بررسی خصوصیات مکانیکی چوب پلاست ساخته شده با پودر آلومینیوم، نرمه ام ­دی ­اف و پلی پروپیلن

پژوهش: آرش چاوشی

بخش اول

(این پژوهش در 2 بخش ارائه میگردد و ترتیب خواندن اهمیت دارد)

چکیده:

در این پژوهش اثر استفاده از پودر آلومینیوم بر خواص مکانیکی چوب پلاست حاصل از نرمه سمباده­زنیMDF  و ماده ترموپلاستیک پلی­پروپیلن مورد بررسی قرار گرفت. پودر آلومینیوم در ابعاد کمتر از 250 میکرون تهیه گردید، همچنین از پلی­ پروپیلن به عنوان ماده ترموپلاستیک (ماده زمینه) استفاده شد. مالئیک اندرید پیوند داده شده با پلی­پروپیلن (MAPP) نیز به عنوان عامل جفت­کننده مورد استفاده قرار گرفت. به منظور ساخت نمونه­های چوب پلاست از روش پرس گرم و بصورت قالب‎گیری[1] استفاده شد. در مجموع 36 تخته با دانسیته اسمی gr/cm³1 در ابعادcm 1×cm20×cm30 تهیه شدند.

در ادامه چوب پلاست های ساخته شده برای تعادل رطوبتی به مدت 3 هفته در محیط قرار گرفتند. سپس به منظور بررسی خصوصیات مکانیکی نمونه­های چوب پلاست از استاندارد (CEN/TS15534–1:2007) استفاده شد. نتایج نشان داد که با افزایش درصد وزنی نرمه سمباده­زنی MDF، مقاومت خمشی، کششی و مقاومت به اتصال پیچ و میخ نمونه­های چوب پلاست کاهش و همچنین با افزایش درصد وزنی پودر آلومینیوم نیز این مقاومت ها کاهش پیدا کردند. بیشترین مقاومت­ها در تیمارهای شاهد (0% پودر آلومینیوم) حاصل گردید.

کلمات کلیدی: چوب پلاست، پودر آلومینیوم، نرمه سمباده زنی MDF، مقاومت به اتصال پیچ و میخ، مقاومت خمشی و کششی

1. مقدمه چوب پلاست

تخته ­های چوب پلاست فراورده­های اکسترود شده یا قالبی­اند و شکل معینی دارند و طبق تعریف، پلاستیک­ های پر شده با الیاف سلولزی و مواد دیگر هستند. موادی که هم اکنون به عنوان WPC شناخته شده­اند، نخستین بار در دهۀ 1960 با نام ترکیبات قالبی گرماگیر ظهور پیدا کردند [1]. چوب پلاست ­های ترموپلاستیک نقش مهمی را در جامعه بازی می‌کند و در مواردی چون وسایل آشپزخانه تا اجزای شاتل­های فضایی مورد استفاده قرار می‎گیرند [7].

در ساخت اين چوب پلاست ­ها محدوده وسيعي از پليمرها مانند پروپيلن، پلي­اتيلن، پلي­وينيل­كلرايد، پلي­استر و غیره به همراه پركننده‎هاي سلولزي شامل پودر و الياف حاصل از مواد چوبي، پودر و الياف حاصل از بقاياي محصولات كشاورزي و ضايعات حاصل از انواع كاغذها قابل استفاده مي­باشند .

[3] قیمت پلیمرها در دهۀ اخیر به علت افزایش مصرف و تقاضای بالا به سرعت افزایش یافته است [11] و در نتیجه این افزایش قیمت پلیمرها، باعث افزایش قیمت چوب پلاست ها ی خواهد شد. به دنبال افزايش نسبي قيمت پلاستيك­ها در چندين سال گذشته، افزودن الياف و پركننده­هاي طبيعي به منظور كاهش هزينه­ها در صنعت پلاستيك و در برخي موارد افزايش توليد، مورد توجه قرار گرفت. به علاوه استفاده از اين مواد مزاياي ديگري نيز نسبت به پركننده­هاي معدني (رس، تالك، آهك و…) و الياف مصنوعي (شيشه، كربن و…) دارند كه عبارتند از قيمت پايين، دانسيته كم، قابليت پركنندگي زياد، دسترسي به انواع گوناگوني از الياف در سرتاسر جهان، قابليت تخريب بيولوژيكي در طبيعت، ضريب انبساط حرارتي كم، تجديد شوندگي، عدم سايش ماشين آلات و عدم توليد مواد سمي بعد از سوختن [15,14].

از این رو در ساخت این نوع چوب پلاست ها  استفاده از ماده لیگنوسلولزی ارزان قیمت می­توان راه­کاری در تولید مقرون به صرفه این محصول باشد. لذا استفاده از نرمه ام­دی­اف از آن جهت که جزء ضایعات کارخانه­های ام‎دی­اف است و در اکثر موارد صاحبان صنایع تنها راه رهایی از این نوع مواد را آتش زدن آن می­دانند، می­تواند به عنوان ماده اولیه ارزان قیمت و در دسترس صنایع چوب و پلاستیک قرار بگیرد. در پژوهش پیشِ روی به بررسی تاثیر استفاده از پودر آلومینیوم در خصوصیات مکانیکی چوب پلاست نرمه ام‎دی‎اف-پلی­پروپیلن پرداخته شده است.

سابقه تحقیق چوب پلاست

چوب پلاست های فلز-پلیمری که ویژگی­های فلزها و پلیمرها را با هم دارند، و نیز پلیمرها، موضوع تحقیقات وسیعی در دو دهۀ اخیر بوده­اند. ساختار و ویژگی­های مورد نظر، انواع مختلفی از پرکننده­ها و افزودنی­ها را در میان ماتریس پلیمر برای بهبود رسانایی گرمایی و الکتریکی و سفت شدن ماتریس مطرح می­کنند [6,2]. از آن جمله می­توان به تحقیق Chang Heon Kang و همکاران(2010) اشاره کرد که به بررسی خصوصیات چوب پلاست های پلی‎پروپیلن حاوی تکه­های کوچک آلومینیوم و نانو لوله­های کربنی چند دیواه­ای پرداخته­اند، نتایج آن­ها نشان داد که استفاده از 10% ذرات آلومینیوم به بالا مدول کششی را افزایش و در درصدهای 30% و 50% مقاومت کششی کاهش می­یابد [5].

همچنین در تحقیقی دیگر در زمینه استفاده از تقویت کننده­های فلزی در ماتریکس پلیمری، استفاده از سه سطح 5، 10 و 15 درصد حجمی پودر آهن و پلی­اتیلن دانسیته بالا (HDPE) بعنوان ماتریس پلیمری برای آماده­سازی چوب پلاست های ماتریس فلز-پلیمر استفاده شد. که نتایج کاهش مقاومت کششی با افزایش تکه­های آهن را بیان کرد[2] .

در تحقیقات دیگری به بررسی خصوصیات مکانیکی چوب پلاست ساخته شده از ضایعات حاصل از تخته فیبر و تخته خرده چوب پرداخته شده است که نتایج تحقیقات نشان می­دهد که با افزایش درصد استفاده از مواد پرکننده (ضایعات تخته فیبر و تخته خرده چوب) مقاومت اتصالات پیچ و میخ کاهش پیدا کرده است [8]. در تحقیق دیگری که توسط علی­اکبر رامتین و همکاران (1388) صورت گرفت، به بررسی تاثیر استفاده از نرمه­های حاصل از سمباده­زنی سطح تخته­خرده­چوب همراه با پلی­پروپیلن پرداخته شد، محققین در چوب پلاست مورد نظر از سه سطح وزنی 40، 55 و 70 درصد نرمه­های حاصل از سمباده زنی سطح تخته­خرده­چوب استفاده کردند.

سپس خواص مکانیکی کشش، خمش و ضربه اندازه­گیری شد. نتایج نشان داد افزایش پرکننده سبب کاهش تنش کششی، کرنش کششی، تنش خمشی و مقاومت به ضربه می­گردد [12].

معدني پور  و همکاران (1386)، در مطالعه­ای از ضايعات خاك اره MDF به عنوان تقويت كننده پلي‌اتيلن با دانسيته بالا، به منظور توليد فرآورده چوب پلاست استفاده کردند. نتايج حاصل نشان داد كه مقاومت خمشي، مدول خمشي، مقاومت كششي با افزايش درصد تقويت كننده تا 40 درصد و ابعاد تقويت كننده تا مش 100، افزايش يافته است. همچنين مقاومت به ضربه فاقدار در 10 درصد تقويت كننده و اندازه مش 40، بيشترين مقدار را داشته است [9]. بدین جهت در مطالعه پیش روی به بررسی تاثیر استفاده از پودر آلومینیوم در خصوصیات مکانیکی چوب پلاست نرمه ام­دی­اف-پلی­پروپیلن پرداخته شده است.

2. مواد و روش­ها تولید چوب پلاست

2-1 مواد تولید چوب پلاست

در این پژوهش برای ساخت چوب پلاست از نرمه ام­دی­اف حاصل از سمباده زنی سطح MDF، تهیه شده از کارخانه آرین سینا واقع در شهرک صنعتی ساری، در سه سطح وزنی 40، 50 و 60 درصد به عنوان ماده لیگنوسلولزی استفاده شد. همچنین پلی­پروپیلن (PP) درجه V30S به عنوان ماده ترموپلاستیک با شاخص مذاب min10/ g18 از صنایع پتروشیمی اراک تهیه و مورد استفاده قرار گرفت.

در این پژوهش پودر آلومینیوم با ابعاد کمتر از 250 میکرون  با خلوص 99% در سه سطح وزنی 5%، 10% و 15% به عنوان ماده افزودنی برای بررسی و تاثیر بر روی خصوصیات مکانیکی چوب پلاست پودر آلومینیوم-نرمه ام­دی­اف-پلی­پروپیلن استفاده شد.

برای ساخت چوب پلاست همچنین از مالئیک اندرید پیوند داده شده با پلی‎پروپیلن (MAPP) به میزان 4% وزنی به عنوان عامل جفت­کننده با نام تجاریPP-G 101 ساخت شرکت کیمیا جاوید سپاهان اصفهان استفاده شد.

چوب پلاست پودر آلومینیوم-نرمه ام­دی­اف-پلی­پروپیلن در 12 تیمار و 3 تکرار ساخته شدند. ترکیب این چوب پلاست­ در جدول شماره (1) قابل مشاهده است.

جدول شماره (1): دانسیته و مشخصات تیمار و سطوح متغیر

تیمار	)g/cm3 دانسیته(	پودر آلومینیوم (%)	نرمه ام­دی­اف(%)	PP (%)	MAPP (%)
1 2	0.84 0.844	0%	40%	56%	4%
		5%	40%	51%	4%
3 4	0.849 0.847	10%	40%	46%	4%
		15%	40%	41%	4%
5	0.83	0%	50%	46%	4%
6	0.80	5%	50%	41%	4%
7	0.840	10%	50%	36%	4%
8	0.832	15%	50%	31%	4%
9	0.82	0%	60%	36%	4%
10	0.842	5%	60%	31%	4%
11	0.842	10%	60%	26%	4%
12	0.822	15%	60%	21%	4%

2-1-1 آماده سازی نرمه ام­دی­اف برای ساخت چوب پلاست                                       

برای ساخت چوب پلاست پس از تهیه نرمه‎های ام‌دی­اف، به منظور رسیدن درصد رطوبت این مواد به درصد رطوبت مورد نظر، به مدت 24 ساعت با دمای С°2 ±100 در آون قرار گرفتند. سپس به منظور جلوگیری از جذب رطوبت، در کیسه­های پلاستیکی بسته­بندی شدند. نرمه­های ام­دی­اف در پروسه تولید چوب پلاست به همان صورت که از کارخانه تهیه گردیده بودند مورد استفاده قرار گرفت و نیازی به آسیاب کردن و مش­بندی آنها نبود.

2-1-2 اختلاط مواد اولیه برای ساخت چوب پلاست

برای ساخت نمونه­های چوب پلاست دانسیته اسمی  g/cm³1 در نظر گرفته شد. پس از آماده­سازی و تهیه مواد با توجه به تیمارهای در نظر گرفته شده و درصد اختلاط، مواد مورد استفاده از هر تیمار با استفاده از ترازوی آزمایشگاهی وزن گردیدند. جهت ساخت چوب پلاست ها، مواد توزین شده هر یک از تیمارها قبل از پروسه ساخت نمونه­ها، به مدت چند دقیقه مخلوط گردیدند تا فاز ماتریکس و فاز پرکننده به صورت بهینه با یکدیگر آمیخته شوند.

2-2 روش برای ساخت چوب پلاست

2-2-1 ساخت نمونه­ ها چوب پلاست

دمای مورد استفاده جهت ساخت چوب پلاست ها 190 درجه سانتی‌گراد و فشار ویژه پرس 30 بار انتخاب گردید. برای ساخت چوب پلاست مدت زمان پرس گرم 15 دقیقه تعیین شد. برای ساخت چوب پلاست روش انجام کار بدین صورت بود که پس از پیش پرس، نمونه­ها به پرس گرم منتقل و ابتدا به مدت 7 دقیقه با فشار ویژه 30 بار در دمای 190 درجه سانتی گراد پرس گردیدند.

سپس دهانه پرس به مدت 1 دقیقه باز گردید تا هوا و بخار محبوس شده از درون چوب پلاست خارج شود، سپس مجدداً دهانه پرس به مدت 7 دقیقه دیگر با همان فشار بسته شد[10]. پس از اتمام مراحل پرس گرم، نمونه­های چوب پلاست برای جلوگیری از تلرانس ضخامت، در بین چهار گیره دستی به مدت چند ساعت قرار گرفتند. نمونه­های چوب پلاست در قالب­های فلزی با ابعاد 30×20 سانتی­متر و ضخامت 1 سانتیمتر در پرس گرم تهیه شدند.

این قالب فلزی به منظور جلوگیری از روان شدن ماده پلیمری بر روی صفحه پرس پس از ذوب شدن پلیمر و همچنین کاهش میزان تلرانس ضخامت نمونه­های چوب پلاست پودر آلومینیوم- نرمه ام­دی­اف-پلی­پروپیلن تهیه شدند (شکل شماره 1).

شکل (1): قالب فلزی و پرس ازمایشگاهی مورد استفاده در ساخت چوب پلاست پودر آلومینیوم- نرمه ام­دی­اف-پلی­پروپیلن

2-2-2 تهیه چوب پلاست آزمون

برای تهیه نمونه­های آرمونی از استاندارد (CEN/TS 15534–1:2007) استفاده شد [4]. جهت بررسی این خصوصیات مکانیکی از دستگاه INSTRON-4486 ساخت کشور انگلستان استفاده شد.

2-3 آنالیز آماری داده­ های بدست آمده

به منظور آنالیز آماری داده­های حاصل از نتایج آزمایش نمونه های چوب پلاست، نرم افزار PASW Statistics 18 مورد استفاده قرار گرفت. در این پژوهش از آنالیز فاکتوریل بر پایه طرح دو عاملی براي بررسي اختلاف بين سطوح عوامل مختلف و اثرات مستقل و متقابل هر عامل استفاده گردید. همچنين از آزمون مقايسه ميانگين چند دامنه­اي دانكن جهت گروه­بندي تيمارها و سطوح عوامل مختلف استفاده شد.

[1]– Bach