استفاده از سر شاخه پسته در ساخت چوب پلاست

پژوهش: دکتر اکبر رستم پور هفتخوانی

(بخش دوم)

نتایج

پس از ساخت چوب پلاست نتایج آنالیز واریانس داده های مورد مطالعه در جدول 2 آمده است. جدول تجزیه واریانس نشان می دهد که تاثیر پوست بر مقاومت و مدول الاستیسیته خمشی، مقاومت کششی، مقاومت به ضربه بدون فاق و ازدیاد طول چوب پلاست معنی دار بوده است.

جدول 2: نتایج جدول تجزیه واریانس

مقاومت	منابع تغييرات	مجموع مربعات	درجه آزادي	ميانگين مربعات	مقدار F	سطح معني داري
مقاومت خمشی	تیمار (بین میانگین ها)	590/11	4	147/53	10/47	0/000
	اشتباه آزمایشی (درون میانگین ها)	225/51	16	14/09
	كل	815/62	20
مدول الاستیسیته خمشی	تیمار (بین میانگین ها)	1992428/25	4	498107/06	9/07	0/001
	اشتباه آزمایشی (درون میانگین ها)	878304/42	16	54894/03
	كل	2870732/67	20
مقاومت کششی	تیمار (بین میانگین ها)	234/47	4	58/62	19/52	0/000
	اشتباه آزمایشی (درون میانگین ها)	51/05	17	3
	كل	285/52	21
مقاومت به ضربه (بدون فاق)	تیمار (بین میانگین ها)	0/04	4	0/01	4/70	0/010
	اشتباه آزمایشی (درون میانگین ها)	0/04	17	0/00
	كل	0/08	21
ازدیاد طول	تیمار (بین میانگین ها)	2/45	4	0/61	13/42	0/000
	اشتباه آزمایشی (درون میانگین ها)	0/78	17	0/05
	كل	3/22	21

مقاومت کششی

شکل 1 تاثیر افزایش درصد پوست را بر مقاومت کششی چوب پلاست ها نشان می­دهد. این کاهش از نظر آماری نیز معنی­دار است. مشاهده می­شود که هرچه درصد پوست بیشتر می­شود مقاومت کششی کاهش می­یابد. در اینجا مقاومت کششی HDPE خالص نیز بنا به گزارش شرکت سازنده و براساس استاندارد ASTM D638 آورده شده است. ملاحظه می‌شود که با افزودن پوست مقاومت کششی نسبت به پلیمر خالص نیز کاهش یافته است.  از عواملی که بر خواص مکانیکی چوب پلاست ها موثر است می­توان به مقدار پرکننده، اندازه و شکل ذره و شدت چسبندگی بین پرکننده و مادۀ زمینه و پراکنش پرکننده در شبکۀ پلیمر اشاره کرد [Willett, J. L. ,1994].

شکل 1 : مقاومت کششی چوب پلاست

دلیل کاهش خواص کششی چوب پلاست ها با افزودن پوست را می­توان به اختلاف ترکیبات بین پوست و چوب نسبت داد. پوست مواد استخراجی بیشتر و مادۀ سلولزی کم­تری نسبت به چوب دارد. از جمله واکنش­های ممکنی که در چوب پلاست های دارای عامل سازگارکننده تصور می­شود واکنش گروه­های قطبی هیدروکسیل وگروه­های اسیدی مادۀ لیگنوسلولزی با گروه­های کربوکسیل سازگارکننده است. واکنش مشابهی در HDPE پر شده با الیاف چوبی مالئیک دار شده [Lu, J. Z.et all,2005] و آرد چوب  گزارش شده است[Li, Q.; Matuana, L. M,2003]. سلولز در مقایسه با بقیۀ ترکیبات موجود در مادۀ لیگنوسلولزی گروه­های هیدروکسیل آزاد واکنش­پذیری بیشتری دارد. در نتیجه هرچه میزان سلولز در ماده بیشتر باشد مقاومت چوب پلاست حاصل بیشتر است. با افزودن پوست، از مقدار سلولز در چوب پلاست کاسته شده و مقاومت آن کم می­شود.

ازدیاد طول در حداکثر مقاومت کششی

شکل 2 تاثیر افزایش درصد پوست را بر ازدیاد طول در حداکثر مقاومت کششی نشان می­دهد­. این کاهش از نظر آماری نیز معنی­دار است. مشاهده می­شود با افزایش در­صد پوست تا %5/22 ازدیاد طول چوب پلاست ها کاهش می­یابد­. اما با افزودن %50 پوست به پلیمر، ازدیاد طول چوب پلاست ها افزایش یافته است. یکی از دلایل کاهش ازدیاد طول پلیمر در حضور پرکننده کاهش قابلیت تحرک زنجیره­های پلیمر است.

شکل2: درصد ازدیاد طول در حداکثر مقاومت کششی چوب پلاست ها

مقاومت خمشی

شکل 3 تاثیر درصد افزایش پوست را بر مقاومت خمشی چوب پلاست ها نشان می­دهد. مشاهده می­شود با افزایش مقدار پوست مقاومت خمشی کاهش یافته است و این کاهش از نظر آماری نیز معنی­دار است. یکی از دلایلی که می­توان برای این امر بیان کرد، تضعیف عملکرد MAPP با افزایش مقدار پوست است. در واقع با افزایش مقدار پوست از گروه‌های عاملی واکنش پذیر با MAPP‌ کاسته می‌شود چون پوست سلولز کمتری در مقایسه با چوب دارد.

شکل3: مقاومت خمشی چوب پلاست ها

مدول خمشی

شکل4 تاثیر افزودن پوست بر مدول خمشی چوب پلاست را نشان می­دهد­. مشاهده می­شود که با افزایش درصد پوست مدول خمشی کاهش می­یا­بد و این کاهش از نظر آماری نیز معنی­دار است. در شکل4 مدول خمشی HDPEخالص نیز بنا به گزارش شرکت سازنده و براساس استاندارد ASTM D790 برای مقایسه ارائه شده است. مشاهده می‌شود که با افزودن پوست مدول خمشی چوب پلاست نسبت به پلیمر خالص افزایش یافته است.  بنابر مشاهدات موجود، مدول الاستیسیته پوست تقریبا نصف چوب است [Niklas,  K.J., 1998]. مدول الاستیسیته هر جسم معرف میزان سفتی آن می­باشد. دلیل کاهش مدول خمشی چوب پلاست با افزایش درصد پوست به آن، کم­تر بودن مقدار سلولز در پوست است. چون سلولز به علت بلورینگی بیشتر در مقایسه با بقیه ترکیبات چوب، سفتی ماده را افزایش می­دهد.

شکل 4: مدول الاستیسیته خمشی چوب پلاست ها

مقاومت به ضربۀ بدون فاق آیزود

شکل 5 تاثیر افزایش درصد پوست را بر مقاومت به ضربه بدون فاق چوب پلاست ها نشان می­دهد. مشاهده می­شود که با افزایش در­صد پوست مقاومت به ضربه چوب پلاست کاهش یافته است و این کاهش از نظر آماری نیز معنی­دار است­. دلیل این امر مقدار سلولز کم­تر و مواد استخراجی بیشتر در پوست است­. در هنگام تراکم تنش در اطراف ذرات پرکننده در چوب پلاست که می­تواند ایجاد شکست نماید­، هرچه درهم­آمیختگی بین پلیمر و پرکننده قوی­تر باشد، انتشار شکست کندتر صورت می‌گیرد. با افزایش مقدار پوست گروه­های واکنش پذیر با MAPP کم­تر شده و در نتیجه درهم­آمیختگی بین پلیمر و پرکننده ضعیف می­شود و مقاومت به ضربه چوب پلاست کاهش پیدا می­کند. اما حضور سلولز در مخلوط ضعف درهم‌آمیختگی بین ذرات پرکننده پوست و پلیمر را جبران می­کند.در برگرفتن ذرات پرکننده پوست توسط پلی‌مر در WPC، به خوبی این عمل پلیمر همراه با پرکنندة‌ آرد چوب نیست. جفت کننده ضعف در برگرفتن ذرات پرکنندة پوست را جبران می‌کند. این اثر جفت کننده وقتی‌که پرکننده آرد چوب باشد بیشتر است و علت شاید این باشد که گروه‌های واکنش‌پذیر در سلولز بیشترند، هرچند که اتفاق نوعی پیوند شیمیایی بین این گروه‌های پرکننده و پلی‌مر با وساطت جفت کننده، هنوز توسط پژوهشگران این زمینه تایید نشده است.

شکل 5­: مقاومت به ضربه بدون فاق چوب پلاست ها

جذب آب

شکل 6 نتایج مربوط به جذب آب چوب پلاست های ساخته شده را نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود بیشترین میزان جذب آب مربوط به چوب پلاست های ساخته شده با ٪5/22 درصد آرد پوست به همراه 5/27 درصد آرد چوب و کم‌ترین میزان جذب آب مربوط به چوب پلاست های ساخته شده با ٪50 درصد آرد پوست است. دلیل این امر تا حدودی روشن است. عامل اصلی جذب آب در چوب پلاست های چوب پلاستیک ماده سلولزی است و آنچه در ماده سلولزی باعث جذب آب می‌شود گروه‌های آبدوست هیدروکسیل است. هرچه در مادة چوبی میزان سلولز بیشتر باشد جذب آب آن بیشتر است. مقدار سلولز در پوست کم‌‌تر است. از ‌این‌رو هرچه میزان پوست در چوب پلاست بیشتر باشد مقدار سلولز در ماده کم‌تر بوده و آب کم‌تری جذب می‌کند. از طرفی عامل مهم در جذب آب چوب پلاست ها عملکرد جفت‌کننده‌ها است که سبب کاهش جذب آب می‌شوند. طبق تحقیق انجام شده توسط کاظمی و همکاران(2008) افزون %2 سازگارکننده (MAPP) به مخلوط چوب پلاست جذب آب و واکشیدگی ضخامت را نسبت به حالت بدون سازگارکننده در درصدهای کم­تر پوست کاهش می‌دهد، اما در درصد‌های بالاتر پوست تاثیری بر آن ندارد. این امر در اینجا هم مشاهده می‌شود.

شکل6: جذب آب بلند مدت چوب پلاست ها

بحث و نتیجه­ گیری در رابطه با ساخت چوب پلاست

این مطالعه با ساخت چوب پلاست و با هدف بررسی درصد آرد پوست و آرد چوب بر خواص مکانیکی  چوب پلاست های ساخته شده از مخلوط آرد چوب و آرد سرشاخه پسته-HDPE انجام شده است. نتایج نشان داد که با افزودن پوست از صفر تا 50 درصد وزنی به مخلوط آرد چوب-HDPE مقاومت کششی، مقاومت و مدول خمشی و مقاومت به ضربه چوب پلاست به ترتیب 71، 53، 42 و 63 درصد کاهش می­یابد­. با افزایش مقدار آرد پوست تا ٪25 در ساخت چوب پلاست جذب آب افزایش می‌یابد و سپس کاهش می‌یابد. دلیل این کاهش خواص را می­توان در اختلاف ترکیبات موجود در پوست و چوب و تاثیر آن بر کنش بین مادۀ لیگنوسلولزی وMAPP جستجو کرد، که هنوز شناخت کاملی از چگونگی این واکنش در دست نیست [Klyosov A, 2007, Bouafif H, et all. 2008]. با توجه به نتایج فوق و نتایج حاصل از تحقیقات انجام شده در ساخت چوب پلاستKazemi Najafi Set all. 2008, Gajender, S et all. 2007, Kamini S, Maiti S N, 2006]] و با توجه به چشمگیر بودن میزان ضایعات پوست حاصل از کارخانه­های صنایع چوب و کاغذ، و سرشاخه‌ها که خود دارای مقدار زیادی پوست هستند، انتظار می‌رود که بتوان از پوست توام با آرد چوب در ساخت چوب پلاست برای کاربردهایی که در آن قطعه نصب شده تحت بار نیست، استفاده کرد.

منابع

1- Klyosov A.; 2007,wood plastic composites: Wiley Bicentennial.

2- Brydson, J. A.; , 1999, Plastics Materials; Butterworth Heinemann: New York.

3- MERL Ltd, 2003, Wood Plastic Composites Study -technologies and UK Market Opportunities, pp82.
4- Katz, H. S.; , 1987, Milewski, J. H. Handbook of Fillers for Plastics; Van Nostrand Reinhold: New York.

5. Osman, M. A.; Atallah, A.; Schweizer, T.; Ottinger, H. C. J Rheol ,2004, 48, 1167.
6. Maiti, S. N.; Jeyakumar, R., 1990, J Polym Mater 7, 29.

7- Adhikary K B., Pang Sh, Staiger M P. 2008, Dimensional stability and mechanical behaviour of wood–plastic composites based on recycled and virgin high-density polyethylene (HDPE), Composites Part B: Engineering Volume 39, Issue 5Pages 807-815

8- Kamini S., Maiti. S. N., 2006, Mechanical Properties of HDPE/Bark Flour Composites, Received 20; accepted 11 January 2007 DOI 10.1002/app.26293

9- Gajender, S., Veena, C, Rashmi B., Narula A. K, 2007, Study on PVC Composites Containing Eugenia jambolana Wood Flour, DOI 10.1002/app.27198.

10- Claude M, Y Ngueho, Kouba A, Cloutier A, Soulounganga P, Wolcott M, 2009, Effect of bark fiber content and size on the mechanical properties of bark/HDPE composites,  Composites: Part A.

11- Kazemi Najafi S, Tajvidi M, Chaharmahli M, 2006, Long-Term Water Uptake Behavior of Lignocellulosic-High Density Polyethylene Composites, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 102, 3907–3911 ().

12- Adhikary K B. , Pang S, Staiger M P., 2008, Long-term moisture absorption and thickness swelling behaviour of recycled thermoplastics reinforced with Pinus radiata sawdust, Chemical Engineering Journal 142 . 190–198.

13- Kazemi Najafi S, Kiaefar A, Tajvidi M, 2008, Effect of bark flour content on the hygroscopic characteristics of wood-polypropylene composites, Journal of Applied Polymer Science, Published Online.

14- rowell, R M,Saadi,A R, Caulfield, DF, and Jacobson. R E, 1997.utilization of natural fiber in plastic composite: problems and opportunities.lignocellulosic – plastic composites, edited by AL Leao, FX Carralho and E Frolini, university of rio de janerio, pp :23-51

15- Willett, J. L. ,1994,J Appl Polym Sci, 54, 1685.

16- Colom, X.; Carrasco, F.; Pages, P.; Canˇ avate, 2003, J. Compos Sci Technol, 63, 161

17- Lu, J. Z.; Negulescu, I. I.; Wu, Q,2005,. Compos Interfaces, 12, 125.

18- Li, Q.; Matuana, L. M,2003,. J Thermoplast Compos Mater, 16, 551.

19-Niklas,  K.J., 1998.  The  mechanical  role  of  bark,  American  Journal  of  86:465-469 Botany.

20- Bouafif H, Koubaa A, Cloutier A, Perré P, Riedl B. ,2008, Analysis of among-variability in fiber surface using DRIFTS and XPS. J Wood Chem Technol;28:296–315.