اثر کربنات کلسیم (CaCO3) بر تخریب PVC/NBR ترکیب شده در سیستم سوخت اتومبیل با B30

اثر کربنات کلسیم (CaCO3) بر تخریب PVC/NBR ترکیب شده در سیستم سوخت اتومبیل با B30 سازگاری لاستیک مورد استفاده در سیستم سوخت خودرو با بیودیزل در پاسخ به افزایش محتوای بیودیزل سیاست های دولتی در دیزل تجاری مورد قبول بسیاری از کشورها مورد بررسی قرار گرفته است. ترکیبات الاستومری بر اساس لاستیک های نیتریل (NBR) مقاومت کمتری در برابر تخریب نشان دادند. تغییر فرمول پلیمر پایه ممکن است مقاومت در برابر تخریب را افزایش دهد، اما هزینه های بیشتری دارد. فرمولاسیون لاستیکی به طور کلی از لیستی از مواد تشکیل دهنده و پرکننده ها تشکیل شده است که می توانند به عنوان تقویت کننده یا غیر تقویت کننده با یکدیگر تداخل داشته باشند. کربن سیاه به طور کلی به عنوان پرکننده و تقویت کننده و کربنات کلسیم به عنوان غیر تقویت کننده به دلیل استفاده گسترده از اندازه ذرات بزرگتر با کاهش هزینه استفاده می شود. از طریق آزمایش کششی و تجزیه و تحلیل SEM، تأثیر افزودن کربنات کلسیم با اندازه ذرات بزرگتر بر تجزیه مخلوط پلی وینیل کلراید (PVC) و نیتریل بوتادین (NBR) پس از غوطه وری 1008 ساعته در دمای 80 درجه سانتی گراد با B30 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که CaCO3 باید از فرمول PVC/NBR اجتناب شود تا مقاومت تخریب در هنگام تماس با بیودیزل افزایش یابد.

با توجه به استفاده از بیودیزل در 10 سال گذشته و روندهای افزایش تا B20 در برزیل، تغییرات مواد غیر سازگار با غلظت بالای بیودیزل توسط خودروسازان مورد نیاز است. استفاده از بیودیزل به عنوان منبع سوخت مزایای زیادی از قبیل: کاهش وابستگی کشور به سوخت های فسیلی، پتانسیل افزایش صنایع محلی، تقویت برنامه های اجتماعی کشاورزی در برزیل و مزایای کلی برای محیط زیست را در پی خواهد داشت. از آنجایی که ترکیب شیمیایی بیودیزل متفاوت از گازوئیل نفتی است، بیودیزل با ترکیبات لاستیکی برهمکنش می کند و بسته به نوع زنجیره پلیمری، تورم بیش از حد و از دست دادن قدرت را ایجاد می کند. بیودیزل را می توان از انواع مختلف روغن ها با فرآیند آستری شدن ترانس تهیه کرد. منابع روغن که معمولاً برای تولید بیودیزل در برزیل استفاده می شود عبارتند از سویا، دانه پنبه و چربی های حیوانی. مشارکت روغن سویا برای تولید بیودیزل در برزیل در سال گذشته حدود 75 درصد بود.

بیودیزل معمولاً با گازوئیل نفتی مخلوط می شود و غلظت مخلوط با شماره زیر حرف B نشان داده می شود.

(B7 ترکیبی از 7٪ بیودیزل و 93٪ دیزل نفتی است. ( اخیراً مجلس سنای فدرال برزیل افزایش 1 درصدی این قانون را تصویب کرد).

بخش بیودیزل مخلوط در جولای 2014 و 1 درصد بیشتر در نوامبر 2014 اجرا می شود. محتوای آب برای توزیع کنندگان 150 میلی گرم در لیتر و پایداری اکسیداسیون بود و از 6 ساعت به 8 ساعت افزایش یافت. تعداد اسیدیته محدود به 0.5 میلی گرم KOH/g تغییر نکرده است. نقاط غیر اشباع روی لاستیک NBR ممکن است ضعیف ترین نقطه در زنجیره برای واکنش با بیودیزل باشد. درصد بالاتری از اکریلونیتریل در لاستیک نیتریل ممکن است بتواند از چنین تخریب هایی جلوگیری کند. علیرغم این واقعیت، مطالعات قبلی نشان می دهد که ترکیبات لاستیکی از طریق واکنش با ستون فقرات پلیمری و سیستم اتصال عرضی یا واکنش با سیستم پرکننده متورم یا تخریب می شوند. محققان تأثیر مخلوط های مختلف دیزل-بیودیزل با شیلنگ های سوخت لاستیکی نیتریل در دمای 25 و 70 درجه سانتی گراد را ارزیابی کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که سطوح بالاتر بیودیزل منجر به خراب شدن مواد بیشتر می شود و تعداد اسید بیودیزل با زمان قرار گرفتن در معرض افزایش می یابد. مقاومت در برابر تخریب انواع خاصی از الاستومرها به دلیل استفاده گسترده از لاستیک در صنعت خودرو باید عمیقاً مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. بسیاری از قطعات ساخته شده از مواد لاستیکی می توانند باعث خرابی های احتمالی شوند که ایمنی را در بین سایر ویژگی ها تحت تأثیر قرار می دهد. NBR مخلوط با PVC به طور گسترده ای برای قالب گیری شیلنگ های سوخت خودرو و واشرهای فرستنده سوخت استفاده می شود و این اجزا در تماس مداوم با سوخت هستند.

تولید کنندگان چنین قطعاتی دارای فرمول لاستیکی هستند که ترکیبی از اجزای مختلف است که می توانند با بیودیزل تعامل داشته باشند و ترکیبات متعددی وجود دارد، با این حال فرمولاسیون باید مشخصات مواد یا عملکرد قطعات را برآورده کند.

به گفته پژوهشگران، کربنات کلسیم به طور گسترده ای به عنوان پرکننده در صنایع پلاستیک و لاستیک استفاده می شود. دلیل اصلی این برنامه کاهش هزینه با تأثیر کمتر بر مقاومت کششی است. این می تواند به صورت طبیعی یا شیمیایی یافت شود.

به طور کلی کربنات کلسیم می تواند به عنوان یک تقویت کننده در نظر گرفته شود. از سوی دیگر، سیاه کربن به طور گسترده به عنوان عنصر تقویت کننده اصلی در صنعت لاستیک بیش از یک قرن مورد استفاده قرار گرفته است. با ترکیب کربن سیاه، می توان خواص مکانیکی و مقاومت خستگی لاستیک ها را تا حد زیادی بهبود بخشید. اگرچه انواع دیگر پلیمرهای لاستیکی با مقاومت تخریب بهتر در برابر بیودیزل مانند لاستیک فلورین (FKM) و لاستیک هیدروژنه نیتریل بوتادین (HNBR) وجود دارد، فعل و انفعالات با پرکننده ها به طور عمیق مورد بررسی قرار نگرفته است. بنابراین، هدف از این کار بررسی تخریب سیاه کربنی و سیاه کربنی با کربنات کلسیم پر شده بر روی ماتریس لاستیک PVC/NBR در برابر B30 است. در بررسی مرغوبترین فن آوری، مطالعاتی پایه گذاری نشده است که در آن ارزیابی تخریب لاستیک PVC/NBR با پرکننده های مختلف به دنبال روشهای پیشنهادی در تحقیقات کنونی انجام شده باشد.

در این تحقیق PVC/NBR با نسبت 30/70 به ترتیب و 45٪ آکریلونیتریل در پلیمر NBR به عنوان زنجیره پایه پلیمر انتخاب شد. دو نمونه با انواع مختلف پرکننده مورد آزمایش قرار گرفت. نوع پرکننده هر نمونه حمل شده سیاه کربنی و سیاه کربنی با CaCO3 بود.

تست آماده سازی

ترکیبات در یک میکسر داخلی استاندارد مطابق ASTM D3182 ساخته شد و میزان مواد مورد استفاده در هر ترکیب متناسب با 1.5 کیلوگرم NBR/PVC بود. محفظه اختلاط در حدود 4 دقیقه یک پیش مخلوط بدون شتاب دهنده ایجاد کرد. NBR ابتدا به مدت 1 دقیقه خرد شد و سپس پرکننده ها، نرم کننده ها، اسید استئاریک و اکسید روی به مخلوط استاندارد داخلی اضافه می شوند. شتاب دهنده (TBBS) و عامل پخت (DTDM) تنها پس از سرد شدن پیش مخلوط به مدت 2 ساعت در دمای اتاق به آن اضافه می شوند. سپس این ترکیب حداقل شش بار از غلطک ها عبور کرده و هر بار تسطیح شده است، بنابراین پراکندگی کامل مواد اضافه شده وجود دارد. یک نمونه کوچک از هر ترکیب بر روی یک دستگاه اندازه گیر متحرک (MDR) سری 2000 ساخته شده به مدت 1 ساعت در دمای 170 درجه سانتی گراد تجزیه و تحلیل شد تا زمان سوزش مشخص شود. ولکانیزاسیون به منظور بدست آوردن ورق های مربع (150 در 150 در 150 میلی متر) در یک پرس هیدرولیک انجام شد. نمونه های آزمایش مکانیکی زیر بر روی ورق ها انجام شد:

استحکام کششی، حجم و سختی.

نمونه های سوختی بیودیزل

B30 با مخلوطی از گوگرد کم B10 (S10) و B100بدست آمد. بیودیزل از روغن دانه سویا به دست آمد. استاندارد ASTM D664 برای شماره اسیدیته سوخت پس از مخلوط شدن بیودیزل B30 استفاده شد. طبق اسیدهای استاندارد EN 14214 و ASTM D6751، تعداد اسیدهای بیودیزل کمتر از 0.5 میلی گرم KOH/g است. این پارامتر بسیار قابل توجه است زیرا تهاجمی بودن سوخت را نشان می دهد.

نتایج نمونه آزمایش

تغییر اسید زیستی پس از غوطه وری

مقادیر اسیدیته B30 قبل و بعد از غوطه وری با ترکیبات لاستیکی در دمای 80 درجه سانتی گراد ارائه شده است. قبل از غوطه ور شدن این پارامتر بالاتر از مقررات برزیل (0.5 میلی گرم KOH/g) است و پس از تماس با ترکیبات لاستیکی، میزان اسیدیته به میزان قابل توجهی برای ترکیبات مورد آزمایش کاهش یافته است. سیاه کربن بر کاهش اسیدیته در آخرین تغییر سوخت، بیشترین تأثیر را داشت. آنتی اکسیدان موجود در ترکیبات لاستیکی ممکن است به بخش سوخت مهاجرت کرده و واکنش نشان داده و محصولات اکسیداسیون بیودیزل را تثبیت کرده و باعث کاهش تعداد اسیدیته شود.

تعداد اسید یک پارامتر است که مستقیماً با محتوای اسیدهای چرب آزاد مرتبط است. این به عنوان معیاری برای خوردگی و اثر تخریب بیودیزل در نظر گرفته می شود. آنتی اکسیدان ها برای مهار فرآیند اکسیداسیون عمل می کنند و به کاهش آن کمک می کنند.

تغییر ویژگی های مکانیکی

خواص کششی بیشترین پارامترهای اندازه گیری شده پس از سختی هستند. این امر تا حدی به استفاده از مقاومت کششی به عنوان معیار کلی کیفیت نسبت داده می شود.

شکست، استحکام کششی در شکست و تورم پس از 1008 ساعت غوطه وری در B30 در دمای 80 درجه سانتی گراد و از دست دادن و طویل شدن می تواند نشان دهنده تخریب زنجیره پلیمر یا جذب سوخت باشد. ترکیبات متورم و عملکرد حلال مشابهی را با مخلوط سوخت نشان می دهد که باعث تغییر در افزایش طول در هنگام شکست می شود، زیرا فرآیند تخریب با حمله و نفوذ حلال شروع می شود. علاوه بر این، اسیدهای کربوکسیلیک تولید شده توسط هیدرولیز بیودیزل می توانند با پیوندهای عرضی گوگرد واکنش داده و در تجزیه ترکیب الاستومر واکنش نشان دهند. افزایش طول در نمونه حاوی کربن سیاه با ترکیب کربنات کلسیم در طول دوره مورد آزمایش در مقایسه با کربن سیاه کاهش یافت. کاهش حدود 20 درصدی تغییر از نمونه اولیه برای نمونه های حاوی کربن سیاه با کربنات کلسیم مشاهده شد، در حالی که سیاه کربن در حدود 11 درصد کاهش یافت. بنابراین می توان گفت که نمونه هایی که فقط کربن سیاه دارند در برابر B30 پایدارتر از CaCO3 سیاه کربنی هستند.

نتیجه گیری

بر اساس نتایج آزمایشات مکانیکی که تأثیر PVC/NBR پر شده با کربن سیاه و کربن سیاه را با کربنات کلسیم از پرکننده های لاستیکی در معرض B30 بیش از 1008 ساعت در دمای 80 درجه سانتی گراد نشان می دهد، می توان نتیجه گرفت که کربن سیاه مقاومت بهتری در برابر B30 در دمای 80 درجه سانتی گراد نشان می دهد. ترکیب کربن سیاه با کربنات کلسیم تقریباً دو برابر تخریب می شود و اسیدیته B30 به نظر می رسد پس از تماس با نمونه های لاستیکی کاهش می یابد.

این نتیجه گیری به تأثیر عمده ترکیبات پرکننده بر تخریب خواص مکانیکی اجزای PVC/NBR اعمال شده در سیستم سوخت در تماس با B30 اشاره می کند.