ساخت کامپوزیت چوب پلاست با استفاده از بازیافت ضایعات کارخانجات خمیر و کاغذ

ساخت کامپوزیت چوب پلاست با استفاده از بازیافت ضایعات کارخانجات خمیر و کاغذ

ساخت کامپوزیت چوب پلاست با توجه به کاربرد آن دارای اهمیت می باشد. فرآیند تولید خمیرکاغذ با تبدیل چوب یا مواد اولیه لیگنوسلولزی به الیاف قابل انعطاف و مناسب برای ساخت کاغذ شروع می­شود. در طی فرایند تبدیل چوب به خمیر وکاغذ، بخشی از ذرات چوب و الیاف سلولزي وارد سیستم تصفیه پساب کارخانه­ها شده که این ضایعات سلولزي به همراه برخی مواد معدنی، به صورت لجن خشک از واحد تصفیه پساب جدا شده و در گودال­هاي اطراف کارخانه­ها مدفون می­شوند. با توجه این­که در ساخت چوب پلاست به دلیل هزینه نسبتاً زیاد پلاستیک از مواد پرکننده استفاده می­شود بنابراین استفاده از این مواد در ساخت کامپوزیت­های چوب پلاست بسیار مناسب خواهد بود.

کلید واژه: صنعت خمیر و کاغد –  ضایعات سلولزی – چوب پلاست

ساخت کامپوزیت چوب پلاست

سطح کل جنگل­های ایران، در گزارش وضعیت جنگل­های جهان در سال 2007، 2/14 میلیون هکتار است که در حدود 8/6 درصد از سطح کل کشور را می پوشاند. طبق آمارهای موجود در خلال چند دهه گذشته، جنگل­های کشور از حدود 18 میلیون هکتار به 2/14میلیون هکتار کاهش یافته است(میرمهدی و امیدوار، 1388). با نگاهی به وضعیت جنگل­های شمال کشور، حساسیت و آسیب­پذیری آن به وضوح نمایان شده و لزوم یافتن جایگزینی مناسب و اتکا به سایر منابع و مواد برای صنعت چوب و کاغذ و صنایع سلولزی حائز اهمیت است. اين نكات باعث شده است که در سال‌هاي اخير، در سطح جهان و به تبع آن در کشور ما تحقیقات و پژوهش‌های زيادي در ساخت مواد چندسازه بر پايه استفاده از انواع پلیمرهای گرمانرم و منابع لیگنوسلولزی تجديد پذير انجام بگيرد.

هدف اصلی از ساخت چند سازه ترکیب حداقل دو ماده و رسیدن به ماده جدیدی با کیفیت وخواص بالاتراز هر دو ماده قبلی می­باشد. مواد مرکب پلیمری دارای مزایایی نظیر: وزن کم، مدول واستحکام کششی زیاد در راستای الیاف، قابلیت دستیابی به خواص فیزیکی مورد نظر از طریق جهت دهی به الیاف، مقاومت به خستگی، خزش زیاد ومقاومت در برابر اکثر ترکیبات شیمیایی مخرب هستند لذا به منظور کاهش محدودیت­های فوق الذکر در ساخت پلاستیک‌های نفتی از سایر مواد آلی ومعدنی استفاده می­شود؛ پرکننده­ها و الیاف­سلولزی تجدید پذیر ازجمله این مواد هستند دانسیته کمتر، عدم فرسایش سطوح، پرکنندگی زیاد، افزایش سختی و قابلیت بازیافت از جمله مزایای الیاف سلولزی است و چندسازه ساخته شده با این تقویت کننده­های سلولزی، مصارف بسیار زیادی در ساخت انواع کفپوش، حصار، انواع پروفیل در و پنجره، قطعات مورد استفاده در خودروسازی و… دارد. لازم به‌ذکر است به‌دلیل این که الیاف لیگنوسلولزی دارای طبیعتی قطبی هستند با پلیمرها که موادی غیر قطبی هستند ناسازگار بوده و لذا لازم است برای ایجاد پیوند بین ماده زمینه پلیمری و فاز سلولزی پر کننده یا تقویت کننده از ترکیباتی به نام عامل جفت کننده استفاده کرد. این مواد با داشتن یک سر قطبی با ماده سلولزی پیوند برقرار می کند و از سر دیگر که غیر قطبی است با ماده زمینه پلیمری پیوند برقرار می کند با اصلاح سطح مشترک موجب تقویت پیوندهای بین دوفاز شده و خواص مکانیکی فراورده را بهبود می بخشد.

سابقه تحقيق چوب پلاست:

بر اساس جستجوی صورت گرفته می‎توان گفت که تاکنون در سطح کشور تحقیقی برای ساخت کامپوزیت چوب پلاست از پساب کارخانه­های کاغذسازی صورت نگرفته است و در زمینه‌های مرتبط می‎توان به موارد زیر اشاره نمود.

طارمیان و دوست حسینی (1384) با بررسی ساخت تخته خرده چوب ساخته شده از الیاف پسماند کارخانه چوب و کاغذ مازندران و چسب ایزوسیانات نشان دادند که با افزایش الیاف پسماند مقاومت خمشی و برشی تخته­ها به­طور جزئی کاهش می یابد در مقابل واکشیدگی ضخامت تخته­ها اندکی بهبود می­یابد. چونگیل سون و همکاران اثر اندازه ذرات لجن کاغذ و دمای اکستروژن را بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی لجن کاغذ کامپوزیت­های چوب پلاست مورد بررسی قرار دادند و اعلام کردند با کاهش اندازه ذرات لجن کاغذ، ضخامت واکشیدگی، جذب آب، و مقاومت کششی و خمشی کامپوزیت بهبود یافت اما اندازه ذرات لجن کاغذ هیچ تاثیری روی مقاومت به ضربه آن نداشت با افزایش دمای اکستروژن ضخامت واکشیدگی و جذب آب مواد مرکب کمی بهبود یافته اما دمای اکستروژن از نظر آماری معنی دار نمی باشد دمای اکستروژن به طور کلی بر روی خواص کششی و خمشی کامپوزیت اثر مثبت داشت با افزایش دمای اکستروژن ازC °  190 تا  C ° 230 مقاومت به ضربه کامپوزیت افزایش می یابد اما در دمای C ° 250 کاهش می یابد. جی جیو و همکاران (2004) با بررسی درجه حرارت بحرانی در ساخت کامپوزیت اعلام کردند که  بدون در نظر گرفتن روش خشک کردن، بالاترین درجه حرارت برای کامپوزیت های پلاستیکی فیبر چوب، برای جلوگیری از اثرات نامطلوب مواد فرار از فیبر چوب  در زمان تولید  باید به حداقل،  ترجیحاً زیر 170 درجه سانتی­گراد برسد. کوکتا و همکاران (2004) برای تولید چندسازه ( الیاف کاغذ- HDPE ) با استفاده از اکسترودر تک پیچ اقدام نمودند آنها به این نتیجه رسیدند که زمان بهینه، اکسترود کردن (از زمانی که الیاف وارد اکسترودر می شوند تا لحظه خروج ) 20دقیقه است.

چونگیل سون و همکاران با بررسی اثر نسبت اختلاط لجن کاغذ و انواع آن و مقدارعوامل جفت کننده بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی لجن کاغذ کامپوزیت های پلیمری گرمانرم  نشان دادند زمانی که مقدار لجن کاغذ افزایش یافت همان طور که انتظار می رفت دانسیته کامپوزیت افزایش یافت اما شاخص جریان ذوب کاهش یافت واکشیدگی ضخامت و جذب آب کامپوزیت با افزایش مقدار لجن کاغذ در مقایسه با نمونه شاهد بهبود یافت با افزایش اختلاط لجن کاغذ، خواص کششی کامپوزیت به طور قابل توجهی افزایش یافت به خصوص، مدول کششی با افزایش مقدار لجن کاغذ بهبود یافت استحکام و مدول خمشی روند مشابه خواص کششی را از خود نشان دادند. سباستین میگناولت و همکاران(2010) با بررسی  تخته فیبر دانسیته متوسط ساخته شده ازخمیر و اسلاج خمیر روش­های مختلف خمیرسازی نشان دادند که  خواص MDF اغلب بطور خطی با مقدار اسلاج کاهش یافت و خواص پانل همبستگی منفی با نسبت مواد بدون الیاف از قبیل خاکستر و مواد استخراجی داشت. پانل تولید شده از اسلاج CTMP و TMP کیفیت یکسانی داشتند و اسلاج حاصل از خمیر کرافت پایین ترین کیفیت را داشت.

پساب کاغذ سازی

پساب خمیروکاغذ (محصول فرعی عملیات اولیه خمیر سازی، جریان های بازیافتی یا خمیرسازی از کاغذ ضایعاتی و مانند آنها) یک مشکل محیط زیستی و دفع برای سازندگان خمیروکاغذ است. بطور کلی پساب خمیروکاغذ با این که دارای ترکیبات مشابه (سلولز، همی­سلولز، لیگنین، کربنات­کلسیم، خاک­رس و دیگر ترکیبات معدنی) خمیر و کاغذ می باشد، ولی برای خمیرسازی نامناسب هستند. دلیل اصلی نامناسب بودن پساب کاغذ سازی، داشتن مقادیر زیادی الیاف سلولزی کوتاه است که کیفیت کاغذ را کاهش می­دهد (ابراهیمی و رستم­پور، 1389). سالیانه حجم زیادی از این لجن­های سلولزی درمحوطه کارخانه­ها انباشت شده که علاوه برعوارض و تبعات زیست محیطی، هزینه­های زیادی را به شرکت­ها در جهت جمع­آوری و نگهداری این ضایعات تحمیل نموده است.

منابع ایجاد کننده پسماندهای سلولزی در کارخانجات صنایع خمیر وکاغذ عبارت است از: قطعات چوبی کوچک شکسته شده در نتیجه جابجایی و انتقال چوب در محوطه نگهداری چوب ( یارد کارخانه)، ضایعات ناشی از پوست کنی تنه­های درختان در مرحله پوست کنی، ضایعات ناشی از تبدیل چوب به خرده چوب  در دستگاه خرد کن، ضایعات ناشی از الک کردن خرده چوب­ها، ضایعات ناشی از انتقال خرده چوب­ها به واحد خمیرسازی، ضایعات ناشی از فرایند شستشوی خرده چوب­ها در واحد خمیرسازی، ضایعات ناشی از شستشوی خمیر و نیز خروج از مخازن نگهداری خمیر در واحد خمیرسازی، ضایعات ناشی از خروج الیاف آب سفید ماشین کاغذ، ضایعات ناشی از تبدیل خمیرهای خشک به خمیر قابل استفاده در ماشین کاغذ.

میزان پسماند تولیدی به ازای هر محصول

در سال 1995، برای برآورد میزان پسماند تولیدی از صنایع محصولات جنگلی، یک مدل شبیه سازی شده برای هر نوع محصول به­کار گرفته شد. پسماند تولیدی از خمیر سولفات سوزنی برگ رنگبری شده حدود 45 کیلوگرم به ازای هر تن خمیر خشک و برای خمیر پهن­برگ 50 کیلوگرم به ازای هر تن خمیر خشک بوده است. در مورد هر دو نوع این محصول، میزان پسماند آلی تولیدی، بالغ بر 30 کیلوگرم به ازای هر تن خمیر خشک ارزیابی گردید. پسماند تولیدی فرآیند گراندوود سنگی در حدود 13 کیلو گرم به­ازای هر تن خمیر خشک، فرآیند گراندوود تحت فشار در حدود 15 کیلو گرم به­ازای هر تن همیر خشک، فرآیند TMP حدود 18 کیلوگرم به ازای هر تن خمیر خشک و فرآیند خمیر نیمه شیمیایی حدود 30 کیلوگرم به ازای هر تن خمیر خشک بوده است.

کارخانجات خمیروکاغذ، پسماندهای جامد و مایع دیگری از قبیل فلزات، مواد شیمیایی زائد، زائدات کاغذ و بسته بندی را نیز تولید می­کند. میزان پسماند تولیدی انواع مختلف کاغذ، متناسب با فرآیند تولید از 25 کیلوگرم بر تن برای کاغذ sc تا حدود 60 کیلوگرم برتن برای مقوا با خمیر شیمیایی رنگبری شده متغیر است. میزان پسماند غیر آلی برای مقوای حاصل از خمیر شیمیایی و لاینر کرافت بیشترین مقدار و برای کاغذ روزنامه کمترین میزان بوده است(افرا، 1389).

جدول 1- حجم پسماندهای جامد (تن در سال)

جدول 2- آمار مصرف چوب، تولید کاغذ و لجن تولید شده از سال 1384تا 1388در صنایع چوب وکاغذ مازندران(اسدپور و همکاران، 1390)

لازم به ذکر است اطلاعات مربوط به وزن لجن­های دفن شده از سال 1384به بعد کاملا دقیق وبراساس اندازه­گیری­های واقعی بوده است (باتوجه به محاسبه نرخ تولید لجن به ازای هرتن کاغذ تولیدی باتوجه به اطلاعات واقعی تولید تقریبا به ازای هرتن تولید کاغذ، حدود 70 کیلوگرم لجن تولیـــد می­شود ( 7درصد). بسیاری از کارخانجات و واحدهای تولیدی موجود درکشور به دلیل ساختارهای اقتصادی ضعیف وفقدان مدیریت جامع کنترل ونظارت­های فنی وعمومی سیستم­های دولتی به عنوان آلاینده­های زیست محیطی هستند. در کارخانه­های تولید کاغذ، مقوا وکارتن نیز همانطوریکه بایستی برای تفکیک کاغذهای زباله از اصول علمی استفاده کرد، باید با خریداری دستگاه‌ها و تجهیزات پیشرفته تصفیه نیزگام بزرگی در راستای حفظ محیط زیست برداشته شود. لذا همان‌ گونه که کاغذ‌های باطله را در سیستم بازیافت به کاغذ تبدیل می‌کنیم، پساب ناشی از این فرآیند را نیز بازیافت می‌کنیم؛ کارخانه‌هاي مجهز به تصفيه خانه مناسب فاضلاب، بسيار محدود هستند. دلیل اینکه بسیاری از واحدها از اینگونه سیستم ها استفاده نمی­کنند این است که هیچگونه نظارتی بر فعالیت­های آنها به شکل جدی صورت نمی­گیرد. بنابراین با شرایط اقتصادی نابسامانی که دارند وازآنجا که اکثرکارخانه­ها در ظرفیت­های پایین ظرفیت اسمی خود فعالیت عملی دارند تمایلی برای سرمایه گذاری بیشتر ندارند البته خودشان این سرمایه گذاری را نوعی هزینه تلقی نموده و به توسعه این فرایند رغبت نشان نمی­دهند. بیشتر کارخانه‌هاي کاغذسازي تنها تصفيه‌اي ناقص انجام مي‌دهند که عمدتا يک مرحله ته­نشيني است بنابراین با توجه به کمبود مواد اولیه در کشور و امکان استفاده از پساب کارخانه­های خمیرسازی، می­توان از پساب این کارخانه ها برای تولید محصولاتی را که قابل رقابت با چوب و محصولات چوبی هستند استفاده کرد.

نتیجه گیری ساخت کامپوزیت چوب پلاست

از آن­جایی که سالانه حجم زیادی از ضایعات سلولزی در کارخانه­های خمیرسازی تولید و در اطراف کارخانه­ها دفن و یا سوزانده می­شود؛ سوزاندن یا دفن این مواد علاوه برعوارض و تبعات زیست محیطی، هزینه­های زیادی را به شرکت­ها در جهت جمع­آوری و نگهداری این ضایعات تحمیل می­کند. به­دلیل افزایش نسبی قیمت پلاستیک­ها، افزودن الیاف بعنوان پرکننده به منظور کاهش هزینه­ها در صنعت چوب پلاست بسیار حائز اهمیت است. بنابراین می­توان از ضایعات سلولزی بعنوان پرکننده در چوب پلاست استفاده کرد.

منابع و مراجع

1. ابراهیمی، قنبر و رستم پور هفتخوانی، اکبر. 1389، چندسازه چوب پلاست، انتشارات دانشگاه تهران،886
2. افرا، الیاس، 1389، کنترل زیست محیطی آلاینده­ها در صنایع کاغذسازی، انتشارات آییژ، 237 صفحه.
3. اسدپوراتوئی، قاسم، گلی، مجتبی و اکبری، حجت الله. 1390. تولید صنعتی کود آلی گرانوله از پسماند سلولزي در صنایع چوب وکاغذ مازندران الگوئی مناسب براي استفاده بهینه اقتصادي و زیست محیطی از ضایعات جامد کارخانجات خمیروکاغذ. نخستین همایش ملی نقشه راه تامین مواد اولیه و توسعه صنایع چوب و کاغذ کشور در افق 1404.
4. میرمهدی، سیدمحمد و امیدوار، اصغر. 1388. امکان­سنجی استفاده از سبوس برنج در ساخت چندسازه چوب_پلاستیک. مجله چوب و کاغذ، سال هشتم، شماره 43
5. طارمیان، اصغر و دوست حسینی، کاظم. 1384. بررسی ویژگی­های کیفی تخته خرده چوب ساخته شده با چسب ایزوسیانات. مجله منابع طبیعی ایران، جلد 58، شماره 3.
6. Son, j., yang, h., and kim, h.. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2004, Vol. 17.
7. Son, j., kim, h., and lee, p. Role of Paper Sludge Particle Size and Extrusion Temperature on Performance of Paper Sludge–Thermoplastic Polymer Composites. Journal of Applied Polymer Science, 2001, Vol. 82.