تأثیر اثر بازیافت ماتریس پلیمری بر خواص مکانیکی، حرارتی و رفتار آتش‌گیری نانوکامپوزیت پلی‌پروپیلن بازیافتی/خمیر OCC/نانوگرافن

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، ایرانعلوم مهندسی، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف
افزایش مصرف پلیمرها و رشد پسماندهای پلاستیکی، ضرورت استفاده از پلیمرهای بازیافتی و توسعه مواد کامپوزیتی پایدار را افزایش داده است. در این میان، استفاده از الیاف سلولزی در ماتریس‌های پلیمری روشی مؤثر برای کاهش مصرف پلیمرهای بکر است، اما افت خواص مکانیکی ناشی از بازیافت، کاربرد این مواد را محدود می‌کند. نانوگرافن به‌عنوان یک نانوفیلر دوبعدی با خواص مکانیکی و حرارتی ممتاز، می‌تواند این افت خواص را جبران کند. هدف از این پژوهش، بررسی اثر هم‌زمان وضعیت پلی‌پروپیلن (بکر و سه‌بار بازیافتی) و نانوگرافن بر خواص مکانیکی، حرارتی و رفتار آتش‌گیری نانوکامپوزیت‌های پایه پلی‌پروپیلن و الیاف سلولزی بازیافتی است.
مواد و روش‌ها
در این تحقیق، نانوکامپوزیت‌های rPP/OCC بر اساس طرح آزمایشی فاکتوریل 2×3 تهیه شدند. پلی‌پروپیلن در دو سطح بکر و سه‌بار بازیافتی و نانوگرافن در سه سطح 0، 5/0 و 1 درصد وزنی به‌عنوان متغیرهای اصلی در نظر گرفته شدند. مقدار OCC (50 درصد وزنی) و عامل سازگارکننده MAPP (3 درصد وزنی) در تمامی تیمارها ثابت بود. اختلاط مواد با استفاده از اکسترودر دو ماردونه انجام شد و نمونه‌های آزمون به روش قالب‌گیری تزریقی تهیه گردیدند. آزمون‌های مکانیکی شامل کشش، خمش و ضربه فاقدار مطابق استانداردهای ASTM انجام شد. رفتار آتش‌گیری با آزمون شاخص اکسیژن محدود و پایداری حرارتی با آنالیز گرماسنجی وزنی بررسی گردید. تحلیل آماری داده‌ها با استفاده از آزمون تجزیه واریانس و مقایسه میانگین‌ها در سطح اطمینان 95 درصد انجام شد.
یافته‌ها
نتایج نشان داد که افزودن نانوگرافن اثر معنی‌داری بر اغلب خواص مکانیکی و رفتار آتش‌گیری نانوکامپوزیت‌ها دارد. با افزایش مقدار نانوگرافن تا 1 درصد وزنی، مقاومت و مدول کششی به ترتیب 9/9 و 3/7 درصد، مقاومت و مدول خمشی 8/9 و 7/7 درصد و مقاومت به ضربه فاقدار حدود 2 درصد افزایش یافت. همچنین شاخص اکسیژن محدود با افزودن 1 درصد نانوگرافن حدود 7/5 درصد افزایش پیدا کرد که بیانگر بهبود رفتار آتش‌گیری است. نتایج گرماسنجی وزنی نشان داد که حضور نانوگرافن موجب افزایش دمای تخریب و میزان خاکستر باقیمانده شده و پایداری حرارتی کامپوزیت‌ها را بهبود می‌بخشد. در مقابل، بازیافت پلی‌پروپیلن تا سه مرتبه منجر به کاهش خواص مکانیکی شد، به‌طوری که مقاومت و مدول کششی به ترتیب 4/9 و 21/9 درصد، مقاومت و مدول خمشی 5/23 و 92/22 درصد و مقاومت به ضربه فاقدار 7/11 درصد کاهش یافت. اثر بازیافت پلی‌پروپیلن بر شاخص اکسیژن محدود از نظر آماری معنی‌دار نبود و تنها افزایش جزئی حدود 3/0 درصد مشاهده شد. همچنین استفاده از پلی‌پروپیلن بازیافتی موجب کاهش میزان خاکستر باقیمانده و افت پایداری حرارتی گردید. TGA نشان داد نانوگرافن دمای تخریب و میزان باقی‌مانده وزنی را افزایش داده و پایداری حرارتی را بهبود می‌دهد، در حالی که پلیمر بازیافتی عملکرد حرارتی ضعیف‌تری نشان داد.
نتیجه‌گیری
بر اساس نتایج این پژوهش، نانوگرافن به‌عنوان یک تقویت‌کننده مؤثر می‌تواند نقش مهمی در بهبود خواص مکانیکی، افزایش مقاومت در برابر آتش‌گیری و ارتقای پایداری حرارتی کامپوزیت‌های پایه پلی‌پروپیلن ایفا کند. افزودن نانوگرافن تا سطح بهینه 1 درصد وزنی، ضمن بهبود عملکرد کلی کامپوزیت، توانست بخشی از افت خواص ناشی از استفاده از پلی‌پروپیلن بازیافتی را جبران نماید. این یافته‌ها نشان می‌دهد که ترکیب پلی‌پروپیلن بازیافتی، الیاف سلولزی بازیافتی و نانوگرافن می‌تواند رویکردی مناسب برای تولید کامپوزیت‌های با عملکرد بالاتر و سازگارتر با محیط‌زیست باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Polymer Matrix Recycling on the Mechanical, Thermal, and Flammability Properties of Recycled Polypropylene/OCC Pulp/Graphene Nanocomposites

نویسندگان [English]

  • Jafar Ebrahimpour Kasmani 1
  • Ahmad Samariha 2
1 Associate Prof., Dept. of Wood and Paper, Sava.C., Islamic Azad University, Savadkooh, Iran
2 Assistant Prof., Dept. of Engineering Sciences, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives
The increasing consumption of polymers and the growing accumulation of plastic waste have intensified the need for the utilization of recycled polymers and the development of sustainable composite materials. In this context, the incorporation of cellulosic fibers into polymer matrices represents an effective approach to reducing the consumption of virgin polymers. However, the deterioration of mechanical properties caused by repeated recycling limits the broader application of such materials. Graphene nanoplatelets, as two-dimensional nanofillers with exceptional mechanical and thermal characteristics, offer considerable potential for compensating for these property losses. Therefore, the present study aimed to investigate the combined effects of polypropylene condition (virgin and three-times recycled) and graphene nanoplatelet content on the mechanical performance, thermal stability, and flammability behavior of polypropylene-based nanocomposites reinforced with recycled cellulosic fibers.
Materials and Methods
A 2 × 3 factorial experimental design was employed to manufacture rPP/OCC nanocomposites. Polypropylene was considered at two levels (virgin and three-times recycled), while graphene nanoplatelets were incorporated at three loading levels (0, 0.5, and 1 wt%) as the main experimental variables. The contents of OCC pulp (50 wt%) and maleic anhydride-grafted polypropylene (MAPP) compatibilizer (3 wt%) were kept constant in all formulations. Compounding was performed using a co-rotating twin-screw extruder, and test specimens were subsequently produced through injection molding. Mechanical characterization included tensile, flexural, and notched impact tests conducted according to relevant ASTM standards. Flammability behavior was evaluated using the Limiting Oxygen Index (LOI) test, while thermal stability was assessed through thermogravimetric analysis (TGA). Statistical analyses were performed using analysis of variance (ANOVA) and mean comparison tests at a 95% confidence level.
Results
The results demonstrated that graphene nanoplatelets significantly influenced most of the mechanical properties and the flammability behavior of the nanocomposites. Increasing graphene content to 1 wt% enhanced tensile strength and tensile modulus by 9.9% and 7.3%, respectively. Similarly, flexural strength and flexural modulus increased by 9.8% and 7.7%, respectively, while notched impact strength improved by approximately 2%. Furthermore, the incorporation of 1 wt% graphene increased the Limiting Oxygen Index by approximately 5.7%, indicating improved flame resistance. Thermogravimetric analysis revealed that graphene promoted higher degradation temperatures and greater char residue, thereby enhancing the thermal stability of the composites.
Conversely, recycling polypropylene three times adversely affected the mechanical performance of the materials. Tensile strength and tensile modulus decreased by 4.9% and 21.9%, respectively, while flexural strength and flexural modulus declined by 5.23% and 22.92%, respectively. In addition, notched impact strength decreased by 11.7%. The effect of polypropylene recycling on the Limiting Oxygen Index was not statistically significant, with only a marginal increase of approximately 0.3% being observed. Moreover, the use of recycled polypropylene reduced char residue formation and resulted in lower thermal stability. TGA results confirmed that graphene increased both degradation temperature and residual mass, thereby improving thermal performance, whereas recycled polypropylene exhibited comparatively poorer thermal behavior.
Conclusions
The findings of this study indicate that graphene nanoplatelets act as an effective reinforcing nanofiller capable of significantly enhancing the mechanical properties, flame resistance, and thermal stability of polypropylene-based composites. The incorporation of graphene up to an optimum level of 1 wt% successfully improved the overall performance of the composites and partially compensated for the property deterioration associated with recycled polypropylene. These results suggest that combining recycled polypropylene, recycled OCC cellulosic fibers, and graphene nanoplatelets provides a promising strategy for developing high-performance, environmentally sustainable composite materials.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanocomposite
  • Recycled polypropylene
  • OCC pulp
 1.Geyer, R., Jambeck, J. R., & Law, K. L. (2017). Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances. 3(7), e1700782.
2.MacLeod, M., Arp, H. P. H., Tekman, M. B., & Jahnke, A. (2021). The global threat from plastic pollution. Science. 373(6550), 61-65.
3.Kirchherr, J., Reike, D., & Hekkert, M. (2017). Conceptualizing the circular economy: An analysis of 114 definitions. Resources, Conservation and Recycling. 127, 221-232.
4.Kaiser, K., Schmid, M., & Schlummer, M. (2017). Recycling of polymer-based multilayer packaging: A review. Recycling. 3(1), 1.
5.Eriksen, M. K., Pivnenko, K., Olsson, M. E., & Astrup, T. F. (2018). Contamination in plastic recycling: Influence of metals on the quality of reprocessed plastic. Waste management. 79, 595-606.
6.Accinelli, C., Saccà, M. L., Mencarelli, M., & Vicari, A. (2012). Deterioration of bioplastic carrier bags in the environment and assessment of a new recycling alternative. Chemosphere. 89(2), 136-143.
7.Ragaert, K., Delva, L., & Van Geem, K. (2017). Mechanical and chemical recycling of solid plastic waste. Waste Management. 69, 24-58.
8.Sommerhuber, P. F., Welling, J., & Krause, A. (2015). Substitution potentials of recycled HDPE and wood particles from post-consumer packaging waste in Wood–Plastic Composites. Waste Management. 46, 76-85.
9.Clemons, C. (2002). Wood-plastic composites in the United States: The interfacing of two industries. Forest Products Journal. 52(6), 10-18.
10.Abanga, S., Latibati, A. J., Sepidehdam, S. J., Roohnia, M., & Hossein, M. A. (2012). Investigation on the properties of polypropylene/old corrugated container fibers composites with added foaming agents.
11.Bengtsson, M., & Oksman, K. (2006). Silane crosslinked wood plastic composites: Processing and properties. Composites Science and Technology. 66(13), 2177-2186.
12.Gobena, S. T., & Woldeyonnes, A. D. (2024). A review of synthesis methods, and characterization techniques of polymer nanocomposites for diverse applications. Discover Materials. 4(1), 52.
13.Narayan, J., & Bezborah, K. (2024). Recent advances in the functionalization, substitutional doping and applications of graphene/graphene composite nanomaterials. RSC Advances. 14(19), 13413-13444.
14.Tarhini, A., & Tehrani-Bagha, A. R. (2023). Advances in preparation methods and conductivity properties of graphene-based polymer composites. Applied Composite Materials. 30(6), 1737-1762.
15.Ali, Z., Yaqoob, S., Yu, J., D’Amore, A., & Fakhar-e-Alam, M. (2024). A comparative review of processing methods for graphene-based hybrid filler polymer composites and enhanced mechanical, thermal, and electrical properties. Journal of King Saud University-Science. 36(10), 103457.
16.Zhu, P. J., Yan, Y. N., Zhou, Y., Qi, Z. J., Li, Y. F., & Chen, C. M. (2024). Thermal properties of graphene and graphene-based nanocomposites: A review. ACS Applied Nano Materials. 7(8), 8445-8463.
17.Zeinedini, A., & Shokrieh, M. M. (2024). Agglomeration phenomenon in graphene/polymer nanocomposites: Reasons, roles, and remedies. Applied Physics Reviews. 11(4).
18.Sharma, H., Arora, G., Singh, M. K., Rangappa, S. M., Bhowmik, P., Kumar, R., ... & Siengchin, S. (2025). From composition to performance: structural insights into polymer composites. Next Materials. 8, 100852.
19.Kharmoudi, H., Lamtai, A., Elkoun, S., Robert, M., & Diez, C. (2024). Effect of graphene on the mechanical properties of recycled high-density and high-molecular-weight polyethylene blends. Materials. 17(19), 4733.
20.Wan, Y. J., Tang, L. C., Gong, L. X., Yan, D., Li, Y. B., Wu, L. B., ... & Lai, G. Q. (2014). Grafting of epoxy chains onto graphene oxide for epoxy composites with improved mechanical and thermal properties. Carbon.
69, 467-480.
21.Rafiee, M. A., Rafiee, J., Srivastava, I., Wang, Z., Song, H., Yu, Z. Z., & Koratkar, N. (2010). Fracture and fatigue in graphene nanocomposites. Small. 6(2), 179.
22.Kim, H., Miura, Y., & Macosko, C. W. (2010). Graphene/polyurethane nanocomposites for improved gas barrier and electrical conductivity. Chemistry of Materials. 22(11), 3441-3450.
23.Kim, H., & Macosko, C.W. (2009). Processing-property relationships of polycarbonate/graphene composites. Polymer. 50(15), 3797-3809.
24.Chandrasekaran, S., Sato, N., Tölle, F., Mülhaupt, R., Fiedler, B., & Schulte, K. (2014). Fracture toughness and failure mechanism of graphene-based epoxy composites. Composites Science and Technology. 97, 90-99.
25.Kumar, S. K., & Krishnamoorti, R. (2010). Nanocomposites: structure, phase behavior, and properties. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 1, 37-58.
26.Kashiwagi, T., Du, F., Douglas, J. F., Winey, K. I., Harris Jr, R. H., & Shields, J. R. (2005). Nanoparticle networks reduce the flammability of polymer nanocomposites. Nature Materials. 4(12), 928-933.
27.Vilaplana, F., & Karlsson, S. (2008). Quality concepts for the improved use of recycled polymeric materials: a review. Macromolecular Materials and Engineering. 293(4), 274-297.
28.Farah, S., Anderson, D.G., & Langer, R. (2016). Physical and mechanical properties of PLA, and their functions in widespread applications-A comprehensive review. Advanced Drug Delivery Reviews. 107, 367-392.
29.Mengeloglu, F., & Karakus, K. (2008). Some properties of eucalyptus wood flour filled recycled high density polyethylene polymer-composites. Turkish Journal of Agriculture and Forestry. 32(6), 537-546.