تأثیر عوامل اتصال‌دهنده (کوپلینگ ایجنت) مالئیک انیدرید و اکریلیک اسید بر روی کامپوزیت HDPE-چوب

مقدمه

    یکی از مهم‌ترین فاکتورهای مؤثر در بهبود خواص کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف تقویت‌کننده هم‌چون الیاف شیشه، چسبندگی مناسب ماتریس پلیمری با الیاف است. این چسبندگی باید منجر به انتقال نیروی وارده از کامپوزیت به اجزای تشکیل‌دهنده کامپوزیت شود. برای تشکیل پیوند مناسب بین الیاف و پلیمر در کامپوزیت، لازم است از کوپلینگ ایجنت‌ یا سازگارکننده‌هایی هم‌چون PE-g-MA یا PP-g-AA استفاده شود. تحقیقات متعددی برای اصلاح سطح الیاف چوب با استفاده از کوپلینگ ایجنت‌ها (عوامل اتصال‌دهنده) در جهت بهبود خواص کامپوزیت‌های پلاستیک-الیاف چوب صورت گرفته است. یکی از این تحقیقات، مطالعه بهبود خواص کامپوزیت HDPE-چوب به وسیله عوامل کوپلینگ ایجنت اکریلیک اسید و مالئیک انیدرید بر پایه PE و PP است.

    در این مقاله به بررسی تأثیر جفت‌کننده (بر پایه مونومر اکریلیک اسید و مالئیک انیدرید) و رزین پایه (پلی‌اتیلن (PE) و پلی‌پروپیلن (PP)) روی خواص کششی و خمشی کامپوزیت پلی‌اتیلن با دانسیته بالا (HDPE)-چوب پرداخته می‌شود.

ساخت کامپوزیت HDPE-چوب

    انواع مختلفی از دو عامل سازگارکننده نام‌برده‌شده (عوامل سازگارکننده بر پایه اکریلیک اسید و مالئیک انیدرید) در این کامپوزیت استفاده می‌شوند. جدول زیر مشخصات این کوپلینگ ایجنت‌ها (Coupling Agents) را بررسی می‌کند.

جدول 1- مشخصات عوامل اتصال‌دهنده استفاده‌شده در کامپوزیت

    نتایج این آزمون در جدول زیر قابل مشاهده است.

جدول 2- خواص مکانیکی HDPE خالص و کامپوزیت‌های HDPE-چوب

    نکته ای که در جدول فوق حائز اهمیت است، این است که استحکام کششی کامپوزیت HDPE-چوب کم‌تر از HDPE خالص است. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که چسبندگی ضعیف بین سطحی میان چوب و ماتریس HDPE یکی از عوامل افت استحکام کششی است. عمل گرافت (که توسط عامل اتصال‌دهنده انجام می‌شود)، صرف نظر از مونومر عامل و نوع رزین پایه، تأثیر مثبتی روی استحکام کششی کامپوزیت دارد. تمام پلی‌اولفین‌های عامل‌دار، به‌طرز قابل توجهی استحکام تسلیم کامپوزیت HDPE-چوب را نسبت به کامپوزیت‌های بدون جفت‌کننده بهبود می‌بخشند. این افزایش چشم‌گیر در استحکام کششی کامپوزیت‌ها ممکن است به بهبود چسبندگی بین سطحی میان چوب و ماتریس HDPE نسبت داده شود. بهبود چسبندگی بین سطحی را می‌توان به ماهیت واکنش شیمیایی گروه‌های عاملی عوامل اتصال‌دهنده و گروه‌های هیدروکسیلی پودر چوب و انتشار زنجیره پلی‌اولفینی سازگارکننده‌ها داخل فاز ماتریس HDPE حین فرآیند مرتبط دانست. در این حالت اکریلیک اسید و گروه‌های مالئیک انیدرید بر روی سطح پودر چوب چسبانده شده که می‌تواند زنجیره‌های پلی‌اولفین را به سطح پودر چوب متصل کند.

    می‌توان واکنش‌های شیمیایی فوق را در شکل‌های زیر مشاهده نمود.

شکل 1. واکنش استری بین آرد چوب و a) مالئات پلی‌اتیلن b) اکریلیک اسید

شکل 2. مکانیزم‌های فرضیه‌ای بین ماتریس HDPE و آرد چوب با افزودن پلی‌اتیلن‌های عامل‌دارشده با عوامل اتصال‎‌دهنده: a) مالئات پلی‌پروپیلن و b) پلی‌اتیلن عامل‌دار‌شده با اکریلیک اسید

    شکل‌های بالا روند واکنش شیمیایی فرآیند مورد بحث را نشان می‌دهد. شکل اول واکنش شیمیایی گروه‌های عاملی عوامل اتصال‌دهنده و گروه‌های هیدروکسیلی پودر چوب را نمایش می‌دهد و در شکل دوم به پخش شدن زنجیره پلی‌اولفینی سازگارکننده‌ها در ماتریس HDPE پرداخته می‌شود. بهبود چشم‌گیر استحکام در نقطه تسلیم کامپوزیت HDPE-چوب، به‌شدت به مونومرهای عاملی کوپلینگ ایجنت‌ها و نوع رزین پایه بستگی دارد (شکل 2).

    با توجه به نوع مونومرهای عامل‌دار، پلی‌اولفین‌های عامل‌دارشده با مالئیک انیدرید، عمل‌کرد بهتری نسبت به پلی‌اولفین عامل‌دارشده با اکریلیک اسید دارند. قابل توجه است که پلی‌اولفین‌های عامل‌دارشده با اکریلیک اسید باعث بهبود استحکام کامپوزیت می‌شوند؛ اما تأثیر آن کم‌تر از افزودن عامل اتصال‌دهنده پلی‌اولفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید است. این نتایج دلالت بر بهبود بیش‌تر خاصیت‌های خیس‌شوندگی و چسبندگی سطحی پودر چوب و ماتریس HDPE توسط پلی‌اولفین گرافت‌شده با مالئیک انیدرید دارد.

گردآورنده: حسین چیانی