مقدمه ای بر علم کامپوزیت و چوب پلاست

  تعاریف بنیادین و مبانی کامپوزیت :

علم کامپوزیت و چوب پلاست مباحث جدیدی در گروه خانواده کامپوزیت های پلیمری می باشد. کامپوزیت ازلحاظ لغوی از مصدر to compose به معنای ترکیب کردن ، مخلوط کردن و ساختن می باشد ودرمباحث علمی کامپوزیت اصطلاحا به ترکیب واختلاط دو یا چند جزؤ یا فاز گفته می شود به قسمی که دارای 7 شرط اساسی زیر باشند:

• مصنوعی وجامد باشند .
• اجزا به صورت منظم وپراکنده در کنار یکدیگر باشند .
• اختلاط فازها فیزیکی باشد ونه شیمیایی .
• فازها از نظر خواص فیزیکی شیمیایی ومکانیکی متفاوت باشند .
• یکی از فازها خواص مورد نظر بهتری نسبت به فاز دیگر داشته باشد .
• اجزا خواص خود را در ترکیب حفظ نمایند .
• بالا بودن خواص مورد نظر در مجموع نسبت به خواص هر یک از اجزا .

پس دانش کامپوزیت به اعتباری متکفل طراحی وساخت سازه هایی با خواص فیزیکی ومکانیکی مطلوب ومورد نظر می باشد . کلیه سازه های کامپوزیتی  اساسا دارای دو جزؤ یا دو فازمی باشند :

الف) فاز ضعیف یا ماتریس( فاز پیوسته )                                      Matrix

• فاز تقویت کننده ( فاز ناپیوسته ) Reinforcer     

شاید این جمله زیاد بیراه نباشد که گفته شده : “کامپوزیت ها کاهگل های عصر جدید هستند” زیرا کاهگل که در قدیم برای ساخت بنا مورد استفاده قرار می گرفت نیز دارای تمامی 7 شرط فوق الذکر می باشد فاز پیوسته این کامپوزیت ملات گل بوده که با استفاده از کاه ماتریس گلی را تقویت می کردند .

تقسیم بندی انواع مواد کامپوزیتی

مواد کامپوزیتی را براساس نوع ماتریس ، شکل ذرات تقویت کننده و دیگر پارامترها  می توان دسته بندی کرد ولی متداولترین معیارهای تقسیم بندی سه عامل تعیین کننده نوع ماتریس و شکل ذرات تقویت کننده ،  و ساختارکامپوزیت می باشد .

در متون علمی کامپوزیتها را از نظر شکل ساختمان ذرات تقویت کننده  نیز به دو گروه اصلی تقسیم کرده اند :

الف ) کامپوزیتهای با تقویت کننده لیفی شکل Fiber reinforced  composites

    ب ) کامپوزیتهای با تقویت کننده ذرات                     Particulate reinforced composits   

• ازنظر ساختار خود کامپوزیت دو گروه اصلی :

کامپوزیتهای چند لایه وکامپوزیتهای یک لایه  را می توان از هم  تفکیک نمود.

• در نهایت باید گفت که امروزه سازه های کامپوزیتی از نظرنوع فاز پیوسته یا ماتریس به سه دسته تقسیم می شوند :

الف) کامپوزیت های با ماتریس فلزی

      ب ) کامپوزیت های با ماتریس سرامیکی

   ج ) کامپوزیت های با ماتریس پلیمری

 

در ساخت کامپوزیت های با ماتریس پلیمری از پلیمرهای گرمانرم وگرما سخت استفاده می شود . فاز تقویت کننده معمولا سفت تر ومحکم تر از فاز ماتریس است این دو فاز از طریق اتصال منطقه حد فاصل یا همان سطح مشترک ( فصل مشترک =  InterFace) به هم متصل می شوند . خواص وشرایط این ناحیه تاثیر مستقیم بر کارآیی چندسازه دارد و نقش اصلی فازماتریس نگهداری الیاف تقویت کننده وانتقال نیروست .

در حقیقت هدف اصلی از ساخت چند سازه ترکیب حداقل دو ماده و رسیدن به ماده جدیدی با کیفیت وخواص بالاترازهر دو ماده قبلی می باشد . 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 ، خواص خستگی ، خزش زیاد ومقاومت در برابر اکثر ترکیبات شیمیایی مخرب هستند .

مهمترین محدودیتهای مواد پلاستیکی عبارتند از :

هزینه نسبتا بالا ، محدودیت دمای کارکرد ، تاثیر منفی رطوبت به ویژه حین فرآیند تولید ، شکنندگی الیاف ودر نهایت مشکلات بازیافت و تجزیه ناپذیری لذا به منظور کاهش محدودیت های فوق الذکر در ساخت پلاستیکهای نفتی از سایر مواد آلی ومعدنی استفاده می شود ؛ پرکننده ها والیاف سلولزی تجدید پذیر کشاورزی ازجمله این مواد هستند دانسیته کمتر ،عدم فرسایش سطوح ، پرکنندگی زیاد ، افزایش سختی ، قابلیت بازیافت و عدم شکنندگی الیاف در خمشهای حین فرآوری از جمله مزایای الیاف سلولزی است ونیز مصارف بسیار زیادی در ساخت کفپوش ، حصار ، انواع پروفیل در وپنجره ، خودرو سازی ،لوازم خانگی و انواع سازه های آبی دارد .

کامپوزیت مورد بحث دراین مبحث نوعی کامپوزیت ازخانواده چوب پلاست است که بر پایه انواع ماتریس پلیمرهای ترموپلاستیک بوده وتوسط الیاف سلولزیFibers”  “Short تقویت شده است . وممکن است دارای ساختاری یک یا چند لایه باشد و به دلیل دشواری جهت دهی به الیاف کوتاه دراکثرمحصولات الیاف دارای توجیه تصادفی هستند

علم کامپوزیت و چوب پلاست ( پلاستو وود):

 WPC   (چوب پلاست / پلاستو وود) لفظ مشترکی است که به دو نوع چند سازه متفاوت اطلاق می‌شود ، به ‌فرآورده‌هایی که ازطریق اختلاط انواع پلیمرهای ترمو پلاستیک‌ به عنوان ماتریس با الیاف چوب ویا دیگر مواد « سلولزی» به عنوان فازتقویت‌کننده یا فیلر، ساخته می‌شود چوب پلاستیک گفته می‌شود .

 

 نوع دیگرچند ‌سازه‌ای است که در اثراشباع چوب با « مونومر» سپس پلیمریزاسیون آن به روشهای حرارتی یا پرتو بتا یا گاما به دست می‌آید.

در نوع اخیر فرآورده‌ها، که به آنها  “  ” WOOD POLYMER COMPOSITE نیز می‌گویند یکپارچگی و ظاهر چوب حفظ می‌شود در حالی که حفرات و روزنه‌های ریز آن توسط پلیمراشغال شده‌است . این فرآیند که یکی از روشهای اصلاح چوب به شمار می‌آید منجر به بهبود ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی چوب شده وقابلیت کاربردی آن را در صنایع وتحقیقات افزایش می‌دهد. (امیدوار.ا 1384)

نتایج تحقیقات نشان داده‌ که تهیه چوب پلیمر می‌تواند جرم ویژه چوب را از ۵۰ تا ‪ ۱۸0درصد، کارآیی ضدهم کشیدگی آن را تا ‪ ۷۰درصد و مقاومت‌های مکانیکی را از ۱۷۰تا۳۰۰‪ درصد افزایش دهد .این چند سازه‌ها می‌توانند در برج‌های خنک‌کننده، انواع دسته ابزار ، قالب‌های صنعتی و ترانسفورماتورها وبرخی مصارف خاص دیگراستفاده شود این نوع از چند سازه ها در مقایسه با نوع اول بخش کوچکی  از صنعت کامپوزیت های چوبی را به خود اختصاص می دهند که دلایل این امر را می توان در موارد زیر برشمرد:

نیاز به چوب ماسیو که طبعا موجب محدودیت تولید وگرانی محصول خواهد شد ، نیاز به مونومرهای خاص که قابلیت تزریق به داخل بافت چوب وسپس پلیمریزاسیون درآن را داشته باشد ، پیچیدگی و دشواری و هزینه بالای فرآیند پلیمریزاسیون مونومرها وموارد مصرف اندک ومحدودیت درتولید صنعتی .

و اما چند‌سازه‌های WPC  (چوب پلاست / پلاستو وود) نوع اول:

چند‌سازه‌های چوب پلاست / پلاستو وود از اختلاط ذرات چوب و سایر مواد لیگنو سلولزی مثل کاه گندم و برنج، الیاف و ساقه ذرت و کنف به صورت آرد با پلیمرهای ترمو پلاست (پلاستیک) در حالت مذاب حاصل می‌شود و به دلیل قالب پذیر بودن خمیر حاصله محصولات متنوعی را از آن می توان تولید کرد.

این گروه از چند سازه های چوب پلاست واجد خصوصیات مثبتی مثل میخ و پیچ خوری، چسب پذیری  اره و رنده شدن هستند، به دلیل اینکه در این چند سازه ها پوشش پلاستیکی بر روی ذرات قرار می گیرد لذا میزان جذب آب بسیار پایینی دارد که به این دلیل  دچار هم کشیدگی نمی‌شود و به طور طبیعی مقاومت بالایی در مقابل عوامل مخرب بیولوژیک به ویژه قارچها دارد.

نگارش: مصطفی برزگر