مواد افزودنی به کامپوزیت های  چوب پلاست

مواد افزودنی به کامپوزیت های  چوب پلاست


مواد افزودنی چوب پلاست

مواد افزودنی چوب پلاست خواص مکانیکی ودوام و کارکرد قطعه را افزایش می دهند. انتخاب افزودنی ها باید بر اساس نوع و خواص مورد انتظار باشد. مقدمتا می توان گفت که افزودنی ها از اجزا مهم در فرمولاسیون کامپوزیتهای چوب پلاست هستند که نقش کلیدی در فرایند پذیری ، پایداری حین فرایند ، میزان دبی ، صافی سطح قطعه ؛ همچنین خواص مکانیکی ودوام و کارکرد قطعه دارند . انتخاب افزودنی ها باید بر اساس نوع ودرصد پلیمر، خواص مورد انتظار وقیمت تمام شده صورت گیرد .

مواد افزودنی شامل دسته های فراوان وگونه های متفاوت شیمیایی هستند که به منظوراصلاح خواص مکانیکی،پایدارسازی وتسهیل فرایند پذیری آمیزه های چوب پلاست مورداستفاده قرارمی گیرند. اگرچه میزان مصرف افزودنی ها درفرمولاسیون کم است اماهمین مقدارتاثیرعمده ای برفرایندپذیری ،خواص مکانیکی وهمچنین قیمت تمام شده محصول دارد.

پلیمرها در چوب پلاست

کامپوزیت های چوب پلاست (پلاستو وود) عمدتا برپایه HDPE،PP  و PVC ساخته می شوند و بر اساس نوع پلاستیک افزودنی های خاصی درآن به کار برده می شوند . درصد افزودنی مورد استفاده در این کامپوزیت ها نسبت به پلاستیک خالص بیشتر بوده وگاهی به 10درصد ویا بیشتر نیز می رسد. دراین میان  PVC بزرگترین مصرف کننده افزودنی هاست .

انواع کامپوزیت های برپایه  PVC نیاز به درصد افزودنی بیشتری دارند. حدود 73 درصد افزودنیها چوب پلاست ها به لحاظ  وزنی و حدود 59 درصد به لحاظ قیمتی در آمیزه های  PVC مصرف می گردند . حضور برخی افزودنی ها جهت تولید  چوب پلاست ها الزامی است.زیرا فرایند پذیری مواد پلاستیکی بدون استفاده از کمک فرآیندهایی مثل روان کننده و   بسیار مشکل است . اما استفاده از برخی دیگر سبب بهبود خواص مکانیکی،افزایش طول عمر ویا بهبود برخی خواص فیزیکی می شود.

انواع مواد افزودنی چوب پلاست و کارکرد هر یک از آنها

همان طور که قبلا اشاره شد در فرآیند ساخت کامپوزیتهای الیاف طبیعی / پلاستیک  علاوه بر مواد اولیه اصلی ترکیبات دیگری نیزعموما در حد 1%تا 5% مورداستفاده قرار می گیرند که ما تحت نام کلی مواد افزودنی به انها می پردازیم . حالا پس از آشنایی اولیه بهتر است که به صورت دقیق تر با تقسیم بندی وکارکرد انواع مختلف مواد افزودنی آشنا شویم .

هنگامی که از ترکیبات افزودنی استفاده می شود معمولا یک پیش اختلاط قبل از ورود مواد به اکسترودر برای یکنواختی انجام می پذیرد . همچنین برای یکنواختی بهتر مذاب وخواص نهایی بهتر قطعه تولیدی در برخی موارد از عوامل اصلاح سطحی استفاده می کنند در این موارد پودر سلولزی با پلیمر مخلوط شده وآمیزه فراهم شده با روشهای مختلف شکل دهی قابل فرآیند می باشند

  • افزودنی ها را می توان به سه دسته کلی تقسیم بندی نمود:
  1. دسته ای که جهت بهبود فرایند پذیری به کار می روند.این دسته شامل انواع روان سازها(Lubrications ) وکمک فرایندها (processing aids) می باشد.
  2. دسته ای که جهت پایداری حین فرایند وبهبود کارکرد قطعه درحین مصرف می گردند :

این گروه شامل انواع پایدار کنند های حرارتی (Heat stabilizers)      پایدار کنندهای نوری

(Light stabilizers)، ضد قارچها وآنتی میکروبیکال ها(Biocides)وتاخیر اندازهای شعله

(Flame retardant) می باشند.

  1. دسته ای سوم شامل انواعی هستند که جهت بهبود خواص مکانیکی به کار می روند :

این گروه شامل عوامل جفت کننده(Coupling agents)،بهبود دهنده های مقاومت ضربه (Impact modifiers) ونرم کنندها(Plasticizers) می باشند.

البته برخی انواع افزودنی ها ممکن است به دو یا سه دسته متعلق باشند . مثلا در حین اینکه خواص مکانیکی را بهبود می بخشند ، اثر مثبت بر فرایند پذیری نیز داشته وکارکرد مداوم قطعه رانیز بهبود بخشند .

استفاده از هر یک از افزودنیها باید با توجه به خواص مورد نیاز و قیمت تمام شده صورت گیرد . قیمت افزودنیها از دیگر مواد فرمولاسیون بالاتر بوده وعموما حدود ton/$ 4000-1400است. در عین حال در موارد خاصی مثل پایدار کننده های نوری ویا مواد آنتی میکروبیکال که به میزان خیلی کم در فرمولاسیون مصرف می شوند ،قیمتهایی تا حدود چند ده دلار به ازای هر کیلوگرم نیز دارند.

مهمترین مواد افزودنی به کامپوزیت های چوب پلاست عبارتند از :

  • جفت کننده ها
  • آنتی اکسیدان ها
  • فوم کننده ها
  • اصلاح کنندههای ضربه
  • پایدار کننده های حرارتی
  • پایدار کننده های نوری
  • عوامل ضد میکروب و قارچ
  • رادیکال سازها” آغاز کننده ها “
  • عوامل کند ساز
  •  کمک فرایند ها
  • عوامل رنگی ساز
  •  تاخیر انداز شعله  و…

جفت کننده ها در چوب پلاست:   

مهمترین گروه از ترکیبات افزودنی به کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف طبیعی (چوب پلاست ها) عوامل جفت کننده می باشد از آنجایی که الیاف طبیعی دارای خواص  قطبی وهیگروسکوپیک هستند ودر طرف دیگر پلاستیکها عمدتا موادی غیر قطبی آب گریزند و به دلیل ساختار مولکولی بین الیاف طبیعی وپلیمر هیچگونه  پیوند شیمیایی ایجاد نمی شود فلذا برای ایجاد اتصال قوی بین الیاف وپلیمر از coupling agents   یا همان عوامل جفت کننده استفاده می کنند.

عوامل جفت کننده را  بر اساس نوع عملکرد به سه دسته تقسیم می کنیم:

  • اتصال دهنده ها
  • سازگار کننده ها
  • پراکنده سازها

اتصال دهنده ها در چوب پلاست:

همانطور که ذکر شد بین الیاف و پلیمر هیچگونه اتصال شیمیائی نمی توان برقرار کرد و لذا وقتی صحبت از اتصال بین پلیمر  والیاف می شود منظور اتصالات سطح مشترک بین پلیمر وجفت کننده از یک سو و بین جفت کننده و الیاف طبیعی  از طرف دیگرمی باشد و برای این منظور ترکیبات بسیاری مورد استفاده قرار می گیرد (تا 50 نوع ترکیب ).

اتصال دهنده ها عوامل شیمیائی هستند که با مکانیزم هائی مثل پیوند کوالانسی ودرگیری مکانیکی وبرهم  کنشهای ثانویه پیوند هیدروژنی، بین پلیمر ها والیاف طبیعی پل ایجاد می کند

معروفترین ترکیب مورد استفاده برای این منظور مالئیک انیدرید ومشتقات آن می باشد، که دارای یک سر قطبی و یک سر هیدرو کربنی غیر قطبی می باشد ، که از سر هیدروکربنی بااتصال غیر قطبی و درگیری مکانیکی با ماتریس پلیمر درگیر شده واز از سمت دیگر توسط گروه های کربوکسیلات با گروه های هیدروکسیلی چوب پیوند استری ایجاد می کند . (تصاویر زیر )

 سازگار کننده ها در چوب پلاست:   

ساز گار کننده ها ترکیباتی هستند که از طریق کاهش کشش در سطح مشترک الیاف طبیعی و پلاستیک ها سازگاری ایجاد می کنند . این مواد به دلیل اینکه انرژی سطحی پایین تری نسبت به الیاف دارندآنها را غیر قطبی وبه زمینه پلاستیکی شان شبیه می کنند .

مهمترین ترکیبات این گروه عبارتند از استیک انیدرید ومتیل ایزو سیانات .

  • پراکنده ساز ها در چوب پلاست:             

این ترکیبات نیز انرژی سطح مشترک ماتریس ( ماده زمینه ) والیاف را کاهش داده و ازاین طریق به توزیع یکنواخت ترالیاف طبیعی در زمینه پلاستیکی کمک می کند.

از جمله این ترکیبات می توان به استالیک اسید ونمکهای فلزی آن اشاره کرد.

از نظر ساختار شیمیایی عوامل جفت کننده در چوب پلاست را می توان به سه گروه تقسیم کرد:

  • عوامل جفت کننده باساختار شیمیایی آلی
  • عوامل جفت کننده باساختار شیمیایی معدنی
  • عوامل جفت کننده باساختار شیمیایی معدنی آلی ( هیبرید )

1- جفت کننده های آلی بعنوان مواد افزودنی در چوب پلاست:

به طور کلی این نوع جفت کننده ها در ساختار مولکولی خود حاوی گروههای عاملی مثل گروههای nco در ایزوسیاناتها یا کلر در ترکیبات کلر دارهستند واز طریق این گروههای عاملی باگروه های هیدروکسیل موجود در چوب ایجاد پیوند کووالانس می نمایند البته ممکن است این پیوند اتری باشد یا استری یا سایر پیوندها از طرف دیگر جفت کنندههای آلی می توانند درطی فرایند کوپلیمرشدن پیوندی به ماتریس پلاستیک پیوند خورده واین ماده پیوندی ،در حد یک درصد تا سه درصد به عنوان ماده جفت کننده مصرف شود .

انواع جفت کننده های آلی بعنوان مواد افزودنی در چوب پلاست:

عوامل جفت کننده با منشا ترکیبات آلی را به هفت گروه زیر می توان تقسیم کرد

انیدریدها – ایزوسیاناتها – ترکیبات کلرو دی ازیل – اسیدهای آلی – جفت کننده های آلی مونومری – پلیمرها وکوپلیمرها – رزینهای ترموست . حال  جداگانه به هریک می پردازیم .

1-1  انیدریدها (استیک انیدرید مالئیک انیدرید و… )

این ترکیبات ساختار حلقوی و واکنش پذیری بالایی باالیاف طبیعی دارند ولی از طرف دیگر در مقایسه با زنجیرهای پلیمر طبیعی چوب وزنجیره پلاستیک یک مولکول بسیار کوچک هستند لذا امکان تشکیل اتصال بین این دو مولکول ضعیف به نظر می رسد لذا امروزه این ترکیبات را به دلیل وجود پیوند دوگانه کربن –  کربن درساختارشان (مثلا مالئیک انیدرید ) به زمینه pp یا ps پیوند کرده واین محصولات پیوند شده را به عنوان جفت کننده مورد استفاده قرار می دهند.

1-2  ایزوسیاناتها (اتیل ایزوسیانات – متیلن پروپیلن ایزوسیانات – هگزو متیل ایزوسیانات )

این ترکیبات به طور کلی از نظر مکانیزم عمل مشابه موارد قبلی هستند .

1-3  کلروتری آزیل ها و مشتقاتشان :

این ترکیبات هم حاوی گروههای کلر هستند و هم حاوی گروههای نیتروژن ، از طریق گروههای آمینو و نیتروژن (که یک عنصر الکترو نگاتیو است )باگروههای هیدروکسیل الیاف می توانند پیوند هیدروژنی ایجاد کنند و نیز از طریق گروههای کلرخود با اتصال اتری به الیاف سلولزی متصل شوند .

  • اسیدهای آلی (آبتیک اسید – لینولیک اسید )

که حاوی گروههای DN و گروههای کربوکسیلیک هستند که می توانند موجب برهم کنش مناسب بین سطح پلاستیک و الیاف طبیعی شوند .

  • جفت کننده های آلی مونومری

گروهی از جفت کننده های آلی به صورت مونومری مصرف می شوند که معمولا به داخل الیاف جوب ماسیو تزریق میشوند و توسط منابع انرژی حرارتی – تابشی مثل بتا و گاما عمل پیوند خوردن این مونومرها با الیاف امکان پذیر می شوند .

  • پلیمرها و کوپلیمرها (مالئیک انیدرید پیوند شده بهPP )

این ترکیبات نیز مشابه موارد قبلی باعث ایجاد پیوند استری و هیدروژنی و درگیری مکانیکی می شوند .

  • رزینهای ترموست

استفاده از رزینهای ترموست به میزان اندکی گزارش شده که  از طریق اتصال متیلنی (اتصال عرضی الیاف طبیعی با متیلن) پیوند ایجاد می کند . در بین رزینهای ترموست در مورد  ملامین فرم آلدئید و فنل فرم آلدئید به جرات می توان گفت که هیچ گونه واکنش شیمیایی بین آنها و ماتریس پلاستیکی امکان پذیر نیست و صرفا درگیری مکانیکی می تواند سبب بهبود چسبندگی در سطح مشترک شود .

  • جفت کننده های معدنی :

از ترکیبات معدنی درموارد بسیار معدود به عنوان جفت کننده استفاده می شود مهمترین ترکیب این گروه  سیلیکات سدیم است که  به عنوان سازگار کننده قطبیت الیاف طبیعی را کاهش داده واز این طریق بین پلاستیک و الیاف طبیعی سازگاری ایجاد می کند .

3- جفت کننده های آلی- معدنی (هیبرید):

این گروه از ترکیبات شامل دو دسته زیر می باشند :

  • سیلان ها
  • تیتالات ها

مکانیزم واکنش بین سیلان ها و الیاف طبیعی در چوب پلاست:

سیلان ها در حضور آب ورطوبت هدرولیز شده و به سیلانول تبدیل می شوند والیاف طبیعی که درساختار طبیعی سلولز،همی سلولز ولیگنین شامل گروه های  OH هستند با سیلانول وارد واکنش شیمیائی شده واتصال اتری ایجاد می کنند و این در حالی است که امکان ایجاد اتصال هیدروژنی نیز به قوت خود باقی است .

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید