محققان دانشگاه صنعتی اصفهان در طرحی تحقیقاتی با استفاده از پوست پسته، نانوکامپوزیتی ساخته‌اند که از استحکام کششی بالایی برخوردار است. این نانوکامپوزیت که قابل کاربرد در صنعت ساختمان‌سازی است، در مقابل رطوبت، رنگ باختگی و انواع قارچ‌ها و حشرات مقاوم است.
دانشگاه صنعتی اصفهان: ساخت نانوکامپوزیت چوب ـ پلاستیک با پوست پسته
با توجه به رشد روز افزون مصرف کامپوزیت‌های چوب ـ پلاستیک، پژوهش‌های گسترده‌ای در زمینه‌ی بهبود ویژگی‌های آن‌ها در حال انجام است. استفاده از ضایعات کشاورزی به عنوان پرکننده در تهیه کامپوزیت چوب- پلاستیک از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در پژوهش انجام شده از پودر پوست پسته به عنوان پرکننده ماتریس پلی‌اتیلن سنگین استفاده شده است. همچنین اثر حضور نانورس (cloisite 20A) و پایدارکننده‌های نوری بر خواص کششی، ضربه، رنگ باختگی و مقاومت در برابر هوازدگی کامپوزیت چوب- پلاستیک تولیدی مورد بررسی قرار گرفته است.
استفاده‌ی بهینه از ضایعات کشاورزی و تبدیل آن به محصولی با خواص مهندسی مطلوب و جلوگیری از قطع درختان از جمله دستاوردهای این طرح است. از طرفی با بهره‌گیری از نانوذرات رس در ساخت این کامپوزیت، میزان جذب آب توسط آن کاهش پیدا کرده و استحکام و مدول کششی آن افزایش یافته است.
از طرفی حضور پایدارکننده‌های نوری آمینی بازدارنده (HALS) و دی اکسید تیتانیوم سبب می‌شود که میزان رنگ باختگی محصول با گذشت زمان کمتر شده و در مقایسه با نمونه‌ی شاهد (بدون حضور پایدارکننده‌ها) به حد قابل قبولی برسد.
مهندس محمد علی عابدینی، کارشناس ارشد پلیمر از دانشگاه صنعتی اصفهان، دلیل انتخاب پودر پوست پسته به عنوان پرکننده را این‌گونه بیان کرد: «ایران و آمریکا همیشه در جایگاه برتر تولید پسته جهان قرار دارند و هر ساله هزاران تن پسته توسط این دو کشور تولید و صادر می‌شود. لذا دسترسی به پوست پسته به عنوان ضایعات کشاورزی در داخل کشور بسیار آسان است. از طرفی ساختار پوست پسته و اجزای تشکیل دهنده‌ی آن به‌ویژه سلولز موجود در آن، این ماده را گزینه‌ی مناسبی برای ساخت کامپوزیت می‌کند. این ماده حاوی موادی همچون سلولز، همی سلولز و لیگنین است.»
بزرگترین مزیت کامپوزیت چوب ـ پلاستیک سازگاری خوب آن با محیط زیست است. این ماده که از چوب‌های زائد و مواد پلاستیکی بازیافتی ساخته می‌شود، هزینه‌ی نگهداری کمتری در مقایسه با چوب سخت دارد. همچنین در برابر پوسیدگی‌ها، قارچ‌ها و حمله‌ی حشرات از مقاومتی بالا برخوردار است.
عابدینی در ادامه مراحل ساخت و بررسی نانوکامپوزیت تولیدی را به این ترتیب شرح داد: «در ساخت این نانوکامپوزیت از سه قسمت وزنی (phc) مختلف نانوذرات رس، پایدارکننده‌های نوری آمینی بازدارنده (HALS) و دی اکسید تیتانیوم استفاده شده است. ماده‌ی زمینه نیز پلی اتیلن سخت بوده است. طراحی آزمایش‌ها به روش آماری تاگوچی انجام گرفت. ۹ ترکیب از درصدهای مختلف مواد اولیه به روش دو مرحله‌ای اختلاط مذاب در یک اکسترودر دو مارپیچه ساخته شد. پس از آماده سازی نمونه‌ها، آزمون‌های کشش و ضربه بر روی آن‌ها انجام شد. در ادامه بهترین نمونه انتخاب و همراه با نمونه‌ی شاهد در دستگاه آزمون هوازدگی (Q-Panel) قرار گرفت. آزمون هوازدگی به مدت ۱۵۰۰ ساعت بر روی نمونه‌ها انجام شد. در فاصله زمانی ۲۵۰، ۵۰۰، ۱۰۰۰ و۱۵۰۰ ساعت، آزمون سنجش رنگ و آزمون کشش بر روی نمونه‌ها انجام شد و نتایج مورد بررسی قرار گرفت.»
بر اساس نتایج گزارش شده، بهترین میزان افزایش استحکام کششی و مدول کششی در صورت استفاده از ۳ قسمت وزنی نانوذارات بدست می‌آید و با افزایش این مقدار به ۶ قسمت نتیجه معکوس خواهد شد. به گونه‌ای که با افزایش میزان نانورس از صفر به ۳ قسمت وزنی، استحکام کششی ۲۷% افزایش می‌یابد، در حالی که با افزایش بیشتر به ۶ قسمت، این ویژگی به ۴% کاهش می‌یابد. از طرفی از آنجا که سطح ویژه نانورس بسیار زیاد است، سطحی که در معرض زنجیرهای پلیمری قرار می‌گیرد بسیار بزرگ است. بنابراین افزایش چشمگیر مدول کششی دردرصدهای بسیار کم نانورس دور از انتظار نیست. با تشکیل ساختارهای لایه‌ای و بین لایه‌ای و ایجاد چسبندگی سطحی قوی بین پلیمر و نانوذرات رس، تحرک زنجیرهای پلیمری با محدودیت روبرو شده و تنش وارد شده به کامپوزیت به ذرات نانورس با مدول و استحکام کششی بالا انتقال پیدا می‌کند. اما زیاد شدن مقدار نانوذرات رس به ۶ قسمت وزنی، موجب کاهش ۲ درصدی مدول کششی می‌شود. در درصدهای بالای نانورس، تشکیل ساختارلایه‌ای کاهش پیدا می کند.
جذب آب درون کامپوزیت به طور غیر مستقیم نشان دهنده‌ی میزان چسبندگی بین سطحی بین پلی‌اتیلن و ضایعات کشاورزی است. در صورتی که چسبندگی بالا باشد، جذب آب کامپوزیت به شدت کمتر از حالتی است که چسبندگی ضعیف است. به عبارتی جذب آب زیاد نشان دهنده‌ی این است که ضایعات کشاورزی به خوبی توسط زنجیرهای پلی‌اتیلنی کپسولی نشده‌اند و نمی‌توانند به عنوان سدی در برابر نفوذ آب به کامپوزیت عمل کنند. جذب رطوبت عمدتاً از طریق مغز لیف، حفره‌های کوچک، فواصل و نقص‌های موجود در فصل مشترک و میکروترک‌های به وجود آمده در ماتریس هنگام اختلاط صورت می‌گیرد.
نتایج این تحقیقات حاصل همکاری مهندس محمد علی عابدینی، دکتر سعید نوری خراسانی- عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان- و مهندس جواد مفتخریان است که نتایج آن در مجله‌ی Polymers and Polymer Composites (جلد ۲۲، شماره ۴، ماه آوریل، سال ۲۰۱۴، صفحات ۴۰۹ تا ۴۱۶) به چاپ رسیده است.
استفاده‌ی بهینه از ضایعات کشاورزی و تبدیل آن به محصولی با خواص مهندسی مطلوب و جلوگیری از قطع درختان از جمله دستاوردهای این طرح است. از طرفی با بهره‌گیری از نانوذرات رس در ساخت این کامپوزیت، میزان جذب آب توسط آن کاهش پیدا کرده و استحکام و مدول کششی آن افزایش یافته است.
از طرفی حضور پایدارکننده‌های نوری آمینی بازدارنده (HALS) و دی اکسید تیتانیوم سبب می‌شود که میزان رنگ باختگی محصول با گذشت زمان کمتر شده و در مقایسه با نمونه‌ی شاهد (بدون حضور پایدارکننده‌ها) به حد قابل قبولی برسد.
مهندس محمد علی عابدینی، کارشناس ارشد پلیمر از دانشگاه صنعتی اصفهان، دلیل انتخاب پودر پوست پسته به عنوان پرکننده را این‌گونه بیان کرد: «ایران و آمریکا همیشه در جایگاه برتر تولید پسته جهان قرار دارند و هر ساله هزاران تن پسته توسط این دو کشور تولید و صادر می‌شود. لذا دسترسی به پوست پسته به عنوان ضایعات کشاورزی در داخل کشور بسیار آسان است. از طرفی ساختار پوست پسته و اجزای تشکیل دهنده‌ی آن به‌ویژه سلولز موجود در آن، این ماده را گزینه‌ی مناسبی برای ساخت کامپوزیت می‌کند. این ماده حاوی موادی همچون سلولز، همی سلولز و لیگنین است.»
بزرگترین مزیت کامپوزیت چوب ـ پلاستیک سازگاری خوب آن با محیط زیست است. این ماده که از چوب‌های زائد و مواد پلاستیکی بازیافتی ساخته می‌شود، هزینه‌ی نگهداری کمتری در مقایسه با چوب سخت دارد. همچنین در برابر پوسیدگی‌ها، قارچ‌ها و حمله‌ی حشرات از مقاومتی بالا برخوردار است.
عابدینی در ادامه مراحل ساخت و بررسی نانوکامپوزیت تولیدی را به این ترتیب شرح داد: «در ساخت این نانوکامپوزیت از سه قسمت وزنی (phc) مختلف نانوذرات رس، پایدارکننده‌های نوری آمینی بازدارنده (HALS) و دی اکسید تیتانیوم استفاده شده است. ماده‌ی زمینه نیز پلی اتیلن سخت بوده است. طراحی آزمایش‌ها به روش آماری تاگوچی انجام گرفت. ۹ ترکیب از درصدهای مختلف مواد اولیه به روش دو مرحله‌ای اختلاط مذاب در یک اکسترودر دو مارپیچه ساخته شد. پس از آماده سازی نمونه‌ها، آزمون‌های کشش و ضربه بر روی آن‌ها انجام شد. در ادامه بهترین نمونه انتخاب و همراه با نمونه‌ی شاهد در دستگاه آزمون هوازدگی (Q-Panel) قرار گرفت. آزمون هوازدگی به مدت ۱۵۰۰ ساعت بر روی نمونه‌ها انجام شد. در فاصله زمانی ۲۵۰، ۵۰۰، ۱۰۰۰ و۱۵۰۰ ساعت، آزمون سنجش رنگ و آزمون کشش بر روی نمونه‌ها انجام شد و نتایج مورد بررسی قرار گرفت.»
بر اساس نتایج گزارش شده، بهترین میزان افزایش استحکام کششی و مدول کششی در صورت استفاده از ۳ قسمت وزنی نانوذارات بدست می‌آید و با افزایش این مقدار به ۶ قسمت نتیجه معکوس خواهد شد. به گونه‌ای که با افزایش میزان نانورس از صفر به ۳ قسمت وزنی، استحکام کششی ۲۷% افزایش می‌یابد، در حالی که با افزایش بیشتر به ۶ قسمت، این ویژگی به ۴% کاهش می‌یابد. از طرفی از آنجا که سطح ویژه نانورس بسیار زیاد است، سطحی که در معرض زنجیرهای پلیمری قرار می‌گیرد بسیار بزرگ است. بنابراین افزایش چشمگیر مدول کششی دردرصدهای بسیار کم نانورس دور از انتظار نیست. با تشکیل ساختارهای لایه‌ای و بین لایه‌ای و ایجاد چسبندگی سطحی قوی بین پلیمر و نانوذرات رس، تحرک زنجیرهای پلیمری با محدودیت روبرو شده و تنش وارد شده به کامپوزیت به ذرات نانورس با مدول و استحکام کششی بالا انتقال پیدا می‌کند. اما زیاد شدن مقدار نانوذرات رس به ۶ قسمت وزنی، موجب کاهش ۲ درصدی مدول کششی می‌شود. در درصدهای بالای نانورس، تشکیل ساختارلایه‌ای کاهش پیدا می کند.
جذب آب درون کامپوزیت به طور غیر مستقیم نشان دهنده‌ی میزان چسبندگی بین سطحی بین پلی‌اتیلن و ضایعات کشاورزی است. در صورتی که چسبندگی بالا باشد، جذب آب کامپوزیت به شدت کمتر از حالتی است که چسبندگی ضعیف است. به عبارتی جذب آب زیاد نشان دهنده‌ی این است که ضایعات کشاورزی به خوبی توسط زنجیرهای پلی‌اتیلنی کپسولی نشده‌اند و نمی‌توانند به عنوان سدی در برابر نفوذ آب به کامپوزیت عمل کنند. جذب رطوبت عمدتاً از طریق مغز لیف، حفره‌های کوچک، فواصل و نقص‌های موجود در فصل مشترک و میکروترک‌های به وجود آمده در ماتریس هنگام اختلاط صورت می‌گیرد.
نتایج این تحقیقات حاصل همکاری مهندس محمد علی عابدینی، دکتر سعید نوری خراسانی- عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان- و مهندس جواد مفتخریان است که نتایج آن در مجله‌ی Polymers and Polymer Composites (جلد ۲۲، شماره ۴، ماه آوریل، سال ۲۰۱۴، صفحات ۴۰۹ تا ۴۱۶) به چاپ رسیده است.
