهشد. مدت زمان دوره پرس گرم مجموعا 15 دقیقه بود که سه بازه زمانی 7 دقیقه پرس جهت گرم شدن اولیه پلیمر، در ادامه 1 دقیقه حذف فشار، برای خروج گازهایآلیفرار و مجددا 7 دقیقه پرس جهت ذوب شدن، جریان یافتن پلیمر و ایجاد اتصالات مکانیکی مورد نیاز برای تشکیل یک تخته چندسازه بود؛ میزان فشار در هر دو بازه زمانیِ 7 دقیقهای 35 بار بود؛ پس از اتمام سیکل پرس گرم تخته و قالب از پرس خارج شده و با احتیاط بین دو قطعه تخته خرده چوب گذاشته شده و جهت تکمیل فرایند شکلگیری، به پرس سرد منتقل گردید؛ مدت زمان سیکل پرس سرد 5 دقیقه و فشار اعمال شده 35 بار ( معادل فشار پرس گرم)، در نظر گرفته شد.
جدول 1 تیمارهای آزمونی و كدهاي مربوطه
|
شماره |
کد تیمار |
میزان پودر سلولزی |
نوع ماده سلولزی |
ابعاد ذرات پودر سلولزی (مش) |
|
1 |
SA45 |
45% |
پودر کامل ساقه ( پوست و مغز ) |
20-40 |
|
2 |
SB45 |
45% |
پودر کامل ساقه ( پوست و مغز ) |
40-80 |
|
3 |
SC45 |
45% |
پودر کامل ساقه ( پوست و مغز ) |
80-120 |
|
4 |
SA60 |
60% |
پودر کامل ساقه ( پوست و مغز ) |
20-40 |
|
5 |
SB60 |
60% |
پودر کامل ساقه ( پوست و مغز ) |
40-80 |
|
6 |
SC60 |
60% |
پودر کامل ساقه ( پوست و مغز ) |
80-120 |
|
7 |
SA75 |
75% |
پودر کامل ساقه ( پوست و مغز ) |
20-40 |
|
8 |
SB75 |
75% |
پودر کامل ساقه ( پوست و مغز ) |
40-80 |
|
9 |
SC75 |
75% |
پودر کامل ساقه ( پوست و مغز ) |
80-120 |
|
10 |
PA45 |
45% |
پودر ساقه ( فاقد مغز ) |
20-40 |
|
11 |
PB45 |
45% |
پودر ساقه ( فاقد مغز ) |
40-80 |
|
12 |
PC45 |
45% |
پودر ساقه ( فاقد مغز ) |
80-120 |
|
13 |
PA60 |
60% |
پودر ساقه ( فاقد مغز ) |
20-40 |
|
14 |
PB60 |
60% |
پودر ساقه ( فاقد مغز ) |
40-80 |
|
15 |
PC60 |
60% |
پودر ساقه ( فاقد مغز ) |
80-120 |
|
16 17 18 |
PA75 PB75 PC75
|
75% 75% 75% |
پودر ساقه ( فاقد مغز ) پودر ساقه ( فاقد مغز ) پودر ساقه ( فاقد مغز ) |
20-40 40-80 80-120 |
روش انجام آزمونهای مکانیکی
تمامی آزمونهای فیزیکی و مکانیکی در این مطالعه، بر اساس دستورالعملها و روشهای استاندارد معرفیشده در آئیننامه ASTM D 7031 "راهنمای استاندارد برای ارزیابی خواص فیزیکیو مکانیکی محصولات چندسازه چوب-پلاستیک" انجام پذیرفت.
پردازش آماری دادهها
پس از انجام آزمونهای فیزیکیو مکانیکی و جمع آوری و استخراج دادههای مورد نیاز برای بررسی فرضیات تحقیق، تحلیل آماری نتایج، با استفاده از نرم افزار SPSS .17 انجام پذیرفت، به این شرح که ابتدا جهت تجزیه و تحلیل میانگینها از آزمون فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی استفاده شد و تاثیرات مستقل و متقابل هر یک از عوامل متغیر بر خواص چندسازه، مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس براي روشن شدن تاثير مستقل هر يك از متغيرها تيمارهاي مربوطه به صورت مجزا نيز مورد تحزيه و تحليل آماري قرار گرفته و براي هر گروه از تيمارها جدول تجزيه واريانس تشكيل داده شد. در مواردی که اختلاف میانگینها در سطح 1 و 5 % معنیدار بودند، جهت مقایسه و گروه بندی میانگینها از آزمون دانکن استفاده شد.
