بررسی و مقایسه ویژگی های کاربردی کامپوزیت پلیمری با مواد زائد به عنوان تقویت کننده

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی‌ارشد، فرآورده‌های چندسازه چوبی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه گنبد کاووس، گنبد، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی و تکنولوژی چوب، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

3 استادیار، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه گنبد کاووس، گنبد، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: جهت تقویت ویژگی های فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت چوب-پلاستیک، در این تحقیق ذرات حاصل از خمیر کاغذ تهیه شده از فرآیند سودا با استفاده از پسماندهای کشاورزی شامل ساقه گندم و برنج مورد استفاده قرار گرفت. به منظور افزایش بهره وری و تولید کامپوزیت هایی با هزینه پایین تر و وزن کمتر همراه با ویژگی های کاربردی مناسب، دو نوع پسماند کشاورزی ارزان قیمت و تجدید پذیر (ساقه گندم و برنج) به عنوان پرکننده در ساخت کامپوزیت چوب-پلاستیک با استفاده از پلیمر پلی پروپیلن مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت.
مواد و روش ها: پس از تهیه خمیرکاغذ سودا از ساقه گندم و برنج، از ترکیب این ذرات با پلیمر پلی پروپیلن با نسبت‌های اختلاط 70:30، 60:40 و 50:50 به همراه 6 درصد جفت کننده MAPP برای ساخت کامپوزیت چوب-پلاستیک استفاده شد. سپس ویژگی های کاربردی کامپوزیت ها شامل مقاومت و مدول خمشی، مقاومت و مدول کششی، مقاومت به ضربه و واکشیدگی ضخامت بعد از 2 و 24 ساعت غوطه‌وری در آب اندازه‌گیری و همه داده‌ها مورد تجزیه و تحلیل آماری قرار گرفت.
یافته ها: نتایج بدست آمده از تحقیق حاضر نشان داد که با مصرف ذرات حاصل از خمیرکاغذ سودا از ساقه گندم در ترکیب کامپوزیت ساخته شده، ویژگی های کاربردی در سطح بالاتری نسبت به ساقه برنج بود. با افزایش جایگزینی ذرات حاصل از خمیرکاغذ سودا از ساقه گندم و برنج، واکشیدگی ضخامت کامپوزیت ها پس از 2 و 24 ساعت غوطه‌وری در آب افزایش یافت. مقاومت و مدول خمشی کامپوزیت های ساخته شده با ذرات حاصل از خمیرکاغذ سودا از ساقه برنج در سطوح مختلف تا 50 درصد در گروه مشترک قرار دارند اما در مقایسه با ساقه گندم دارای مقادیر کمتری بودند. مقاومت و مدول کششی مربوط به همه تیمارها روندی کاهشی داشت. مقاومت به ضربه مربوط به هر دو نوع کامپوزیت تهیه شده کاهش یافت اما کامپوزیت های تهیه شده با ذرات حاصل از خمیرکاغذ سودا از ساقه برنج دارای مقاومت به ضربه پایین تری در مقایسه با ساقه گندم بود.
نتیجه گیری: با توجه به نتایج بدست آمده از این کار، استفاده از ذرات حاصل از خمیرکاغذ سودا از ساقه گندم در ترکیب با پلیمر پلی پروپیلن در مقایسه با ذرات حاصل از خمیرکاغذ سودا از ساقه برنج ویژگی های مناسب تری داشتند. کامپوزیت هایی که با ترکیب 30 درصد ذرات حاصل از خمیرکاغذ سودا از ساقه گندم در ترکیب با پلی پروپیلن ساخته شدند مقاومت خمشی و کششی، مدول خمشی و کششی، مقاومت به ضربه و واکشیدگی ضخامت بعد از 2 و 24 ساعت بهتری در مقایسه با سایر تیمارها داشتند. یعنی با جایگزینی 30 درصد از این نوع پسماندها به جای پلیمرهای پلاستیکی می توان کامپوزیت هایی با خواص مطلوب تهیه کرد. این بدان معنی است که علاوه بر تولید محصولی سازگار با محیط زیست، ارزش افزوده این نوع پسماندهای دورریز نیز افزایش می یابد. در نتیجه می توان این نوع مواد اولیه لیگنوسلولزی دورریز و ارزان قیمت را برای تولید محصولاتی که خواص مکانیکی آنها حیاتی نیست و همچنین در معرض رطوبت بالا قرار نمی‌گیرند نیز توصیه نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation and comparison of functional properties of polymer composites with waste materials as reinforcements

نویسندگان [English]

  • Davoud Rafiei 1
  • Loya Jamalirad 2
  • Mehrdad Sedghi 3
  • Vahid Vaziri 3
1 M.Sc. Student of Wood Composite Products, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Gonbad Kavous University, Gonbad, Iran.
2 Corresponding Author, Associate Prof., Dept. of Wood Engineering and Technology, Faculty of Natural Resources, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
3 Assistant Prof., Dept. of Wood and Paper Science and Industry, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Gonbad Kavous University, Gonbad, Iran.
چکیده [English]

Background and objective: To enhance the physical and mechanical properties of wood-plastic composites, in this study, particles derived from soda pulping process of agricultural wastes including wheat and rice stalk were used. In order to increase productivity and produce composites with lower cost and lower weight along with suitable functional properties, two types of inexpensive and renewable agricultural wastes (wheat and rice stalks) were investigated and compared as fillers in the manufacture of wood-plastic composites using polypropylene polymer.

Materials and methods: After preparing soda pulp from wheat and rice stalks, these particles were mixed with polypropylene polymer at ratios of 30:70, 40:60 and 50:50 along with 6% MAPP coupling agent to make wood-plastic composites. Then, the functional properties of the composites including flexural strength and modulus, tensile strength and modulus, impact strength and thickness swelling within 2- and 24-hours immersion in water were measured and all data were statistically analyzed.

Results: The results of this study observed that by using particles derived from soda pulp of wheat stalks in the composite composition, the functional properties were at a higher level than those of rice stalks. With increasing substitution of particles derived from soda pulp from wheat stalks and rice stalks, the thickness swelling of the composites increased within 2- and 24-hours immersion in water. The strength and flexural modulus of composites made of particles derived from soda pulp from rice stalks at different levels were in the same group up to 50%, but they had lower values compared to wheat stalks. The strength and tensile modulus of all treatments showed a decreasing trend. The impact strength of both types of composites prepared decreased, but the composites prepared with particles derived from soda pulp from rice stalks had lower impact resistance compared to wheat stalks.

Conclusion: According to the results of this work, the use of particles derived from soda pulp from wheat stalks in combination with polypropylene polymer had more suitable characteristics compared to particles derived from soda pulp from rice stalks. Composites made by 30% particles derived from soda pulp from wheat stalks in combination with polypropylene had better flexural and tensile strength, flexural and tensile modulus, impact strength and thickness swelling within 2 and 24 hours compared to other treatments. That is, by replacing 30% of this type of waste instead of plastic polymers, composites with desirable properties can be prepared. This means that in addition to producing an environmentally friendly product, the added value of this type of waste also increases. As a result, this type of waste and inexpensive lignocellulosic raw material can be recommended for the production of products whose mechanical properties are not critical and are not exposed to high humidity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soda pulp
  • Wheat and rice stalk
  • Polypropylene
  • Wood plastic
  • Agricultural waste

