خواص مکانیکی نانوکامپوزیت‌های پلی‌پروپیلن-الیاف‌ طبیعی سبک‌شده با عامل فوم‌زا و تقویت‌شده با نانوذرات کربن کروی برای استفاده در صنعت خودرو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 دکتری فرآورده‌های چندسازه چوب، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 استاد گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدۀ منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

4 استاد مرکز تحقیقات نانوتکنولوژی، پژوهشگاه صنعت نفت ایران، تهران، ایران

چکیده

تحقیق حاضر با هدف بررسی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت‌های پلی‌پروپیلن-الیاف طبیعی سبک‌شده با عامل فوم‌زا و تقویت‌شده با استفاده از نانو‌ذرات کربن کروی‌شکل جهت استفاده در صنعت خودرو‌سازی انجام شد. برای این منظور آرد باگاس در سطح ثابت 40 درصد، عامل فوم‌زا آزو ‌دی‌کربن آمید در 3 سطح صفر، 2 و 4 درصد، ونانوذره کربن کروی‌شکل در 4 سطح صفر، 25/0، 5/0 و 1 درصد به عنوان متغیرهای مطالعه، و پلی‌پروپیلن به عنوان ماده پلیمری زمینه و جفت‌کننده مالئیک انیدرید پلی‌پروپیلینه‌شده (به مقدار ثابت 4 درصد) برای ترکیب‌های مختلف نانوکامپوزیت در نظر گرفته شدند. اختلاط مواد و فرایند ساخت با استفاده از دستگاه مخلوط‌کن داخلی و سپس با استفاده از پرس دو مرحله‌ای گرم و سرد انجام و نمونه‌های آزمونی دانسیته، مقاومت به ضربه فاق‌دار، آزمون‌های خمش و کشش با استفاده از قالب‌های استاندارد ساخته شدند. همچنین ریزساختار نانوکامپوزیت با استفاده از تصاویر میکروسکوپی SEM مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد با افزایش مقدار عامل فوم‌زا، دانسیته فراورده به طور‌ معنی‌دار کاهش می‌یابد، امّا بر روی مقاومت‌های مکانیکی جز مقاومت به ضربه تاثیر منفی دارد. مقاومت به ضربه نانوکامپوزیت‌های سبک‌شده مقادیر بالاتری نسبت به نمونه شاهد داشتند. همچنین مشخص شد افزایش مقدار نانوذره کربن توانست کاهش سایر مقاومت را در نانوکامپوزیت‌های سبک‌شده جبران و مقادیر آنها را افزایش دهد. بررسی ریزساختار نمونه‌ها نیز نشان‌داد در حضور نانوذره کربن، ذرات باگاس در داخل پلیمر پراکنش بهتری داشتند و اتصال مناسب‌تری بین آن‌ها و پلیمر وجود داشت. همچنین حضور عامل فوم‌زا، سبب افزایش خلل و فرج و کاهش دانسیته گردید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Mechanical properties of natural fiber/polypropylene, foamed and reinforced with spherical carbon nanoparticles for application in automotive industry

نویسندگان [English]

  • Mehrab Madhoushi 1
  • Amin Malakani 2
  • Ghanbar Ebrahimi 3
  • Alimorad Rashidi 4
1 Assoc. Prof., Department of Wood Engineering and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I.R. Iran
2 Ph.D. in Wood Composites, Department of Wood Engineering and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I.R. Iran
3 Prof., Department of Wood Industries, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, I.R. Iran
4 Prof., Nanotechnology Research Center, Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, I.R. Iran
چکیده [English]

The aim of this study was to investigate the mechanical properties of foamed, reinforced and light weighted natural fiber/polypropylene nanocomposites using spherical carbon nanoparticles for use in the automotive industry. For this purpose, bagasse flour at constant level of 40%, azodicarbonamide foaming agent at 0, 2 and 4% levels, spherical carbon nanoparticles at four levels, namely 0, 0.25, 0.5 and 1% were selected as study variables. Polypropylene as polymeric matrix, and polypropylated maleic anhydride coupling agent (4% constant value) were considered for different nanocomposite compositions. The mixing of materials was performed using an internal mixing machine and then by hot and cold two-step press. Test specimens for density, impact strength, flexural and tensile tests were fabricated using standard molds. The ultrastructure of the nanocomposites was also studied using SEM microscopic images. Results showed that by increasing the amount of foaming agent, the density of the product decreased significantly, but had a negative effect on mechanical strengths except impact strength. Impact strength of lightweight nanocomposites had higher values than that of control samples. It was also found that increasing the amount of carbon nanoparticles was able to compensate for the decrease in other resistances in lightweight nanocomposites and increase their quantities. Ultrastructural examination of the samples also showed that in the presence of carbon nanoparticles, bagasse particles were better dispersed inside the polymer and a better bonding between them and the polymer occurred. Also, the presence of a foaming agent increases the pores and decreases the density.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Automotive industry
  • Bagasse
  • Foaming agent
  • Impact strength
  • Nanocomposite
  • Spherical carbon nanoparticle

مراجع

[1]. Anesll, M. (2015). Wood Composites. Woodhead Publishing. 444 Pp.
[2]. Ashori, A.R. (2008). Wood-plastic composites as promising green-composites for automotive industry. Bioresource Technology, 99(11): 4661-4667.
[3]. Schwarzkopf, M.J., and Burnard, M.D. (2016). Wood-plastic composites-performance and environmental impacts. in environmental impacts of traditional and innovative forest-based bioproducts. Environmental Footprints and Eco-design of Products and Processes, 19-43.
[4]. Ashori, A., Shahrebabak, A.B., and Madhoushi, M. (2015). Effects of nanoclay and coupling agent on fungal degradation and water absorption of sanding dust/high density polyethylene composites. Journal of Composite Materials, 49(9): 1107-1114.
[5]. Ghanbari, A., Madhoushi, M., and Ashori, A. (2014). Wood plastic composite panels: Influence of the species, formulation variables and blending process on the density and withdrawal strength of fasteners. Journal of Polymers and the Environment, 22(2): 260-266.
[6]. Chavooshi, A., Madhoushi, M., Navi, M., and Abareshi, M.Y. (2014). MDF dust/PP composites reinforced with nanoclay: Morphology, long-term physical properties and withdrawal strength of fasteners in dry and saturated conditions. Construction and Building Materials, 52: 324-330.
[7]. Kord, B., Varshoei, A., and Chamany, V. (2011). Influence of chemical foaming agent on the physical, mechanical, and morphological properties of HDPE/wood flour/nanoclay composites. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 30 (13): 1115-1124.
[8]. Kord, B., and Kord, B. (2016). Influence of type and content of chemical foaming agent on the dynamic mechanical properties of high density polyethylene-flax fiber composites. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 7 (2): 179-191.
[9]. Petchwattana, N., and Covavisaruch, S. (2010). Influences of particle sizes and contents of chemical blowing agents on foaming wood plastic composites prepared from poly(vinyl chloride) and rice hull. Materials and Design, 32 (5): 2844-2850.
[10]. Tavassoli Farsheh, A., Talaeipour, M., Hemmasi, A. H., Khademieslami, H., and Ghasemi, I. (2011). Investigation on mechanical and morphological properties of foamed nanocomposites based on wood flour/PVC / multi-walled carbon nanotube. BioResources, 6(1): 841-852.
[11]. Oksman Niska, K., Sain, M. (2008). Wood–Polymer Composites. Woodhead Publishing. 384 pp.
[12]. Zimmermann, M., Turella, T., Santana, R., and Zattera, A. (2014). The influence of wood flour particle size and content on the rheological, physical, mechanical and morphological properties of EVA/wood cellular composites. Materials and Design, 57: 660–666.
[13]. Soares, F.A., and Machtigall, S.M.B. (2013). Effect of chemical and physical foaming additives on the properties of PP/wood flour composites. Polymer Testing, 22 (4): 640-646.
[14]. Bikiaris, D. (2011). Microstructure and properties of polypropylene/carbon nanotube nanocomposites. Materials, 3(4): 2884-2946.
[15]. Koubaa, A., Kada, D., Migneault, S., and Tabak, G. (2016). Physical and mechanical properties of polypropylene wood carbon fiber hybrid composites. Bioresources, 11(1), 1393-1406.
[16]. Yaghoobi, H., and Fereidoon, A. H. (2019). Preparation and characterization of short kenaf fiber-based biocomposites reinforced with multi-walled carbon nanotubes. Composites: B., 162: 314-322.
[17]. Prashantha, K., Soulestin, J., Lacrampe, M. F., Claes, M., Dupin, G., and Krawczak, P. (2008). Multi-walled carbon nanotube filled polypropylene nanocomposites based on masterbatch route: Improvement of dispersion and mechanical properties through PP-g-MA addition. eXPRESS Polymer Letters, 2(10): 735-745.
نشریه جنگل و فرآورده های چوب
دوره 73، شماره 2
شهریور 1399
صفحه 177-187

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار