ساختار الیاف چوب در چوب پلاست

ساختار الیاف چوب در چوب پلاست

ضريب نما[1] الیاف چوبی بکار رفته در محصولات چوب پلاست

ساختار الیاف چوب در چوب پلاست ضريب نما به معني نسبت طول الياف به ضخامت الياف مي‌باشد. براي آرد چوب اين ضريب حدود 1:3 – 1:4 مي‌باشد. به‌طور کلي، الیاف بلند در مقايسه با چندسازه‌هاي چوب پلاست پر شده با الياف كوتاه با توجيه در جهت جريان مذاب خروجي خواص مكانيكي چندسازه را بهبود مي‌بخشد. به عبارت ديگر، ضريب نمای بزرگ‌تر منجر به خواص خمشي بهتري در محصولات چوب پلاست مي‌شود.

در نتيجه، در چوب پلاست (‌WPC) الياف سلولزي جز اصلي ‌باربر هستند و الياف بيشتري در راستاي جريان مذاب خروجي خواص خمشي چندسازه چوب پلاست را افزايش مي‌دهند.

اختصاصي­تر گفته شود، بعضي WPCها با استفاده از آرد چوب كاج با ضريب نمای متوسط 4، از سرو با ضريب نمای متوسط 2/3 ، و از ارس با ضريب نمای متوسط 4/4 توليد شدند [130]. الياف سلولزي داراي ضريب نمای بيشتري مانند 10:1 – 25:1 مي‌باشد. براي مثال بسياري از الياف چوبي داراي طول mm 3 و پهناي mm2/0 (ضريب نمای 15) يا طول mm10 و پهناي mm4/0 (ضريب نمای 25) مي‌باشند.

الياف چوبي تجاري از صنوبر، توس، افرا، نوئل به‌طور معمول داراي طول mm5/3-4/0 (نوئل بلندتر از بقيه مي‌باشد) پهناي mm27-50 مي‌باشند. متوسط ضريب نما براي الياف اين گونه‌ها 35 (افرا)، 60(صنوبر)، 100(توس)، 130/9نوئل) مي‌باشد.

در فرایند تولید چوب پلاست فرآيند اكستروژن سبب كاهش ضريب نمای الياف سلولزي مي‌شود يعني سبب كوتاه شدن طول آن‌ها در همان ضخامت مي‌شود. براي مثال عمل­آوری الياف سلولزي سولفيت رنگبري شده به همراه پلي ‌پروپیلن در يك اكسترودر دوماردونه با سرعت 100 و 300 دور در دقيقه سبب تبديل الياف بلند به الياف كوتاه مي‌شود، طوري‌كه كسر (نسبت مخلوط) ذرات كوچك‌تر (حدود µm50 طول) حدود 3 تا %5 افزايش مي‌يابد. كسر µm100 (ميكرومتري) يعني نسبت بسيار فراوان ايجاد شده توسط اكستروژن با دور RPM100، در اكستروژن با دور RPM300 از %12 كل ذرات به %16 مي‌رسد. بعد از دومين اكستروژن با دور RPM300 اين كسر ذرات mm100 از %16 به %26 افزايش مي‌يابند [131]

دانسيته جرم (جرم در واحد حجم) الیاف بکار رفته در چوب پلاست

دانسيته جرم الياف سلولزي ليگنين زدايي شده (آرد چوب، خاك اره، و پوسته شالي) در چوب پلاست (‌WPC) به‌طور معمول بين 3/1 و ³g/cm^‌5/1 مي­باشد. شبكه ليگنوسلولزي پوسته شالي در چوب پلاست (‌WPC) مشابه با دانسيته چوب پلاست (‌WPC) با آرد چوب بود و به‌ترتيب برابر با حدود ³g/cm^‌35/1 و ³g/cm ^‌35/1-3/1 مي‌باشد. اما به­خاطر اين‌كه پوسته شالي %19 سيليس دارد (دانسيته جرم سيليس برابر با ³g/cm 8/2 مي‌باشد) جرم ويژه پوسته شالي به‌عنوان پركننده به ³g/cm‌ 5/1 نيز مي­رسد.

الياف بلند سلولزي مانند كتان، شاهدانه، كتان هندي، رامي، آگاو، پنبه، پوسته نارگيل در چوب پلاست (‌WPC) دانسيته جرم ³g/cm ^‌5/1-3/1 را دارند.

دانسيته جرم چوب پلاست (‌WPC) به اندازه ذرات آرد چوب بستگي ندارد. به نظر مي‌رسد در جريان مخلوط كردن و اكسترود کردن الياف سلولز فشرده شده و به دانسيته جرم ³g/cm^‌ 5/1-3/1 مي‌رسند.

معادله ساده‌اي براي محاسبه دانسيته جرم يك چندسازه به شرح زير است. اگر g100 از يك چندسازه چوب پلاست را داشته باشيم كه فرضاً داراي W/W%50 از HDPE (با دانسيته جرم ³g/cm ^‌96/0 )، %30آرد چوب (با دانسيته جرم ³g/cm‌ 3/1 و %20 تالك (با دانسيته جرم ³g/cm‌ 8/2) باشد هر كدام از اين تركيبات حجمي به شرح زير را خواهند داشت.

بنابراين، حجم كل چندسازة 100 گرمي cm³303/82 خواهد بود. پس دانسيته جرم چندسازه چوب پلاست (‌WPC) خواهد بود:

در ‌پلی­پروپیلن پر شده با %85 آرد چوب، دانسيته جرم به شرح زير خواهد بود:

حجم كل چندسازه cm³ 86/81 خواهد بود. بنابراين دانسيته چندسازه چوب پلاست (‌WPC)  به‌صورت زير محاسبه مي‌شود:

اگر دانسيته جرم آرد چوب g/cm³35/1 بوده باشد، دانسيته جرم براي چندسازه HDPE پايه برابر با g/cm³23/1 و براي چندسازه بر پايه PP برابر با g/cm³26/1 خواهد بود. عدد منتشر شده براي دانسيته جرم پلي ‌پروپیلن پر شده با %85 آرد چوب g/cm³ 26/1 مي‌باشد [132]. يعني برابر با عدد آخري در بالا.

اندازه ذره الیاف بکار رفته در چوب پلاست

دو سيستم براي ارزيابي اندازه چوب يا ذرات الياف طبيعي وجود دارد. يكي از آن‌ها به‌صورت اندازه مؤثر ذره با مش يا به ويژه در الياف با ضريب نمای بالا با طول اندازه‌گيري مي‌شود. به‌طور معمول اندازه ذرات ‌پركننده (شامل سلولز) براي چوب پلاست (‌WPC) با غربال كردن انتخاب مي‌شوند تا بين 40 و 80 مش باشند (تقريباً 35/0 و mm 18/0). ذرات بزرگ‌تر از 40 مش خارج از اندازه به حساب مي‌آيند و ذرات كوچك‌تر از 80 مش نرمه تلقي مي‌شوند. نرمه‌ها در آرد چوب مي‌توانند به اندازه 10 تا m100 باشند. طول الياف سلولزي به‌كار رفته به‌صورت ‌پركننده اغلب در دامنه m300-20 مي‌باشند. مشاهدات بيشتر در مورد طول الياف سلولزي در قسمت ضريب نما ارائه شده است.

بررسي اندازه ذرات انواع آرد چوب تجاري نشان داده است كه اندازه ذرات به‌طور قابل توجهي متغير است. براي مثال چهار نمونه از آرد چوب دامنه اندازه ذرات (به ميكرون) زير را داشته است:

m100-5-

m150-5-

m250-5-

m430-5-

در هر نوع آرد چوب توزيع گسترده‌اي از اندازه ذره وجود داشت.

اطلاعات جديدتر از شركت الياف چوبي آمريكايي (كلمبيا، MD) نشان مي‌دهد كه در سه درجه مختلف از آرد چوب «نوع استاندارد» (4020 و 4010)، «مش x» (4017 و 4037)، «سري M» (7M40- 3M40)- بيش از %80 از همه ذرات به ترتيب متعلق به دامنه‌اي از 80-40، 120-40، 100-20 مش مي‌باشند [129].

شكل ذره الیاف بکار رفته در چوب پلاست

ذرات سلولزي به‌كار رفته در چوب پلاست (‌WPC) به‌طور معمول الياف با ضريب نمایی بين 3 و 4 يا بيشتر به ويژه در مورد الياف بلند سلولزي مي‌باشند. ذرات آرد چوب پهن‌برگان به‌طور كلي استوانه­اي مي‌باشند در حالي كه ذرات آرد چوب سوزني‌برگان اغلب تكه‌تكه شده مي‌باشد.