برای هریک از تیمارها در تمام آزمونها، مقدار میانگین و انحراف معیار از میانگین محاسبه گردید.
جهت ترسیم نمودارها نیز از نرم افزار MS office Excel 2007استفاده شد.
3- نتایج
تاثير ميزان پركننده بر استحكام خمشي:
تاثير مستقل سطوح مختلف پركننده بر استحكام خمشي در چندسازههاي با اندازه ذرات20 تا 40 مش A) ), 40 تا 80 مش (B) و 120 تا80 مش(C) ، به ترتيب در شكلهاي 2 ؛ 3 و 4 مشاهده ميشود.
افزايش سطح پركننده سلولزي موحب كاهش استحكام خمشي در چندسازهها شده است؛ اين روند كاهشي هم در تيمارهاي حاوي مغز و هم در تيمارهاي فاقد مغز مشاهده ميشود. اختلاف مقادير استحكام خمشي در تيمارهاي بدون مغز در سطح 5% معني دار بوده به اين معني كه با اطمينان 95 درصد ميتوان اظهار داشت كه افزايش سطح پركننده از 45 به 60 و از 60 به 75 درصد وزني، موجب كاهش استحكام خمشي گرديد، اما در سطح اطمينان 99% اختلاف بين سطوح 60 و 75 % معنيدار نبوده است.
شكل3 تاثير مستقل ميزان پركننده سلولزي با اندازه ذرات 20 تا 40 مش بر استحكام خمشي
رتبهبندي ميانگينها به روش دانكن در سطح معني 1% نشان داد كه تيمارهاي حاوي60 و 75% پركننده در يك گروه قرار گرفته و از تيمار حاوي 45% پركننده بهطور معنيداري استحكام خمشي كمتري داشتهاند.
شكل4- تاثير مستقل ميزان پركننده سلولزي با اندازه ذرات 80 تا 40 مش بر استحكام خمشي
استحكام خمشي در تيمارهاي حاوي 45 و 60 درصد وزني ساقه بدون مغز با اندازه 40 تا 80 مش در سطح معنيداري 1% بيشتر از تيمار حاوي 75% پركتننده بود. اما بين سطوح 45 و 60 درصد، تفاوت مقادير استحكام خمشي معني دار نبود.( شكل4 )
تاثير مستقل ميزان پركننده بر استحكام كششي تيمارهاي بامغز در سطح 1% معنيدار بود. به اين ترتيب كه با افزايش ميزان پركننده، استحكام خمشي به ميزان چشمگيري كاهش يافت. در تيمارهاي با مغز افزايش ميزان پركننده از 45 به 60 و سپس 75% موجب كاهش استحكام خمشي شد كه اين اختلاف ميانگينها در سطح 1% معنيدار بودند. يعني با اطمينان 99% ميتوان اظهار كرد كه افزايش ماده پركننده، موجب كاهش استحكام خمشي شد.
شكل5 - تاثير مستقل ميزان پركننده سلولزي با اندازه ذرات 120 تا 80 مش بر استحكام خمشي
درباره تاثير مستقل ميزان پركننده سلولزي با اندازه ذرات 120 تا 80 مش بر استحكام خمشي چنين ميتوان گفت كه در تيمارهاي بدون مغز افزايش ميزان ماده پركننده از 45 به 60% موجب كاهش استحكام خمشي شده است، اين كاهش در سطح 1% معنيدار بود. اما افزايش پركننده از 60 به 75% تغيير معنيداري را سبب نشد. در تيمارهاي حاوي مغز، افزايش پركننده موجب كاهش معنيدار(در سطح 1%) استحكام خمشي شد.
تاثير ميزان ماده پركننده بر مدول خمشي:
شكل 6- -تاثير مستقل ميزان پركننده با ابعاد 20 تا 40 مش بر مدول خمشي
با توجه به شكل 6 مشخص ميشود كه در تيمارهاي حاوي ذرات پركننده بدون مغز با انداز ذرات 20 تا 40 مش، افزايش ميزان پركننده از 45 % وزني به 60% به شكل معنيداري موجب افزايش مدول خمشي گرديده است، اما با تغيير افزايش پركننده تا سطح 75% وزني، علاوه بر اينكه افزايش مشاهده نشد بلكه كاهش اندكي را نيز سبب شده كه البته معنيدار نبوده است . بنابراين ميتوان چنين بيان كرد كه افزودن 60% وزني پركننده در سطح اطمينان 99% مدول خمشي بيشتري را از دوسطح 45 و 75 % موجب شده است و بين دو سطح اخير(45 و 75%) اختلاف معني داري در سطح 1 و 5% مشاهده نمي گردد.
در تيمارهاي حاوي مغز نيز مشابه با تيمارهاي بدون مغز، مدول كششي چندسازه حاوي 60% وزني پركننده بيشتر از دو تيمار ديگر بوده و بين دو تيمار 48 و 75% اختلاف در سطح 1% معني دار نبوده است. لازم به ذكر است كه نتايج تجزيه واريانس و گروهبندي ميانگينها به روش دانكن نشان داد كه در سطح 5% بين تيمارهاي حاوي مغز اختلاف معني دار مشاهده ميشود به اين ترتيب كه چندسازه داراي 60% وزني پركننده در گروه اول ، چندسازه حاوي 45% وزني پركننده در گروه دوم و تيمار حاوي 75% پركننده در گروه سوم دسته بندي شدند.
شكل 7- تاثير مستقل ميزان پركننده با ابعاد 40 تا 80 مش بر مدول خمشي
در نمونههاي آزموني داراي پركننده بدون مغز با ابعاد 40 تا 80 مش، تاثير مستقل ميزان پركننده بر مدول خمشي به اين صورت بود كه در سطح معنيداري 1% تيمار 60% برترين تيمار و تيمار 45% پركننده در گروه بعدي قرار گرفت. و تيمار حاوي 75% در گروه آخر قرار گرفت . در تيمارهاي با مغز نيز وضعيت مشابهي را مشاهده ميكنيم تنها با اين تفاوت كه در نمونههاي با مغز، تيمار 45% در گروه بينابيني(ab) قرار گرفت(شكل 7 )
شكل8 تاثير مستقل ميزان پركننده با ابعاد 80 تا 120 مش بر مدول خمشي
در تيمارهاي حاوي مغز، مدول خمشي با افزايش ميزان پركننده از 45 به 70% وزني افزايش يافت اين افزايش از نظر آماري در سطح 1% معني دار بود . با افزايش پركننده تا سطح 75% وزني شاهد كاهش مدول خمشي بوديم . نتايج گروه بندي ميانگينها حاكي از اين بود كه، تيمار با 60% پركننده، در گروه برتر (a) و دو تيمار 45 و 75% را در گروه دوم(b) طبقه بندي ميشود. البته در سطح اطمينان 95% (معني داري 5%) تيمار حاوي 45% پركننده نيز ، مدول خمشي بيشتري از تيمار 75% داشته و به بيان ديگر ميتوان اظهار داشت كه در سطح معني داري 5% تيمار 60 درصد مدول خمشي بيشتري از تيمار 45% و تيمار 45% نيز مدول خمشي بيشتري از تيمار 75% داشتند
تاثير ميزان پركننده بر استحكام كششي:
شكل 9 تاثير مستقل ميزان ماده پركننده بر استحکام کششی تیمارهای حاوی پركننده به ابعاد 20 تا 40 مش
در تيمارهاي حاوي ساقه بدون مغز با اندازه ذرات 20 تا 40 مش افزايش ميزان پركننده از 45 به 60 و از 60 به 75% وزني موجب كاهش استحكام كششي در سطح معني داري 5% گرديد ليكن در سطح اطمينان 99% (معني داري 1%) تيمار حاوي45% وزني پركننده نسبت به سطوح 60 و 75% به ميزان معنيداري استحكام كششي بيشتري از خود نشان داد و بين تيمارهاي حاوي 60 و 75% پركننده در سطح معني داري 1% اختلاف مشاهده نگرديد.
شكل 10 تاثير مستقل ميزان ماده پركننده بر استحکام کششی تیمارهای حاوی پركننده به ابعاد 40 تا 80 مش
تاثير مستقل ميزان پركننده بر استحکام کششی تيمارهاي با ذرات به ابعاد 40 تا 80 مش، به اين شكل بود كه، در هر دو نوع ماده سلولزي، تيمار حاوي 60% پركننده استحكام كششي بيشتري داشت؛ در مورد تيمارهاي بدون مغز، نمونه آزموني داراي 45% در رتبه دوم و تيمار 75% در گروه سوم طبقه بندي شد. ليكن در تيمارهاي واجد مغز استحكام كششي نمونه 45% پركننده در گروه بينابيني(ab) قرار گرفت. (شكل10 )
شكل 11 تاثير مستقل ميزان ماده پركننده بر استحکام کششی تیمارهای حاوی پركننده به ابعاد 80 تا 120 مش
تاثير مستقل ميزان پركننده بدون مغز بر استحكام كششي در تيمارهاي حاوي پركننده با ابعاد ذرات80 تا 120 مش، به اين صورت بود كه با افزايش ميزان پركننده كاهش معنيدار استحكام كششي را درسطح معنيداري1 % شاهد هستيم. در تيمارهاي حاوي مغز، نمونه آزموني حاوي 60% پركننده، كمترين استحكام كششي را داشت؛ تيمار 45% بيشترين استحكام كششي و تيمار حاوي 75% پركننده نيز در گروه مياني قرار داشت.( شكل 11)
تاثير ميزان پركننده بر مدول كششي:
در تيمارهاي حاوي ذرات ساقه بدون مغز با اندازه 20 تا 40 مش افزايش ميزان پركننده از 45 به 60% وزني موجب افزايش مدول كششي گرديد كه اين افزايش در سطح 1% معني دار بود. (شكل 4-38) اما افزايش سطح پركننده تا 75% هرچند موجب افزايش اندك مدول كششي شد، ليكن اين تغيير در سطح 1 و 5% معني دار نبود. بنابراين با اطمينان 99% ميتوان گفت كه استفاده از پركننده به ميزان 60% وزني نسبت به 45 و 75% وزني تاثير تقويتي بيشتري بر مدول كششي چندسازه گذاشته است.( شكل 12)
شكل 12 - تاثير مستقل ميزان پركننده بر مدول كششي در چندسازههاي حاوي پركننده با ابعاد 20 تا 40 مش
مدول كششي در تيمارهاي حاوي مغز نيز مشابه با تيمارهاي بدون مغز بود و در سطح معنيداري 1% تيمار حاوي 60% وزني پركننده مدول كششي بيشتري از دو تيمار ديگر (45 و 75% وزني پركننده) بود .
شكل 13- تاثير مستقل ميزان پركننده بر مدول كششي در چندسازههاي حاوي پركننده با ابعاد 40 تا 80 مش
در تيمارهاي حاوي پركننده بدون مغز افزايش ميزان پركننده از 45 به 60% موجب افزايش مدول كششي شد كه اين افزايش از نظر آماري در سطح 1% معني دار بود. همانطور كه مشاهده ميشود (شكل 13) ، نتيجه گروهبندي ميانگينها به روش دانكن، حاكي از اين بود كه مدول كششي تيمار حاوي 75% پركننده در سطح اطمينان 99% در گروه بينابيني (AB) قرار دارد.
در تيمارهاي حاوي مغز افزايش ميزان پركننده از 45 به 60% در سطح معنيداري 1% موجب افزايش معنيدار در مدول كششي گرديد. نتايج گروه بندي ميانگينها به روش دانكن نشان داد كه تيمار حاوي 75% پركننده در گروه بينابيني (ab) قرار گرفته است. همچنين در سطح معنيداري 5% نتايج گروه بندي ميانگين ها نشان داد كه تيمارهاي حاوي 75 و 60 درصد در گروه برتر و تيمار حاوي 45% پركننده در رتبه دوم گروه بندي شد؛ به بيان ديگر در سطح معني داري 5% افزايش پركننده از 40 به 60% موجب افزايش معنيدار مدولكششي شد؛ ليكن افزايش از 60 به 75% موجب اندكي كاهش در مدول كششي شد كه البته اين كاهش از نظر آماري، در سطح 5% معنيدار نبود.
شكل14- تاثير مستقل ميزان پركننده بر مدول كششي در چندسازههاي حاوي پركننده با ابعاد 80 تا 120مش
جدول تجزيه واريانس و نتيجه گروه بندي ميانگينها به شيوه دانكن نشان دادند كه، مدولكششي در نمونههاي آزموني حاوي ذرات پركننده بدون مغز با ابعاد 80 تا 120 مش، متاثر از ميزان پركننده تغييرات معني داري را از خود نشان دادند به اين ترتيب كه در سطح معني داري 1% استفاده از 60% وزني پركننده بيشترين مدول كششي را سبب شد تيمار 45% پركننده كمتر از 60% و مدول كششي تيمار 75%از تيمار 45% كمتر بود. در بين تيمارهاي حاوي مغز، با اطمينان 99% ميتوان گفت كه مدول كششي در سطوح 45 و 60% به طور معني داري بيشتر از سطح 75% بود و اختلاف بين سطوح 45 و 60% وزني پركننده در سطح 1 و 5% معنيدار نبود.
