بهبود خواص حرارتی و مکانیکی چندسازه‌های مبتنی بر آرد چوب نوئل با افزودن نانو گرافن

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه چوب و کاغذ، واحد سوادکوه، دانشگاه آزاد اسلامی، سوادکوه، ایران

2 استادیار، گروه علوم مهندسی، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف
نانوکامپوزیت‌ها به دلیل ترکیب ویژگی‌های مواد نانو با ماتریس‌های پلیمری، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این تحقیق با هدف بررسی تأثیر میزان نانوگرافن و آرد چوب بر ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی و حرارتی نانو چندسازه ساخته‌شده از آرد چوب نوئل و پلی‌پروپیلن بازیافتی انجام شد. نانوگرافن به عنوان یک تقویت‌کننده مؤثر در بهبود خواص مکانیکی و حرارتی این کامپوزیت‌ها معرفی شده است.
مواد و روش‌ها
در این تحقیق، پلی‌پروپیلن بازیافتی (در سطح ثابت 50 درصد)، آرد چوب نوئل (در سطح ثابت 50 درصد)، نانوگرافن در چهار سطح (0، 5/0، 1 و 5/1 درصد) و انیدرید مالئیک پیوند داده‌شده با پلی‌پروپیلن در سطح ثابت 3 درصد، به‌وسیله اکسترودر دو ماردونی (دو مارپیچه) با یکدیگر مخلوط و نمونه‌های آزمونی استاندارد با استفاده از روش قالب‌گیری تزریقی ساخته شدند. خواص مکانیکی شامل مقاومت کششی و خمشی، مدول کششی و خمشی، و مقاومت به ضربه فاق‌دار، همچنین خواص حرارتی و آتش‌گیری، بر اساس استاندارد ASTM اندازه‌گیری شدند.
یافته‌ها
نتایج تجزیه واریانس بیانگر این است که تأثیر نانو گرافن بر مدول کشش، مقاومت خمش و مقاومت به ضربه فاق‌دار در سطح اطمینان 95% معنی‌دار نیست. در حالی‌که تأثیر نانو گرافن بر مقاومت کشش و خمش و شاخص اکسیژن محدود در سطح اطمینان 95% معنی‌دار است. نتایج نشان داد که با افزایش مقدار نانوگرافن تا 1 درصد وزنی، مقاومت کششی و خمشی، مدول خمشی و کششی چندسازه افزایش می‌یابد. با این حال، با افزودن مقدار 5/1 درصد وزنی نانوگرافن، این خواص کاهش می‌یابند. همچنین، افزایش میزان نانوگرافن منجر به افزایش میزان خاکستر باقیمانده و بهبود ثبات حرارتی شد.
نتیجه‌گیری
این تحقیق به بررسی تأثیر میزان نانوگرافن و آرد چوب بر ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی و حرارتی نانو چندسازه‌های ساخته‌شده از آرد چوب نوئل و پلی‌پروپیلن بازیافتی پرداخته است. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش مقدار نانوگرافن تا ۱ درصد وزنی، خواص مکانیکی شامل مقاومت کششی و خمشی، مدول کششی و خمشی، افزایش می‌یابد. این افزایش به دلیل بهبود چسبندگی بین نانوگرافن و ماتریس پلیمری است که موجب تقویت ساختار کلی و افزایش استحکام می‌شود.
با این حال، افزودن ۵/۱ درصد وزنی نانوگرافن منجر به کاهش این خواص می‌شود که به کلوخه شدن و توزیع نامناسب نانوگرافن در ماتریس نسبت داده می‌شود. این پدیده نقاط ضعف در ساختار ماده ایجاد کرده و عملکرد مکانیکی را کاهش می‌دهد. همچنین، نتایج نشان می‌دهد که با افزایش میزان نانوگرافن، میزان خاکستر باقیمانده نیز افزایش یافته و ثبات حرارتی چندسازه بهبود می‌یابد. نانوگرافن با ایجاد لایه زغالی در دماهای بالا، روند تخریب حرارتی را کاهش می‌دهد و می‌تواند به‌عنوان یک عامل مؤثر در افزایش ثبات حرارتی عمل کند.
بنابراین، نتایج این تحقیق تأکید می‌کند که برای دستیابی به خواص بهینه، مدیریت دقیق مقدار نانوگرافن و توجه به توزیع یکنواخت آن در ماتریس پلیمری ضروری است. استفاده از مقادیر کم نانوگرافن می‌تواند به بهبود خواص مکانیکی و حرارتی کمک کند، در حالی که مقادیر بالاتر ممکن است منجر به تضعیف این خواص شود. به‌طور کلی، این نتایج می‌تواند به طراحی و تولید بهینه نانوچندسازه‌ها کمک کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Improving Thermal and Mechanical Properties of Wood Flour-Based Nanocomposites with Added Nanographene

نویسندگان [English]

  • Jafar Ebrahimpour Kasmani 1
  • Ahmad Samariha 2
1 Associate Professor, Department of Wood and Paper, Savadkouh Branch, Islamic Azad University, Savadkouh, Iran
2 Assistant Professor, Department of Engineering Sciences, National University of Maharat, Tehran, Iran
چکیده [English]

Background and Objective:
Nanocomposites have attracted significant attention due to the combination of nanomaterials' properties with polymer matrices. This study aims to investigate the effect of the amount of nanographene and wood flour on the physical, mechanical, and thermal properties of nanocomposites made from wood flour of spruce and recycled polypropylene. Nanographene is introduced as an effective reinforcement for improving the mechanical and thermal properties of these composites.
Materials and Methods:
In this study, recycled polypropylene (fixed at 50%), wood flour of spruce (fixed at 50%), nanographene at four levels (0, 0.5, 1, and 1.5% by weight), and maleic anhydride grafted polypropylene (fixed at 3%) were mixed using a twin-screw extruder. Standard test samples were produced through injection molding. Mechanical properties, including tensile and flexural strength, tensile and flexural modulus, and impact resistance, as well as thermal and flammability properties, were measured according to ASTM standards.
Results:
The analysis of variance revealed that the effect of nanographene on tensile modulus, flexural resistance, and impact resistance at a 95% confidence level is not significant. However, the impact of nanographene on tensile and flexural strength, as well as the oxygen index, is significant at the 95% confidence level. Results indicated that increasing the amount of nanographene up to 1% by weight significantly enhanced tensile and flexural strength, flexural and tensile modulus, and impact resistance of the nanocomposite. Conversely, adding 1.5% by weight of nanographene led to a reduction in these properties. Additionally, increasing the amount of nanographene resulted in a higher residual ash content and improved thermal stability.
Conclusion:
This research investigates the effect of graphene nanoplatelets and wood flour on the physical, mechanical, and thermal properties of nano-composites made from walnut wood flour and recycled polypropylene. The results indicate that increasing the amount of graphene up to 1% by weight enhances mechanical properties, including tensile and flexural strength, as well as tensile and flexural modulus. This improvement is attributed to the enhanced adhesion between graphene and the polymer matrix, which strengthens the overall structure and increases durability.
However, the addition of 1.5% by weight of nanographene results in a decline in these properties due to agglomeration and improper distribution of nanographene within the matrix, leading to weaknesses in the material structure and reduced mechanical performance. Furthermore, results indicate that increasing the amount of nanographene also increases the residual ash content and improves the thermal stability of the nanocomposite. Nanographene reduces thermal degradation rates at high temperatures by forming a char layer, acting as an effective agent for enhancing thermal stability.
Therefore, the results of this study emphasize the need for careful management of nanographene amounts and ensuring uniform distribution within the polymer matrix to achieve optimal properties. Utilizing lower amounts of nanographene can enhance mechanical and thermal properties, while higher amounts may weaken these properties. Overall, these findings can assist in the design and optimal production of nanocomposites.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wood flour of spruce
  • recycled polypropylene
  • flexural strength
  • flexural modulus
  • nanographene

مراجع

  1. Chan, C.M., Vandi, L.J., Pratt, S., Halley, P., Richardson, D., Werker, A., & Laycock, B. (2018). Composites of wood and biodegradable thermoplastics: A Review. Polymer Reviews. 58: 3. 444-494.
  2. López-Barroso, J. (2016). Graphene-based materials functionalization with natural polymeric biomolecules. Recent Advances in Graphene Research, 257p.
  3. Osman, A., Elhakeem, A., Kaytbay, S., & Ahmed, A. (2022). A comprehensive review on the thermal, electrical, and mechanical properties of graphene-based multi-functional epoxy composites. Advanced Composites and Hybrid Materials, 5: 2. 547-605.
  4. Wang, F., Drzal, L.T., Qin, Y., & Huang, Z. (2015). Mechanical properties and thermal conductivity of graphene nanoplatelet/epoxy composites. Journal of materials science. 50: 1082-1093.
  5. Beigloo, J.G., Eslam, H.K., Hemmasi, A.H., Bazyar, B., & Ghasemi, I. (2017). Effect of nanographene on physical, mechanical, and thermal properties and morphology of nanocomposite made of recycled high density polyethylene and wood flour. BioResources, 12: 1. 1382-1394.
  6. Al-Maqdasi, Z., Gong, G., Nyström, B., Emami, N., & Joffe, R. (2020). Characterization of wood and Graphene Nanoplatelets (GNPs) reinforced polymer composites. Materials. 13: 9. 2089.
  7. Mudoi, M.P., Sinha, S., & Parthasarthy, V. (2021). Polymer composite material with nettle fiber reinforcement: a review. Bioresource Technology Reports. 16, 100860.
  8. Huang, H.D., Ren, P.G., Chen, J., Zhang, W.Q., Ji, X., & Li, Z.M. (2012). High barrier graphene oxide nanosheet/poly (vinyl alcohol) nanocomposite films. Journal of Membrane Science.. 409: 156-163.
  9. Parveez, B., Kittur, M.I., Badruddin, I.A., Kamangar, S., Hussien, M., & Umarfarooq, M.A. (2022). Scientific advancements in composite materials for aircraft applications: a review. Polymers. 14: 22. 5007.
  10. Mohan, V.B., Lau, K.T., Hui, D., & Bhattacharyya, D. (2018). Graphene-based materials and their composites: A review on production, applications and product limitations. Composites Part B: Engineering. 142: 200-220.
  11. Papageorgiou, D.G., Kinloch, I.A., & Young, R.J. (2017). Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites. Progress in materials science. 90: 75-127.
  12. Ghaje Beigloo, J., & Samariha, A. (2019). A study on composite from recycled high-density polyethylene and wood flour. Journal of the Indian Academy of Wood Science. 16: 9-14.
  13. Idumah, C.I., Hassan, A., & Bourbigot, S. (2017). Influence of exfoliated graphene nanoplatelets on flame retardancy of kenaf flour polypropylene hybrid nanocomposites. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 123: 65-72.
  14. Sheshmani, S., Ashori, A., & Fashapoyeh, M.A. (2013). Wood plastic composite using graphene nanoplatelets. International Journal of Biological Macromolecules. 58: 1-6.
  15. Chaharmahali, M., Hamzeh, Y., Ebrahimi, G., Ashori, A., & Ghasemi, I. (2014). Effects of nano-graphene on the physico-mechanical properties of bagasse/polypropylene composites. Polymer Bulletin. 71: 337-349.
  16. Jahromi, S.G., Andalibizade, B., & Vossough, S. (2010). Engineering properties of nanoclay modified asphalt concrete mixtures. Arabian Journal for Science & Engineering (Springer Science & Business Media BV). 35p.
  17. Potts, J.R., Dreyer, D.R., Bielawski, C.W., & Ruoff, R.S. (2011). Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer. 52: 1. 5-25.
  18. Razaq, A., Bibi, F., Zheng, X., Papadakis, R., Jafri, S. H. M., & Li, H. (2022). Review on graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide-based flexible composites: From fabrication to applications. Materials. 15: 3. 1012.
  19. Gupta, M.K., & Srivastava, R.K. (2016). Mechanical properties of hybrid fibers-reinforced polymer composite: A Review. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 55: 6. 626-642.
  20. Martin-Gallego, M., Verdejo, R., López-Manchado, M.A., & Sangermano, M. (2011). Epoxy-graphene UV-cured nanocomposites. Polymer. 52: 21. 4664-4669.
  21. Papageorgiou, D.G., Li, Z., Liu, M., Kinloch, I.A., & Young, R.J. (2020). Mechanisms of mechanical reinforcement by graphene and carbon nanotubes in polymer nanocomposites. Nanoscale. 12: 4. 2228-2267.
  22. Khan, F., Hossain, N., Mim, J.J., Rahman, S.M., Iqbal, M.J., Billah, M., & Chowdhury, M.A. (2025). Advances of composite materials in automobile applications–A review. Journal of Engineering Research. 13: 2. 1001-1023.
  23. Zhang, X., Zhang, J., & Wang, R. (2019). Thermal and mechanical behavior of wood plastic composites by addition of graphene nanoplatelets. Polymers. 11: 8. 1365.
  24. Sang, M., Shin, J., Kim, K., & Yu, K.J. (2019). Electronic and thermal properties of graphene and recent advances in graphene based electronics applications. Nanomaterials. 9: 3. 374.
  25. Kumar, R., Singh, S., & Singh, L.P. (2017). Studies on enhanced thermally stable high strength concrete incorporating silica nanoparticles. Construction and Building Materials. 153: 506-513.
  26. Seaberg, J., Montazerian, H., Hossen, M.N., Bhattacharya, R., Khademhosseini, A., & Mukherjee, P. (2021). Hybrid nanosystems for biomedical applications. ACS Nano. 15: 2. 2099-2142.
  27. Soni, S.K., Thomas, B., & Kar, V.R. (2020). A comprehensive review on CNTs and CNT-reinforced composites: syntheses, characteristics and applications. Materials Today Communications. 25: 101546.
  28. Rami, J.M., Patel, C.D., Patel, C.M., & Patel, M.V. (2021). Thermogravimetric analysis (TGA) of some synthesized metal oxide nanoparticles. Materials Today: Proceedings. 43: 655-659.
  29. Ramakoti, I.S., Panda, A.K., & Gouda, N. (2023). A brief review on polymer nanocomposites: current trends and prospects. Journal of Polymer Engineering. 43: 8. 651-679.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 05 آذر 1404

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار