بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست ساخته شده از مواد لیگنوسلولزی مختلف

پژوهش: مهندس خسروشاهی و دکتر مهدینیا

(این پژوهش در سه بخش ارائه می گردد)

(بخش سوم-پایانی)

بحث و نتیجه­ گیری خواص فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست و تاثیر مواد لیگنوسلولزی در چوب پلاست

نتایج به دست آمده از این بررسی مواد لیگنوسلولزی در چوب پلاست این است که چوب پلاست ساخته شده با آرد ساقه سویا، بیشترین مقدار جذب آب و واکشیدگی ضخامت را دارا می­باشند. در حالی که کمترین میزان این ویژگی­ها مربوط به نمونه های چوب پلاست حاوی ذرات نرمه MDF می­باشد. دلیل این امر را می­توان این گونه توضیح داد که ساقه­های سویا به دلیل دارا بودن مغز چوب پنبه­ای، پس از خرد و آسیاب شدن نیز حاوی این ذرات بوده و وجود این ذرات در آرد ساقه سویا، پس از اختلاط آن با پلیمر، موجب افزایش جذب آب چند سازه می­گردد. در صورتی که در نمونه های چوب پلاست حاوی نرمه­های MDF آغشته به چسب و ماده آب­گریز (پارافین)، تا حدی از آب­دوستی ذرات نرمه کاسته شده و چوب پلاست ساخته شده با این ذرات از خواص فیزیکی مطلوب ­تری برخوردار هستند.

با افزایش درصد وزنی مواد لیگنوسلولزی در چوب پلاست، میزان جذب آب و واکشیدگی ضخامت افزایش یافته است. این گمان که مواد لیگنوسلولزی در چوب پلاست پوشانده می­شود، به طور کامل معتبر نیست. طبیعت قطبی و آب­دوست الیاف سلولزی باعث می­شود که با اضافه کردن ماده پرکننده لیگنوسلولزی به ماتریس پلیمری (و افزایش مقدار آن در ساختار چند سازه چوب پلاست)، و متقابلا کاهش مقدار پلیمر، میزان دربرگرفتگی ذرات پرکننده با پلیمر کاهش یافته و در نتیجه میزان جذب آب و واکشیدگی ضخامت افزایش می­یابد. این نتیجه با نتایج تحقیقات دیگر مطابقت دارد ]4، 6 و 7[.

در تمامی تیمارها، چند سازه­ های ساخته شده با ذرات آرد ساقه سویا، در مقایسه با نمونه های چوب پلاست حاوی دو نوع پرکننده دیگر (آرد چوب صنوبر و نرمه MDF)، خواص مکانیکی ضعیف­ تری را نشان دادند. دلیل این امر را نیز می­توان به وجود ذرات بی شکل و چوب پنبه­ای (مغز ساقه سویا) در آرد ساقه سویا نسبت داد که اتصالات مناسبی را با پلی ­اتیلن ایجاد نکرده و در انتقال و توزیع تنش کمتر موثر بوده­اند. نوع ماده سلولزی و سازگاری آن با ماده زمینه گرمانرم در تولید چند سازه های چوب پلاست بسیار موثر است. طول الیاف سلولزی، اجزای تشکیل دهنده و مقدار ضریب کشیدگی آنها از ویژگی ­های مهم در افزایش مقاومت مکانیکی چند سازه است ]4[. ذرات نرمه MDF به عنوان پرکننده، سازگاری بهتری با پلی­اتیلن و MAPE نشان داده و چند سازه­های حاصل خواص مکانیکی مطلوب ­تری ارائه دادند. همچنین می­توان گفت چون ذرات نرمه MDF به صورت الیاف بسیار ریز بوده (در مقایسه با دو ماده پرکننده دیگر که تنها آرد شده بودند) و از طول، سطح ویژه و همین طور ضریب لاغری بیشتری برخوردار بودند، واکنش مناسب­ تری با ماده زمینه برقرار نموده و در انتقال تنش بیشتر موثر بوده­اند. بنابراین چندسازه چوب پلاست حاصل خواص مقاومتی بالاتری نشان داد. ضمن اینکه مشاهدات حاکی از آن است که مقدار جزئی چسب موجود بر روی این ذرات به هیچ وجه باعث عدم واکنش­پذیری آنها نشده بلکه بهبود ویژگی ­ها را همچنین می­توان به وجود مقدار اندک چسب (سخت شده) بر روی نرمه­های MDF نسبت داد که باعث سازگاری بهتر این ذرات با پلی­اتیلن شده و موجب ایجاد اتصالات بهتری می­شود ]12[.

افزایش درصد وزنی ماده پرکننده از 40 درصد به 50 و 60 درصد باعث افزایش معنی­دار خواص مکانیکی (مقاومت خمشی، مدول الاستیسیته خمشی و مدول کششی) در چند سازه­های چوب پلاست مورد بررسی گردید که با نتایج شاکری و همکاران (1385)، مهدی­نیا (1390) و Bouafif (2009) مطابقت دارد. در توضیح علت این اثر می­توان گفت که پلاستیک ­ها به طور کلی مقاومت خمشی مدول الاستیسیته پایینی دارند و یکی از اهداف استفاده از پرکننده تقویت این ویژگی­ ها در پلاستیک می­باشد ]15[. زمانی­که تمرکز و مقدار الیاف پرکننده کم است، مقدار الیاف کافی جهت تقویت ماتریس پلیمری وجود ندارد. همچنین مقدار کم الیاف فقط قسمت کمی از شبکه پلیمری را پوشش می­دهند. در نتیجه حفره­هایی بین الیاف و ماتریس به وجود می­آید. در اثر افزایش مقدار الیاف (تا حد خاصی) این حفرات بین الیاف و ماتریس کاهش یافته و مقدار ذرات محکم و سفت چوبی در سیستم افزایش می­یابد. بنابراین انتقال تنش از فاز پلیمری به ماده پرکننده به خوبی انجام شده و در نتیجه ماده تحت بار بیشتری می­شکند در نتیجه مقاومت­ها در مقایسه با حالتی که الیاف کمتر است، بهبود می­یابند ]6 و7[. البته قابل ذکر است که در مواد مرکب چوب پلاست با مقادیر بالای الیاف پرکننده، پلاستیک نقش چسب را برای اتصال ذرات چوبی به هم ایفا کند که در نتیجه آن مقاومت­ها کاهش می­یابد ]2[. مدول الاستیسیته کششی فرآورده­ها نیز متأثر از مدول کششی اجزای تشکیل دهنده آن است. با توجه به اینکه مواد سلولزی مدول کششی نسبتاً زیادی دارند، در نتیجه می­توانند مدول کششی چند سازه را بهبود بخشند. بنابراین با افزایش مقدار ماده پرکننده از 40 به 50 و 60 درصد، مدول کششی چند سازه افزایش می­یابد ]6 و7[.

با افزایش درصد وزنی پرکننده، مقاومت به ضربه (فاق­دار و بدون فاق) چند سازه­ چوب پلاست کاهش یافت. چون با افزایش مقدار ماده چوبی، میزان نقاط تمرکز تنش افزایش یافته و از همگنی ماده زمینه (پلیمر) کاسته می­شود. در نتیجه چند سازه در برابر بار و نیروی کمتری می­شکند. نتایج بررسی­های Bouafif (2009) و مهدی نیا (1390) نیز با این نتایج هم­خوانی دارد] 6 و7[.

نتایج این بررسی نشان داد که در تولید چند سازه چوب پلاست به روش قالب­گیری تزریقی، استفاده از نرمه MDF (با اندازه 60+ مش) به عنوان یکی از پسماندهای صنایع چوب، نتایج بسیار مطلوبی را حتی در مقایسه با چوب پلاست تقویت شده با ذرات آرد چوب ارائه می­دهد. از آنجا که این نوع ذرات جهت استفاده در صنعت چوب پلاست نیاز به آماده سازی خاصی ندارند و تنها باید الک شوند، از نظر اقتصادی نیز بسیار مقرون به صرفه بوده و می­توان در کنار واحدهای تولید تخته و پروفیل ­های MDF، جهت استفاده بهینه از نرمه­ های تولید شده، واحدهای صنعتی تولید چوب پلاست را راه­­ اندازی کرد. لازم به یادآوری است که استفاده از الیاف ساقه سویا به عنوان عامل تقویت کننده نیز نتایج رضایت ­بخشی را نشان داد که در صورت دستیابی به روش­هایی جهت حذف ذرات مغز و پوست از الیاف ساقه، می­توان نتایج مطلوب­تری به دست آورد.

منابع

1) ابراهیمی، ق. ، رستم پور هفتخوانی، ا. 1389. چند سازه چوب و پلاستیک. انتشارات دانشگاه تهران. 886 صفحه

2) چهارمحالی، م. ، کاظمی نجفی، س. ، تجویدی، م. 1385. تأثیر نوع روش ساخت بر خواص مکانیکی و فیزیکی تخته­های چوب پلاست ساخته شده از ضایعات تخته خرده چوب.  دو فصلنامه پژوهشی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران. جلد 21. شماره 1. صفحه 42-33.

3) رامتین، ع. ا. ، کریمی، ع. ن. ، تجویدی، م. 1388. مطالعه خواص مکانیکی چند سازه‌های ساخته شده از نرمه­های حاصل از سنباده­زنی سطح تخته خرده چوب- پلی­پروپیلن. دو فصلنامه علمی- پژوهشی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران. جلد 24. شماره 1. صفحه 68-58.

4) شاکری، ع. ، امیدوار، ا. 1385. بررسی اثر نوع، مقدار و اندازه ذرات کاه بر خواص مکانیکی کامپوزیت‌های پلی­اتیلن سنگین- کاه غلات. مجله علوم و تکنولوژی پلیمر 19(4): 308-301.

5) مصطفی­زاده، م. ، کاظمی نجفی، س. ، چهارمحالی، م. ، حاج حسنی، ر. 1388. مطالعه رفتار خزشی مواد مرکب ساخته شده از آرد تخته خرده چوب و تخته فیبر نیمه سنگین- ضایعات پلی­ اتیلن سنگین (HDPE) و تأثیر جذب آب بر آن. دو فصلنامه علمی- پژوهشی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران. جلد 24. شماره 2. صفحه 205-194.

6) مهدی­نیا، م. 1390. بررسی اثر مقدار و شکل هندسی ذرات ساقه سویا بر روی ویژگی­های مکانیکی و فیزیکی چند سازه الیاف طبیعی/ پلاستیک. پایان­نامه کارشناسی ارشد. دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران.

7. Bouafif, H. , Koubaa, A. , Perré, P. , Cloutier A. 2009. Effects of fiber characteristics on the physical and mechanical properties of wood plastic composites Composites: Part A 40: 1975–1981.
8. Chaharmahali, M. , Tajvidi, M. , Kazemi Najafi, S. 2008. Mechanical Properties of Wood Plastic Composite Panels Made From Waste Fiberboard and Particleboard. POLYMER COMPOSITES 26:606-610. 2008 Society of Plastics Engineers. Published online (www.interscience.wiley.com).
9. Chen, H.C., Chen, T.Y., Hsu, C.H. 2006. Effects of Wood Particle Size and Mixing Ratios of HDPE on the Properties of the Composites. Holz Roh Werkst 64(3):172-177.
10. Hetzer, M., Kee, D.De. 2008. Wood/polymer/nanoclay composites, environmentally friendly sustainable technology: A review. chemical engineering research and design. 86 :1083–1093.
11. Markarian J. 2005. Wood plastic composites: current trends in materials and processing. Plastics, Additives and Compounding, 7(5): 20–26.

12. Najafi, A. , Khademi-Eslam, H. 2011. Lignocellulosic filler/recycled HDPE composites: Effect of filler type on physical and flexurak properties. BioResources 6(3), 2411-2424.

13. Sanadi, A. R. (1995). Renewable agricultural fibres as reinforcing fillers in plastics: Mechanical properties of Kenaf fiberpolypropylene composites. Industrial & Engineering Chemistry Research, 34(5), pp. 1889-1896.
14. Yang, H.S., H.j., kim, J., Son, H.J., park, B.J., Lee, and T.S., Hwang. 2004. Rice husk flour filled polypropylene compositesL; mechanical and morphological study. Journal of composite structures, 63: 305-312.
15. Zhang, Z.M., Du, H. Wang, W.H., Wang, Q.W. 2010. Property changes of wood-fiber/HDPE composites colored by iron oxide pigments after accelerated UV weathering. Journal of Forestry Research 21(1): 59–62.

 

A Comparative study of the physical and mechanical properties of Wood plastic composites made from different lignocellulosic materials and high density polyethylene

Saeed Ziyaie¹, Ali Akbar Enayati², Meysam Mehdinia³

1- MSc student of Wood and Paper Science and Technology of Tehran University

saeed.ziyaie@ut.ac.ir (+989141108898)

2- Professor of Wood and Paper Science and Technology of Tehran University

3- PHD student of Wood and Paper Science and Technology of gorgan University

Abstract

In this paper, impacts of 3 various lignocellulosic materials (as filler) and their mixture ratios with high density polyethylene (HDPE) on the physical and mechanical properties of WPC have been investigated and compared. MDF dust, soya stalk flour and poplar flour particles, with mixture ratios of 40, 50 and 60% (by weight) and HDPE were mixed using corotating twin-screw extruder. Maleic anhydrate polyethylene (MAPE) was used as coupling agent with mixture ration of 3%. Testing samples comprising, fractural, tensile and impact samples, were prepared by injection molding, and then were tested with regard to the ASTM standards.

Results showed that the increment of filler percentage in 40, 50 and 60 wt.% order could improve tensile and flexural strength, water uptake and thickness swelling, significantly while impact absorbing energy was on the wane. It was found that the samples made from MDF dust, had superior physical and mechanical properties comparing two other fillers. Meanwhile, composites made with soya stalk flour showed the weak physical and mechanical properties.

Keywords: Wood Plastic Composite, MDF dust, soya stalk flour, poplar flour particles, physical and mechanical properties.