فوم های پلی یورتان (PUF ) به ویژه گروه مفیدی از پلیمرهای سلولی با کاربردهای فراوان در صنایع مختلف هستند. آن ها به طور گسترده در مبلمان، صندلی خودرو، عایق و در کاربردهایی که به تطبیق پذیری مواد شیمیایی پلی یورتان نیاز دارد، استفاده می شوند. PUFها معمولاً از طریق واکنش چندافزودنی بین پلی‌ال‌ها و ایزوسیانات با سایر افزودنی‌ها برای تقویت فرآیند فوم‌سازی تولید می‌شوند. دو نوع اصلی PUF وجود دارد، فوم های پلی یورتان ریجید (RPUF ) و فوم های پلی یورتان فلکسیبل (FPUF ) که بر اساس نوع مواد اولیه و مواد افزودنی مورد استفاده برای ساخت آن ها متفاوت هستند. مواد خام برای تولید آن ها عمدتاً از منابع پتروشیمی است که اکنون به دلیل مسائل زیست محیطی مرتبط با سنتز این مواد، نامحبوب شده اند. افزایش تقاضا برای یک محیط پاک منجر به استفاده از منابع طبیعی برای توسعه مواد سبز نوآورانه شده است. بنابراین این امر صنعت پلی یورتان را بر آن داشته تا فوم های کامپوزیتی را از مواد تجدید پذیر به ویژه پلی ال های روغن های گیاهی خوراکی و غیرخوراکی و ایزوسیانات های اسیدهای آمینه یا اسیدهای چرب تهیه کرده و همچنین استفاده از الیاف طبیعی از زباله های کشاورزی به عنوان پرکننده را توصیه می کند. استفاده از این مواد پایدار سازگار با محیط زیست به طور موثر به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای کمک کرده، پایداری و حفاظت از محیط زیست را ارتقا داده و معیاری مقرون به صرفه برای تولید کامپوزیت ها فراهم می کند. در میان مواد تجدیدپذیری که امروزه در صنعت پلی یورتان استفاده می شود، استفاده از الیاف طبیعی به عنوان پرکننده توجه زیادی را به خود جلب کرده است. به طور کلی، پرکننده ها برای بهبود دانسیته، خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی و حرارتی پلیمرها شناخته شده اند. علاوه بر این، آن ها یک روش مقرون به صرفه برای تولید کامپوزیت های پلیمری بدون به خطر انداختن خواص ذاتی آن ها هستند. مطالعات متعدد نشان می دهد که افزودن الیاف طبیعی به فوم های کامپوزیتی پلی یورتان خواص مکانیکی این فوم ها را بهبود می بخشد. جدای از این، الیاف طبیعی این امکان را برای اصلاح PUF ها فراهم می کند تا خواصی مانند پایداری و رسانایی حرارتی، بازدارندگی شعله، آکوستیک، جذب صدا و عایق را از خود نشان دهند.
در دهه گذشته، مقالات متعددی در مورد استفاده از الیاف طبیعی به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت های پلیمری منتشر شده است. به عنوان مثال، Gowda و همکارانش یک بررسی جامع درباره ی استفاده از الیاف طبیعی به عنوان یک منبع پایدار و تجدید پذیر برای توسعه کامپوزیت های سازگار با محیط زیست منتشر کردند. آن ها در مورد انواع مختلف الیاف طبیعی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند (مانند ابریشم، بامبو، الیاف نارگیل و غیره)، چگونگی افزایش خواص این الیاف از طریق عملیات شیمیایی، کاربردهای کامپوزیت های تقویت شده و غیره بحث کردند. بررسی آن ها به طور کلی در مورد مواد کامپوزیتی پلیمری بدون تاکید بر پلیمر خاصی بود. به همین ترتیب، محقق دیگری مقاله ای در رابطه با الیاف طبیعی به عنوان تقویت‌کننده سازگار با محیط زیست برای کامپوزیت‌های پلیمری منتشر کرد. آن ها در مورد عوامل مختلفی که بر خواص الیاف طبیعی تأثیر می‌گذارند و اینکه چگونه چسبندگی سطحی با ماتریس پلیمری را می‌توان برای تولید کامپوزیت‌هایی با خواص بهبود یافته برای کاربردهای مفید بهبود بخشید، بحث کردند. تاکید آن ها بر کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف کنف و الیاف زغال سنگ بود که ماتریس آن ها عمدتاً پلی پروپیلن، پلی اتن و پلی لاکتیک اسید بود.
در حال حاضر، اطلاعات کمی در مورد بررسی فوم های کامپوزیتی پلی یورتان تقویت شده با الیاف طبیعی وجود دارد. یکی از بررسی های جالب منتشر شده در مورد فوم های کامپوزیتی پلی یورتان این است که توسط Kauser برای کاربردهای با کارایی بالا با تمرکز بر نانوپرکننده های مبتنی بر کربن به عنوان تقویت کننده و کاربردهای این فوم های کامپوزیتی در صنایع منتخبی مانند هوافضا و خودرو، حسگرها، مواد ضد حریق. و زیست پزشکی منتشر شده است.
با وجود این ویژگی های جالب، استفاده از الیاف طبیعی در تقویت پلیمرهای ترموپلاستیک با چالش هایی همراه است. اولا، آن ها به دلیل ماهیت لیگنوسلولزی آب دوست بوده و این باعث می شود که ترکیب با یک ماتریس پلی یورتانی آبگریز به دلیل چسبندگی سطحی ضعیف بین الیاف و ماتریس، موثر نباشد. علاوه بر این، ماهیت قطبی الیاف طبیعی باعث جذب رطوبت شده که منجر به تورم این الیاف می شود که باعث کاهش خواص مکانیکی آن ها می گردد. با این حال، این اشکالات را می توان با اصلاح شیمیایی الیاف، قبل از استفاده برطرف نمود.
الیاف طبیعی:
به طور کلی، الیاف طبیعی الیافی هستند که از منابع گیاهی یا حیوانی به دست می‌آیند و شامل الیاف سلولزی کاملاً طبیعی (پنبه، زغال سنگ و غیره) و الیاف مبتنی بر پروتئین مانند پشم و ابریشم می‌شود. آن هایی که از منابع گیاهی تهیه می شوند را می توان تا حد زیادی به عنوان الیاف چوبی یا غیر چوبی طبقه بندی کرد. الیاف چوب عمدتاً از چوب نرم و سخت و چوب بازیافتی تشکیل شده است. الیاف غیر چوبی از منابع مختلفی مانند برگ، کاه، چمن و غیره به دست می آیند. در حال حاضر، الیاف غیر چوبی مشتق شده از ضایعات کشاورزی در صنعت پلی یورتان به ویژه برای کاربردهای تقویت کننده توجه زیادی را به خود جلب کرده است. انواع متداول که لیگنوسلولزی هستند عبارتند از پوسته نارگیل، پوسته برنج، پوست گندم، پوسته هسته خرما، کنف، کتان، پوسته پنبه، فیبر موز و غیره. آن ها معمولاً به دلیل در دسترس بودن، دانسیته کم، تجدیدپذیری و اثر سایشی کمتر آن ها بر تجهیزات فرآوری، جایگزینی کم هزینه برای پرکننده های معدنی هستند. علاوه بر این، الیاف طبیعی به وفور در اشکال مختلف در سرتاسر جهان در دسترس هستند، غیر سمی بوده و می توان آن ها را از نظر شیمیایی اصلاح کرد تا سازگاری آن ها با ماتریس پلیمری بهبود یابد. آن ها استحکام و سفتی خوبی داشته و عملاً هیچ انتشار دی اکسید کربنی را نشان نمی دهند. این ویژگی ها باعث می شود پرکننده های طبیعی/زیستی به همتایان معدنی خود ترجیح داده شوند. با وجود این ویژگی های جالب، استفاده از الیاف طبیعی در تقویت پلیمرهای ترموپلاستیک با چالش هایی همراه است.
فوم های کامپوزیتی پلی یورتان تقویت شده با الیاف طبیعی:
چندین مطالعه نشان داده اند که افزودن الیاف طبیعی به فوم های پلی یورتان فلکسیبل (FPUFs ) باعث افزایش خواص مکانیکی در مقایسه با افزودن پرکننده های معدنی مانند CaCO3 می گردد. در یکی از این مطالعات، Uzoma و همکارانش اثر استفاده از پوسته بامبارا و پوسته ذرت را بر روی فوم پلی یورتان فلکسیبل بررسی کرد و آن را با فوم پر شده با CaCO 3 مقایسه نمود. آن ها دریافتند که فوم های پر شده با پوسته بامبارا مقاومت بهتری در برابر پاره شدن و خرد شدن داشته و از این رو در مقایسه با فوم های پر شده با CaCO 3 برای ساخت محصولات اثاثیه و لوازم داخلی ایده آل هستند. از سوی دیگر، فوم‌های پر شده با پوسته ذرت، مقاومت فشاری بالاتری نسبت به فوم‌های CaCO 3 نشان دادند. در بین سه پرکننده مورد استفاده، CaCO 3 کمترین مقاومت فشاری را نشان داده در حالی که پوسته ذرت بیشترین مقاومت را داشت. علاوه بر این، افزایش دانسیته در فوم‌های پر شده با پرکننده‌های طبیعی در مقایسه با فوم‌های پرشده با CaCO3 وجود داشت. کریس اوکافور و همکارانش اثرات پوسته نارگیل و ذرت را بر خواص FPUF بررسی کردند. آن ها درصد پرکننده را تغییر دادند (۵٪، ۱۰٪، ۱۵٪، ۲۰٪، ۲۵٪). با این حال، ازدیاد طول در نقطه شکست و استحکام کششی با افزایش غلظت پرکننده کاهش یافت. آن ها اظهار داشتند که این مشاهدات به برهمکنش ضعیف بین پرکننده ها و ماتریس پلی یورتان و همچنین حفره های ایجاد شده توسط پرکننده ها در فاز ماتریس مربوط می شود. مطالعه آن ها همچنین نشان داد که افزایش بار پرکننده همچنین منجر به افزایش نیروی انحراف فرورفتگی (IDF ) می‌شود که یک ویژگی فیزیکی است که استحکام فوم‌های پلی‌یورتان را اندازه‌گیری میکند. در ادامه این مطالعه، کریس اوکافور و همکارانش از مخلوطی از پوسته برنج و ذرت به عنوان پرکننده برای تولید FPUF استفاده کردند که نتایج آن، یافته‌های مطالعه قبلی خود را که در آن از پوسته نارگیل و ذرت استفاده کردند، تأیید کرد. آن ها مشاهده کردند که افزایش بار پرکننده منجر به افزایش متناظر در دانسیته می گردد.
علاوه بر افزایش دانسیته و استحکام فشاری، پرکننده‌های طبیعی نیز خواص میرایی و حرارتی فوم‌ها را بهبود می‌بخشند. محققان مشاهده کردند که ذرات زغال سنگ دارای دمای تجزیه بالایی بوده و از این رو برای استفاده به عنوان پرکننده مناسب هستند. علاوه بر این، افزودن پرکننده‌ها یک ساختار سلولی با اندازه سلول کوچک‌تر و تراکم سلولی بالاتر ایجاد کرده و از این رو میرایی بهتری برای کاربردهای جذب انرژی ایجاد میکند. همچنین، Bryskiewicz و همکارانش کشف کردند که افزودن پوسته گردو و پوسته فندق نیز منجر به بهبود پایداری حرارتی فوم‌های PU می شود. علاوه بر این، استفاده از حدود ۱۳ درصد از ترکیب پوسته گردو و فندق منجر به بهبود انعطاف‌پذیری فوم در مقایسه با فوم‌های پر نشده می‌شود. یکی دیگر از جنبه های جالب الیاف طبیعی این است که به افزایش خواص دیگر مانند عایق بودن و خاصیت جذب صدای فوم های پلی یورتان ریجید کمک می کند.
تهیه فوم های پلی یورتان تقویت شده با الیاف:
فرآوری فوم های پلی یورتان مستلزم اختلاط معرف ها و افزودنی ها به نسبت های مناسب برای اطمینان از کنترل فرآیند فوم سازی برای تولید فوم هایی با خواص و کاربردهای مطلوب است. در طی فرآیند فوم شدن، یک کاتالیزور واکنش بین پلی ال و ایزوسیانات را سرعت می بخشد. سورفکتانت برای کنترل برهمکنش بین اجزای غیر همگن مخلوط واکنش اضافه می گردد. همچنین، عوامل اتصال متقاطع و گسترش زنجیره برای ارائه تقویت مکانیکی برای بهبود خواص فیزیکی از طریق اصلاح ساختار پلی یورتان اضافه شده است. علاوه بر این، پرکننده ها برای تقویت پلیمر و کاهش هزینه اضافه می شوند. این پرکننده‌ها معمولاً از طریق یکی از دو جزء اصلی سیستم پلی‌یورتان (پلی‌ال/ایزوسیانات) به فرمول فوم وارد می‌شوند قبل از اینکه با مواد خام دیگر مخلوط شوند. به طور معمول، این پرکننده ها در پلی ال ها پراکنده می شوند تا یک پیش مخلوط پلی ال تشکیل دهند.
سپس کاتالیزورها، سورفکتانت‌ها و آب برای بهبود پراکندگی پرکننده‌ها در پلی‌ال، بسته به نوع پرکننده مورد استفاده و نوع خاصیتی که فرمول به دنبال تقویت آن است، اضافه می‌گردد. سپس مخلوط حاصل به مقدار مشخصی ایزوسیانات اضافه شده و به صورت مکانیکی مخلوط می شود. در مواردی که به فوم با دانسیته بالا نیاز است، حجم آب مصرفی در فرمولاسیون کاهش می یابد. افزودن پرکننده ها تا حد زیادی به نوع فوم (اعم از فلکسیبل یا ریجید) و نوع خاصیت و کاربرد آن بستگی دارد. Gayathri و گروهش فوم پلی یورتان فلکسیبل اصلاح شده با نانو سیلیس و نانو خاک رس را برای بهبود جذب صدا، رفتار مکانیکی و حرارتی تهیه کردند. در آماده سازی خود، آنها پرکننده ها (تا ۲٪) را با ایزوسیانات به جای پلی ال مخلوط کردند. با استفاده از رویکردی مشابه با Gayathri و گروهش، Jathin و همکارانش اثر پرکننده آلومینا بر خواص مکانیکی فوم های پلی یورتان ریجید را بررسی کردند. آن ها مقدار مورد نظر پرکننده را با دی فنیل متان دی ایزوسیانات (MDI) مخلوط کرده و این ماده به پیش مخلوط پلی ال اضافه شد. آن ها گزارش دادند که مقاومت فشاری و خمشی فوم های پر شده بهتر از فوم های پر نشده بود. از بررسی روش‌های مختلف تهیه مشخص می‌شود که روش افزودن پرکننده به فرمولاسیون فوم تأثیر قابل‌توجهی بر فرآیند فوم‌سازی ندارد. تنها مشکلی که ایجاد می کند افزایش ویسکوزیته مخلوط واکنش بوده، بنابراین، به حداقل رساندن مقدار پرکننده ای که می توان به پیش مخلوط پلی ال اضافه کرد که در نهایت بر میزان بهبود یک خاصیت خاص تأثیر بگذارد، اهمیت دارد.
اثرات اصلاح الیاف:
یکی از جنبه های آماده سازی فوم که بر خواص فوم کامپوزیت تأثیر می گذارد، اصلاح الیاف است. به طور طبیعی، یک الیاف اصلاح نشده تمایل به جذب رطوبت داشته که می تواند باعث لایه برداری بین الیاف و ماتریس پلیمری شود و می تواند به شدت بر استحکام مواد کامپوزیتی حاصل تأثیر بگذارد. این به این دلیل است که الیاف طبیعی آبدوست بوده و بنابراین می توانند اثر تقویت کنندگی خود را به حداقل برسانند. ثانیا، ماهیت آبگریز ماتریس پلی یورتان همراه با الیاف آبدوست می تواند منجر به چسبندگی ضعیف، جداسازی بین فازی و انتقال محدود بار تنشی در فوم کامپوزیت گردد. علاوه بر این، وجود برخی ترکیبات آلی مانند واکس های موجود در سطح این الیاف گاهی اوقات به عنوان موانعی عمل کرده که چسبندگی سطحی موثر بین پرکننده و ماتریس پلیمری را مختل می کند. چندین مطالعه نشان داده اند که اصلاح شیمیایی پرکننده ها تأثیر فوق العاده ای بر توانایی تقویت آن ها دارد. در یکی از این مطالعات، Czlonka و گروهش اثرات الیاف اکالیپتوس اصلاح شده شیمیایی را بر خواص مکانیکی، حرارتی و عایقی فوم های کامپوزیت پلی یورتان ریجید بررسی کردند. آن ها از چند اصلاح با استفاده از انیدرید مالئیک، قلیایی و سیلان استفاده کرده و گزارش کردند که الیاف اصلاح شده با سیلان در مقایسه با سایر فوم‌های کامپوزیتی بهبود خواص قابل توجهی را نشان می‌دهند. Czlonka و گروهش مشاهده کردند که فوم های پر نشده دارای محتوای بالایی از سلول های همگن بسته بودند. مورفولوژی فوم‌های اصلاح‌شده با الیاف اکالیپتوس اصلاح نشده سلول‌های باز ناهمگن بیشتری با کاهش تخلخل (۹۱.۵% تا ۸۹.۲%) نشان داد. با این حال، فوم‌های پر شده با اکالیپتوس اصلاح شده با مواد شیمیایی ساختاری یکنواخت‌تر و سلول‌های بسته‌تری داشتند. همان را می توان در مورد تخلخل آن ها (> 90٪) گفت که نشان می دهد که اصلاح شیمیایی باعث افزایش چسبندگی سطحی بین پرکننده ها و ماتریس پلی یورتان می شود. این باعث افزایش مقاومت فشاری آن ها شده که به حدود ۲۰٪ افزایش می یابد. به همین ترتیب، ضربه و مقاومت خمشی نیز به ترتیب ۴۸% و ۶% افزایش یافت.
بدون دیدگاه