مراجع

1.Lebic, J. (2013). New extruder for a new product: Solid WPC profiles. 9th international WPC Conference, Vienna, Austria, Pp: 346-351.
2.Akinfiresoye, W. A., Olukunle, O. J., & Akintade, A. A. (2017). Development of a wood plastic composite extruder. International Journal of Waste Resources. 7 (4), 1-4.
3.Guha Nukala, S., Kong, I., Babu Kakarla, A., Kong, W., & Kong, W. (2022). Development of wood polymer composites from recycled wood and plastic waste: Thermal and mechanical properties. Journal of Composites Science. 6 (7), 194.
4.Ghoneim, A., Youssef, Y., & Hassan, M. K. (2024). Production of wood plastic composites as a sustainable solution for the post-harvest agriculture waste and plastic waste. The American Journal of Engineering and Technology. 6 (8), 7-21.
5.Aras, U., Kalaycıoğlu, H., Yel, H., & Bitek, G. (2015). Effects of ammonium nitrate on physicomechanical properties and formaldehyde contents of particleboard. Procedia - Social and Behavioral Sciences. 195, 2130-2134.
6.Yang, H. S., Kim, D. J., & Kim, H. J. (2003). Rice straw-wood particle composite for sound absorbing wooden construction materials. Bioresource Technology. 86 (2), 117-121.
7.Lee, S. Y., Yang, H. S., Kim, H. J., Jeong, C. S., Lim, B. S., & Lee, J. N. (2004). Creep behavior and manufacturing parameters of wood flour filled polypropylene composites. Composite Structures. 65 (3-4), 459-469.
8.Liu, Y., Xie, J., Wu, N., Ma, Y., Menon, C., & Tong, J. (2019). Characterization of natural cellulose fiber from corn stalk waste subjected to different surface treatments. Cellulose. 26, 4707-4719.
9.Maheshwaran, M. V., Hyness, N. R. J., Senthamaraikannan, P., Saravanakumar, S. S., & Sanjay, M. R. (2018). Characterization of Natural cellulosic fiber from Epipremnum aureum stem. Journal of Natural Fibers. 15, 789-798.
10.Mbatha, A. J., Nkomo, N. Z., & Alugongo, A. A. (2025). A review of the potential applications of composites from agricultural waste. International Journal of Engineering Trends and Technology. 73 (1), 183-191.
11.Shaban, D., & Omaima, S. (2010). The utilization of agriculture waste as one of environmental issue in Egypt. Journal of Applied Sciences Research. 6 (8), 1116-1124.
12.Yu, B., Liu, X., Ji, C., & Sun, H. (2023). Greenhouse gas mitigation strategies and decision support for the utilization of agricultural waste systems: a case study of Jiangxi Province, China. Energy. 265, 126380.
13.Zhao, X., Copenhaver, K., Wang, L., Korey, M., Gardner, D. J., Li, K., Lamm, M. E., Kishore, V., Bhagia, S., Tajvidi, M., Tekinalp, H., Oyedeji, O., Wasti, S., Webb, E. J., Ragauskas, A., Zhu, H. H., Peter, W., & Ozcan, S. (2022). Recycling of natural fiber composites: Challenges and opportunities. Resour, Conservation and Recycling. 177, 105962.
14.Marichelvam, M. K., Manimaran, P., Verma, A., Sanjay, M. R., Siengchin, S., Kandakodeeswaran, K., & Geetha, M. (2021). A novel palm sheath and sugarcane bagasse fiber-based hybrid composites for automotive applications: An experimental approach. Polymer Composites. 42, 512-521.
15.Wu, F., Misra, M., & Mohanty, A. K. (2020). Sustainable green composites from biodegradable plastics blend and natural fiber with balanced performance: Synergy of nano-structured blend and reactive extrusion. Composites Science and Technology. 200, 108369.
16.Väisänen, T., Haapala, A., Lappalainen, R., & Tomppo, L. (2016). Utilization of agricultural and forest industry waste and residues in natural fiber-polymer composites: A review. Waste Management. 54, 62-73.
17.Birania, S., Kumar, S., Kumar, N., Kumar Attkan, A., Panghal, A., Rohilla, P., & Kumar, R. (2022). Advances in development of biodegradable food packaging material from agricultural and agro-industry waste, Journal of Food Process Engineering. 45 (1), e13930.
18.Turku, I., & Kärki, T. (2013). Reinforcing wood-plastic composites with macro- and micro-sized cellulosic fillers: comparative analysis. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 32, 1746-1756.
19.Alemdar, A., & Sain, M. (2008). Biocomposites from wheat straw nanofibers: Morphology, thermal and mechanical properties. Composites Science and Technology. 68, 557-565.
20.Panthapulakkal, S., Zereshkian, A., & Sain, M. (2006). Preparation and characterization of wheat straw fibers for reinforcing application in injection molded thermoplastic composites. Bioresource Technology. 97 (2), 265-272.
21.Mu, B., Wang, H., Hao, X., & Wang, Q. (2018). Morphology, mechanical properties and dimensional stability of biomass particles/high density polyethylene composites: Effect of species and composition. Polymers. 10 (3), 308.
22.Han, S., Dae, J., & Hyun, J. (2001). Rice straw-wood particle composite for sound absorbing wooden construction materials. Bioresource Technology. 86, 117-121.
23.Hedjazi, S., Hosseini, S. B., & Jamalirad, L. (2019). The Potential of different pulping processes in production of pulp- plastic composites (PPC) from bagasse and rice straw. Wood Industry and Engineering. 1 (2), 40-51.
24.Afonso Anges, É., Vieira De Mello, T., & Hilling, E. (2020). Wood pulp for polymer composites production. Floresta. 51 (1), 44-53.
25.Nygård, P., Tanem, B. S., Karlsen, T., Brachet, P., & Leinsvang, B. (2008). Extrusion-based wood fibre-PP composites: Wood powder andpelletized wood fibres- A comparative study. Composites Science and Technology.
68 (15-16), 3418-3424.
26.Li, Lee, C., Ling Chin, K., San H’ng, P., San Khoo, P., & Sahfani Hafizuddin, M. (2023). Characterisation of polypropylene composite reinforced with chemi-thermomechanical pulp from oil palm trunk via injection moulding process. Polymers. 15 (6), 1338.
27.Kajaks, J., Kolbins, A., & Kalnins, K. (2016). Some exploitation properties of wood plastic composites (WPC) based on high density polyethylene (HDPE) and plywood production waste. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. Pp: 111.
28.Madaraka, M., Ngugi, M., Nzyoki, M., & Fondo, K. (2015). Development of wood-plastic composite at Dedan Kimathi university of technology, Kenya. International Journal of Engineering Research and Applications. 5 (12), 11-17.
29.Pelaez, S., Yadama, M., Garcia-Perez, M., Lowell, E., Zhu, R., & Englund, K. (2016). Interrelationship between lignin-rich dichloromethane extracts of hot water-treated wood fibers and highdensity polyethylene (HDPE) in wood plastic composite (WPC) production. Holzforschung. 70 (1), 31-38.
30.Rowell, R., Sanadi, A., Caulfield, D., & Jacobson, R. (1999). Utilization of natural fibers in plastic composites: Problems and opportunities. Lignocellulosic Plastic Composites. Pp: 23-51.
31.Stark, N. M., & Rowlands, R. E. (2003). Effects of wood fiber characteristics on mechanical properties of wood/ polypropylene composites. Wood and Fiber Science. 35 (2), 167-174.
32.Hosseini, S. B., Hedjazi, S., Jamalirad, L., Fatahi Amin, M., & Izadyar, S. (2017). Comparative investigation of treated bagasse and rice straw on physical and mechanical properties of natural fiber reinforced composites (NFRC). Iranian Journal of Wood and Paper Industries. 8 (3), 453-469.
33.Popy, R. S., Nayeem, J., Yasin Arafat, K. M., & Rhaman, M. M. (2020). Mild potassium hydroxide pulping of straw. Current Research in Green and Sustainable Chemistry. 3(4), 100015.
34.Kim, S., Moonb, J., Kim, C. H., & Sikha, G. (2008). Mechanical properties of polypropylene/naturalfiber composites: Comparison of wood fiber and cotton fiber. Polymer Testing. 27, 801-806.
35.Jamalirad, L., Aminian, H., & Hedjazi, S. (2019). Exploring the potential of milkweed stalk in wood plastic manufacture. Journal of Natural Fiber, 16(1), 77-87.
36.Babaie, B., Jamalirad, L., Vaziri, V., & Hedjazi, S. (2021). Investigation on the functional properties of wood-plastic composite prepared from black liquor powder obtained from alkali sulfiteanthraquinone (AS-AQ) pulping process with wheat straw. Iranian Journal of Forest and Wood Products. 74 (2), 247-260.
37.Suffo, M., Mata, M., de, L. A., & Molina, S. I. (2020). A sugar-beet waste based thermoplastic agro-composite as substitute for raw materials. Journal of Cleaner Production. 257, 120382.
38.Barczewski, M., Sałasińska, K., & Szulc, J. (2019). Application of sunflower husk, hazelnut shell and walnut shell as waste agricultural fillers for epoxy-based composites: A study into mechanical behavior related to structural and rheological properties, Polymer Testing. 75, 1-11.
39.Hyvärinen, M., & Kärki, T. (2015). The effects of the substitution of wood fiber with agro-based fiber (Barley straw) on the properties of Natural fiber/ polypropylene composites. MATEC Web of Conferences, 30, 01014.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل
دوره 32، شماره 3
مهر 1404
صفحه 127-143

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار