اثر اصلاح آکریلاتی آرد چوب بر ویژگی‌های ساختاری و رفتار فیزیکی فرآورده مرکب آرد چوب/پلی پروپیلن

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استاد ،گروه مهندسی چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی، ساری، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی چوب و فرآوردههای سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی، ساری

3 دانشیار دانشکده علوم پایه، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

4 استادیار، گروه مهندسی چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی، ساری، ایران

چکیده

سابقه و هدف: فرآورده مرکب چوب‌پلاستیک از اختلاط پلیمرهای گرمانرم با پرکننده‌های آلی، معدنی و طبیعی تشکیل شده‌است. ناسازگاری پرکننده‌های طبیعی با ماده زمینه‌ای پلیمری غیرقطبی، موجب چسبندگی ضعیف در سطح مشترک بین الیاف چوب و زمینه پلیمر و عدم انتقال تنش از زمینه پلیمر به الیاف چوب می‌شود که به افت خواص مکانیکی و فیزیکی فرآورده‌ی مرکب چوب‌پلاستیک حاصل می‌انجامد. بر اساس تحقیقات پیشین، علاوه بر بکارگیری جفت‌کننده برای بهبود چسبندگی و اتصال بین الیاف و ماده زمینه پلیمری، اصلاح پرکننده‌های طبیعی نیز می‌تواند به ارتقای خواص فرآورده مرکب چوب‌پلاستیک منتهی گردد. در پژوهش حاضر، اثر اصلاح شیمیایی پرکننده‌های لیگنوسلولزی با ترکیبات آکریلاتی گلیسیدیل‌متاکریلات و مونومر متیل‌متاکریلات بر خواص کاربردی فرآورده مرکب چوب‌پلاستیک پلی‌پروپیلن بررسی شده‌است.
مواد و روش‌ها: آردچوب گونه صنوبر با گلیسیدیل‌متاکریلات (GMA)و تلفیق گلیسیدیل‌متاکریلات/مونومر متیل‌متاکریلات (GMA/MMA) تحت گاز آرگون اصلاح شد و تغیرات ساختار شیمیایی، پایداری حرارتی و خواص فیزیکی آرد چوب‌های شاهد و اصلاح‌شده ارزیابی گردید. نمونه‌های فرآورده‌ی مرکب چوب‌پلاستیک با استفاده از آرد چوب شاهد و پلی‌پروپیلن به نسبت‌های وزنی 80:20، 70:30 و 60:40 درصد، بدون و با انیدرید مالئیک پیوند شده به پلی‌پروپیلن به‌عنوان جفت‌کننده، و در همان نسبت وزنی اختلاط با آرد چوب اصلاح شده با گلیسیدیل‌متاکریلات و گلیسیدیل‌متاکریلات/متیل‌متاکریلات به روش قالب‌گیری تزریقی ساخته شدند. ارزیابی خواص فیزیکی فرآورده چوب‌پلاستیک حاصل مطابق استانداردD 570 ASTM و ریخت‌شناسی نمونه‌ها با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی انجام شد.
یافته‌ها: بر اساس یافته‌های این پژوهش، اصلاح با ترکیبات آکریلاتی گلیسیدیل‌متاکریلات و متیل‌متاکریلات با تغییر ساختار شیمیایی، بهبود معنی‌داری در پایداری حرارتی و خواص فیزیکی آرد چوب ‌ایجاد کرد. بر اساس نتایج طیف‌سنجی، تغییرات شیمیایی ناشی از اصلاح تلفیقی گلیسیدیل‌متاکریلات/متیل‌متاکریلات درحضور بنزوئیل‌پراکساید، به دلیل تکرار واحدهای مونومری متیل‌متاکریلات، نسبت به اصلاح دیواره‌ای گلیسیدیل‌متاکریلات محسوس‌تر بود. با افزایش نسبت پرکننده طبیعی، جذب آب فرآورده‌ی مرکب چوب‌پلاستیک حاصل افزایش یافت. اصلاح آرد چوب با ترکیب دوعاملی گلیسیدیل‌متاکریلات به بهبود چسبندگی و سازگاری پلیمر متیل‌متاکریلات با دیواره سلولی آرد چوب انجامید. واکنش دیواره سلولی با گلیسیدیل‌متاکریلات از طریق تغییر ساختار هلوسلولز و کاهش گروه‌های هیدروکسیل، پتانسیل جذب رطوبت دیواره سلولی را کاهش داد و افزایش سازگاری پرکننده آرد چوب با متیل‌متاکریلات و زمینه پلیمری، خواص فیزیکی فرآورده‌ی چوب‌پلاستیک حاصل را بهبود بخشید.
نتیجه‌گیری: در مقایسه بین دو اصلاح گلیسیدیل‌متاکریلات و تلفیق گلیسیدیل‌متاکریلات/متیل‌متاکریلات، اصلاح تلفیقی با ایجاد ساختاری یکنواخت‌تر و سازگاری مطلوب‌تر بین اجزا، بهبود محسوس‌تری در خواص فیزیکی فرآورده‌ی حاصل، نسبت به اصلاح دیواره‌ای گلیسیدیل‌متاکریلات ایجاد کرد که این اثر با افزایش نسبت پرکننده محسوس‌تر شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The effect of acrylate modification of wood flour on the structural characteristics and physical behavior of wood flour/polypropylene composite product

نویسندگان [English]

  • Maryam Ghorbani 1
  • Nadia Talebi 2
  • Mojtaba Amininasab 3
  • Foroogh Dastoorian 4
1 Professor, Department of Wood and Cellulosic Products Engineering, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari
2 M.Sc. Student, Department of Wood and Cellulosic Products Engineering, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari
3 Associate Professor, Department of Chemistry, Kurdistan University, Sanandaj, Iran
4 Assistance Professor, Department of Wood and Cellulosic Products Engineering, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Wood plastic composites are produced of mixing thermoplastic polymers with organic, inorganic and natural fillers. The incompatibility of natural fillers with the non-polar polymer matrix results in weak adhesion at the interface of wood fibers with polymer and lack of stress transfer from the polymer to the wood fibers, which leads to a decrease in the mechanical and physical properties of the resulting product. Based on previous researches, in addition to using coupling agents to improve the adhesion between fibers and polymer matrix, modification of natural fillers can also improve the properties of wood-plastic composite products. In this research, the effect of chemical modification of lignocellulosic fillers with glycidyl methacrylate and methyl methacrylate on the functional properties of polypropylene wood plastic composite were investigated.
Materials and Methods: Poplar wood flour was modified with glycidyl methacrylate (GMA) and combination of glycidyl methacrylate/methyl methacrylate (GMA/MMA) under argon gas and the changes in chemical structure, thermal stability and physical properties of control and modified flours were evaluated. Samples of wood plastic composites made using control flour and polypropylene in weight ratios of 80:20, 70:30 and 60:40%, without and with MAPP, and flours modified with glycidyl methacrylate and glycidyl ethacrylate/methyl methacrylate in the same weight ratio of mixing by injection molding method. Physical properties of composites according to ASTM standard D 570 and morphology using field emission scanning electron microscope images was evaluated.
Results: Based on the findings of this research, modification with acrylate compounds including: glycidyl methacrylate and methyl methacrylate, by changing the chemical structure, created a significant improvement in thermal stability and physical properties of wood flour. Based on the FTIR results, the chemical changes of wood flour by combined modification of glycidyl methacrylate/methyl methacrylate under benzoyl peroxide were more obvious than the glycidyl methacrylate due to the polymerization of methyl methacrylate. With increase of natural filler ratio, the water absorption of the product increased. The wood flour modification with glycidyl methacrylate as a bifunctional agent improved the adhesion and compatibility of methyl methacrylate polymer with the cell wall of wood flour. The reaction of the cell wall with glycidyl methacrylate reduced the moisture absorption potential of the cell wall by changing the structure of holocellulose and reducing the hydroxyl groups, and the physical properties of the resulting product were improved by increasing the compatibility of the flour with methyl methacrylate and the matrix.
Conclusion: In comparing modification of glycidyl methacrylate with glycidyl methacrylate/methyl methacrylate, combined modification by creating a more uniform structure and better compatibility between components, created a more noticeable improvement in physical properties of composite compared to cell wall modification with glycidyl methacrylate, and this effect became more noticeable with increasing filler ratio.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wood plastic composites
  • acrylate modification
  • thermal stability
  • physical properties
  • morphology

مراجع

1.Pundhir, N., Zafar, S., & Pathak, H. (2021). Performance evaluation of HDPE/MWCNT and HDPE/kenaf composites. J. of Thermoplastic Composite Materials. 34 (10), 1315-1333.
2.Saini, G., Narula, A. K., Choudhary, V., & Bhardwaj. J. (2009). Effect of Particle Size and Alkali Treatment of Sugarcane Bagasse on Thermal, Mechanical, and Morphological Properties of PVC-Bagasse Composites. J. of Reinforced Plastics and Composites. 29 (5), 731-740.
3.Oksman, K., & Sain, M. (2008). Wood-Polymer Composites. Woodhead Publishing Ltd, Great Abington, Cambridge, UK, 366p.
4.Shahreki, A., Nosrati Sheshkal, B., Mohebbi Gargari, R., & Abdouss, M. (2016). The effect of nano clay and MAPP coupling agent on physical, mechanical and natural durability of polypropylene Haloxylon wood flour composite. J. of Wood and Forest Science and Technology. 23 (2), 265-284. [In Persian]
5.Ghorbani, M., Zabihzadeh, S. M., & Fooladian, F. (2017). Effect of thermal modification on physical and mechanical behavior of sunflower-polypropylene composites. Iranian J. of Wood and Paper Science Research. 32 (3), 392-401. [In Persian]
6.Li, X., Tabil, L. G., & Panigrahi S. (2007). Chemical treatments of natural fiber for use in natural fiber-reinforced composites: A Review. J. of Polymer Environment. 15, 25-33.
7.Ghorbani, M., Nikkhah Shahmirzadi, A., & Toopa A. (2020). Effect of densification on the practical properties of chemical and thermal modified poplar wood. Iranian J. of Wood and Paper Industries. 11 (2), 185-197. [In Persian]
8.Ismaeili Moghadam, S. (2016). Effect of chemical modification of wood flour on long-term water absorption and thickness swelling and morphological study of wood plastic composite. J. of Wood & Forest Science and Technology.
23 (4), 175-198. [In Persian]
9.Fallah-Moghadam, P., & Mohebby, B. (2012). Water Absorption and Dimensional Stability of Polypropylene/ Acetylated Wood Fiber. J. of Wood & Forest Science and Technology.18 (4), 29-43. [In Persian]
10.Ozmen, N., Cetin, N. S., Mengeloglu, F. M., Birinci, E., & Karakus, K. [2013]. Effect of wood acetylation with vinyl acetate and acetic anhydride on the properties of wood plastic composite. Bioresources. 8 (1), 753-767.
11.Kalagar, M., Baziyar, B., Khademi eslam, H., Ghasmi, E., & Hemmasi, A. H. (2015). The investigation on composites produced using polylactic acid/wheat straw fibers treated with silane. Iranian J. of Wood and Paper Science Research. 30 (2), 207-219. [In Persian]
12.Koohestani, B., Ganetri, I., & Yilmaz, E. (2017). Effects of silane modified minerals on mechanical, microstructural, thermal, and rheological properties of wood plastic composites. Composites Part B Engineering. 111, 103-111.
13.Ghorbani, M., Asghari Aghmashhadi, Z., Amininasab, S. M., & Abedini, R. (2019). Effect of different coupling agents on chemical structure and physical properties of vinyl acetate/wood polymer composites. J. of Applied Polymer Science. 136, 47467.
14.Abbasi, Z., Ghorbani, M., Abedini, R., & Amininasab, S. M. (2021). Physicochemical and microscopic properties of wood polymer modified with silane compounds. J. of Wood & Forest Science and Technology,28 (2), 59-73. [In Persian]
15.Devi, R. R., & Maji, T. (2007). Effect of glycidyl methacrylate on the physical properties of wood polymer composites. Polymer Composites. 28 (1), 1-5.
16.Li, Y., Liu, Y., Li, J., Lv, D., & Fan, X. (2010). Fabrication of a Novel wood- based composite by in-situ polymerization functional monomers. International conference on measuring technology and mechatronics automation, Changsha, China, 208-211. doi:10.1109/ICMTMA.160.
17.Li, Y. F., Wu, Q. L., Li, J. Liu, Y. X., Wang, X. M., & Liu, Z. B. (2011). Improvement of dimensional stability of wood via combination treatment: Swelling with maleic anhydride and grafting with glycidyl methacrylate and methyl methacrylate. Holzforschung. 66 (1), 59-66.
18.Devi, R. R., Maji T. K., & Banjere, A. N. (2004). Studies on dimensional stability and thermal properties of rubber wood chemically modified with styrene and glycidyl methacrylate. J. of Applied Polymer Science. 93 (4), 1938-1945.
19.Yongfeng, L., Xiaoying, D., Zeguang, L., Wanda, J., & Yixing L. (2012). Effect of polymer in situ synthesized from methyl methacrylate and styrene on the morphology, thermal behavior, and durability of wood. J. of Applied Polymer Science. 128 (1), 13-20.
20.Denq, B. L., Hu, Y. S., Chiu, W. Y., Chen, L. W., & Chiu, Y. S. (1997). Thermal degradation behavior and physical properties for poly (methyl methacrylate) blended with propyl ester phosphazene. Polymer Degradation and Stability. 57 (3), 269-278.
21.Becidan, M., Skreiberg, O., & Hustad, J. E. (2007). Experimental study on pyrolysis of thermally thick biomass residues samples: Intra-sample temperature distribution and effect of sample weight (“scaling effect”). Fuel. 17-18 (86), 2754-2760.
22.Zhang, X., Tian, X., Zheng, J., Yao, X., Liu, W., Cui, P., & Li, Y. (2008). Relationship between microstructure and tensile properties of PET/Silica Nano composite fibers. J. of Macromolecular Science. 47 (2), 368-377.
23.Devi, R. R., & Maji T. (2002). Studies of properties of rubber wood with impregnation of polymer. Bulletin of Materials Science. 25 (6), 527-531.
24.Hýsek, Š., Podlena, M., Bartsch, H., Wenderdel, C., & Böhm, M. (2018). Effect of wheat husk surface pre-treatment on the properties of husk-based composite materials. Industrial Crops and Products. 125, 105-113.
25.Dong, X., Li, Y., Fu, Y., Gao, J., & Liu, Y. (2012). Characterization and durability of wood- polymer Composites prepared by in- situ polymerization of methyl methacrylate and styrene. Scientific Research and Essays. 7 (24), 2143-2149.
26.Li, Y., Liu, Z., Dong, X., Fu, Y., & Liu, Y. (2013). Comparison of decay resistance of wood and wood polymer composite prepared by in- suit polymerization of monomers. International Biodeterioration & Biodegradation. 84, 401-406.
27.Ismaeilimoghadam, S., Masoudifar, M., Shamsian, M., Nosrati Sheshkal, B., Seyeedzadeh & Otaghsaraei, S. M. (2016). The effect of chemical treatment of wood flour on some properties of wood-plastic Composite. Iranian Journal of Wood and Paper Industries,7 (3), 449-462. [In Persian]
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل
دوره 30، شماره 4
دی 1402
صفحه 3-16

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار