مواد مرکب چوب پلاست و ویژگی ­های کاربردی آن

مواد مرکب چوب پلاست (WPC) گروه جديدي از مواد هستند كه در بسياري از كشورهاي پيشرفته در حال توليد و توسعه هستند. اين مواد قابليت شكل­پذيري بسيار خوبي دارند و از آنها مي­توان براي توليد اشكال متنوع و پيچيده استفاده كرد. مواد مركب چوب پلاست با دوام و محكم هستند و مي­توانند در ابعاد بزرگ قالب­گيري‏‏‏‏ شوند. تركيبات چوب پلاست جديد كه با آرد چوب و انواع پلاستيك تهيه مي‌شوند. اجزاي بسيار مهمي كه بر خواص مواد مركب تاثير مي‌گذارند، عبارتند از: پليمر پايه (گرمانرم)، پركننده‌ها و تقويت كننده­ها، عوامل سازگار كننده، مواد شيميايي شروع كننده و ساير مواد افزودني. در مواد مركب تقويت شده با ذرات، فاز تقويت كننده به صورت ذره‌هايي است كه ابعاد در همه جهات برابر است و ماده مركب از هر سو يكسان از خود نشان مي دهد، يعني خواص آن مستقل از جهت خواهد بود. اضافه كردن مواد ذره‌اي به پليمرها سختي، مقاومت به سايش، زبري سطح و خواص گرمايي ماده حاصل را بهبود مي بخشد [3].

بعلاوه مواد مركب چوب پلاست ويژگي‌هاي هر دو ماده اصلي تشكيل دهنده­اش يعني چوب و پلاستيك را با هم دارند. سختي و مقاومت اين مواد (چوب پلاست) بين چوب و پلاستيك است (شکل 1) ولي چگالي اين مواد به طور كلي بالاتر از چوب و پلاستيك مي‌باشد. و دارای ويژگي‌هاي مثبت بسيار زيادي هستند كه برخي از آن‌ها عبارتند از: سفتي و مقاومت فشاري بالا، پايداري ابعاد، بهبود مقاومت در برابر قارچ­زدگي و حمله حشرات، ويژگي‌هاي حرارتي بسيار خوب، قيمت پايين، سرعت اشتعال كم، قابليت توليد شكل­هاي پيچيده، قابليت ماشين­كاري خوب، مدول الاستيسيته و مقاومت به سايش بالا می­باشد. علاوه بر ويژگي‌هاي مذكور، براي كار كردن با ماده مركب چوب پلاست از تجهيزات رايج مورد استفاده در صنايع چوب استفاده مي‌شود و شكل يكنواخت اين مواد، حتي بسياري از فرآيندهايي را كه به صورت عادي براي چوب انجام مي‌شود، حذف كرده است [2].

شکل1- ساختار سلول­های چوبی و مواد مرکب چوب پلاست

مزایای مواد مركب چوب­ ­پلاست (WPC)

• مواد مركب چوب پلاست مي توانند از ابتدا به صورت شكل نهايي كه قرار است استفاده شوند، با روش قالب­گيري‏‏‏‏ ساخته شوند. كه كارايي اين مواد را حداكثر مي‌كند و باعث انعطاف در طراحي براي بهبود چفت و بست­ها، محكم­كاري ها، پرداخت­ها و اتصالات مي‌شود.
• براي ساخت WPC نياز به تجهيزات اضافي براي توليد نيست و مي­توان از همان دستگاه­هايي كه براي توليد قطعات پلاستيك كاربرد دارند استفاده كرد.
• مواد مركب چوب پلاست مي­توانند جانشين چوب در محصولاتي نظير مبلمان، قاب درب، قطعات دكوراتيو و هر جا كه اشكال مختلف كاربرد دارند، بشوند.

از مزایای مواد مركب چوب­ ­پلاست مي­توان به موارد زير اشاره كرد:

• مواد مركب چوب پلاست که تركيبي از چوب و پلاستيك هستند، بهترين ويژگي‌هاي چوب و پلاستيك را با هم دارد.
• در ساخت مواد چوب پلاست از مواد خام ارزان و فراوان استفاده مي‌شود.
• چوب-پلاستيک­ ها مي­توانند از لحاظ قيمت با محصولات تجاري نظير تخته فيبر و تخته خرده چوب رقابت كنند.
• اين مواد از لحاظ ظاهري و قابليت رنگ­پذيري و پرداخت تنوع زيادي دارند.
• چوب-پلاستيک­ها پس از استفاده به آساني در چرخه بازيافت قرار مي­گيرند.
• چوب-پلاستيک­ها را بخاطر مقاومت و دوام بالا در مقابل رطوبت و تغییرات شرایط آب هوایی، می­توان در فضاهای باز، پارک­ها، باغ بام (روف-­گاردن)، احداث اسکله­های آبی و تزئین نمای بیرون و داخل ساختمان­ها نیز استفاده کرد.

استفاده از ضايعات در توليد مواد مركب چوب پلاست

افزايش ساليانه مواد زايد جامد يكي از مشكلات اساسي جوامع بشري است كه بايد به نحو مطلوبي حل شود. مواد زايدي كه توليدشان اجتناب ناپذير است بايد حتي الامكان بازيافت و آنهايي كه غير قابل بازيافت هستند دفن بهداشتي و يا در كوره­هاي زباله سوز سوزانده شوند. گسترش كاربرد مواد پلاستيكي در زندگي كنوني انسانها (مصارف خانگي، بهداشتي، كشاورزي، صنعتي و….) و مصرف روز افزون آنها باعث گرديده است كه حجم زيادي از اين مواد پس از استفاده به صورت ضايعات دور ريخته شوند. حدود 50 نوع پلاستيك مختلف توليد مي‌شود كه مقدار توليد 4 تا 5 نوع آن (پي-وي-­سي PVC ، پلي اتيلن PE، پلي پروپيلن PP، پلي استايرن PS) از همه بيشتر است و در زندگي روزمره از آن استفاده مي‌شود.

با توجه به مصرف روز افزون مواد پلاستيكي و كاربردهاي وسيع آن در زمينه­هاي مختلف از يك سو و افزايش مداوم ضايعات پلاستيكي و اثرات نامطلوب آنها در محيط زيست و طبيعت (اين تركيبات در محيط قابل تجزيه بيولوژيك نيستند) و مسايل اقتصادي (مانند افزايش قيمت پلاستيك‌ها و كاهش وابستگي به صنعت پتروشيمي) و از سوي ديگر باعث شده است كه مجامع علمي، بهداشتي و صنعتي جهان درصدد و آغاز راه حل­هاي مناسب، در جهت رفع و كاهش ميزان اينگونه ضايعات از طريق بازيافت برآيند. از طرف ديگر يكي از معضلات عمده كارگاه­ها و كارخانجات صنايع چوب، پوشال، خاك اره و ضايعات چوبي است. خاك اره و پوشال ممكن است طي فرآيند­هاي مختلف تبديل گرده‌بينه و الوار (بعنوان چوب ماسیو) به محصولات مختلف و يا طي فرآيندهاي تبديل مواد مركب چوبي (تخته خرده چوب، تخته فيبر، تخته فيبر‏ با دانسيته متوسط (MDF و …)) به فرآورده­های مختلف توليد شوند. انباشت و دفع اين مواد سبب مشكلات زيادي براي صنايع و پرداخت هزينه قابل توجه مي‌باشد

از هنگام ظهور مواد مركب چوب پلاست (دهه 1970) استفاده از پلاستيك‌هاي خام در ساخت اين مواد مورد توجه بوده است. تقريبا از نيمه دوم دهه 1990 توجه محققان معطوف به استفاده از پلاستيك‌هاي ضايعاتي در ساخت مواد مركب چوب پلاست شد. از طرفي استفاده از پر كننده­هاي سلولزي و ليگنوسلولزي به شكل آرد يا الياف، كه بيشتر حاصل ضايعات (صنايع يا كشاورزي) بوده است براي تقويت انواع پلاستيك خام و ضايعاتي مورد توجه قرار گرفته است.

تجويدی و ابراهيمی (1383) در مطالعه­اي امكان استفاده از الياف سلولزي در ساخت چند سازه چوب- پليمر را بررسي کردند. در اين مطالعه الياف سلولز، الياف كاغذ و الياف خام چوب به نسبت‌هاي وزني 15، 25، و 35 درصد با پلي پروپيلن مخلوط شدند و از انيدريد مالئيك به ميزان 2 درصد به عنوان سازگاركننده استفاده شد. مقاومت به ضربه و تغيير طول در حد گسيختگي با افزودن ماده سلولزي كاهش و مقادير مدول الاستيسيته و سختي افزايش قابل توجهي يافتند.[1]

يانگ ^[1]و همكاران (2005) در مطالعه خواص مكانيكي و فيزيكي مواد مركب حاصل از آرد چوب و سبوس برنج با پلي پروپيلن گزارش کردند كه با افزايش درصد الياف به علت سطوح اتصال ضعيف بين الياف و ماتريس پليمري ضمن کاهش مقاومت كششي و خمشي و نیز مقاومت به ضربه، جذب آب و واكشيدگي ضخامت در كامپوزيت‌هاي حاصله افزایش یافت[4].

کاظمی نجفی و همكاران (2007) جذب آب طولاني مدت مواد مركب ساخته شده از آرد چوب و پلاستيك ضايعاتي را مورد مطالعه قرار دادند. نتايج نشان داد زمان رسيدن به نقطه اشباع مواد مركب ساخته شده از پلي پروپيلن خام بيشتر از پلي پروپيلن ضايعاتي مي‌باشد. ضريب انتشار رطوبت مواد مركب حاوي پلي پروپيلن خام كمتر از ضريب انتشار رطوبت براي پلي پروپيلن ضايعاتي بدست آمد[5].

چولدهوری ^[2] و آدهيکاری^[3] (2007) مواد مركب ساخته شده از كيسه­هاي بازيافتي شير (پلي‌اتيلن سبك، LDPE)- الياف كنف را مورد مطالعه قرار دادند. نتايج نشان داد كه مدول كششي و خمشي مواد مركب ساخته شده از پلي‌اتيلن سبك (خام)- الياف كنف در مقايسه با مواد مركب ساخته شده با كيسه­هاي شير بازيافتي- الياف كنف به طور معني‌داري بيشتر است[6].

روش­هاي ساخت مواد مركب چوب پلاست

خوشبختانه يكي از مزاياي بزرگ مواد مركب چوب پلاست اين است كه مي توان در توليد آنها از پلاستيك‌هاي ضايعاتي و خاك اره، پوشال و … استفاده نمود كه اين مزیت منجر به تبديل ضايعات به موادي با كاربرد و ارزش افزوده بالا، و نیز كاهش حجم ضايعات و به دنبال آن كاهش آلودگي­هاي محيط زيست مي‌شود. پليمرهاي گرمانرم، پلاستيك‌هايي هستند كه در اثر گرما نرم شده و بصورت مذاب در مي­آيند. از مهمترين فرآيندهاي ساخت پليمرهاي تقويت شده گرمانرم مي­توان روش اكستروژن، قالب­گيري‏‏‏‏ انتقالی و قالب­گيري‏‏‏‏ تزريقي را نام برد.

روش اكستروژن در ساخت چوب پلاست

اين روش يك فرآيند پيوسته بوده و براي توليد مصنوعاتي مانند صفحه، فيلم و لوله مورد استفاده قرار مي­گيرد. اكسترودر داراي قيفي است كه پليمر به شكل گرانول مخلوط شده با تقويت كننده از داخل آن به داخل يك سيلندر داغ حاوي مارپيچ گردان هدايت مي­گردد. در داخل سيلندر همراه با چرخش مارپيچ، پليمر مخلوط شده با تقويت کننده به طرف جلو پيش مي­رود و تحت فشار و گرما به مرور زمان، ذوب مي‌شود. سپس توسط يك منفذ شكل دهنده به شكل محصول مورد نظر در آمده و با فشار خارج مي‌شود (شکل 3).

شاخص مذاب^[4]

شاخص جريان مذاب (MFI) يكي از معمول­ترين خواصي است كه در هنگام توصيف يك پليمر به آن اشاره مي‌شود. اين شاخص را مي­توان به صورت مقدار پليمر (برحسب گرم) كه مي‌تواند در مدت 10 دقيقه تحت فشار و دماي استاندارد و در يك پلاستوم استاندارد روزن راني شود، تعريف نمود. شاخص جريان مذاب بالا، معرف وزن مولكولي كمتر و ويسكوزيته كمتر مي‌باشد.

دماي شيشه­اي ^[5](T_g)

مهمترين فرايند افت در پليمرهاي بي شكل مربوط به دماي انتقال شيشه­اي است. در اين دما پليمر از حالت نيمه سخت و شبه شيشه­اي به تركيبات نرم و شبه لاستيكي تبديل خواهد شد. براي پليمري شكل، مدول ذخيره در سه نقطه از دامنه انتقال شيشه­اي كاهش مي­يابد. اگر پليمر داراي اتصالات عرضي، نيمه بلوري و يا تقويت شده باشد، كاهش مدول ذخيره در نقطه شيشه­اي كمتر خواهد بود. ساختار شيميايي پليمر مي‌تواند بر روي دماي شيشه­اي تاثير بگذارد. گروه‌هايي با قطبيت مولكولي بالا، دماي انتقال شيشه­اي را كاهش خواهد داد. تقارن پيكربندي‏ و نظم فضايي ‏نيز بر روي دمايي شيشه­اي مؤثرند. دماي انتقال شيشه­اي اساس اندازه­گيري­ها در انبساط سنج­ها^[6] ‏ هستند. كه ‏در واقع تنش و فركانس وابسته به تغيير شكل در محدوده دماي شيشه­اي را نشان مي دهند.‏

شکل3-روش اکستروژن برای تولید چوب-پلاستیک

تقويت كننده­ها^[7] و پركننده­ها در ساخت چوب پلاست

بطور كلي پلاستيك‌ها نسبت به ساير مواد، از نظر خواص فيزيكي و مكانيكي ضعيف هستند. لذا تقويت اين مواد بوسيله تقويت كننده­ها امري ضروري به نظر مي­رسد. تقويت كننده­ها را مي­توان به دو دسته عمده تقويت‌كننده‌هاي ليفي و غير ليفي تقسيم نمود. تقويت كننده­ها عمدتا باعث افزايش برخي از خواص فيزيكي و مكانيكي پليمرها از جمله مقاومت به كشش، خمش و فشار شده و همچنين مقاومت‌هاي حرارتي، سائيدگي و خستگي را نيز افزايش و موجب كاهش انبساط و خزش چند سازه­ها مي‌شوند.‍ تقویت ‌كننده‌هاي ليفي شامل ذراتي هستند كه داراي نسبت طول به قطر بالايي هستند و اين نسبت بالا باعث مي‌شود كه قسمت اعظم تنش­هاي وارده به فاز پليمري، به الياف منتقل شود و در نتيجه مقاومت چند سازه افزايش يابد. از معايب اين نوع تقويت كننده­ها اين است كه باعث كدر شدن پليمر و افزايش گرانروي پليمر مذاب و در نتيجه كاهش فرآيند پذيري، پليمر مي‌شوند. تقويت كننده ليفي به دو گروه الياف طبيعي و مصنوعي تقسيم مي‌شوند. از تقويت‌كننده‌هاي غير ليفي آلي مي توان به گرافيت، دوده، آرد چوب و پوست، خاك اره اشاره كرد. و از تقويت‌كننده‌هاي غير ليفي معدني مي توان به كربنات كلسيم، سيليكاتها، تالك، ميكا اشاره كرد.

عوامل سازگار كننده^[8] در ساخت چوب پلاست

بسياري از مواد پركننده با محيط پليمري سازگاري نداشته و نمي­توانند اتصال مناسبي ايجاد نمايند. براي بهبود چسبندگي در سطح مشترك مواد تقويت كننده و پليمر، از عوامل شيميايي تحت عنوان سازگار كننده و يا جفت كننده مناسب استفاده مي‌شود. يك ماده سازگار كننده معمولا با تشكيل پيوندهاي بين مولكولي در ميان سطوح پركننده و شبكه پليمري باعث چسبندگي در سطح مشترك مي­گردد. در نتيجه تنش­هاي وارده به ماده مركب از طريق شبكه به نحو مطلوب­تري به ذرات پركننده يا الياف انتقال مي­يابد و استحكام بالايي به ماده مركب مي­بخشد.

مواد شيميايی شروع کننده در ساخت چوب پلاست

اين تركيبات ناپايدار كه آغاز كننده نيز ناميده مي‌شوند، براي گيرا شدن و ايجاد پيوند­هاي عرضي ذره پليمرهاي گرمانرم مانند پلي پروپيلن و پلي‌اتيلن به كار مي­روند. پركسيدهاي آلي با تجزيه به راديكال‌هايي آزاد عمل فوق را انجام مي­دهند. دي كوميل پرواكسايد [C₆H₅C(CH₃) ₂O] ₂ يكي از اين مواد آلي مي‌باشد.

نتیجه­گیری

مواد مركب چوب پلاست ( WPC) در بسياري از كشورها در حال توليد و توسعه هستند. اين مواد قابليت شكل پذيري بسيار خوبي دارند و از آنها مي­توان براي توليد اشكال متنوع و پيچيده استفاده كرد. مواد مركب چوب پلاست با دوام و محكم هستند و مي­توانند در ابعاد بزرگ قالب¬گيري‏‏‏‏ شوند. بسياري از مواد مركبي كه امروزه توليد مي‌شوند به منظور بهبود خواصي نظير مقاومت، سختي، مقاومت به ضربه و كارايي در دماي بالا ساخته مي‌شوند. مواد مركب چوب پلاست ويژگي‌هاي هر ماده اصلي تشكيل دهنده­اش يعني چوب و پلاستيك را با هم دارند. سختي و مقاومت اين مواد بين چوب و پلاستيك است. از مهمترين فرآيندهاي ساخت پليمرهاي تقويت شده گرما نرم مي­توان روش اكستروژن، قالب¬گيري‏‏‏‏ انتقالي و قالب­گيري‏‏ تزريقي را نام برد. ويژگي‌هاي مثبت آنها بخصوص مقاومت فشاري بالا، پايداري ابعاد، بهبود مقاومت در برابر قارچ زدگي و حمله حشرات، ويژگي‌هاي حرارتي بسيار خوب، قيمت پايين، سرعت اشتعال كم، قابليت توليد شكل­هاي پيچيده، قابليت ماشين­كاري خوب، مدول الاستيسيته بالا و مقاومت به سايش را می توان نام برد. علاوه بر ويژگي‌هاي مذكور، براي كار كردن با ماده مركب چوب پلاست از تجهيزات رايج مورد استفاده در صنايع چوب استفاده مي‌شود. با توجه به این که چوب-پلاستیک یکی از مصالح ارزان و جدید در صنعت ساختمان، معماری و در طراحی مبلمان و دکوراسیون است ، لذا آشنایی با ویژگی های کاربردی آنها برای کارشناسان و طراحان ساختمان، مبلمان و دکوراسیون مفید به نظر می رسد.

 

منابع مورد استفاده

1-تجويدی، م.، ابراهيمی، ق.، (1383). “اثر استفاده از سازگار کننده بر روی خواص مکانيکي مواد مرکب پلی پروپيلن و آرد چوب با استفاده از تحليل ديناميکی- مکانيکی”، نشريه علمی-پژوهشي منابع طبيعي ايران، دانشگاه تهران، جلد56، شماره1و2، صفحه47.

2-کاظمی، م، ت.، نجفی، ع.، (1386). “بررسی خواص فيزیکی و مکانيکی مواد مرکب چوب- پلاستيک حاصل از ضايعات  HDPE و ضايعات کارخانه صنايع چوب خزر کاسپين”، پايان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه آزاد اسلامی واحد چالوس.

3-Kit, L.Y., Binoiy K., Gogot C., and Selke S.E., (1990). “Composites from compounding wood fibers with recycle high density polyethylene“, polymer engineering and science, 30(11).

4-Yang H.S., Kim H.J., Park H.J., Lee B.J., Hawang T.S., (2005) “Effect of Compatibilizing agents on rice-hunk flour reinforced polypropylene composites”, Composite Structures, 77(1), pp.45-55.

5-Kazemi Najafi S., Kiaefar A., Tajvidi M., and Hamidinia E., (2007) “Hygroscopic Thickness Swelling rate of Composites from Sawdust and Recycled Plastics”, Wood Science and Technology.

6-Choudhury A., Adhikari B., (2007) “Recycled milk pouch and virgin LDPE-LLDPE-based jute fiber composites”, Polymer Composites. 28(1), pp.78-88.

[1] – Yang

[2]– Choudhury

[3]– Adhikari

[4] Melt flow index‎

[5] Glass temperature

[6] Dilatometer

[7] Reinforcer

[8] Coupling agents ‎