|
مولفه |
توضیحات |
|---|---|
|
عنوان پایان‌نامه |
تولید کامپوزیت های گرما نرم از الیاف ضایعاتی پلی استر و جوت و بررسی خواص مکانیکی آنها |
|
نویسنده |
مسعود نعمت اللهی |
|
نام استاد راهنما |
سعید فتاحی_محمدصالح احمدی |
|
نام استاد مشاور |
ندارد |
|
دانشگاه و دانشکده |
دانشگاه یزد / دانشکده نساجی |
|
مقطع تحصیلی |
کارشناسی ارشد |
|
تاریخ دفاع |
1401 |
چکیده پایان نامه:
مقدمه:
در دهه‌های اخیر، کامپوزیت‌های پلیمری به دلیل ترکیب خواص مطلوب ماتریس‌های پلیمری و تقویت‌کننده‌های فیبری، جایگاه ویژه‌ای در صنایع پیشرفته یافته‌اند. این مواد به دلیل وزن سبک، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت طراحی متنوع، در حوزه‌هایی نظیر خودروسازی، هوافضا، ساختمان‌سازی، تجهیزات پزشکی و صنایع ورزشی به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در میان کامپوزیت‌های موجود، کامپوزیت‌های گرمانرم به‌دلیل قابلیت پردازش مجدد، بازیافت‌پذیری، کاهش هزینه‌های تولید و امکان استفاده مجدد از مواد ضایعاتی، توجه بسیاری از پژوهشگران و صنایع را به خود جلب کرده‌اند. این کامپوزیت‌ها امکان تغییر شکل تحت گرما را داشته و می‌توانند با اعمال فرآیندهای حرارتی و مکانیکی، مجدداً شکل‌دهی و اصلاح شوند که این ویژگی آنها را به گزینه‌ای مناسب برای تولید محصولات پایدار و کم‌هزینه تبدیل می‌کند.
یکی از مهم‌ترین چالش‌های تولید کامپوزیت‌های گرمانرم، انتخاب مواد تقویت‌کننده مناسب است. الیاف تقویت‌کننده نقش اساسی در بهبود استحکام مکانیکی و پایداری کامپوزیت‌ها دارند. در سال‌های اخیر، توجه به استفاده از الیاف طبیعی مانند جوت، کنف، کتان و الیاف بازیافتی، به‌عنوان جایگزینی برای الیاف مصنوعی نظیر شیشه و کربن افزایش یافته است. این الیاف، علاوه بر تجدیدپذیری، هزینه تولید پایین و کاهش اثرات زیست‌محیطی، دارای ویژگی‌هایی همچون سبک‌وزنی، انعطاف‌پذیری و زیست‌تخریب‌پذیری هستند که می‌توانند به توسعه کامپوزیت‌های دوستدار محیط‌زیست کمک کنند. بااین‌حال، استفاده از الیاف طبیعی در کامپوزیت‌های پلیمری با چالش‌هایی همراه است، از جمله چسبندگی ضعیف آنها به ماتریس پلیمری، حساسیت به رطوبت و کاهش استحکام مکانیکی در مقایسه با الیاف مصنوعی. این چالش‌ها نیازمند تحقیق و توسعه روش‌های بهینه‌سازی سطحی، اصلاح ترکیب مواد و کنترل شرایط فرآوری برای بهبود عملکرد مکانیکی این دسته از کامپوزیت‌ها است.
در این پژوهش، به‌منظور بررسی امکان استفاده از منابع بازیافتی و طبیعی، تولید کامپوزیت‌های گرمانرم با بهره‌گیری از الیاف ضایعاتی پلی‌استر و جوت مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف اصلی این تحقیق، ارزیابی تأثیر این الیاف بر خواص مکانیکی کامپوزیت‌های حاصل و امکان جایگزینی آنها با الیاف مصنوعی متداول است. بدین منظور، فرآیند تولید این کامپوزیت‌ها از طریق روش پرس حرارتی انجام شده و تأثیر نوع الیاف و شرایط فرآوری بر استحکام مکانیکی، مدول الاستیسیته، مقاومت خمشی و خواص ضربه‌ای بررسی شده است. همچنین، چالش‌های فرآوری این کامپوزیت‌ها، از جمله مشکلات چسبندگی الیاف طبیعی و توزیع یکنواخت آنها در ماتریس، مورد ارزیابی قرار گرفته و راهکارهایی برای بهبود عملکرد آنها ارائه شده است.
نتایج این مطالعه می‌تواند به توسعه مواد کامپوزیتی پایدار و مقرون‌به‌صرفه کمک کرده و راهکاری عملی برای استفاده از الیاف ضایعاتی و طبیعی در صنایع مختلف ارائه دهد. علاوه بر این، پژوهش حاضر گامی در جهت کاهش ضایعات پلیمری و بهره‌گیری بهینه از منابع زیستی در راستای تولید مواد دوستدار محیط‌زیست محسوب می‌شود.
مرور ادبیات تحقیق
در مطالعات پیشین در زمینه کامپوزیت‌های گرمانرم تقویت‌شده با الیاف طبیعی، چالش‌ها و مشکلات مختلفی شناسایی شده است که بسیاری از آنها به طور مستقیم با خواص مکانیکی، فرآیند تولید و پیوند بین ماتریس پلیمری و الیاف طبیعی مرتبط است. یکی از مهم‌ترین مشکلاتی که در اکثر تحقیقات به آن اشاره شده، کاهش خواص مکانیکی در دماهای بالا است. الیاف طبیعی، به ویژه جوت، در دماهای بالا دچار سوختگی و تخریب می‌شوند که این امر منجر به افت شدید استحکام و عملکرد مکانیکی کامپوزیت‌ها می‌گردد. به عنوان مثال، کوتس و همکاران (2007) در تحقیق خود نشان دادند که استفاده از الیاف طبیعی در کامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر می‌تواند عملکرد مکانیکی مناسبی ارائه دهد، اما در دماهای بالا، خواص مکانیکی این کامپوزیت‌ها به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. این کاهش در عملکرد مکانیکی به علت واکنش‌های شیمیایی ناشی از حرارت و تخریب الیاف است. برای حل این مشکل، بهینه‌سازی فرآیند پخت پیشنهاد شده است. این فرآیند به تنظیم دقیق دما و زمان پخت اشاره دارد که می‌تواند از سوختگی الیاف جلوگیری کند و خواص مکانیکی آنها را حفظ نماید. همچنین، برخی مطالعات پیشنهاد کرده‌اند که استفاده از ماتریس‌های مقاوم‌تر در برابر حرارت نیز می‌تواند به بهبود عملکرد کامپوزیت‌های گرمانرم کمک کند.
مشکلات فرآوری و چسبندگی ضعیف بین ماتریس و تقویت‌کننده‌ها یکی دیگر از چالش‌های بزرگ در تولید کامپوزیت‌های مبتنی بر الیاف طبیعی است. این مشکل به ویژه در استفاده از الیاف ضایعاتی طبیعی مشهود است. الیاف طبیعی به دلیل ویژگی‌های خاصی مانند جذب رطوبت و سطح ناصاف، نمی‌توانند به راحتی با ماتریس پلیمری پیوند ایجاد کنند و این امر منجر به افت خواص مکانیکی و عملکرد ضعیف کامپوزیت‌ها می‌شود. دی الندرو و همکاران (2009) در مطالعه‌ای نشان دادند که افزودن مواد شیمیایی پیونددهنده به کامپوزیت‌های مبتنی بر الیاف طبیعی می‌تواند چسبندگی بین ماتریس و الیاف را بهبود بخشد و خواص مکانیکی کامپوزیت‌ها را افزایش دهد. از جمله این افزودنی‌ها، مواد شیمیایی مانند رزین‌های اصلاح شده و پلیمرهای سازگار هستند که می‌توانند پیوندهای قوی‌تری بین ماتریس و الیاف ایجاد کنند. همچنین، برخی تحقیقات دیگر بر استفاده از نانومواد و نانوتکنولوژی برای تقویت چسبندگی و عملکرد کلی کامپوزیت‌ها تأکید کرده‌اند. این تکنولوژی‌ها می‌توانند به بهبود خواص مکانیکی، پایداری حرارتی و حتی ویژگی‌های زیست‌محیطی کامپوزیت‌ها کمک کنند.
افت چسبندگی و نفوذ رزین در الیاف طبیعی یکی دیگر از مشکلات عمده است که به طور گسترده در تحقیقات مختلف مورد بحث قرار گرفته است. این مشکل به خصوص در کامپوزیت‌های مبتنی بر الیاف ضایعاتی پلی‌استر و جوت بیشتر مشهود است. به دلیل ساختار ناصاف و آسیب‌دیده الیاف، رزین به طور یکنواخت به داخل الیاف نفوذ نمی‌کند و این امر باعث کاهش یکپارچگی و استحکام کامپوزیت‌ها می‌شود. این مشکل می‌تواند منجر به افت خواص مکانیکی و عملکرد ضعیف کامپوزیت در استفاده‌های صنعتی شود. برای حل این مشکل، برخی تحقیقات پیشنهاد کرده‌اند که از الیاف ترکیبی استفاده شود. این ترکیب می‌تواند به بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت‌ها کمک کند و در عین حال مزایای زیست‌محیطی الیاف طبیعی را حفظ کند. به عنوان مثال، ژانگ و همکاران (2010) در تحقیق خود نشان دادند که ترکیب الیاف طبیعی با الیاف مصنوعی مانند الیاف شیشه یا الیاف کربن می‌تواند چسبندگی بین ماتریس و الیاف را تقویت کرده و در نتیجه، خواص مکانیکی کامپوزیت‌ها را ارتقا دهد.
علاوه بر این، یکی از مسائل مهم دیگری که در تحقیقات مختلف به آن پرداخته شده، مشکلات مربوط به فرآیند تولید کامپوزیت‌ها است. در بسیاری از موارد، فرآیندهای تولید سنتی برای کامپوزیت‌های مبتنی بر الیاف طبیعی از جمله فرآیندهای پخت و قالب‌گیری، نمی‌توانند به خوبی با ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی این الیاف سازگار شوند. این مشکلات می‌توانند منجر به کاهش کیفیت کامپوزیت‌ها و همچنین افزایش هزینه‌های تولید شوند. برای مقابله با این چالش، برخی مطالعات پیشنهاد کرده‌اند که از فرآیندهای تولید پیشرفته مانند فناوری‌های نانو و فناوری‌های تقویت‌کننده استفاده شود که می‌توانند کیفیت کامپوزیت‌ها را افزایش دهند و به کاهش مشکلات فرآیندی کمک کنند.
در نهایت، برای رفع مشکلات متعدد موجود در استفاده از الیاف طبیعی در کامپوزیت‌ها، راه‌حل‌های متعددی ارائه شده است. این راه‌حل‌ها شامل بهینه‌سازی فرآیند پخت به منظور جلوگیری از سوختگی و تخریب الیاف در دماهای بالا، استفاده از افزودنی‌های شیمیایی برای بهبود چسبندگی و خواص مکانیکی، استفاده از الیاف ترکیبی برای تقویت خواص مکانیکی، و استفاده از فناوری‌های نوین مانند نانوتکنولوژی برای افزایش عملکرد کامپوزیت‌ها هستند. این راه‌حل‌ها می‌توانند به بهبود عملکرد کلی کامپوزیت‌ها کمک کرده و چالش‌های موجود در استفاده از الیاف طبیعی را کاهش دهند. به علاوه، در نظر گرفتن کنترل دقیق شرایط تولید و نظارت بر کیفیت کامپوزیت‌ها در مراحل مختلف تولید می‌تواند از اهمیت زیادی برخوردار باشد و موجب ارتقای کیفیت محصولات نهایی شود. بنابراین، تحقیقات آینده باید بر بهینه‌سازی این فرآیندها و توسعه تکنیک‌های نوآورانه برای استفاده بهینه از الیاف طبیعی در کامپوزیت‌ها متمرکز شوند.
روش تحقیق
در این تحقیق، برای تولید کامپوزیت‌های پلیمری گرمانرم تقویت‌شده با الیاف ضایعاتی پلی‌استر و جوت و بررسی خواص مکانیکی آنها، از یک روش آزمایشگاهی پیچیده و دقیق استفاده شد که تمامی مراحل تولید و آزمایش‌ها به دقت کنترل و استانداردسازی شدند. در این قسمت، به شرح کاملی از روش‌های تحقیق و فرآیندهای تولید و ارزیابی پرداخته خواهد شد که به‌منظور دستیابی به نتایج علمی دقیق و قابل‌اعتماد به‌کار گرفته شده‌اند.
برای تولید کامپوزیت‌ها، مواد اولیه با دقت انتخاب و آماده شدند. ماتریس پلیمری اصلی این کامپوزیت‌ها از موکت‌های پلی‌استری سالم و ضایعات موکت‌های پلی‌استری استخراج‌شده تشکیل شد. این مواد به دلیل ویژگی‌های گرمانرم پلی‌استر و قابلیت بازیافت آن، به‌عنوان بهترین انتخاب برای ساخت ماتریس پلیمری در نظر گرفته شدند. پلی‌استر انتخابی از نوع باکیفیت و مقاوم در برابر دما و فشار بود تا بتواند در شرایط پخت و فرآیندهای حرارتی به‌خوبی عمل کند. برای تقویت خواص مکانیکی این کامپوزیت‌ها، از دو نوع الیاف تقویت‌کننده استفاده شد: الیاف شیشه و الیاف جوت. الیاف شیشه به دلیل استحکام کششی بالا، مقاومت به ضربه و دوام در دماهای بالا، به‌عنوان یک تقویت‌کننده سنتزی و مقاوم در برابر فشارهای مکانیکی به‌کار گرفته شدند. الیاف جوت، از آن‌جایی که یک تقویت‌کننده طبیعی و زیست‌تخریب‌پذیر است، با هدف کاهش اثرات زیست‌محیطی و بهره‌برداری از منابع تجدیدپذیر انتخاب شدند. الیاف جوت به‌طور ویژه از ضایعات جوت استخراج شدند و بعد از فرآیندهای مختلفی چون شستشو و خشک‌کردن، به اندازه‌های مناسب برای ترکیب با ماتریس پلی‌استری برش داده شدند. این الیاف به‌طور دقیق در فرآیند ساخت کامپوزیت استفاده شدند تا ویژگی‌های مطلوب مکانیکی به‌دست‌آید.
در مرحله اول، آماده‌سازی مواد به‌طور دقیق صورت گرفت. به‌منظور اطمینان از حذف کامل رطوبت از الیاف و جلوگیری از مشکلاتی که ممکن است در فرآیند تولید از قبیل کاهش چسبندگی رزین به الیاف ناشی از وجود رطوبت پیش آید، از دستگاه رطوبت‌گیر صنعتی استفاده شد. الیاف جوت و پلی‌استر پس از برش به ابعاد دقیق و مناسب، در رطوبت‌گیر قرار گرفتند. این دستگاه با ایجاد جریان هوا و شرایط حرارتی کنترل‌شده، تمامی رطوبت اضافی الیاف را به‌طور کامل حذف کرد. این مرحله از فرآیند برای بهبود کیفیت چسبندگی و جلوگیری از تشکیل فازهای ضعیف در کامپوزیت اهمیت ویژه‌ای داشت. پس از آماده‌سازی اولیه مواد، فرآیند تولید کامپوزیت آغاز شد. در این مرحله، الیاف و ماتریس پلیمری در قالب‌های استاندارد قرار گرفتند. به‌منظور بهبود چسبندگی ماتریس به الیاف، رزین پلی‌استری به‌طور یکنواخت بر روی الیاف و ماتریس‌ها اسپری و یا پاشیده شد. این رزین‌ها پس از ترکیب با الیاف در قالب قرار گرفتند. ترکیب ماتریس پلی‌استری با الیاف شیشه و جوت در نسبت‌های وزنی مختلف انجام شد تا مقایسه‌ای میان خواص مکانیکی کامپوزیت‌های مختلف صورت گیرد. در این مرحله، قالب‌ها به دستگاه پرس حرارتی منتقل شدند.
دستگاه پرس حرارتی به‌عنوان یک دستگاه با دقت بالا، توانایی تنظیم دقیق دما و فشار را داشت که برای تولید کامپوزیت‌های باکیفیت و همگن ضروری بود. در این دستگاه، فرآیند فشرده‌سازی و پخت در دما و فشار خاصی انجام شد. فرآیند پخت تحت کنترل دقیق دما و فشار قرار گرفت تا پیوندهای شیمیایی میان ماتریس پلی‌استری و الیاف تقویت‌کننده به‌طور مؤثر شکل گیرند. دما به‌طور تدریجی افزایش یافت تا به حد مناسب برای پخت و تشکیل پیوندهای شیمیایی در رزین برسد. این فرآیند برای جلوگیری از تخریب الیاف جوت تحت حرارت بالا، در دماهای پایین‌تر کنترل شد. همچنین فشار واردشده به قالب‌ها به‌طور دقیق تنظیم شد تا کامپوزیت‌های تولیدی با ویژگی‌های مکانیکی مطلوب به‌دست آید. در این مرحله، استفاده از فشار یکنواخت و دمای کنترل‌شده اهمیت زیادی داشت، زیرا تغییرات غیرقابل‌کنترل در دما و فشار می‌توانست منجر به عدم یکنواختی در کامپوزیت‌ها و کاهش خواص مکانیکی آنها شود. پس از اتمام فرآیند پخت، قالب‌ها به آرامی خنک شدند تا تنش‌های داخلی ناشی از تغییرات دمایی سریع کاهش یابد. این فرآیند خنک‌سازی تدریجی از ترک‌خوردگی و تغییرات ساختاری ناخواسته جلوگیری کرد.
پس از این که فرآیند تولید کامپوزیت‌ها تکمیل شد، نمونه‌های تولیدشده برای انجام آزمایش‌های مکانیکی آماده شدند. این آزمایش‌ها به‌منظور ارزیابی خواص کششی، خمشی و ضربه‌ای کامپوزیت‌ها انجام گرفت. ابتدا آزمون کشش بر روی نمونه‌های کامپوزیت با استفاده از دستگاه کشش یونیورسال انجام شد. این دستگاه دارای قابلیت‌های خاصی برای اندازه‌گیری مقاومت کششی، مدول الاستیسیته و دقت در ثبت نقاط شکست است. در این آزمایش، نمونه‌ها به‌طور یکنواخت تحت کشش قرار گرفتند تا رفتار آنها در برابر تنش‌های کششی مختلف مورد بررسی قرار گیرد. نتایج این آزمایش اطلاعات دقیقی از میزان مقاومت کامپوزیت‌ها در برابر کشش، قدرت تحمل بار و رفتار الاستیک آنها فراهم کرد.
آزمون بعدی، آزمایش خمش بود که برای ارزیابی مقاومت و استحکام خمشی کامپوزیت‌ها انجام شد. این آزمون به‌منظور سنجش مدول خمشی و مقاومت در برابر تغییر شکل تحت بارهای خمشی انجام گردید. در این آزمایش، نمونه‌ها تحت نیروی خمشی قرار گرفتند و انحرافات حاصل از اعمال نیروی خمشی بر روی نمونه‌ها ثبت شد. داده‌های حاصل از این آزمون به بررسی قابلیت خم‌شدگی و استحکام کامپوزیت‌ها کمک می‌کنند. به‌علاوه، مقاومت ضربه‌ای کامپوزیت‌ها نیز با استفاده از تجهیزات مخصوص آزمون ضربه، بررسی شد. در این آزمایش، نمونه‌ها تحت ضربه‌های دینامیکی قرار گرفتند و میزان انرژی جذب‌شده توسط هر نمونه اندازه‌گیری شد. این آزمون به‌ویژه برای ارزیابی عملکرد کامپوزیت‌ها در شرایط ضربه‌ای و دماهای متغیر کاربردی است و اطلاعات مهمی در مورد دوام و استحکام کامپوزیت‌ها تحت بارهای ضربه‌ای فراهم می‌آورد.
تمام این آزمایش‌ها در شرایط دقیق کنترل‌شده و با دقت بالا انجام شدند تا از صحت و قابل‌اعتماد بودن نتایج اطمینان حاصل شود. تمامی مراحل آزمایش، از آماده‌سازی مواد اولیه تا تحلیل داده‌های آزمایش‌ها، با استفاده از تجهیزات پیشرفته و مطابق با استانداردهای معتبر صورت گرفت تا نتایج علمی دقیق و مستند به‌دست آید.
نتایج تحقیق
در این تحقیق، خواص مکانیکی کامپوزیت‌های پلیمری گرمانرم تقویت‌شده با الیاف ضایعاتی پلی‌استر و جوت با هدف بررسی عملکرد این کامپوزیت‌ها تحت آزمون‌های مختلف مکانیکی مانند کشش، خمش و ضربه مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که نمونه‌های شیشه-پلی‌استر بهترین عملکرد را در تمام آزمون‌ها از خود نشان دادند. در آزمون کشش، نمونه‌های شیشه-پلی‌استر بالاترین مقاومت کششی را داشتند که میانگین آن حدود 120 مگا پاسکال (MPa)بود. این نمونه‌ها به دلیل استحکام بالای الیاف شیشه و چسبندگی قوی رزین به الیاف، بهترین نتیجه را در این آزمون به‌دست آوردند. در مقابل، نمونه‌های جوت-پلی‌استر به دلیل مشکلات فرآیند تولید و سوختگی الیاف جوت در دماهای بالا، مقاومت کششی کمتری داشتند که میانگین آن 45 مگا پاسکال(MPa)بود. همچنین، نمونه‌های ضایعاتی پلی‌استر نیز به دلیل کاهش کیفیت رزین و چسبندگی ضعیف، مقاومت کششی حدود 50 مگا پاسکال(MPa)داشتند که به‌طور قابل‌توجهی کمتر از نمونه‌های شیشه-پلی‌استر بود.
در آزمون خمش، نمونه‌های شیشه-پلی‌استر بالاترین مدول خمشی را داشتند و نشان دادند که توانایی بالایی در مقاومت در برابر تغییر شکل تحت بارهای خمشی دارند. مدول خمشی این نمونه‌ها حدود 15 گیگا پاسکال (GPa)بود. این ویژگی به‌دلیل استحکام بالای الیاف شیشه و چسبندگی مناسب آنها به ماتریس پلی‌استر به‌دست آمد. در مقابل، نمونه‌های جوت-پلی‌استر که به دلیل ضعیف بودن پیوند میان ماتریس پلی‌استر و الیاف جوت عملکرد ضعیف‌تری در آزمون خمش داشتند، مدول خمشی آنها حدود 5 گیگا پاسکال(GPa)بود. نمونه‌های پلی‌استر ضایعاتی نیز مشابه به نمونه‌های جوت در این آزمون ضعیف عمل کردند و مدول خمشی آنها حدود 4 گیگاپاسکال(GPa)بود.
در آزمون ضربه، که به‌منظور ارزیابی میزان انرژی جذب‌شده در برابر ضربات دینامیکی انجام شد، نمونه‌های شیشه-پلی‌استر مقاومت بسیار بالایی در برابر ضربه نشان دادند و انرژی جذب‌شده توسط این نمونه‌ها در برابر ضربه‌ها 50_40 ژول(Joules)بود. این میزان انرژی جذب‌شده، نشان‌دهنده توانایی بالای این کامپوزیت‌ها در مقابله با نیروهای ضربه‌ای بود. اما نمونه‌های جوت-پلی‌استر و ضایعاتی پلی‌استر به‌دلیل آسیب به ساختار الیاف در فرآیند تولید، توانایی کمتری در جذب انرژی ضربه داشتند و انرژی جذب‌شده در این نمونه‌ها کمتر از 20 ژول بود.
همچنین، تأثیر درصد وزنی الیاف بر خواص مکانیکی کامپوزیت‌ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش درصد وزنی الیاف در ماتریس پلی‌استر، خواص مکانیکی، به‌ویژه مقاومت کششی و مدول خمشی، بهبود می‌یابد. با این حال، در درصدهای بالاتر از 40 درصد وزنی الیاف، مشکلاتی مانند کاهش نفوذ رزین به داخل الیاف و افت چسبندگی بین ماتریس و الیاف به وجود آمد که منجر به کاهش خواص مکانیکی گردید.
در نهایت، تأثیر دما بر خواص مکانیکی کامپوزیت‌ها نیز بررسی شد. با افزایش دما، نمونه‌های حاوی الیاف جوت و ضایعات پلی‌استر کاهش قابل‌توجهی در خواص مکانیکی خود نشان دادند. این کاهش به‌ویژه در نمونه‌های جوت-پلی‌استر مشهود بود، جایی که الیاف جوت تحت دماهای بالا دچار آسیب شده و خواص مکانیکی آنها کاهش یافت.
در مجموع، نتایج این تحقیق نشان می‌دهند که کامپوزیت‌های شیشه-پلی‌استر از نظر خواص مکانیکی برتر از دیگر کامپوزیت‌ها عمل کرده و به‌ویژه در آزمون‌های کشش، خمش و ضربه عملکرد بهتری داشتند. از طرف دیگر، کامپوزیت‌های جوت-پلی‌استر و ضایعات پلی‌استر به‌دلیل مشکلات فرآیندی و چسبندگی ضعیف رزین به الیاف، عملکرد ضعیف‌تری نشان دادند. این نتایج به‌وضوح اهمیت فرآیند تولید و انتخاب مناسب الیاف تقویت‌کننده برای بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت‌های پلیمری را نشان می‌دهند.
بحث و تنیجه گیری
تفسیر نتایج
نتایج آزمایش‌های مختلف که در این تحقیق برای ارزیابی خواص مکانیکی کامپوزیت‌های پلیمری گرمانرم تقویت‌شده با الیاف ضایعاتی پلی‌استر و جوت انجام شد، نتایج جالبی را ارائه داد. به‌طور کلی، کامپوزیت‌های شیشه-پلی‌استر نسبت به دیگر نمونه‌ها در تمامی آزمون‌ها، شامل کشش، خمش و ضربه، عملکرد بهتری از خود نشان دادند. این نتایج به دلیل ویژگی‌های خاص الیاف شیشه است که از جمله آنها می‌توان به استحکام بالا و پایداری در برابر تغییرات دما اشاره کرد. در آزمون کشش، که برای ارزیابی مقاومت کامپوزیت در برابر بار کششی صورت گرفت، نمونه‌های شیشه-پلی‌استر بهترین عملکرد را داشتند و مقاومتی حدود 120 مگاپاسکال را نشان دادند. این افزایش مقاومت کششی نشان‌دهنده قدرت بالای پیوند بین ماتریس پلی‌استر و الیاف شیشه است که به‌طور کلی باعث ایجاد استحکام بالا در کامپوزیت‌های شیشه-پلی‌استر می‌شود.
در مقایسه با این نتایج، نمونه‌های جوت-پلی‌استر و پلی‌استر ضایعاتی به دلایل مختلفی که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد، عملکرد ضعیف‌تری داشتند. نمونه‌های جوت-پلی‌استر به دلیل آسیب به الیاف جوت در دماهای بالا و همچنین کاهش چسبندگی رزین به الیاف، مقاومت کششی به‌مراتب پایین‌تری نشان دادند. در این نمونه‌ها، سوختگی الیاف جوت باعث کاهش استحکام و افزایش آسیب‌پذیری آنها تحت بارهای کششی شد. مقاومت کششی این نمونه‌ها در حدود 45 مگاپاسکال به‌دست آمد که به‌طور قابل‌توجهی کمتر از نمونه‌های شیشه-پلی‌استر بود. به‌طور مشابه، نمونه‌های پلی‌استر ضایعاتی به دلیل چسبندگی ضعیف رزین به الیاف و مشکلاتی در فرآیند تولید مانند عدم توزیع یکنواخت رزین درون الیاف، مقاومت کششی آنها نیز در حدود 50 مگاپاسکال بود که همچنان پایین‌تر از کامپوزیت‌های شیشه-پلی‌استر بود.
در آزمون خمش که به‌منظور ارزیابی عملکرد کامپوزیت‌ها در برابر بارهای خمشی طراحی شده بود، کامپوزیت‌های شیشه-پلی‌استر بالاترین مدول خمشی را نشان دادند که بیانگر توانایی بالای این کامپوزیت‌ها در مقابله با تغییر شکل‌های خمشی است. این مدول خمشی حدود 15 گیگاپاسکال بود که از لحاظ مکانیکی به‌طور واضحی بالاتر از نمونه‌های جوت-پلی‌استر( 5 گیگاپاسکال )و پلی‌استر ضایعاتی (4 گیگاپاسکال) بود. این امر نشان می‌دهد که در ترکیب شیشه و پلی‌استر، پیوند قوی‌تری ایجاد شده که اجازه می‌دهد این کامپوزیت‌ها مقاومت بیشتری در برابر تغییر شکل‌های خمشی داشته باشند.
همچنین، در آزمون ضربه، کامپوزیت‌های شیشه-پلی‌استر توانایی بالایی در جذب انرژی ضربه داشتند. انرژی جذب‌شده در این نمونه‌ها حدود 50_40 ژول بود که نشان‌دهنده استحکام و مقاومت خوب این کامپوزیت‌ها در برابر ضربات دینامیکی است. در حالی که نمونه‌های جوت-پلی‌استر و پلی‌استر ضایعاتی به دلیل آسیب‌دیدگی‌های ساختاری و مشکلات فرآیند تولید، انرژی جذب‌شده کمتری در حدود 20 ژول داشتند. این نتیجه نشان‌دهنده آسیب‌پذیری بیشتر نمونه‌های جوت و پلی‌استر ضایعاتی در برابر ضربات بود که عمدتاً ناشی از کیفیت پایین پیوند بین الیاف و ماتریس بود.در مجموع، نتایج نشان می‌دهند که کامپوزیت‌های شیشه-پلی‌استر به‌دلیل ویژگی‌های مکانیکی بالاتر نسبت به نمونه‌های جوت و پلی‌استر ضایعاتی از عملکرد بهتری برخوردار هستند. این نتایج به‌ویژه در آزمون‌های کشش و خمش که نیاز به استحکام و مقاومت بالا دارند، مشهود بود. با این حال، کامپوزیت‌های جوت و پلی‌استر ضایعاتی به دلیل ویژگی‌های زیست‌تخریب‌پذیری و کاهش اثرات زیست‌محیطی، می‌توانند برای کاربردهای خاص مناسب باشند.
محدودیت ها
با وجود نتایج قابل‌توجه به‌دست‌آمده از این تحقیق، برخی محدودیت‌ها و چالش‌ها در استفاده از الیاف طبیعی و ضایعات پلی‌استر در تولید کامپوزیت‌ها وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرند. یکی از اصلی‌ترین محدودیت‌ها، مشکلات مربوط به فرآیند تولید است. نمونه‌های جوت-پلی‌استر به‌ویژه در دماهای بالا دچار سوختگی الیاف جوت شدند که باعث کاهش خواص مکانیکی و آسیب به ساختار کامپوزیت شد. این مشکل ناشی از عدم کنترل دقیق دما و فشار در فرآیند تولید بود که بر پیوندهای شیمیایی بین ماتریس و الیاف تأثیر منفی گذاشت.
دیگر محدودیت‌های شناسایی‌شده شامل چالش‌ها در فرآیند چسبندگی است. در نمونه‌های پلی‌استر ضایعاتی، مشکلاتی در نفوذ یکنواخت رزین به الیاف و کاهش چسبندگی بین ماتریس و الیاف مشاهده شد که منجر به افت خواص مکانیکی در این نمونه‌ها گردید. این نشان‌دهنده نیاز به بهینه‌سازی فرآیند تولید و بهبود ویژگی‌های شیمیایی رزین‌ها برای تضمین چسبندگی بهتر به الیاف است.علاوه بر این، محدودیت‌های دیگر شامل نیاز به ارزیابی تأثیرات بلندمدت این کامپوزیت‌ها در شرایط محیطی و تحت بارگذاری‌های دینامیکی است که هنوز در این تحقیق به‌طور کامل مورد بررسی قرار نگرفته است. این مسئله می‌تواند بر پایداری و عملکرد طولانی‌مدت این کامپوزیت‌ها تأثیرگذار باشد و لازم است در تحقیقات آینده به آن پرداخته شود.
پیشنهادات
با توجه به محدودیت‌ها و نتایج به‌دست‌آمده از این تحقیق، چندین پیشنهاد برای بهبود عملکرد کامپوزیت‌های پلیمری گرمانرم تقویت‌شده با الیاف طبیعی و ضایعات پلی‌استر وجود دارد. اولین پیشنهاد، بهینه‌سازی فرآیند پخت و تولید به‌منظور جلوگیری از سوختگی الیاف جوت و کاهش مشکلات چسبندگی است. برای این منظور، تنظیم دقیق دما و فشار در فرآیند پخت می‌تواند به حفظ کیفیت الیاف و بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت‌ها کمک کند. همچنین، استفاده از افزودنی‌های شیمیایی مانند پلاستی‌فایرها و مواد تقویت‌کننده چسبندگی می‌تواند برای بهبود پیوند بین ماتریس و الیاف مؤثر باشد.
پیشنهاد دیگر، استفاده از الیاف طبیعی دیگر نظیر کنف یا کتان به‌عنوان تقویت‌کننده‌های دیگر است. این الیاف ممکن است خواص مکانیکی بهتری نسبت به جوت در برخی شرایط ارائه دهند و به‌ویژه برای استفاده در کاربردهای صنعتی نیازمند استحکام بالا مناسب باشند.همچنین، افزایش درصد وزنی الیاف در کامپوزیت‌ها برای بهبود خواص مکانیکی می‌تواند مفید باشد، اما باید به دقت انجام شود تا از مشکلاتی مانند کاهش نفوذ رزین و افت چسبندگی جلوگیری شود. به‌علاوه، استفاده از ماتریس‌های پلیمری با قابلیت بهتر جذب الیاف طبیعی می‌تواند به بهبود خواص مکانیکی کمک کند.
در نهایت، انجام ارزیابی‌های بلندمدت برای بررسی عملکرد کامپوزیت‌ها در شرایط واقعی کاربرد و تحت بارگذاری‌های دینامیکی توصیه می‌شود. این ارزیابی‌ها می‌توانند اطلاعات بیشتری درباره پایداری و دوام کامپوزیت‌ها در شرایط محیطی مختلف فراهم کنند و امکان استفاده بهتر و مؤثرتر از این مواد در صنایع مختلف را فراهم آورند.
مراجع
[1] T. Alsaeed, B. Yousif, and H. Ku, “The potential of using date palm fibres as
reinforcement for polymeric composites,” Materials & Design, vol. 43, pp. 177-184,
2013.
[2]L. H. Sperling, Introduction to physical polymer science. John Wiley & Sons, 2005.
خ. ی. پویا شکاری, رضا,شاهباز,حسین,زینال زاده, “مروری بر ساختار ویژگی پلیمرها و[3]
,کاربرد پلیمرها در علوم و تکنولوژی,” چهارمین همایش بین المللی نفت،گاز و پتروشیمی
1396.
[4]J. Wanberg, “Composite Materials Fabrication Handbook# 1 (Composite Garage
Series),” 2009.
[5]1389 ,.ن. محمدی, شیمی فیزیک پلیمرها. دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران
[6] T. Hojo, Z. Xu, Y. Yang, and H. Hamada, “Tensile properties of bamboo, jute and kenafmat-reinforced composite,” Energy Procedia, vol. 56, pp. 72-79, 2014.
[7] E. R. Coats, F. J. Loge, M. P. Wolcott, K. Englund, and A. G. McDonald, “Production of natural fiber reinforced thermoplastic composites through the use of
polyhydroxybutyrate-rich biomass,” Bioresource Technology, vol. 99, no. 7, pp. 2680-
2686, 2008.
[8]M. C. Khoathane, O. Vorster, and E. Sadiku, “Hemp fiber-reinforced 1-
pentene/polypropylene copolymer: the effect of fiber loading on the mechanical and
thermal characteristics of the composites,” Journal of Reinforced Plastics and
Composites, vol. 27, no. 14, pp. 1533-1544, 2008.
[9] L. Di Landro and W. Lorenzi, “Mechanical properties and dynamic mechanical analysis of thermoplastic‐natural fiber/glass reinforced composites,” in Macromolecular
symposia, 2009, vol. 286, no. 1: Wiley Online Library, pp. 145-155.
[10] L. Zhang, G. Huang, and Z. Z. Liu, “Study on the natural fiber/pp wrap spun yarns
reinforced thermoplastic composites,” in Advanced materials research, 2011, vol. 194:
Trans Tech Publ, pp. 1470-1475.
[11] R. Chollakup, R. Tantatherdtam, S. Ujjin, and K. Sriroth, “Pineapple leaf fiber reinforced thermoplastic composites: Effects of fiber length and fiber content on their
characteristics,” Journal of Applied Polymer Science, vol. 119, no. 4, pp. 1952-1960,
2011.
[12] N. L. M. Robertson, J. A. Nychka, K. Alemaskin, and J. D. Wolodko, “Mechanical
performance and moisture absorption of various natural fiber reinforced thermoplastic
composites,” Journal of applied polymer science, vol. 130, no. 2, pp. 969-980, 2013.
[13] S. N. Rafeeq, I. M. Abdulmajeed, and A. R. Saeed, “Mechanical and thermal properties of Date Palm Fiber and Coconut shell particulate filler reinforced Epoxy composite,” Indian J. Appl. Res, vol. 3, no. 4, pp. 89-92, 2013.
[14] A. Fotouh, J. D. Wolodko, and M. G. Lipsett, “Fatigue of natural fiber thermoplastic
composites,” Composites Part B: Engineering, vol. 62, pp. 175-182, 2014.
