بررسی خواص فیزیکی کامپوزیت چوب پلاست

خواص فیزیکی کامپوزیت چوب پلاست از عوامل مهم و مؤثر در کاربرد نهایی محسوب می­گردد. بنابراین توجه به ویژگیهاي جذب آب چوب پلاست ضروري می باشد. در مهندسی، مواد چندسازه به موادی گفته می‌شود که از یک یا چند فاز ناپیوسته[1] که در درون یک فاز پیوسته[2] قرار گرفته‌اند، تشکیل می‌شود. درحالی‌که فاز ناپیوسته معمولاً سخت‌تر و محکم‌تر از فاز پیوسته بوده و تقویت‌کننده[3] خوانده می‌شود. درحالی‌که فاز پیوسته را ماده زمینه یا ماتریس[4] می‌نامند. مواد تقویت کننده که به ماتریس اضافه می­شوند، خصوصیات ویژه ای را در چندسازه ایجاد می­کنند. در یک چندسازه بطور کلی الیاف، عضو بارپذیر هستند درحالی که ماتریس، آن­ها را در محل و آرایش مطلوب نگه داشته و به عنوان یک محیط منتقل کننده بار بین الیاف عمل می­کند. یکی از روش­های بهبود خواص چندسازه­های چوب پلاست، ساخت مواد مرکب هیبرید است. در واقع برای استفاده از مزایای هر دو نوع پرکننده آلی و معدنی می­توان آن­ها را در یک ماتریس یکسان ترکیب کرد تا چندسازه هیبرید تولید نمود. پژوهشگران زیادی روی خواص فیزیکی و مکانیکی این مواد مطالعه کرده و سعی نموده­اند تا ارتباط منطقی بین خواص چندسازه و عوامل موثر از قبیل شرایط اختلاط، فرمول­بندی آمیزه، نوع و ساختار چوب و غیره به دست آورند.

خواص فیزیکی کامپوزیت چوب پلاست از عوامل مهم و مؤثر در خواص کاربرد نهایی محسوب می­گردد. افزایش مقدار رطوبت در چوب پلاست موجب کاهش افت ویژگی­هاي مکانیکی در اثر جذب رطوبت و ثبات ابعاد آن ها می­شود (Adhikary et al., 2008) جذب آب موجب تخریب سطح مشترك بین الیاف و ماتریس پلیمري و کاهش ویژگی­هاي مکانیکی می­گردد (اسپرت و همکاران 2004). از آن جایی که بیشتر کاربردهاي چوب پلاست در مصارف خارج از ساختمان و در تماس با شرایط جوي و محیطهاي آبی است، بنابراین توجه به ویژگیهاي جذب آب این مواد ضروري می باشد (Kazemi Najafi et al., 2007). روند جذب آب و واکشیدگی ضخامت در چوب پلاست مورد مطالعه پژوهشگران زیادي قرار گرفته است (Tajvidi et al., 2006; Shi and Gardner, 2006).

این پژوهش با هدف بررسی تاثیر آرد چوب بر خواص فیزیکی (جذب آب و واکشیدگی ضخامت) مواد مرکب پلی اتیلن ضایعاتی/ الیاف چوب انجام شد.

مواد و روش­ها جهت بررسی خواص فیزیکی کامپوزیت چوب پلاست

پلیمر

در این تحقیق از پلی‌اتیلن بازیافتی سنگین به‌عنوان ماتریس پلیمری استفاده شد. مشخصات پلی‌اتیلن بازیافتی سنگین جدول 1 آورده شده است.

جدول 1) مشخصات پلی‌اتیلن سنگین بازیافتی مورد استفاده

گريد	نقطه ذوب Melting point ºc	شاخص‌ جريان مذاب MFI	درصد كريستالينه	دماي‌انتقال شيشه‌اي TG	مواد تشكيل‌دهنده	شكل كاربرد
F7000 Mehr	135-145	0.61 g/10min	45 تا 90	-125 -80	پلاستيك‌هاي نوشابه، لوله پوليكا، نايلون	پرك شده

پرکننده سلولزی یا پرکننده

در این تحقیق از آرد چوب صنوبر به‌عنوان پرکننده‌ در ترکیب چندسازه استفاده شد. پس از آسياب كردن پسماند، ذرات عبور کرده از مش 40 و باقی­مانده روي مش 60 به­عنوان پرکننده سلولزی در سه سطح 20، 25 و 30 درصد مورد استفاده قرار گرفت.

عامل سازگار کننده

از مالئیک انیدرید گرافت شده (پیوند شده) با پلی‌اتیلن (PE-g-MA) که توسط شرکت آریا پلیمر پیشگام- شهرک علمی و تحقیقاتی اصفهان ساخته شده بود و به‌منظور بهبود چسبندگی بین پلی‌اتیلن آب‌گریز (غیر قطبی) و پسماند سلولزی آب‌دوست (قطبی) در یک سطح ثابت 2 درصد مورد استفاده قرار گرفت که مشخصات آن در جدول 2 آورده شده است.

جدول 2) مشخصات عامل سازگار کننده مورد استفاده

نام تجاری محصول	درصد مالئیک	درصد میزان استفاده	شاخص جریان مذاب (2/16 kg، 230′ c) gr/10min
PEGW 220	2/5 – 2	2/5 – 1/5	61

فرایند اختلاط (مخلوط سازی)

عملیات وزن کردن عوامل متغیر که شامل آرد چوب و عامل ثابت مالئیک انیدرید و نسبت‌هاي وزني، دقیقاً قبل از فرآيند اختلاط مواد انجام گرفت. درصد وزني اجزاي كامپوزیت‌هاي ساخته شده براي هر تيمار با ذکر علائم اختصاری به کار رفته برای هر تیمار در جدول 3 آورده شده است.

جدول 3 درصد اجزای تشکیل دهنده چندسازه در تیمارهای مختلف

شماره تيمار	آرد چوب٪	پلی‌اتیلن سنگین بازیافتی%	عامل جفت کننده ٪
1	20	78	2
2	25	73	2
3	30	68	2

آماده‌سازی مواد قبل از ساخت نمونه‌های چوب پلاست

خشک بودن ماده لیگنوسلولزی در هنگام اختلاط با پلیمرهای گرمانرم بسیار مهم است زیرا طبیعت آب‌دوست الیاف چوب، علاوه بر تأثیر بر نحوه اتصال بین پرکننده و ماتریس پلیمر، مقدار پراکنش پرکننده در ماتریس پلیمری را طی عمل فراورش محدود می‌کند. حضور رطوبت در ماده لیگنوسلولزی و تولید بخار در هنگام فرآوری و قالب‌گیری باعث ایجاد ساختار لایه‌لایه شدن^[5] در محصول نهایی می‌شود. آرد چوب را قبل از اختلاط با پلی‌پروپیلن، در یک خشک‌کن دارای جریان هوا (در پژوهشگاه پلیمر پتروشیمی ایران) به مدت 24 ساعت و در دمای 80 قرار داده تا هرگونه رطوبت اضافی خارج شود. در این تحقیق آرد چوب در دو سطح، نانو رس در دو سطح، ماده سازگار کننده در یک سطح مورد استفاده قرار گرفتند. فرآیند اختلاط با استفاده از دستگاه مخلوط‌کن داخلی HAAKE در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران با دما اختلاط 190 درجه سانتی‌گراد، سرعت اختلاط 60 RPM (دور در دقیقه) تا رسیدن به گشتاور ثابت 13 دقیقه انجام شد و پس از اختلاط مواد، مواد خروجي از مخلوط کن داخلی پس از خنك و سخت شدن، به‌منظور تهيه گرانول جهت استفاده در دستگاه تزريق از دستگاه خردكن نيمه صنعتي Wieser مدل WG-Ls 200 ساخت كشور آلمان واقع در پژوهشگاه پليمر و پتروشيمي ايران استفاده شد. سپس با استفاده از پرس دستی به مدت 5 دقیقه تحت دمای 200 درجه سانتی گراد و فشار 10 مگاپاسکال نمونه‌ها برای آزمون آماده گردیدند.

آزمون‌ فیزیکی چوب پلاست

آزمون‌ صورت گرفته به همراه استاندارد مربوطه در جدول 4 ذکر شده است.

جدول 4 آزمون‌های مکانیکی و استانداردهای مربوطه

نوع آزمون	تعداد نمونه در هر تیمار	استاندارد
جذب آب و واکشیدگی ضخامت	3	ASTM D – 790

 

مقايسه آماري

براي مقايسه اختلاف آماري بين ميانگين نتايج به دست آمده از روش تجزيه واريانس با كمك نرم­افزار SPSS استفاده شد. در صورت معني‌دار بودن اين اختلاف، گروه‌بندي ميانگين‌ها به روش دانكن انجام شد.

نتایج خواص فیزیکی کامپوزیت چوب پلاست

اشکال 1 و 2 اثرات مقدار پرکننده را بر خواص فیزیکی کامپوزیت چوب پلاست را نشان می‌دهد. مقايسه آماري بين ميانگين ويژگي‌هاي مورد بررسي نشان داد كه اختلاف معني‌داري بين اين ميانگين‌ها با افزودن سه سطح پركننده وجود دارد.

شكل 1 نشان مي‌دهد كه با افزودن پركننده در سطح 30%، جذب آب 2 ساعت و 24 ساعت چندسازه نسبت به نمونه سطح 20 درصد بيشترين افزايش را داشته است. اين در حالي است كه ميانگين جذب آب براي دو سطح 20 و 25 درصد در گروه a و براي سطح 30 درصد در گروه ab قرار گرفته است.

شكل 2 نشان مي‌دهد كه با افزودن پركننده در سطح 30%، واکشیدگی ضخامت 2 ساعت و 24 ساعت چندسازه نسبت به نمونه سطح 20 درصد بيشترين افزايش را داشته است. اين در حالي است كه ميانگين واکشیدگی ضخامت براي دو سطح 20 و 25 درصد در گروه a و براي سطح 30 درصد در گروه b قرار گرفته است.

شکل 1: تاثیر مقدار پرکننده بر جذب آب 2 و 24 ساعت چوب پلاست

 

شکل 2: تاثیر مقدار پرکننده بر واکشیدگی ضخامت 2 و 24 ساعت چوب پلاست

بحث خواص فیزیکی کامپوزیت چوب پلاست

در این تحقیق ملاحظه گردید که با افزایش مقدار آرد چوب از 20 به 30 درصد وزنی، جذب آب و واکشیدگی ضخامت چندسازه چوب پلاست افزایش می‌یابد. در واقع با افزایش ماده لیگنوسلولزی، میزان گروه‌های هیدروکسیل آزاد پیوندپذیر با مولکو‌ل‌های آب، مقدار جذب آب و واکشیدگی ضخامت افزایش می‌یابد. با توجه به طبيعت هيگروسكوپيك مواد ليگنوسلولزي، جذب آب مي‌تواند يك عامل محدودکننده در كاربرد نهايی چندسازه چوب پلاست باشد. خاصيت آبدوستي پركننده‌هاي ليگنوسلولزي عامل اصلي جذب آب در چندسازه چوب پلاست هستند، پرکننده‌های سلولزی به‌دلیل وجود لومن، منافذ ریز و همچنین به‌دلیل وجود گروه‌های هیدروکسیل در ساختار شیمیایی خود، آبدوست می‌باشند و آب بیشتری جذب می‌کنند در نتیجه با افزایش پرکننده سلولزی در ترکیب کامپوزیت چوب پلاست به سبب طبیعت آب‌دوست آن‌ها جذب آب و واکشیدگی ضخامتی کامپوزیت افزایش می‌یابد، همچنین پلاستیک بازیافتی که در ترکیب کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود، به‌سبب خاصیت آبگریز بودن آن جذب رطوبت بسیار کم دارد. وقتي رطوبت به داخل چندسازه نفوذ مي‌كند، سبب واكشيدگي و تخريب الياف مي‌شود و ساختار پليمر نيز تحت تأثیر آن قرار مي‌گيرد، علاوه بر اين جذب آب سبب از دست رفتن سازگاري بين الياف و ماتريس مي‌شود كه سبب جدا شدن اتصالات و ضعيف‌شدن چسبندگي در محل اتصال مي‌شود.

جذب آب و واکشیدگی ضخامت مواد مرکب چوب پلاست با توجه به ماهیت آبدوستی مواد لیگنوسلولزی و وجود گروه‌های هیدروکسیل آب‌دوست قابل‌دسترس زنجیرهای سلولزی که سبب تشکیل پیوندهای هیدروژنی جدید با مولکول‌های آب می‌گردد، قابل انتظار است. در واقع با افزایش مقدار آرد چوب بر مقدار ماده آبدوست یعنی آرد مواد مرکب چوبی افزوده می‌شود و از طرف دیگر مقدار پلاستیک که یک ماده آب گریز است، کاسته می‌شود، در نتیجه جذب آب و واکشیدگی ضخامت چندسازه چوب – پلاستیک افزایش می‌یابد. از طرفی پلی‌اتیلن در اثر حرارت ذوب‌شده و علاوه بر متصل کردن ذرات چوب به هم یک پوشش ضد آب در سطح آن‌ها ایجاد می‌کند در نتیجه با کاهش مقدار آن از پوشیدگی سطح الیاف با پلاستیک کاسته می‌شود و بالطبع با افزایش آرد جذب آب و واکشیدگی ضخامت بیشتر خواهد شد. همچنین با افزایش پرکننده، حرکت مولکول‌های آب در بین فضاهای آن‌ها افزایش می‌یابد و منجر به افزایش جذب آب می‌شود. با افزایش مدت زمان غوطه‌وری مقدار جذب آب و واکشیدگی ضخامت نانوچندسازه افزایش یافت. افزودن تقویت‌کننده‌های لیگنوسلولزی به ماتریس پلیمری سبب افزایش جذب آب کامپوزیت‌ها می‌گردد. مواد پلیمری و به‌خصوص پلیمرهای گرمانرم به علت غیر قطبی بودن، موادی آب گریز هستند. این موضوع بر عکس طبیعت قطبی و آب دوست الیاف سلولزی می‌باشد. وجود گروه‌های هیدروکسیل آب دوست قابل‌دسترس زنجیرهای سلولزی سبب تشکیل پیوندهای هیدروژنی جدیدی با مولکول‌های آب می‌گردد که این عمل باعث جذب آب و تورم (واکشیدگی ابعاد) کامپوزیت‌ها می‌گردد. از طرفی بالا رفتن مدت زمان غوطه‌وری دسترسی گروه‌های هیدروکسیل را به جذب آب بیشتر می‌نماید. نتایج این بخش از تحقیق با نتایج حاصل از تحقیقات دیگر همچون تحقیقات Nourbakhsh and Ashori, 2009 منطبق است، ایشان بیان نمودند که با افزایش ماده لیگنوسلولزی، جذب آب و واکشیدگی ضخامت افزایش می‌یابد.

احمد ثمریها*¹، جعفر قجه بیگلو²، علیرضا خاکی فیروز³ 

1. دپارتمان مکانیک، دانشکده انقلاب اسلامی، دانشگاه فنی و حرفه­ای استان تهران، ایران
2. دکتری علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران
3. پژوهشگاه استاندارد، پژوهشکده شیمی و پتروشیمی، گروه پژوهشی سلولزی و بسته بندی

مؤلف مسئول:  asamariha@tvu.ac.ir

نتیجه‌گیری

1. با افزایش 10 درصدی آرد چوب جذب آب 2 و 24 ساعت به ترتیب 5/15 و 4/16 درصد افزایش می یابد.
2. با افزایش 10 درصدی آرد چوب واکشیدگی ضخامت 2 و 24 ساعت به ترتیب 81 و 52 درصد افزایش می یابد.

منابع

1. Adhikary, K.B., Pang, S., and Staiger, M.P. 2008. Long-term Moisture Absorption and Thickness Swelling Behavior of Recycled Thermoplastics Reinforced with Pinus radiata sawdust, Chemical Engineering Journal. Vol. 142 (2): 190-198.
2. Kazemi, Najafi, S., Kiaeifar, A., Tajvidi, M., and Hamidinia, E. 2007. Water Absorption Behavior and Thickness Swelling Rate of Composites from Sawdust and Recycled Plastics. Journal of Reinforced Plastic and Composites. Vol. 26 (3): 341-348.

3. Nourbakhsh, A., and A. Ashori, (2009). Preparation and Properties of Wood Plastic Composites Made of Recycled High-density Polyethylene, Journal of Composite Materials, 43(8). 877-883.

1. Tajvidi, M., Kazemi Najafi, S., and Moteei, N. 2006. Long-Term Water Uptake Behavior of Natural Fiber/Polypropylene Composites. Journal of Applied Polymer Science. Vol. 99: 2199–2203.
2. Shi, Q.S., and Gardner, D.J. 2006. Hygroscopic Thickness Swelling Rate of Compression Molded Wood Fiber and Wood Fiber/Polymer Composite. Composites Part A. Vol. 37: 1276–1285.

[1] Discontinuos phase

[2] Continuos phase

[3] Reinforcement

[4] Matrix

[5] Delamination