بررسی تاثیر استفاده از الیاف شیشه در کامپوزیت های چوب پلاست

پژوهش: آرش چاوشی

بخش دوم

(این پژوهش در 2 بخش ارائه میگردد و ترتیب خواندن اهمیت دارد)

چوب پلاست

1. مواد و روش­ها

2-1 مواد

برای ساخت چوب پلاست در این پژوهش از نرمه MDF حاصل از سمباده زنی سطح MDF تهیه شده از کارخانه آرین سینا واقع در شهرک صنعتی ساری، در سه سطح وزنی 40، 50 و 60 درصد به عنوان ماده لیگنوسلولزی استفاده شد. همچنین پلی‎پروپیلن (PP) درجه V30S به عنوان ماده ترموپلاستیک با شاخص مذاب min10/ g18 از صنایع پتروشیمی اراک تهیه و مورد استفاده قرار گرفت.

الیاف کوتاه شیشه با ابعاد 3 میلیمتر (محصول شرکت پارسا پلیمر شریف) در سه سطح وزنی 5%، 10% و 15% به عنوان ماده افزودنی برای بررسی و تاثیر بر روی خصوصیات مکانیکی چوب پلاست نرمه MDF-پلی‎پروپیلن استفاده شد (شکل 1). همچنین از مالئیک اندرید پیوند داده شده با پلی‎پروپیلن (MAPP) به میزان 4% وزنی به عنوان عامل جفت­کننده با نام تجاریPP-G 101 ساخت شرکت کیمیا جاوید سپاهان اصفهان استفاده شد. چوب پلاست الیاف کوتاه شیشه-نرمه MDF-پلی­پروپیلن در 12 تیمار و 3 تکرار ساخته شدند (جدول 1).

جدول 1- دانسیته و مشخصات تیمار و سطوح متغیر چوب پلاست

تیمار	الیاف کوتاه شیشه (%)	نرمه MDF(%)	PP (%)	MAPP (%)
1 2	0%	40%	56%	4%
	5%	40%	51%	4%
3 4	10%	40%	46%	4%
	15%	40%	41%	4%
5	0%	50%	46%	4%
6	5%	50%	41%	4%
7	10%	50%	36%	4%
8	15%	50%	31%	4%
9	0%	60%	36%	4%
10	5%	60%	31%	4%
11	10%	60%	26%	4%
12	15%	60%	21%	4%

شکل 1- تصویر FE-SEM از سطح الیاف شیشه

2-2 روش

2-2-1 ساخت نمونه ­های چوب پلاست

برای ساخت چوب پلاست دمای مورد استفاده جهت ساخت نمونه­ها 190 درجه سانتی‌گراد و فشار ویژه پرس 30 بار انتخاب گردید. مدت زمان پرس گرم 15 دقیقه تعیین شد. روش انجام کار بدین صورت بود که پس از پیش پرس، نمونه­ها به پرس گرم منتقل و ابتدا به مدت 7 دقیقه با فشار ویژه 30 بار در دمای 190 درجه سانتی گراد پرس گردیدند. سپس دهانه پرس به مدت 1 دقیقه باز گردید تا هوا و بخار محبوس شده از درون چوب پلاست خارج شود، سپس مجدداً دهانه پرس به مدت 7 دقیقه دیگر با همان فشار بسته شد (Madhoushi et al. 2009). نمونه های چوب پلاست در قالب­های فلزی با ابعاد 30×20 سانتی­متر و ضخامت 1 سانتیمتر در پرس گرم تهیه شدند. این قالب فلزی به منظور جلوگیری از روان شدن ماده پلیمری بر روی صفحه پرس پس از ذوب شدن پلیمر تهیه شدند.

2-2-2 تهیه نمونه ­های آزمون چوب پلاست

برای تهیه نمونه های چوب پلاست پیچ و میخ و خمش از استاندارد (CEN/TS 15534–1:2007) استفاده شد. بدین جهت نمونه­های پیچ و میخ در ابعاد cm1cm×5cm×5 و نمونه­های خمش در ابعاد cm1cm×2cm×17 تهیه شدند (British Standard. 2007). جهت بررسی این خصوصیات مکانیکی از دستگاه PT100L ایران هوشمند کرج (دانشکده چوب دانشگاه گنبد) استفاده شد.

2-3 آنالیز آماری داده­های بدست آمده

در این تحقیق آنالیز داده‎ها با استفاده از طرح کاملاً تصادفی در قالب آزمون فاکتوریل، شامل دو متغیر سطح وزنی نرمه MDF (در 3 سطح) و فاکتور افزودنی (در 4 سطح) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در تمامی مراحل این تحقیق براي دسته­بندي داده­های و ترسيم جداول و نمودار­ها از نرم افزار Excel و برای تجزیه و تحلیل داده­های آزمون مکانیکی از نرم افزار  PASW Statistics 18 ((SPSS18 استفاده شد.

2. نتایج و بحث

3-1- قدرت نگهداری پیچ وودپلاست

نتایج تجزیه واریانس قدرت نگهداری پیچ وودپلاست و معنی­ دار بودن سطوح مختلف نرمه MDF و الیاف کوتاه شیشه در جدول شماره 2 آمده است. با توجه به جدول مذکور مشخص است که تاثیر مستقل سطوح مختلف نرمه MDF و الیاف کوتاه شیشه در قدرت نگهداری پیچ عمود بر سطح نمونه های چوب پلاست کاملاً معنی­دار می­باشد. همچنین با توجه به جدول مذکور، در بررسی اثر متقابل نرمه MDF و الیاف کوتاه شیشه مشخص می­گردد که بین این دو نوع متغییر هیچ گونه اثر متقابلی وجود ندارد.

جدول 2- تجزیه واریانس اثر مستقل و متقابل متغيرها بر ميزان قدرت نگهداری پیچ وودپلاست

منبع تغييرات	درجه آزادي	مجموع مربعات	ميانگين مربعات	F (آماره آزمون)	معني داري
نرمه MDF	2	369/53638	185/26819	140/57	**000/0
الیاف شیشه	3	023/64657	341/21552	919/45	**000/0
نرمه MDF * الیاف شیشه	6	026/4844	338/807	720/1	ns132/0
خطا	60	634/28161	361/469
كل	71	053/151301

** معني‌داري در سطح اطمينان 99 درصد، * معني‌داري با سطح اطمينان 95 درصد، ns عدم معني‌داري

با توجه به شکل شماره 2 مشهود است که با افزایش میزان نرمه MDF ، میزان قدرت نگهداری پیچ عمود بر سطح به طور معنی­داری کاهش پیدا کرده است. نتایج حاصل از نمونه های  چوب پلاست الیاف کوتاه شیشه-نرمه ­MDF-پلی­پروپیلن نشان داد که در میان تیمارهای مختلف تفاوت معنی­داری به لحاظ مقاومتی وجود دارد که در این بین بیشترین قدرت نگهداری پیچ وودپلاست مربوط به نمونه­های شاهد در هر یک از سطوح وزنی نرمه MDF (40%، 50% و 60%) می­باشد. این بدان معنی است که در چوب پلاست مذکور، استفاده از الیاف کوتاه شیشه تاثیر منفی داشته و سبب کاهش مقاومت­های مورد نظر می­شود.

شکل 2- قدرت نگهداری پیچ وودپلاست حاصل از تیمارهای مختلف چوب پلاست الیاف کوتاه شیشه-نرمه‎ MDF-پلی­پروپیلن

شکل 3 به ترتیب اثر مستقل سطوح الیاف کوتاه شیشه و نرمه‎ MDF را بر ميزان متوسط قدرت نگهداری پیچ عمود بر سطح نمونه های چوب پلاست نشان مي‌دهد. با توجه به شکل کاملاً مشخص است که با افزایش الیاف کوتاه شیشه و نرمه‎ MDF شاهد کاهش قدرت نگهداری پیچ عمود بر سطح هستیم. نتایج چهارمحالی و همکاران نیز کاهش قدرت نگهداری پیچ را با افزایش مقدار الیاف نشان داد.

شکل 3- تاثیر مستقل مقدار نرمه MDFو الیاف شیشه بر قدرت نگهداری پیچ

3-2- قدرت نگهداری میخ عمود بر سطح

در چوب پلاست الیاف کوتاه شیشه-نرمه ­MDF-پلی‎پروپیلن قدرت نگهداری میخ نیز هماننده قدرت نگهداری پیچ با افزایش درصد وزنی الیاف کوتاه شیشه کاهش پیدا کرد (شکل 4). بیشترین مقاومت مربوط به تیمار شماره 1 (نمونه شاهد سطح 40% نرمهMDF) و کمترین مقاومت مربوط به تیمار شماره 12 (ترکیب سطح 60% نرمه MDF همراه با 15% الیاف کوتاه شیشه) می‎باشد که به ترتیب برابر عددیN/mm  038/38 و N/mm  867/7 است (جدول 3).

شکل 4- قدرت نگهداری میخ حاصل از تیمارهای چوب پلاست الیاف کوتاه شیشه-نرمه‎ MDF-پلی­پروپیلن

جدول 3- تجزیه واریانس اثر مستقل و متقابل متغيرها بر ميزان قدرت نگهداری میخ عمود بر سطح

منبع تغييرات	درجه آزادي	مجموع مربعات	ميانگين مربعات	F (آماره آزمون)	معني داري
نرمه MDF	2	538/2040	269/1020	212/29	**000/0
الیاف شیشه	3	655/3204	218/1068	585/30	**000/0
نرمه MDF * الیاف شیشه	6	274/95	879/15	455/0	ns839/0
خطا	60	526/2095	926/34
كل	71	028/7436

** معني‌داري در سطح اطمينان 99 درصد، * معني‌داري با سطح اطمينان 95 درصد، ns عدم معني‌داري

شکل 5 اثر مستقل سطوح مختلف نرمه MDF و الیاف کوتاه شیشه را بر ميزان متوسط قدرت نگهداری میخ عمود بر سطح نمونه های چوب پلاست نشان مي‌دهد. با توجه به شکل کاملاً مشخص است که با افزایش سطح الیاف کوتاه شیشه شاهد کاهش قدرت نگهداری میخ عمود بر سطح هستیم.

شکل 5- تاثیر مستقل مقدار نرمه MDFو الیاف شیشه بر قدرت نگهداری میخ

اصولاً به خاطر طبیعت غیر قطبی پلاستیک و طبیعت قطبی الیاف چوب و عدم ایجاد اتصالات شیمیایی در مواد مرکب چوب-پلاستیک با مقادیر بالای پرکننده، پلاستیک نقش چسب را برای اتصال ذرات چوبی به هم ایفا می­کند. همچنین در نتیجۀ کاهش درصد پلاستیک، مقدار اتصالات نیز کاهش خواهد یافت که در نتیجه آن مقاومت­های مکانیکی کاهش می­یابد (Ramtin et al., 2009).

3-3- مدول الاستیسیته خمشی (MOE) و مقاومت خمشی (MOR) چوب پلاست

نتایج مدول الاستیسیته خمشی (MOE) در شکل 7 قابل مشاهده است. به طور کلی در تمامی تیمارهایی که الیاف کوتاه شیشه استفاده شده بود شاهد کاهش مدول الاستیسیته خمشی (MOE) بودیم. به طوری که بیشترین مدول الاستیسیته خمشی (MOE) در تیمار شاهد سطحِ 40 درصد نرمه MDF بدست آمد. بیشترین و کمترین مقاومت خمشی (MOR) به ترتیب برابر Mpa 2433 و Mpa 5/1052می­باشد. بطورکلی با افزایش سطوح نرمه‎های MDF و الیاف کوتاه شیشه مدول الاستیسیته خمشی (MOE) نمونه های چوب پلاست کاهش یافتند (جدول 4).

شکل 6- مقدار مدول الاستیسیته خمشی (MOE) تیمارهای چوب پلاست الیاف کوتاه شیشه-نرمه‎ MDF-پلی­پروپیلن

جدول 4- تجزيه واريانس تاثير مستقل و متقابل متغیرها بر میزان مدول الاستیسیته خمشی و مقاومت خمشی

منبع تغييرات	درجه آزادي	مجموع مربعات		ميانگين مربعات		F (آماره آزمون)		معني داري
		MOE	MOR	MOE	MOR	MOE	MOR	MOE	MOR
نرمه MDF	2	19/2077195	33/618	60/1038597	16/309	38/32	59/52	**000/0	**000/0
الیاف شیشه نرمه­MDF * الیاف شیشه خطا كل	3 6 60 71	71/9581975 58/423270 17/1924714	45/1121 04/70 74/352	90/3193991 10/70545 57/32078	82/373 67/11 88/5	57/99 20/2	59/63 99/1	**000/0 ns06/0	**000/0 ns08/0

** معني داري در سطح 1درصد، * معني داري در سطح 5 درصد، ns عدم معني داري

با توجه به شکل 7 قابل مشاهده است که با افزایش میزان سطوح نرمه MDF از 40% به 50% و 60%، و همچنین افزایش سطوح الیاف کوتاه شیشه مقدار مقاومت خمشی نمونه های چوب پلاست به طور معنی­داری کاهش پیدا کرده است (جدول 4). همچنین نتایج نشان می‎دهد بیشترین مقاومت خمشی در نمونه شاهد سطح 40% نرمه MDF بدست آمده است (MPa­948/25)، این در حالیست که کمترین مقاومت خمشی، به نمونه های چوب پلاست حاصل از ترکیب 60% نرمه MDF همراه با 15% الیاف کوتاه شیشه مربوط می­باشد (MPa­932/8). بطور کلی بیشترین مقاومت خمشی در نمونه­های شاهد مشاهد شد. نتایج رامتین و همکاران 1388 نیز مشابه نتایج بدست آمد بود.

شکل 7- مقدار مقاومت خمشی (MOR) تیمارهای چوب پلاست الیاف کوتاه شیشه-نرمه‎ MDF-پلی­پروپیلن

بطورکلی با توجه به نتایج بدست آمده کاهش مقاومت­ها را می­توان به تضعیف اتصال میان مواد لیگنوسلولزی (نرمه‌های MDF)، الیاف کوتاه شیشه و ماده ترموپلاستیک نسبت داد که به هنگام استفاده از الیاف کوتاه شیشه موجب کاهش استفاده ار مقدار ماده ترموپلاستیک می­شود.. تصاویر FE-SEM در شکل 8 نشان می­دهد که به هنگام استفاده از الیاف شیشه، اتصالات میان فاز پلیمری و فاز پز کننده کاهش می­یابد. همچنین می­توان این کاهش مقاومت­ها را به شکل پلیمر مصرفی (گرانول بودن) و نوع فرایند تولید (پرس گرم) نسبت داد. در سطح شکست نمونه های چوب پلاست پلیمرهای ذوب نشده قابل مشاهده بود، که نشان دهنده ترکیب نشدن مناسب نرمه­های MDF با مواد ترموپلاستیک می­باشد. استفاده از پلیمر به شکل گرانول و نوع فرایند و همچنین ابعاد ریز نرمه­های MDF از دلایل اختلاط نامناسب مواد با یکدیگر می­باشد. این نتایج در شکل 9 که از سطح شکست نمونه های چوب پلاست توسط دستگاه FE-SEM  گرفته شده است، قابل مشاهده است. با توجه به شکل قسمت­هایی از پلیمر­های ذوب نشده و همچنین فضاهای خالی بدون پلیمر مشخص است که نشان می­دهد که با توجه به شکل پلیمر مصرفی و فرایند تولید و با توجه به حضور الیاف کوتاه شیشه اختلاط مناسبی میان مواد اولیه صورت نگرفته است که مناطق ضعیف را تشکیل می‌دهد و باعث تمرکز تنش و ایجاد شکست در نمونه های چوب پلاست می­گردد.

شکل 8- تصاویر FE-SEM از مقطع شکست نمونه های چوب پلاست با الیاف شیشه

شکل 9- تصویر FE-SEM از نمونه آزمونی تیمار شماره 4 چوب پلاست الیاف کوتاه شیشه-نرمهMDF-پلی­پروپیلن

3. نتیجه­ گیری کلی

• نتايج آناليز واريانس دو طرفه مشخص نمود که اختلاف کاملاً معني‌داري با سطح اطمينان 99 درصد بين سطوح نرمه MDF و سطوح الیاف کوتاه شیشه بر ميزان مدول الاستیسیته خمشی (MOE)، مقاومت خمشی (MOR) وقدرت نگهداری پیچ وودپلاست و میخ عمود بر سطح نمونه های چوب پلاست وجود دارد. همچنین نتايج آناليز واريانس دو طرفه نشان داد که هيچ‌گونه اثر متقابلي بين متغيرهاي سطوح نرمه MDF و سطوح الیاف کوتاه شیشه بر ميزان مدول الاستیسیته خمشی (MOE)، مقاومت خمشی (MOR) و قدرت نگهداری پیچ وودپلاست و میخ عمود بر سطح نمونه های چوب پلاست وجود ندارد.
• با افزایش درصد وزنی نرمه­های MDF در چوب پلاست الیاف کوتاه شیشه-نرمهMDF-پلی­پروپیلن، مدول الاستیسیته خمشی (MOE)، مقاومت خمشی (MOR)، قدرت نگهداری پیچ و میخ عمود بر سطح نمونه های چوب پلاست کاهش پیدا کردند.
• با افزایش درصد وزنی الیاف کوتاه شیشه مدول الاستیسیته خمشی (MOE)، مقاومت خمشی (MOR)، قدرت نگهداری پیچ وودپلاست و میخ عمود بر سطح نمونه های چوب پلاست کاهش پیدا کردند. کمترین مقاومت­ها در سطوح 15 درصد وزنی الیاف کوتاه شیشه بدست آمد.
• تفاوت در شکل پُرکننده (الیاف شیشه و الیاف لیگنوسلولزی) باعث ایجاد فضاهای خالی در چوب پلاست هیبریدی ساخته شده می‎شود و با افزایش درصد الیاف شیشه حجم این فضاهای خالی افزایش می­یابد در نتیجه تشکیل ناحیه ضعیف را می­دهد که باعث ایجاد تمرکز تنش در این ناحیه و شکست می‌شود.

5. منابع

6. Ahmed, K.S. Vijayarangan, S. Rajput, C., 2006. Mechanical Behavior of Isothalic Polyester based Untreated Woven Jute and Glass Fabric Hybrid Composites, Journal of Reinforced Plastic and Composites 25: 1549-1569.
7. British Standard. Wood-plastics Composites (WPC) – Part 1: Test Methods for Characterization of WPC Materials and Products; 2007.
8. Chaharmahali, M., Kazemi Najafi, S. Tajvidi, M. Poodinepur, M. A. 2005. Mechanical Properties of Wood Plastic Composite Panels Made From Waste MDF and Particleboard-HDPE composites, Iranian Journal of Wood and Paper Science Research Vol. 20 No. (2). (In Persian)
9. Ghotbifar, A, Kazemi Najafi, S. Behrooz Eshkiki, R. 2009. A Study on water absorption and thickness swelling behavior of wood flour/glass fiber hybrid composites. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research Vol. 24 No. (2), (In Persian)
10. Ghotbifar, A. R., Kazemi Najafi, S., Behrooz Eshkiki, R. 2010. Influence of Concentration of Compatibilizer on Long- term Water Absorption and Thickness Swelling Behavior of Polypropylene, Wood Flour/Glass Fiber Hybrid Composites. Iranian Scientific Association of Wood & Paper Industries No. (1), 76-78. (In Persian)
11. Jarukumjorn, K. Suppakarn, N., 2009. Effect of glass fiber hybridization on properties of sisal fiber–polypropylene Composites. Composites: Part B 40 623–627
12. Madanipur, M. dust hosseini, K. khademi eslam, H. hamsi, A.H. faezipur, M. 2007. Study of mechanical properties waste MDF/HDPE, Agricultural Sciences, 13 (3), 737-750.
13. Madhoushi, M. Nadalizadeh, H. Ansell, M. P. 2009. Withdrawal strength of fasteners in rice straw fibre-thermoplastic composites under dry and wet conditions, Polymer Testing 28 301–306
14. F, L, Rawling, R. D., 1999. composite materials engineering & science: woixhead lid, Cambridge, England.
15. Miguez Suarez, C. Coutinho, M. B. and Sydenstricker, H. 2005. Analysis of the fracture behavior of polypropylene- saedust composites. J. polymers. 15(2): 139-141.
16. Najafi, A., Maleki, A., 2010. Investigation of comparative mechanical properties of plastic-MDF dust and medium density board. The 1st National Conference on Modern Technologies of Wood and Paper, 79 pages. (In Persian)
17. Nourbakhsh, A., Doosthossieni, K., Kargarfard, A. Golbabaei, F. Haji hassani, R. 2008. Investigation of OCC Fiber/Polymers Composites in Air – Forming Production. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research Vol. 23 No. (2), (In Persian)
18. A.A, Karimi. A.N, Tajvidi. M., 2009, Study on mechanical properties of composite made from sander dust of particleboard-polypropylene, Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 24(1 (30)):58-68. (In Persian)
19. Rostamnejad, M. A. 2007. Investigation on the mechanical properties of saw dust-HDPE composite, M. Sc. Thesis, Department of Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources., 81 pages. (In Persian)
20. Sanadi, A. R. Hunt, J. F. Caulfield, D. F. Kovacsvolgyi, G. Destree, B. 2001. High fiber-low matrix composite: Kenaf fibr/ polypropylene. The sixth international.
21. Valente, M. Sarasini, F. Marra, F. Tirillo, J. Pulci, G. 2011. Hybrid recycled glass fiber/wood flour thermoplastic composites: Manufacturing and mechanical characterization. Composites: Part A 42 649–657