بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست ساخته شده از مواد لیگنوسلولزی مختلف

بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست ساخته شده از مواد لیگنوسلولزی مختلف (بخش اول)

حداقل جذب آب و واکشیدگی چوب پلاست و همچنین نیاز کم به تعمیر و نگهداری، از جمله دلایل رشد سریع چوب پلاست­ در کاربردهای جایگزین چوب بوده است. در این پژوهش اثر سه نوع ماده لیگنوسلولزی مختلف به عنوان پرکننده و نیز درصد اختلاط آن‌ها با پلی­اتیلن سنگین (HDPE)، بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی چند سازه های  چوب پلاست بررسی و مقایسه شد. نرمه MDF، ذرات آرد ساقه سویا و آرد چوب صنوبر با نسبت­های وزنی 40، 50 و 60 درصد به همراه MAPE به میزان 3 درصد به عنوان ماده سازگار کننده، با استفاده از اکسترودر دو ماردون همسوگرد با HDPE مخلوط شده و به صورت گرانول درآمدند. نمونه­های آزمونی چوب پلاست شامل نمونه­های مقاومت خمش، مدول کششی و مقاومت ضربه و جذب آب و واکشیدگی ضخامت با استفاده از قالب­گیری تزریقی ساخته شده و مطابق استاندارد ASTM مورد آزمون قرار گرفتند.

نتایج نشان داد که با افزایش درصد وزنی ماده پرکننده از 40 به 50 و 60 درصد، مقاومت خمشی، مدول الاستیسیته خمشی و مدول کششی و همچنین میزان جذب آب و واکشیدگی ضخامت به طور معنی­داری افزایش یافته در حالی که مقاومت به ضربه کاهش می­یابد. همچنین مشخص گردید که نمونه­های ساخته شده با ذرات نرمه MDF در مقایسه با دو ماده پرکننده دیگر، بهترین خواص فیزیکی و مکانیکی را دارا هستند در حالی که چند سازه های  ساخته شده با ذرات ساقه سویا ضعیف­ترین خواص را از خود نشان دادند.

واژه­های کلیدی: چند سازه چوب پلاست، نرمه MDF، ذرات ساقه سویا، آرد چوب صنوبر، جذب آب و واکشیدگی چوب پلاست

مقدمه در رابطه با چوب پلاست

امروزه، استفاده از الیاف چوبی به عنوان پرکننده و تقویت کننده در صنایع پلاستیک کاربرد زیادی به پیدا کرده است و چند سازه های  چوب پلاست حاصل در دهه گذشته رشد چشمگیری داشته­ اند ]11[. دارا بودن خواص سازگار با محیط زیست این چند سازه ها و همچنین نیاز کم به تعمیر و نگهداری، از جمله دلایل رشد سریع این فرآورده­ها در کاربردهای جایگزین چوب بوده است ]15[. به طوری که با افزایش شدید تقاضای بازار برای چند سازه های  چوب پلاست، توجه زیادی نیز به سوی این فرآورده­ها معطوف گشته و گزارش­های زیادی در مورد اصلاح و بهبود خواص این چند سازه ها موجود می­باشد ]9[.

در دهه اخیر قیمت پلیمرها به علت افزایش مصرف و تقاضای بالا به سرعت افزایش یافته است ]10[. از این رو یکی از راهکارهای پیشنهادی در ساخت چند سازه ها، استفاده از مواد لیگنوسلولزی ارزان قیمت است که می­تواند در تولید مقرون به صرفه این محصول و تعدیل قیمت آن نقش مهمی داشته باشد. منابع ارزان قیمت مختلفی در دنیا وجود دارند که می­تواند در تولید صنعتی چند سازه های  چوب پلاست مورد استفاده قرار بگیرد ]12[.

در کشور ما نیز که کمبود منابع چوبي جنگلي از جدي ترين چالش­هاي پیش رو در بخش صنعت چوب و فرآورده­های چوبی می­باشد، روی آوردن به استفاده از ضایعات صنعتی و پسماندهای گیاهان کشاورزی به عنوان ماده اولیه ناگزیر می­نماید ]6[. به عنوان یکی از مواد ضایعاتی صنعتی می­توان به نرمه های حاصل از پروفیل­ زنی و سنباده­ زنی سطح MDF اشاره کرد.

به طوری که از سنباده­زنی هر ورق MDF حدود 5 کیلوگرم نرمه و ذرات ریز تولید می­شود (نجفی، 2007) که بلااستفاده می­باشد و انباشته شدن آن در محیط مشکلات متعددی را برای کارخانجات و محیط زیست به وجود می­آورد ]12[. در میان پسماند گیاهان کشاورزی نیز می­توان به پسماند­های حاصل از گیاه سویا اشاره کرد که بلااستفاده در زمین­های کشاورزی رها می­شود یا در مزارع توسط کشاورزان سوزانده می­شود، که خود موجب آلودگی زیست محیطی و تخریب بیولوژیکی خاک می­گردد ]6[. استفاده از این منابع می­تواند پاسخگوی بخشی از نیاز صنایع چوبی کشور باشد.

سوابق تحقیق چوب پلاست

در مورد ساخت چند سازه چوب پلاست با استفاده بهینه از پسماندهای گیاهان کشاورزی و ضایعات صنایع چوب، تحقیقات قابل توجهی در سطح دنیا و تا حدودی در کشور انجام شده است. شاکری و امیدوار (1385) در پژوهشی اثر اندازه ذرات کاه گندم و ساقه برنج با مقادیر 15، 30 و 45 درصد وزنی چندسازه، بر خواص مکانیکی کامپوزیت ­های پلی­ اتیلن سنگین- کاه (ساقه) برنج و گندم را بررسی کردند. نتایج نشان داد که افزایش ذرات کاه (گندم و برنج) تا مقدار 30 درصد وزنی موجب بهبود استحکام کششی و خمشی چند سازه می­شود ولی در 40 درصد وزنی سبب کاهش خواص می­گردد.

مقاومت به ضربه با افزایش ذرات کاه، کاهش یافت. همچنین آمیزه­ های دارای ذرات ریزتر مقاومت به ضربه و مدول خمشی بهتری را نسبت به ذرات درشت­تر نشان دادند. کامپوزیت­ های تهیه شده از کاه گندم در مقادیر یکسان نسبت به کاه ساقه برنج، خواص مکانیکی بهتری نشان دادند ]4[. رامتین و همکاران (1388) به منظور بررسی امکان استفاده از درصد بالای پرکننده در ساخت چوب پلاست، نرمه­ های حاصل از سنباده ­زنی سطح تخته خرده چوب با نسبت­های متفاوت 40، 55 و 70 درصد را به عنوان پرکننده برای ماتریس زمینه پلی ­پروپیلن به کار بردند.

نتایج نشان داد که افزایش میزان پرکننده سبب بهبود مدول خمشی و کاهش مدول کششی، مدول گسیختگی و مقاومت به ضربه چند سازه شده است ]3[. Sanadi و همکاران (1995) الیاف کنف را به عنوان فاز تقویت کننده در چند سازه های  پلی­پروپیلن-الیاف کنف به کار بردند.

مقادیر الیاف کنف تا 60 درصد عامل متغیر بود. نتایج نشان داد که مقاومت کششی و خمشی چند سازه تهیه شده با 50 درصد کنف قابل مقایسه با چند سازه تهیه شده با 40 درصد الیاف شیشه می­باشد. در نهایت عنوان شد که الیاف کنف می­تواند به عنوان یک منبع جایگزین برای الیاف تقویت کننده معدنی به کار رود، در شرایطی که جذب آب زیاد، عامل بحرانی نمی­باشد ]13[. در مطالعه Yang و همکاران (2004) امکان استفاده از آرد سبوس برنج به عنوان پرکننده در تهیه چند سازه های  پلی­پروپیلن بررسی شد.

نتایج نشان داد که مقاومت کششی چند سازه ها با افزایش میزان پرکننده به تدریج کاهش یافته و مدول کششی افزایش یافته است. همچنین مقاومت به ضربه چند سازه با افزایش مقدار پرکننده کاهش یافت ]14[. در پژوهشی که Bouafif و همکاران (2009) انجام دادند، تأثیر ویژگی­های الیاف شامل تغییرات گونه چوبی به عنوان ماده پرکننده، اندازه ذرات و درصد وزنی استفاده از ذرات را بر روی خواص جذب آب و واکشیدگی چوب پلاست بررسی کردند. نتیجه گرفته شد که تغییرات در خواص سطحی الیاف، بلورینگی نسبی، تجزیه حرارتی و جرم ویژه گونه چوب باعث تغییر خواص چندسازه چوب پلاست می­شود. افزایش اندازه ذرات و مقدار ذرات، مقاومت و سختی فرآورده را بهبود ­بخشید ولی مقاومت به ضربه کاهش یافت. جذب آب چوب پلاست نیز با افزایش مقدار ذرات بیشتر شد و همچنین نوع ذرات آرد چوب در مقایسه با اندازه ذرات تأثیر بیشتری بر روی جذب آب داشتند.

نتایج که این تحقیق نشان داد می­توان با تنظیم اندازه و میزان استفاده از ذرات، بسته به استفاده نهایی، جذب آب چوب پلاست را بهینه ­سازی کرد ]7[. تحقیق حاضر به بررسی امکان استفاده از نرمه حاصل از پروفیل­زنی MDF (به عنوان ضایعات صنعتی) و ذرات ساقه سویا (به عنوان ضایعات گیاهان کشاورزی) در تولید چندسازه چوب پلاست و مقایسه خواص آنها با چوب پلاست ساخته شده از آرد چوب صنوبر می­پردازد که در صورت موفقیت­آمیز بودن نتایج، این دو نوع ماده ضایعاتی به عنوان جایگزین چوب در ساخت این چندسازه ها معرفی خواهد شد.

مواد و روش­ها ساخت چوب پلاست

مواد ساخت چوب پلاست

از سه نوع ماده لیگنوسلولزی شامل ذرات نرمه MDF حاصل از فرآیند پروفیل­زنی MDF، ذرات آرد ساقه سویا و آرد چوب صنوبر به عنوان ماده پرکننده استفاده شد. نرمه­های حاصل از پروفیل­زنی MDF از خط تولید شرکت آیدا پروفیل تهیه شد. ساقه­های سویا از مزارع استان گلستان و آرد چوب صنوبر نیز از خاک اره حاصل از برش چوب صنوبر (Populus nigra) تهیه شد. از پلی­اتیلن سنگین (HDPE) محصول شرکت پتروشیمی اراک با نام تجاری HD5620EA، شاخص جریان مذاب[1] g/10min 20 و دانسیتهg/cm³   0/956به عنوان پلیمر و از مالئیک انیدرید پیوند داده شده با پلی­ اتیلن (MAPE) محصول شرکت کیمیا جاوید سپاهان با نام تجاری PE-G 101 و شاخص جریان مذاب g/10min 50 به عنوان سازگار کننده استفاده شد.

ساقه­های سویا پس از انتقال به کارگاه از هر گونه ناخالصی پاک و با استفاده از اره نواری به قطعات کوچک­تر تبدیل شدند. سپس این قطعات به وسیله خردکن حلقوی آزمایشگاهی از نوع Pallmann به تراشه (Flake) و توسط آسیاب آزمایشگاهی به آرد تبدیل شدند. آرد چوب صنوبر نیز از آسیاب کردن خاک اره ناشی از برش چوب صنوبر تهیه شد. ذرات نرمه MDF نیاز به آماده سازی خاصی نداشتند. برای یکنواختی ذرات و رسیدن به ابعاد مناسب، آرد هر سه نوع ماده لیگنوسلولزی با استفاده از الک با اندازه منافذ 60 مش ( 25/0 میلی­متر) الک شده و ذراتی که از الک عبور کردند به عنوان ماده اولیه در نظر گرفته شدند. قبل از فرآیند اختلاط، نرمه­ها در یک اتو آزمایشگاهی به مدت 24 ساعت در دمای 103 درجه سلسیوس قرار گرفتند و تا رطوبت 1 درصد خشک شدند.

روش­ های ساخت چوب پلاست

هر سه ماده لیگنوسلولزی با نسبت­های وزنی 40، 50 و 60 درصد نسبت به وزن کل چندسازه (بر اساس جدول شماره 1) به همراه سایر مواد افزودنی (سازگار کننده و روان کننده) با استفاده از دستگاه اکسترودر دو ماردون همسوگرد مدل USEON, TDS26B مخلوط شدند. دمای متوسط 160 درجه سلسیوس و سرعت موتور 190 دور دقیقه در نظر گرفته شد. مخلوط خارج شده از دستگاه به صورت رشته­ای بوده که پس از خنک شدن و عبور از خردکن به گرانول تبدیل شدند.

برای ساخت نمونه ­های آزمونی چوب پلاست از روش قالب­گیری تزریقی[2] با دمای 180 درجه سلسیوس استفاده شد. نمونه­های آزمونی چوب پلاست شامل نمونه­های خمش استاتیک، کشش و ضربه فاق‌دار و بدون فاق بودند که از هر نمونه تعداد 4 قطعه برای هر یک از تیمارها ساخته شد. قبل از اندازه­گیری ویژگی­های فیزیکی و مکانیکی، نمونه­های ساخته شده برای رسیدن به تعادل رطوبتی، به مدت 2 هفته در شرایط کلیمای استاندارد (دمای 20 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی 65 درصد) قرار گرفتند.

خواص جذب آب و واکشیدگی چوب پلاست مطابق استاندارد ASTM D570 و خواص مکانیکی شامل مقاومت به کشش مطابق استاندارد ASTM D638 و مقاومت خمشی با استفاده از آئین نامه استاندارد ASTM D790 اندازه­گیری شدند. این آزمون­ها با استفاده از ماشین آزمایش INSTRON-4486 با سرعت بارگذاری 8 میلی‌متر بر دقیقه انجام گرفت. آزمون مقاومت به ضربه (فاق­دار و بدون فاق) نیز بر اساس استاندارد ASTM D256 و توسط دستگاه ضربه پاندولی انجام شد.

این بررسی با استفاده از آزمون فاکتوريل در قالب طرح کاملا تصادفي انجام و به منظور آنالیز آماری داده­های حاصل از نرم­افزار SPSS و تکنیک تجزیه واریانس استفاده شد و مقايسه ميانگين­ها با آزمون چند دامنه­ای دانکن انجام گرفت.

جدول 1- ترکیب تیمارها و سطوح متغیر

[1]– Melt Flow Index (MFI)[2]– Inection Molding