1-   مقدمه

تقاضای انرژی بالا و کاهش مداوم سوخت‌های فسیلی ما را به سمت منابع انرژی پایدار سوق می‌دهد که بی‌پایان و دوستدار محیط‌زیست هستند. اگرچه برق خورشیدی مزایای زیادی نسبت به سایر اشکال تولید انرژی دارد، اما مشکل اصلی هزینه و نیاز به زمین وسیع است که در جهان به سختی در دسترس است. یک راه نوآورانه برای استفاده از انرژی خورشیدی، یعنی نیروگاه‌های خورشیدی شناور، این مشکل را برطرف می‌کند. نیروگاه خورشیدی شناور می‌تواند در هر منبع آبی نصب شود که نه تنها باعث افزایش میزان تولید انرژی به دلیل اثر خنک‌کنندگی آب می‌شود، بلکه نیاز به زمین‌های پرهزینه را نیز کاهش می‌دهد.

ویژگی‌های مطلوب ساختارهای شناور شامل نداشتن سموم، مقاومت در برابر آب شور و اسیدهای قلیایی، مقاومت در برابر اشعه UV، قابلیت بازیافت و توانایی تحمل دماهای بین -60 °C تا 80 °C به مدت طولانی زیر آب بدون افت خواص مکانیکی است. مواد اصلی که می‌توانند به عنوان ساختار استفاده شوند، شامل عناصر شناور پلاستیکی و عناصر فولاد ضدزنگ[1]  هستند. از آنجایی که فلزات بسیار گران‌قیمت هستند و همچنین در برابر مواد شیمیایی مختلف موجود در منابع آبی مقاومت کمتری دارند، ساخت پلاستیک‌های شناور به دلیل سبک بودن و خواص مقاومت خوب آنها مورد توجه قرار گرفته است. در بین خانواده پلیمرها، ماده HDPE از گروه پلی‌اتیلن رایج‌ترین ماده برای سیستم‌های خورشیدی شناور است. چگالی ماده HDPE بین 0.940 تا 0.965 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. همچنین، خواص مکانیکی HDPE به خوبی و بدون خرابی در شرایط آب و هوایی طبیعی به مدت طولانی حفظ می‌شوند که آنها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت ساختار پنل‌های خورشیدی شناور تبدیل می‌کند.

یکی از عواملی که می‌تواند باعث تخریب پلیمرها شود، قرار گرفتن در معرض نور فرابنفش (UV) است. مورفولوژی و خواص مکانیکی پلیمر زمانی که تحت تابش UV از خورشید قرار می‌گیرند، تغییر می‌کند که این موضوع منجر به فتودگری‌دار شدن پلیمر به دلیل شکست زنجیره‌ای یا پیوند شیمیایی می‌شود. بنابراین، یافتن راه حلی برای غلبه بر این مشکل بسیار مهم است. کربن سیاه به عنوان مؤثرترین تثبیت‌کننده برای پلاستیک پلی‌اتیلن در برابر تخریب ناشی از نور و آب و هوای محیط شناخته شده است. پایداری این مواد هنگامی که تحت تابش نور خورشید

و شرایط آب و هوایی برای مدت طولانی قرار می‌گیرند، بسیار حائز اهمیت است. کربن سیاه به عنوان یک تثبیت‌کننده نوری در پلی‌اتیلن عمل می‌کند که نور را از کل طیف خورشیدی جذب کرده و از نفوذ فوتون‌های پر انرژی به داخل پلاستیک جلوگیری می‌کند. مطالعه ارتباط بین ماده پلیمری و سطح کربن سیاه برای بررسی پایداری در طول زمان اهمیت دارد.

مقاومت در برابر تخریب شناورهای پلاستیکی به اندازه ذرات کربن سیاه و نوع آن بستگی دارد. علاوه بر این، پراکندگی کربن سیاه در ماتریس پایه و غلظت آن نیز نقش مهمی در مقاومت در برابر تابش UV ایفا می‌کند. بسیاری از محققان به ارزیابی خواص مکانیکی و الکتریکی مواد پلیمری پر شده با کربن پرداخته‌اند، مانند PVC و کربن سیاه، PP و کربن سیاه، و PE و کربن سیاه. ترکیب کربن سیاه با شبکه پلیمری منجر به افزایش خواص مکانیکی مختلف مانند مقاومت کششی و خمشی می‌شود، اما در عین حال، مقاومت ضربه‌ای کامپوزیت کاهش می‌یابد. این تغییر ممکن است به دلیل تفاوت چگالی پرکننده‌ها، مورفولوژی، پارامترهای هندسی و چسبندگی بین ماتریس و پرکننده باشد.

نتایج نشان می‌دهد که مقاومت UV با افزایش غلظت کربن سیاه از 1.5% به 3.5% w/w برای فیلم‌های مخلوط با کربن سیاه افزایش می‌یابد. فیلم کامپوزیت LLDPE/کربن سیاه در برابر تابش UV افزایش کشش بیشتری نشان می‌دهد وقتی که با اندازه متوسطی از ذرات کربن تقویت شود تا ذرات بزرگ‌تر. مخلوط کربن سیاه با ماده HDPE باعث افزایش بلورینگی و اندازه بلور بیشتر از ترکیب تالک می‌شود. افزایش مخلوط کربن سیاه و تالک، استحکام ماده را 350% افزایش می‌دهد. مقاومت خمشی با افزایش درصد تالک کاهش می‌یابد اما در صورت افزایش محتوای کربن سیاه، بهبود می‌یابد. همچنین افزایش سختی برای هر دو پرکننده مشاهده شد، با این حال، این افزایش برای مخلوط کربن سیاه 80% بیشتر از تالک بود زمانی که با 40% از محتوای پرکننده بارگذاری می‌شود. در نهایت، نتیجه‌گیری شد که ماده HDPE با کربن سیاه نسبت به تالک سازگارتر است.

لیانگ و همکاران (2009) درصد وزنی کربن سیاه را به‌عنوان 0، 3%، 5% و 8% انتخاب کردند تا خواص مکانیکی ماده HDPE مخلوط با کامپوزیت‌های آنتی‌استاتیک کربن سیاه را بررسی کنند. آنها کربن سیاه را با عامل پیوندی سیلان پوشش‌دهی کردند. خواص مکانیکی مختلف مانند مدول خمشی، استحکام تسلیم و استحکام خمشی

کامپوزیت در زیر غلظت‌های مختلف کربن سیاه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. تمام خواص با افزایش غلظت کربن سیاه افزایش مثبت نشان دادند. مقدار کشش در نقطه شکست تا زمانی که غلظت کربن سیاه به 5% برسد، افزایش یافت.

Jassim و همکاران (2017) اثر تابش UV را با ارزیابی تغییرات استحکام کششی بر لوله‌های ساخته شده از ماده MDPE مخلوط با کربن سیاه و بدون کربن سیاه مطالعه و مقایسه کردند. نتایج نشان می‌دهد که استحکام کششی در نقاط شکست برای لوله MDPE با کربن سیاه (160.7 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع) بیشتر از MDPE خالص (137 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع) است. همچنین، کربن سیاه به عنوان یک تثبیت‌کننده UV عمل می‌کند، بنابراین هیچ تغییری در مقدار استحکام کششی در نقطه شکست پس از قرار گرفتن در معرض نور UV مشاهده نشد (یعنی 160.7 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع).

پس از مرور چندین نوع ادبیات مربوط به تأثیر اشعه UV بر خواص ماده HDPE، برخی از نویسندگان دریافتند که ماده HDPE هنگام قرار گرفتن در معرض اشعه UV خواص مکانیکی خود را از دست می‌دهد، در حالی که افزودن کربن سیاه ممکن است خواص را تغییر دهد. علاوه بر این، مطالعات تخریب حرارتی مانند FTIR و پیری حرارتی (مانند DSC) مشهود نیستند.

در این کار، HDPE به عنوان ماده‌ای برای ساخت یک ساختار شناور جهت نصب پنل خورشیدی پیشنهاد شده است. هدف این مطالعه:

1.     بررسی تأثیر اشعه UV بر ساختار شناور HDPE/کربن سیاه در بارگذاری‌های مختلف (1%، 2% و 3%).

2.     مطالعه رفتار حرارتی HDPE قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض UV با استفاده از تحلیل FTIR و DSC است.

2-آزمایشگاه

1-2-مواد خام

ماده پلاستیکی HDPE برای ساخت ساختاری برای نصب سیستم‌های شناور استفاده خواهد شد. این ماده HDPE در معرض نور خورشید قرار خواهد گرفت و تحت تأثیر اشعه UV خواهد بود. در این کار، کربن سیاه با چگالی ۲۵۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب و شماره مش ۸۰۰ به عنوان پرکننده استفاده می‌شود و ماده پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE) با درجه HDPE B6401 با شاخص جریان ذوب ۰.۸۸۴ (گرم در ۱۰ دقیقه) در فشار ۲.۱۶ کیلوگرم و دما ۱۹۰ درجه سانتی‌گراد و چگالی ۹۴۸ کیلوگرم بر متر مکعب به عنوان ماتریس پایه استفاده می‌شود.

2-2-تهیه ی شناور های ترکیبی از HDPE/کربن سیاه

پرکننده با استفاده از یک مخلوط‌کن با سرعت بالا به مدت حداقل ۵ دقیقه در غلظت‌های ۱٪، ۲٪ و ۳٪ وزنی با ماده HDPE ترکیب می‌شود. سپس مخلوط به‌دست‌آمده در یک اکسترودر دو پیچ پردازش می‌شود کامپوزیت‌های گرانوله تولید شوند. نمونه‌های مشخص شده برای آزمون خواص مکانیکی مختلف در یک دستگاه قالب‌گیری تزریقی تهیه می‌شوند.

3-آزمون ها و نتایج بدست آمده

1-3-آزمون FTIR

تحلیل FTIR از HDPE خالص و بارگذاری آن با درصدهای مختلف کربن سیاه در شکل ۱ (الف تا د) نشان داده شده است. طیف HDPE نوارهای ویژه‌ای از گروه C–H را در ۲۹۱۲ سانتی‌متر معکوس و ۲۸۴۷ سانتی‌متر معکوس نشان می‌دهد که به ارتعاشات کششی نامتقارن و متقارن نسبت داده می‌شوند. وجود انحراف CH2 نوار طیفی را در ۱۴۷۰ سانتی‌متر معکوس ایجاد می‌کند. علاوه بر این، وجود یک نوار ویژه در ۷۱۷.۵ سانتی‌متر معکوس نمایانگر نوسان CH2 است. بعد از بارگذاری HDPE با درصدهای وزنی مختلف کربن سیاه (۱٪، ۲٪ و ۳٪)، طیف‌ها نشان‌دهنده برخی از پیک‌های کوتاه در دامنه فرکانس ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ سانتی‌متر معکوس هستند. این به وجود گروه‌های مختلف از ساختار مولکولی کربن سیاه نسبت داده می‌شود.

شکل 1: طیف FTIR کامپوزیت های HDPE/کربن سیاه (قبل از U.V). (a): HDPE VIRGIN. (b): HDPE با 1% کربن سیاه. (c): HDPE با 2٪ کربن سیاه. HDPE(d) با 3٪ کربن سیاه.

بعد از قرارگیری در معرض نور UV، طیف‌های FTIR تقریباً مشابه باقی می‌مانند و تمام پیک‌ها در جای خود باقی هستند (شکل ۲ الف تا د). این نتیجه تأیید می‌کند که بعد از قرارگیری در معرض نور UV، هیچ تجزیه‌ای در ماده رخ نداده است و به همین دلیل هیچ شکستی در پیوندها و تشکیل پیوند جدیدی در سطح مولکولی اتفاق نمی‌افتد. این نشان می‌دهد که برای استفاده طولانی مدت از HDPE با کربن سیاه به عنوان پرکننده تثبیت کننده نور مناسب است.

شکل 2: طیف FTIR کامپوزیت های HDPE/کربن سیاه (قبل از U.V). (a): HDPE VIRGIN. (b): HDPE با 1% کربن سیاه. (c): HDPE با 2٪ کربن سیاه. HDPE(d) با 3٪ کربن سیاه

2-3-تحلیل آزمون DSC

تحلیل DSC برای بررسی تأثیر کربن سیاه بر بلوری شدن و نقطه ذوب پلیمر قبل و بعد از نور UV استفاده شد. شکل ۳ (الف) و (ب) مقایسه دماهای بلوری HDPE تقویت‌شده با (۱٪، ۲٪ و ۳٪) کربن سیاه را قبل و بعد از نور UV نشان می‌دهد.

شکل 3: (a): منحنی DSC (دمای کریستالی) ترکیب های HDPE/Carbon black (قبل از U.V). (b): منحنی DSC (دمای کریستالی) کامپوزیت های HDPE/ کربن سیاه (پس از U.V). (ج): منحنی DSC (دمای ذوب) کامپوزیت های HDPE/Carbon black (قبل از U.V). (د) منحنی DSC (دمای ذوب) کامپوزیت های HDPE/Carbon black (After U.V).

از شکل می‌توان مشاهده کرد که تأثیر UV تغییر قابل توجهی در ساختار ماده ایجاد نمی‌کند. تمام نمونه‌ها دمای بلوری تقریباً مشابه ~ ۱۱۶ درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهند که نشان‌دهنده این است که افزودن پرکننده منجر به تشکیل ذرات کوچک جدید (هسته‌ها) نمی‌شود و به همین دلیل هیچ تغییری در اندازه گویچه ها[1] رخ نمی‌دهد. همچنین، شکل ۳ (ج) و (د) مقایسه نقطه ذوب HDPE و کامپوزیت کربن سیاه را در بارگذاری‌های مختلف (۱٪، ۲٪ و ۳٪) قبل و بعد از UV نشان می‌دهد. دوباره مشاهده می‌شود که قرارگیری در معرض UV به‌طور قابل توجهی نقطه ذوب پلیمر را تغییر نمی‌دهد. تمام نمونه‌ها، صرف‌نظر از سن و مقدار کربن سیاه، نقطه ذوب تقریباً ~ ۱۳۰ درجه

سانتی‌گراد را نشان می‌دهند که نشان‌دهنده این است که افزودن کربن سیاه به عنوان یک تثبیت‌کننده نوری و محافظ UV عمل می‌کند و از تجزیه پلیمر جلوگیری می‌کند.

4-نتیجه ی کلی

در این مطالعه، رفتار حرارتی کامپوزیت‌های HDPE/کربن سیاه در بارگذاری‌های مختلف (۱٪، ۲٪ و ۳٪) قبل و بعد از قرارگیری در معرض UV ارزیابی شده است. یافته‌های اصلی این تحقیق به شرح زیر است:

Ø      بعد از بارگذاری HDPE با درصدهای وزنی مختلف کربن سیاه (۱٪، ۲٪ و ۳٪) طیف‌های FTIR نشان‌دهنده برخی از پیک‌های کوتاه در دامنه فرکانس ۱۰۰۰–۲۰۰۰ سانتی‌متر معکوس هستند. این به وجود گروه‌های مختلف از ساختار مولکولی کربن سیاه نسبت داده می‌شود. طیف‌های FTIR تقریباً مشابه باقی می‌مانند و تمام پیک‌ها در جای خود باقی هستند.

Ø      منحنی DSC همچنین تأیید می‌کند که کربن سیاه به طور یکنواخت در ماتریس HDPE توزیع شده و هیچ تجزیه‌ای در پلیمر بعد از قرارگیری در معرض نور UV رخ نداده است. تمام نمونه‌ها دمای بلوری تقریباً یکسانی معادل ۱۱۶ درجه سانتی‌گراد و نقطه ذوب یکسانی معادل ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهند، صرف‌نظر از سن و مقدار کربن سیاه.

Ø      به همین دلیل، هیچ شکستی در پیوندها رخ نداده و هیچ تشکیل پیوند جدیدی در سطح مولکولی اتفاق نیفتاده است. خواص حرارتی زمانی که نمونه‌ها در معرض محیط UV قرار می‌گیرند تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند.

Ø      این نشان‌دهنده مناسب بودن استفاده طولانی‌مدت از HDPE با کربن سیاه به عنوان پرکننده تثبیت‌کننده نوری است. بنابراین، HDPE تقویت‌شده با کربن سیاه برای ساخت ساختارهای شناور فتوولتائیک که بر روی سطح آب‌ها نصب می‌شوند، مناسب شناخته شده است.

5-منبع

Influence of U.V light on the thermal properties