4- بحث و استنتاج كلي
نتايج استحكام خمشي در كليه تيمارها نشان داد كه، در بين چندسازههاي مورد بررسي، حداكثر استحكام خمشي در سطح 45% پركننده مشاهده شد و به طور كلي با افزايش ميزان پركننده به 60 و 75 % وزني، در مقادير مقاومت خمشي كاهش مشاهده شد. اين كاهش مؤيد اين واقعيت است كه در چندسازه چوب-پلاستيك، ماده پليمري مورد استفاده نقش اصلي را در ايجاد اتصالات بين اجزاء و تامين استحكام خمشي ايفا مينمايد؛ به بيان ديگر با افزايش ميزان ماده پليمري، توزيع و انتقال تنشهاي ناشي از نيروي خمشي، در ساختار چندسازه به صورت يكنوختتر صورت ميگيرد. اين نتيجه با نتايج (كاظمينجفي و همكاران 1386؛ دادخواهتهراني و همكاران 1387؛ تجويدي و آزاد 2009 ؛ كلايسوف 2006 ) كه گزارش كردهاند، افزايش میزان ماده سلولزي سبب كاهش استحكام خمشي شده است، مورد تاييد قرار ميگيرد.
گزارش گرجاني و اميدوار 1384 درباره استحكام خمشي پلياتيلن بازيافتي پرشده با درصدهاي پايين كاهگندم(0 تا 40%)، حاكي از نتايجي متضاد با نتايج پژوهش حاضر بود.
بسياري گزارشات منتشر شده نيز حاكي از افزايش استحكام خمشي، در اثر افزودن ماده سلولزي است در اغلب اين مطالعات از الياف سلولزي استفاده شده و به دليل ضريب ظاهري (نسبت طول به ضخامت) بالاي الياف اثر تقويت كنندگي آن بر روي خواص خمشي ماده زمينه چشمگير بوده از جمله ميتوان به نتايج به دست آمده توسط سينهلي و همكاران 2007 ؛ كلايسوف 2006 ؛ ميگناولت و همكاران 2009 ؛ پانتاپونتاكال و همكاران 2006 ؛ رحمان و همكاران 2008 ؛ ساتيانا رايانا و همكاران 2009 ) اشاره كرد.
به طور كلي وجود ذرات مغز ساقه سبب كاهش در ويژگيهاي مكانيكي فرآورده شد. بهدليل بافت اسفنجي و بسيار سبك مغز ساقه ذرت كه فاقد الياف بوده و عمدتا شامل عناصر پارانشيمي و شبهپارانشيمي است (برزگر شيري و اميدوار 1389) و علاوه بر آن بهدليل طول كمتر و عدم وجود ساختار سلولزي مستحكم در اين عناصر ، چنين رفتاري خيلي هم دور از انتظار نبوده است. نتايج به دست آمده توسط پانتاپونتاكال و ساين( 2006) نيز مؤيد كاهش تمام خواص مكانيكي چندسازه پليپروپيلن- ساقه ذرت به دليل حضور ذرات مغز ميباشد.
با توجه به جداول تجزيه واريانس و نتايج (رتبه بندي مبانگينها) توسط آزمون دانكن نتيجه ميشود كه افزايش ميزان پركننده از 45 به 60% وزني، افزايش در ميانگين مقادير مدول خمشي را در پي داشت؛ ليكن اين افزايش تا سطح 60% مشاهده شده و مدول خمشي، در تيمارهاي حاوي 75% وزني پركننده، كمتر از تيمارهاي 60% بودند. افزايش مدول خمشي در اثر افزودن ماده سلولزي به زمينه پلاستيكي تقريبا در تمام گزارشات علمي مورد تاكيد قرار گرفته است. البته بايد خاطر نشان كرد كه اين افزايش، (بسته به ساير عوامل) تا حد مشخصي(50 تا 75% وزني) مشاهده ميشود و مقادير مدول الاستيسته در اثر افزايش ميزان پركننده از سطح بهينه موجب كاهش مدول الاستيسيته ميگردد. نتايج گزارش شده توسط دادخواهتهراني و اميدوار 1387 كاظمينجفي و همكاران 1386 چهارمحالي و همكاران 1385؛ سندي و همكاران2001،
افزايش میزان ماده سلولزي تا سطح 60% موجب بهبود مدول خمشي شد؛ اين افزايش مدول خمشي تا سطح60% پركننده، ناشي از مدول الاستيسيته بالاي دستهجات الياف سلولزي ( 5 تا 17 گيگا پاسكال) است، بهنظر ميرسد كاهش استحكام و مدول الاستيسيته خمشي، در حضور 75% وزني پركننده متاثر از افزايش بيش از حد بهينه در ميزان ذرات پركننده و عدم كفايت ميزان پليمر، جهت آغشته سازي سطوح و ايجاد اتصالات لازم بين ذرات پركننده باشد؛ چنين شرايطي منجر به پديد آمدن نقاط با اتصالات ضعيف در ساختار چند سازه ميگردد. وجود اين نقاط موجب جلوگيري از توزيع يكنواخت تنش در پيكره ماده چندسازه شده و همانند يك حفره، نقطه آغازي را براي گسسته شدن ساختار ، گسترش شكاف و بروز شكست ايجاد مينمايد.كاظمي نجفي و همكاران(1385) نيز چنين رفتاري را در چندسازه ذرات چوب پلي پروپيلن مشاهده و گزارش كردهاند.
تاثير ميزان پركننده بر خواص كششي
نتايج به دست آمده نشان می دهد مقاومت به كشش چند سازه در میزان پرکننده %45 بيشترين مقدار را داشته و با افزايش پركننده کاهش مییابد که بيانگر نقش مثبت ماده پلاستيكي در تامين چسبندگي ذرات پركننده و تامين استحكام كششي چندسازه ميباشد. درباره تاثير افزايش ميزان پركننده بر استحكام كششي، گزارش شده كه مقاومت به کشش پلی پروپیلن خالص و پرشده، حدودا برابر بوده و يا با افزايش نسبت آرد چوب به پلاستیک، مقادير استحكام كششي کاهش می یابد اغلب مشاهده ميشود، در حضور مقادير زياد پركننده سلولزي و در اثر دماي بالاي فرآيند، بخارات آلي فرار ايجاد شده و عدم خروج كامل اين بخارات، سبب ايجاد حفرات و نقاط خالي ميگردد؛ كه اين (پديده حباب دار شدن) نقصان در استحكام كششي را در پي خواهد داشت. (كلايسوف 2006) گزارش شده است که استحکام کششی نمونهها تا مقدار ۵۰ درصد وزنی، با افزایش آزد چوب افزایش يافته و در مقادیر بیشتر از آن کاهش مییابد( ارومیهای و فقیهی1385).
به طور كلي افزايش مقادير مدول الاسبيسيته كششي در چندسازه با افزايش ميزان ماده پركننده دور از انتظار نبود و نتايج به دست آمده، حاكي از افزايش معنيدار مدول كششي در تيمارهاي 60% ماده پركننده بود به بيان بهتر افزايش ميزان ماده پركننده از 0 به 45 و سپس 60% موجب بهبود مدول خمشي شد. اما در ميزان وزني 75% مجددا كاهش يافت به نظر ميرسد در مقادير بالاي پركننده، افزايش مدول ناشي از افزايش سلولز با كمبود ماده پلاستيكي جبران شده و اين عدم چسبندگي به دليل كم بودن ميزان پلاستيك مانع از بهبود بيشتر در مقادير مدول كششي ميشود.
يكي از دلايل اصلي افزودن مواد سلولزي به چوب-پلاستيكها تقويت مدول الاستيسيته كششي آنهاست با توجه به مدول كششي بسيار زياد سلولز (5 تا 17 گيگا پاسكال) با استفاده از آن مدول كششي چندسازه به ميزان قابل توجهي افزايش مييابد . مدول كششي (مدول الاستیسیته در آزمون كشش) به طور مداوم با افزایش میزان پرکننده افزایش یافت. آرد چوب ميتواند مدول الاستيسیته پلی پروپيلن را حدود 150 تا %200 افزایش دهد. (كلايسوف2006)
درباره تاثير مثبت افزودن پركننده بر مدول الاستيك كششي گزارشات مويد زيادي وجود دارند از جمله ارومیهای و فقیهی1385؛ راول و همكاران 1997 ؛ چهارمحالي و همكاران 1385 ؛ سينهلي و همكاران 2007 ؛ ميگناولت و همكاران 2009 ؛ پانتاپونتاكال و همكاران 2006 ؛ رحمان و همكاران 2008، نوربخش و همكاران 1387؛ اميدوار و همكاران 1382)
5- پیشنهادات اجرائی برای به کارگیری نتایج تحقیق
با توجه به قيمت ارزان ماده ليگنوسلولزي ساقه ذرت نسبت به انواع پليمر و فراواني و تجديد پذيري آن، به صاحبان صنعت چوب-پلاستيك كشور پيشنهاد ميشود، از اين ماده نيز به عنوان پركننده در توليد انواع محصولات چوب-پلاستيك استفاده نمايند؛ لازم به يادآوري است، در بسياري از نقاط كشور كه قطب توليد اين محصول زراعي به شمار ميروند (استانهاي فارس، كرمان ، كرمانشاه و ...) دسترسي به آرد چوب يا ساير مواد ليگنوسلولزي دشوار بوده و احتمالا هزينه بيشتري را طلب ميكند؛ بنابراين توجه به پتانسيل اين ماده سلولزي اهميت بيشتري مييابد، پودر ساقه ذرت ميتواند دستكم بخشي از ماده سلولزي مورد نياز صنايع توليد چندسازههاي چوب-پلاستيك را در اين مناطق، تامين نمايد.
6- منابع مورد استفاده :
1. امیدوار، اصغر .امینیان، هدایت ا.. ، علیرضا شاکری، یغمائی، فرهاد. سلطانی، لیزا. استفاده از زبالههای شهری در ساخت فرآورده چندسازه چوب-پلاستیک، گزارش طرح ملی تحقیقاتی- کاربردی در استان گلستان. 1382 .
2. برزگر شيري، مصطفي. اميدوار، اصغر. بررسی ويژگيهايفيزيكي، شيمياييو بيومتري اليافپسماند ذرتجهتاستفادهدر صنعتچوب-پلاستيك.مجموعهمقالاتهمايشمليفناوريهاينويندرصنايعچوبوكاغذ.دانشگاهآزادچالوس.ارديبهشت 1389
3. برزگر شيري، مصطفي. اميدوار ، اصغر. بررسيهاي فني و اقتصادي امكان استفاده از پسماند ذرت در صنايع چوبو كاغذ با تاكيد بر صنعت چوب-پلاستيك مجموعهمقالاتدومينهمايشمليچوبو جنگل. دانشگاهآزاد واحد آستارا. خردادماه 1389
4. برزگر شيري، مصطفي. اخلاقياميري.زينالعابدين، منصورفرد، مرجان. پيرايش.حميدرضا. استفاده از پسماند غلات براي توليد فرآوردههاي چندسازه، اولين همايش ملي كشاورزي پاك.دانشگاهعلومكشاورزيو منابعطبيعيگرگان خردادماه 1388. 12ص.
5. چهار محالی، م.، کاظمی نجفی، س.، تجویدی، م. تاثير نوع روش ساخت بر خواص مكانيكي تختههاي چوب-پلاستيك ساخته شده از ضايعات تخته خرده چوب . دوفصلنامه پژوهشي تحقيقات علوم چوب و كاغذ ايران. جلد 21 شماره 1 1385. صص 33-42 .
6. چهار محالی، م.، کاظمی نجفی، سعيد.، تجویدی، مهدي.. اثر روش اختلاط بر خواص مکانیکی کامپوزیتهای چوب-پلاستیک. مجله علوم و تکنولوژی پلیمر. سال بیستم. 1386 شماره 4. صص 361-367 .
7. دادخواه تهراني، بهناز. اميدوار ، اصغر . رامتين، علياكبر. مطالعه خواص مكانيكي و ريخت شناسي چندسازه ساخته شده از باگاس- پليپروپيلن دوفصلنامه علمي پژوهشي تحقيقات علوم چوب و کاغذ ايران جلد 23 ، شماره 2 ، سال 1387
8. دفتر آمار و فنآوری وزارت جهاد کشاورزی، آمار نامه سالهاي زراعی 1387 - 1375 . از انتشارات معاونت امور برنامه ریزی و اقتصادی، تهران، 1388. 216صفحه
9. رول ر،. یانگ ر ، رول ج. (در ترجمه) کاغذ و مواد چندسازه از منابع زراعی. پارساپژوه.داوود، فائزی پور.مهدي، کبورانی.عليرضا چاپ اول. انتشارات دانشگاه تهران. 1381. 573 صفحه.
10. شاکری، ع. امیدوار، الف. ف، گرجانی. بررسی ویژگیهای مکانیکی فرآورده مرکب پلیاتیلن سنگین کاه ساقه برنج. مجله علوم کشاورزی و منابع طبیعی. جلد سیزدهم. شماره ششم. بهمن و اسفند 1385.
11. شورايعالی حفاظت از محيط زيست.راهبردهاي برنامه چهارم براي توسعه پايدار كشور. جهتگيري راهبرد ملي توسعه پايدار، کميته ملی توسعه پايدار- شورايعالی حفاظت از محيط زيست. 1385. تهران
12. قاسمي، اسماعيل. عزيزي، حامد. احساني نمين، پروين . بررسي اثر اندازه ذرات چوب بر خواص فيزيكي- مكانيكي و رفتار رئولوژيكي كامپوزيت پليپروپيلن-چوب. مجله علوم و تكنولوژي پليمر، سال بيست و يكم شماره 1 1387 صص 45-52.
13. گرجاني، فياض. اميدوار، اصغر . بررسي فرايند ساخت و خواص مكانيكي چند سازه پلي اتيلن بازيافتي- كاه گندم ، مجله پژوهش و سازندگي در منابع طبيعي شماره 72 پائيز 1385 صص84-88..
14. طبرسا، تقي. گزارش طرح تحقیقاتی پتانسیلهای جدید صنایع سلولزی استان گلستان با استفاده از ضایعات کشاورزی، 1381 سازمان صنایع و معادن استان گلستان . صص 23-25.
15. مدهوشی،محراب. هاشمی،مجيد. کامکار،ب. بررسی کمی میزان پسماندهاي زراعی استانگلستان در مقایسه با استانهای همجوار جهت مصرف در صنعت چوب-پلاستیک. مجموعه مقالاتهمایش ملی تامین مواد اولیه و توسعه صنالیع چوب و کاغذ کشور. دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان. آذرماه 1387. 14صفحه
16. محراب زاده، م. اکبریان، م. كامپوزيتها 1 مجله علوم و تکنولوژی پلیمر ، سال اول شماره يكم 1367. صص 57-63
17. نوربخش، امير. كارگر فرد، ابوالفضل. بررسي ساخت چندسازه الياف چوب صنوبر و پليپروپيلن با روش ريزش كيك . مجله پژوهش و سازندگي در منابع طبيعي شماره 78 . بهار 1378 . صص72-78
منابع لاتين
18. American Society for Testing and matrials ASTM D7031 - 04 Standard Guide for Evaluating Mechanical and Physical Properties of Wood-Plastic Composite Products. http://www.astm.org
19. Bouafif Hassine, Koubaa Ahmed, Perré Patrick, Cloutier Alain. Effects of fiber characteristics on the physical and mechanical properties of wood plastic composites. Composites: Part A 40 (2009) pp 1975–1981
20. Cinelli, Patrizia. Lawton, W John. Gordon, Sherald H. Imam, Syed H. Chiellini, Emo. Injection molded hybrid composites based on corn fibers and poly (vinyl alcohol) Agricultural Research Service, U.S.D.A. Illinois, USA
21. Gntawski, marek. Water Absorbtion by Wood Plastic Composites filed and Laboratory Challenges 10th International Conference on Progress in Biofibre Plastic Composites Toronto; Ontario May 12-13, 2008
22. Gnatowski, M. and Mah, C. Testing of Wood Plastic Composites, 7th Annual Conference on Woofiber-Plastic Composites, Madison (WI) May 19-20, 2003
23. Garay Rose Marie. Monica Rallo. Carmona René. Araya C. Jaime, Characterization of Anatomical, Chemical, and Biodegradable Properties of fibers from Corn, Wheat, and Rice Residues Chilean journal of agricultural research June 2008
24. Klyosov, Anatolea, WOOD-PLASTIC COMPOSITES. Published by John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey Published simultaneously in Canada. .2006. S3 Composition of Wood–Plastic Composites: Cellulose and Lignocellulosic fillers. p 90.
25. Nourbakhsh Amir, Ashori Alireza, Wood plastic composites from agro-waste matrials: Analysis of mechanical properties. BioresourceTechnology 101 (2010) pp 2525–2528.
26. Panthapulakkal, Suhara. Sain, Mohini. Injection Molded Wheat Straw and Corn Stem filled Polypropylene Composites. J. Polym Environ (2006) 14:265–272
27. Rowell, Roger M. Sanadi, Anand R. Caulfield Daniel f. and Jacobson, Rodney E. Utilization of Natural fibers in Plastic Composites: Problems and Opportunities. Lignocellulosic-Plastics Composites. forest Products Laboratory. Madison, WI. 1997 pp 22-51
28. Rowell, R. M., caulfield, D. F., chen, G. W., Ellis, W. D., Jacobson, R. E., lange, S., and Schumann, R. (1998). Recent Advances in Agro-fiber/thermoplastic composites. Natural polymers and composites. May 10-13 1998. A tibaia, SP. Brazil page 11
29. Rzaur Rahman , Monimul Huque , Nazrul Islam , Mahbub Hasan , Improvement of physico-mechanical properties of jute fiber reinforced polypropylene composites by post-treatment Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Vol 39, Issue 11, November 2008, Pages 1739-1747