بررسی تاثیر نوع فرایند اختلاط بر خواص فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست نرمه ام دی اف-پلی­ پروپیلن

پژوهش: آرش چاوشی

بخش اول

(این پژوهش در 3 بخش ارائه میگردد و ترتیب خواندن اهمیت دارد)

هدف از این پژوهش بررسی تاثیر روش اختلاط ذوب-مخلوط و خشک-مخلوط بر خصوصیات فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست نرمه MDF-پلی‌پروپیلن می­باشد. بدین منظور از پلی­پروپیلن (PP) با شاخص مذاب min10/ g18 به عنوان ماده ترموپلاستیک و نرمه سمباده­زنی MDF در سه سطح (40%، 50% و 60% وزنی) به عنوان ماده لیگنوسلولزی و همچنین از مالئیک اندرید پیوند داده شده با پلی­پروپیلن (MAPP) به میزان 4% وزنی به عنوان عامل جفت­کننده استفاده شد. نمونه‎های چوب پلاست با دانسیته اسمی gr/cm³1 در ابعادcm 1×cm20×cm30 تهیه شدند که از دو روش اختلاط ذوب-مخلوط و خشک-مخلوط استفاده شد.

سپس نمونه‌های ساخته شده برای تعادل رطوبتی به مدت 3 هفته در محیط قرار داده شدند. پس از آن خصوصیات مکانیکی نمونه‌های چوب پلاست بر اساس استاندارد (CEN/TS15534–1:2007) و خصوصیات فیزیکی مطابق با آیین­نامهD-1037  استاندارد ASTM مورد ارزیابی قرار گرفتند. در پایان نتایج نشان داد که با افزایش سطوح وزنی نرمه MDF، میزان مقاومت­های مکانیکی کاهش و میزان خواص فیزیکی افرایش یافته‎اند. همچنین نتایج نشان داد که خواص فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست ها در روش ساخت ذوب-مخلوط نسبت به خشک-مخلوط مطلوب­تر بودند. نتایج تصاویر FE-SEM نشان داد ترکیب فاز پلیمری و فاز پرکننده در روش ساخت ذوب-مخلوط بهتر صورت گرفته است.

کلمات کلیدی: چوب پلاست، نرمه MDF، خواص فیزیکی و مکانیکی، روش ساخت، FE-SEM – پلاستو وود

1. مقدمه فراورده چوب پلاست

چوب پلاست ­ها مواد نسبتاً جدیدی هستند که توجه قابل ملاحظه­ای را در سال­های گذشته بدست آورده‌اند (Valente et al., 2011). موادی که هم اکنون به عنوان چوب پلاست شناخته شده­اند نخستین بار در دهۀ 1960 با نام ترکیبات قالبی گرماگیر ظهور پیدا کردند (A.Klyosov, 2007).

چوب پلاست­های چوب/الیاف طبیعی-پلاستیک توسعه­ی منحصر به فردی می­باشند؛ که به عنوان گروهی نو ظهور از مواد تجدیدپذیر بر اساس عملکرد، فراورش و نوآوری در طراحی محصول می­باشند که در ایالات متحده امریکا از سال 1970 محبوبیت یافته‎اند (Crookston, et al., 2011). به تازگی علاقه به مواد کامپوزیتی تقویت شده با آرد چوب و الیاف طبیعی به نحو قابل توجهی افزایش یافته است.

این گونه مواد مزایای مختلفی را ارائه می­دهند: آرد چوب از منابع طبیعی به دست آمده­، به راحتی در دسترس است، سبک و ارزان است و می­توان آن را به ماتریس مواد اولیه در مقادیر زیاد افزود، که مقرون به صرفه است (Dominkovics, et al., 2007). چوب و پلاستیک (بکر یا بازیافتی) با انواع مختلف، درجه­ها، اندازه­ها و شرایط مختلف، مواد اصلی مورد استفاده در تولید چوب پلاست هستند (El-Haggar, et al., 2011). استفاده از مواد پایه چوبی در چوب پلاست، مانند آرد چوب و الیاف چوب، به عنوان تقویت‎کننده ترموپلاستیک­ها علاقه قابل توجهی را در طول دهه گذشته به دست آورده است.

در کامپوزیت های چوب پلاست الیاف چوبی چندین مزایا نسبت به تقویت­کننده­های مرسوم اعم از فراوانی، قابلیت تجدید شوندگی، وزن مخصوص کم، استحکام بالا و سختی و هزینه نسبتا کم دارد (Bengtsson et al., 2007). Adhikary و همکاران (2008)، اظهار داشتند که مقدار زیادی از ضایعات چوب توسط صنایع چوب در مراحل مختلف پردازش چوب­ها تولید می­شود که اغلب در محل­های دفن زباله دور ریخته می­شوند (Adhikary, et al., 2008). از طرف ديگر استفاده از ضايعات بخش­هاي مختلف صنايع چوب و پسماندهاي كشاورزي با توجه به کمبود مواد اولیه بسيار حائز اهميت است.

استفاده از ضايعات كارخانجات صنايع چوب در ساخت مواد مركب چوب-پلاستيك نه تنها باعث كاهش هزينه­هاي توليد بلكه باعث رفع مشكل واحدهاي صنايع چوب از نظر انباشت و دفع اين ضايعات مي­باشد. در توليد محصولات چوبي ساليانه مقدار زيادي ضايعات چوبي ايجاد مي‎شود (امريكا در حدود 63 ميليون تن در سال 2002) كه استفاده از اين ضايعات در توليد، باعث پايين آمدن قيمت تمام شده محصول مي­شود (Kamal et al., 2008). به عنوان مثال در كارخانه صنايع آرین سینا (ایران) كه تخته MDF تولید مي­كند روزانه حدود 30 تن نرمه سنباده توليد مي‌شود.

پذیرش گسترده­ای از چندساره­های چوب-پلاستیک از سوی بازار جهانی با توجه به کاهش هزینه­ها، کاهش وزن، خواص برتر نسبت به چوب و پلاستیک به تنهایی، قابلیت بازیافت، قابلیت انطباق با تکنیک‎های موجود فراوری پلاستیک و مهمتر از همه انگیزه­های صنایع پیش رو برای محصولات سازگار با محیط زیست شده است (Singh & Mohanty 2007).

راه­های مختلفی به منظور بهبود خواص کلی پانل­های چوب پلاست وجود دارد، که می­توان به اندازه مناسب مواد خام، مخلوط کردن بهینه، آماده­سازی عناصر محصول و اضافه کردن مقادیر کمی از مواد افزودنی اشاره کرد (Wechsler & Hiziroglu, 2007). همچنین عملکرد چوب پلاست را می­توان با کنترل مواد خام مورد استفاده (نوع و مقدار چوب و پلیمرهای گرمانرم)، فراورش و مواد افزودنی بهینه­سازی کرد (Rocha et al., 2009). بطورکلی رایج­ترین روش‎های مورد استفاده برای تولید پلاستیک و الیاف چوبی زمینه پلاستیکی، اکستروژن و قالبگیری تزریقی (IM) می­باشد (Migneault et al., 2009).

از بين روش‎هاي ياد شده پرس گرم روشي است كه با استفاده از آن مي‎توان تخته‎هايي با ابعاد بزرگ، دانسيته متفاوت، مصرف بالاي مواد ليگنوسلولزي و نيز در حجم زياد توليد كرد .در روش پرس گرم مي­توان از ضايعات ليگنوسلولزي با ابعاد متفاو­تي استفاده كرد.

در اين روش، پلاستيك و پركننده ليگنوسلولزي ممكن است به دو روش مخلوط گردند، ذوب-مخلوط و خشك-مخلوط. در نوع اول، پلاستيك در درجه حرارت بالا ذوب شده و در حالت مذاب با پركننده سلولزي مخلوط مي­شود. در اين روش به تجهيزات مخصوص اختلاط نياز مي‌باشد (ماننده دستگاه اکسترودر). در روش دوم، پلاستيك (ترجيحاً بصورت پودر) با پركننده سلولزي در يك مخلوط­كن معمولي و درجه حرارت محيط مخلوط مي­شوند و به تجهيزات ويژه و گران قيمت نيازي نيست.

پیشینه پژوهش در مورد چوب پلاست

Yeh و Gupta (2008)، اظهار داشتند در حالی که تغییر متغیرهای فرآوری اکستروژن به میزان قابل توجهی استحکام کششی و مدول فراورده چوب پلاست را تحت تاثیر قرار نمی­دهد، بر رفتار جذب رطوبت موثر می­باشد. همچنین اظهار داشتند در این چوب پلاست ها که نرخ جذب رطوبت زمانیکه شرایط آمیختگی شدیدتری بکار گرفته شود، کاهش می­یابد. زیرا این عمل سبب از دست رفتن ترکیبات آلی آبدوست فرار موجود در چوب پلاست می­شود (Yeh & Gupta, 2008).

در مطالعه­ای دیگر Yeh و همکاران (2009)، فرآیند تولید چوب پلاست چوب-پلاستیک را به دو بخش اصلی تقسیم کردند. بخش اول شامل ترکیب مواد با استفاده از یک اکسترودر دو ماردونه بود و بخش دوم برای به دست آوردن پروفیل­هایی از طریق اکسترودر تک ماردونه و یا استفاده از قالب‎گیری تزریقی برای به دست آوردن یک محصول مشابه در ظاهر و خواص با چوب (Yeh et al., 2009). در پژوهشی Michaeli و Menges فرایند اکسترود کردن و قالب­گیری تزریقی (IM) را با استفاده از پارامترهای فرایندی تعریف شده از جمله زمان ماند، درجه حرات، فشار، سرعت برشی، تنش برشی و سرعت سرد شدن با هم مقایسه کردند.

صرف نظر از داده‎های فرایندی استفاده شده، فشار و برش در قالب گیری تزریقی (IM)، به طور معنی­داری بالاتر از آن در فرایند اکسترود کردن بودند. همچنین محققین لایه­های بسیار جهت­داری در مواد ترموپلاستیک تقویت­شده با الیاف کوتاه غیر آلی ساخته شده به روش قالب­گیری تزریقی (IM) مشاهده کردند. به هنگام شکل­دهی، این لایه­ها الیاف را در یک جهت خاص تنظیم می­کنند: در لایه­های بیرونی، الیاف در جهت جریان اصلی، جهت­دار هستند در حالی که در لایه داخلی (مرکزی)، در جهت جریان عمودی قرار می­گیرند. با این وجود، با اکسترود کردن، پارامترهای ساختاری همچون جهت­گیری و لایه­های مرزی کمتر قابل تشخیص (تمایز) بودند (Michaeli & Menges, 1989).

Migneault و همکاران (2009)، در پژوهشی به بررسی نقش­های روش فرایند تولید و اندازه الیاف مصرفی بر ویژگی­های فراورده چوب پلاست پرداختند. چوب پلاست­ها با استفاده از روش اکسترودر و قالب­گیری تزریقی (IM)، و الیاف با ضریب لاغری (L/D) مختلف ساخته شدند. نتایج نشان داد که روش قالب­گیری تزریقی (IM)، دارای ویژگی­های مکانیکی بهتر و جذب آب و واکشیدگی کمتری نسبت به روش ساخت اکسترودر بودند. این تفاوت­ها را می­توان از طریق ساختار و کیفیت سطح چوب پلاست­ها تشریح کرد. این نتایج درک بهتری از روابط بین نوع فرایند تولید، ویژگی­های الیاف و رفتار چوب پلاست را فراهم می­آورد (Migneault et al., 2009).

Starkو همکاران، فراورده چوب پلاست (پلاستو وود) قالب­گیری تزریقی (IM) و اکسترود شده ساخته شده با 50 درصد وزنی آرد چوب کاج پاندورا[1] و ماتریس پلی­اتیلن دانسیته بالا (HDPE) را با هم مقایسه کردند. مدول­های الاستیسیته (MOE) چوب پلاست‎های ساخته شده در هر دو روش، مشابه بودند. با این وجود، فرایند قالب­گیری تزریقی (IM)، مدول گسیختگی (MOR) بیشتری از روش اکسترود کردن نشان دادند. نویسندگان بر این عقیده هستند که نمونه­های قالب­گیری تزریقی (IM) با دانسیته بالاتر، تماس بیشتری بین ماتریس پلی­اتیلن دانسیته بالا (HDPE) و آرد چوب و متعاقب آن ویژگی­های مکانیکی بالاتر دارند.

تماس بین وجهی بهبود یافته، از انتقال تنش موثر بین ماتریس و ذرات چوب ایجاد شده در مقاومت افزایش یافته، ناشی می­شود. همچنین مشاهده کردند که سطوح نمونه­های قالب‎گیری تزریقی (IM) غنی از پلیمر است در حالی که الیاف چوبی در سطح نمونه­های اکسترود شده ظاهر شدند (Stark et al., 2004). در مطالعه دیگری، Stark، جریان پلیمری در سرتاسر ذرات چوب در سطح نمونه­های چوب پلاست‎های قالب‎گیری تزریقی (IM) را مشاهده کرد. در حالی که پلیمر نتوانسته بود ذرات چوب را روی بسیاری از نواحی سطح فراورده چوب پلاست اکسترود شده کپسوله کند (Stark ., 2006).