بررسی تأثیر هیدروکسید آلومینیوم بر خواص حرارتی و مکانیکی چندسازه حاصل از آرد چوب کاج و پلی‌اتیلن ضایعاتی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

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

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

10.22069/jwfst.2026.24644.2156

چکیده

چکیده

سابقه و هدف

با افزایش نگرانی‌ های زیست‌محیطی ناشی از انباشت پسماند های پلیمری و محدودیت منابع طبیعی، توسعه کامپوزیت‌ های چوب–پلاستیک به‌عنوان یکی از راهکار های پایدار مورد توجه قرار گرفته است. این مواد، ضمن بهره‌ گیری از ضایعات پلیمری و لیگنوسلولزی، قابلیت جایگزینی با مواد سنتی را در کاربردهای مختلف دارند. با این حال، اشتعال‌ پذیری بالا و برخی محدودیت‌های مکانیکی، کاربرد گسترده آن‌ها را با چالش مواجه ساخته است.

در این پژوهش، تأثیر افزودن هیدرو کسید آلومینیوم به‌عنوان عامل بازدارنده شعله بر خواص مکانیکی و حرارتی کامپوزیت‌های مبتنی بر پلی‌اتیلن بازیافتی و آرد چوب کاج مورد بررسی قرار گرفت.

مواد و روش‌ها

در این تحقیق، پلی‌اتیلن بازیافتی (در سطح ثابت 50 درصد)، آرد چوب کاج (در سطح ثابت 50 درصد)، هیدروکسید آلومینیوم در سه سطح (0، 5 و 10 درصد) و انیدرید مالئیک پیوند داده‌شده با پلی‌اتیلن در سطح ثابت 3 درصد، به‌وسیله اکسترودر دو ماردونی (دو مارپیچه) با یکدیگر مخلوط و نمونه‌ های آزمونی استاندارد با استفاده از روش قالب‌ گیری تزریقی ساخته شدند. خواص مکانیکی شامل مقاومت کششی و خمشی، مدول کششی و خمشی، و مقاومت به ضربه فاق‌ دار، همچنین خواص حرارتی و آتش‌گیری، بر اساس استاندارد ASTM اندازه‌گیری شدند.

یافته‌ها

نتایج نشان داد که افزایش هیدروکسید آلومینیوم منجر به کاهش معنی‌ دار در خواص مکانیکی گردید، به‌طوری‌که در سطح ۱۰ درصد وزنی، مقاومت کششی، مدول کششی، مقاومت خمشی، مدول خمشی و مقاومت به ضربه فاقدار به‌ترتیب حدود 12/15، 93/12، 21/14، 69/23 و 7/9 درصد کاهش یافتند. این کاهش به تضعیف چسبندگی بین‌فازی، ایجاد تمرکز تنش و کاهش انعطاف‌پذیری ماتریس نسبت داده می‌شود. در مقابل، نتایج آزمون‌های حرارتی نشان‌دهنده بهبود قابل توجه در رفتار آتش‌گیری کامپوزیت‌ها بود. مقدار شاخص اکسیژن محدود (LOI) از ۱۹ درصد در نمونه شاهد به 93/21 درصد در نمونه حاوی ۱۰ درصد افزودنی افزایش یافت که بیانگر کاهش اشتعال‌ پذیری است. همچنین، افزایش میزان خاکستر باقیمانده در آزمون TGA نشان‌دهنده تشکیل لایه محافظ کربنی–معدنی و افزایش پایداری حرارتی ساختار کامپوزیت می‌باشد.

نتیجه‌گیری

در مجموع، نتایج این پژوهش بیانگر وجود یک رابطه معکوس بین خواص مکانیکی و عملکرد حرارتی در حضور هیدروکسید آلومینیوم است. به عبارت دیگر، اگرچه این افزودنی موجب بهبود مقاومت به آتش می‌شود، اما به‌طور هم‌زمان باعث افت خواص مکانیکی می‌گردد. از این‌رو، تعیین مقدار بهینه افزودنی با توجه به الزامات کاربردی نهایی، امری ضروری است. این مطالعه می‌ تواند به‌ عنوان مبنایی برای طراحی و بهینه‌ سازی کامپوزیت‌ های چوب–پلاستیک با عملکرد چندگانه مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Aluminum Hydroxide on Thermal and Mechanical Properties of Composites Derived from Pine Wood Flour and Waste Polyethylene

نویسندگان [English]

  • Jafar Ebrahimpour Kasmani 1
  • Ahmad Samariha 2
1 Department of Wood and Paper, Islamic Azad University, Savadkoh Branch, Savadkoh, Iran
2 Department of Engineering Sciences, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.
چکیده [English]

Effect of Aluminum Hydroxide on Thermal and Mechanical Properties of Composites Derived from Pine Wood Flour and Waste Polyethylene



Abstract

Background and Objective

With increasing environmental concerns arising from the accumulation of polymer waste and the scarcity of natural resources, the development of wood-polymer composites has attracted considerable attention as a sustainable alternative. These materials, utilizing both polymer and lignocellulosic wastes, possess the potential to replace conventional materials in various applications. However, their high flammability and certain mechanical limitations have challenged their widespread utilization. In this study, the effect of aluminum hydroxide addition as a flame retardant on the mechanical and thermal properties of composites based on recycled polyethylene and pine wood flour was investigated.

Materials and Methods

In this research, recycled polyethylene (at a fixed level of 50 wt%), pine wood flour (at a fixed level of 50 wt%), aluminum hydroxide at three levels (0, 5, and 10 wt%), and maleic anhydride-grafted polyethylene at a fixed level of 3 wt% were mixed using a twin-screw extruder, and standard test specimens were fabricated via injection molding. Mechanical properties including tensile strength and modulus, flexural strength and modulus, and notched impact resistance, as well as thermal and flammability properties, were measured according to ASTM standards.

Results

The results indicated that increasing aluminum hydroxide content led to a significant reduction in mechanical properties. At the 10 wt% level, tensile strength, tensile modulus, flexural strength, flexural modulus, and impact resistance decreased by approximately 15.12%, 12.93%, 14.21%, 23.69%, and 9.7%, respectively. This reduction is attributed to the weakening of interfacial adhesion, stress concentration development, and decreased matrix flexibility. Conversely, the thermal test results demonstrated a significant improvement in the flammability behavior of the composites. The limiting oxygen index (LOI) value increased from 19% in the control sample to 21.93% in the sample containing 10 wt% additive, indicating reduced flammability. Furthermore, the increased residual ash content in the TGA test confirmed the formation of a protective carbonaceous-mineral layer and enhanced thermal stability of the composite structure.

Conclusion

Overall, the results of this study demonstrate an inverse relationship between mechanical properties and thermal performance in the presence of aluminum hydroxide. In other words, although this additive improves fire resistance, it simultaneously causes a decline in mechanical properties. Therefore, determining the optimal additive content based on the final application requirements is essential. This study can serve as a basis for the design and optimization of wood-plastic composites with multi-functional performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wood-plastic composite
  • Recyclated polyethylene
  • Pine wood flour