توزيع اندازه ذره الیاف بکار رفته در چوب پلاست

آناليز تصاوير بيش از 500 ذره از گونه‌هاي كاج، سرو و ارس با ضريب نمایی (لاغری) به ترتيب 4، 2/3، 4/4، توزيع اندازه ذرات (برحسب سطح، در ميكرون مربع) را به ترتيب زير نشان داده است [130].

كوچك (حدود mm5/0-1/0):

mm² 05/0            %23-15

متوسط (حدود mm 8/0×2/0):

²mm 1/0              %32-26

²mm 15/0            %18-16

²mm 2/0              %13-10

جمع متوسط‌ها         %63-56

بزرگ (حدود mm 2/1-3/0)

²mm 25/0           %8-6

²mm 3/0              %3-2

²mm 35/0            %3-2

²mm 4/0             %2

²mm 45/0           %2

²mm 5/0             %1

جمع بزرگ‌ها          %19-15

 

سطح ذره الیاف بکار رفته در چوب پلاست

سطح ويژه الياف سلولزي در مقايسه با پر كننده‌هاي ريز معدني زياد نيست. سطح ويژه مواد معدني چندين مترمربع در گرم است ولي براي الياف سلولزي m²/g 1 مي‌باشد. براي مثال سطح ويژه ذرات پهن‌برگان حدود m²/g 01/1 و از آن سوزني‌برگان m²/g 34/1 مي‌باشند. الياف كتان بسته به نوع تيمارشان داراي سطح ويژه بين 31/0 و m²/g 88/0 مي‌باشند [134]. علاوه بر اين، سطح ويژه به خصوص به نوع دستگاهي كه براي اندازه‌گيري آن به‌كار مي‌رود (گاز، آب، جيوه، يا مولكول‌هاي آلي بزرگ) بستگي دارد. كاربرد مولكول­هاي بزرگ‌تر سطح ويژه كم‌تري را نشان مي‌دهد. براي مثال، سطح ويژه الياف سلولزي قابل دسترس براي آب در حالت خيس m² 200 – 100 مي‌باشد.

رطوبت، توان جذب آب الیاف بکار رفته در چوب پلاست

پلاستيك خالص (به جز نايلون)، كه در چندسازه‌ها به‌كار مي‌روند، در عمل آب جذب نمي‌كنند (يك صدم يا يك هزارم وزني). به‌كار بردن الياف سلولزي در پلاستيك به‌طور مشهودي جذب آب را افزايش مي‌دهد (%2-5/0 طي 24 ساعت زير آب)، كه با اين حال از خود چوب كم‌تر است (اغلب بيش از w/w %2 طي 24 ساعت در آب).

الياف سلولزي و ليگنوسلولزي به مقدار %200 و بيشتر آب جذب مي‌كنند. ذرات پوسته شالي %220 وزني آب جذب مي‌كند.

رطوبت الياف سلولزي در انبار، بسته به منشأ الياف و رطوبت هوا به‌طور معمول به %12-2 مي‌رسد. رطوبت پوسته شالي كه براي ساخت چوب پلاست (‌WPC) تهيه مي‌شود در طول سال بين 5/8 و %5/9 تغيير مي‌كند.

الياف پنبه و رامي طبق گزارش‌هاي مكرر ظرفيت جذب رطوبت آن‌ها در شرايط محيط مي‌تواند به ترتيب به 17 و %25 برسد هر چند كه شرايط محيطي در اغلب اوقات مشخص نمی­شود.

توان ‌پركننده در جذب روغن در محصولات چوب پلاست

الياف سلولزي از اين نظر كه به‌طور برابر مي‌توانند هم روغن و هم آب را جذب كنند بي‌نظيرند. «برابر» بدين معني نيست كه از نظر كمي برابرند، بلكه بدين معني است كه الياف سلولزي هر دو مايع را به خوبي جذب مي‌كنند. براي مثال پوسته شالي %240 وزني روغن موتور را جذب مي‌كند. همان‌طور‌كه در بالا ذكر شده، آرد پوسته شالي %200 وزني آب جذب مي‌كند. بيوداك در حدود %120 آب و %150 روغن موتور (درصد وزني) جذب مي‌كند.

 

1. ضريب لاغري(aspect ratio)