استفاده از مخلوط آرد چوب پالونیا و پلی‌اتیلن در پروفیل های چوب پلاست

پروفیل های چوب پلاست [1] از محصولات نوظهوری هستند که به میزان قابل توجهی شاهد افزایش مصرف آن در دهه‌های اخیر هستیم. این چندسازه‌ها به‌وسیله پراکنده کردن ذرات ریز چوب در پلیمرهای ترموپلاستیک به همراه جفت کننده‌ها و یا سایر افزودنی‌ها، به کمک فن‌های مختلفی از جمله اکستروژن، قالب‌گیری تزریقی[2] و قالب‌گیری فشاری[3] تولید می‌شوند. ایده تولید چندسازه‌های چوب پلاست در دهه 1970 میلادی در ایتالیا مطرح و در اوایل دهه 1990 میلادی در آمریکا گسترش و توسعه پیدا کرد. اولین بار در مقیاس صنتعی شرکت وود استاک در آمریکا در سال 1993 میلادی نسبت به تولید چندسازه چوب-پلی‌پروپیلن به‌وسیله اکسترودر برای قسمت‌های داخلی خودرو اقدام نمود [1]. امروزه استفاده از الیاف چوبی به‌عنوان پرکننده و تقویت کننده در صنایع پلاستیک کاربرد زیادی پیدا کرده است. پروفیل های چوب پلاست در دهه گذشته رشد چشم‌گیری داشته اند [2]. دارا بودن خواص سازگار با محیط‌زیست این چندسازه‌ها و همچنین نیاز کم به تعمیر و نگهداری، از جمله دلایل رشد سریع این فرآورده‌ها در کاربردهای جایگزین چوب بوده است [3]. با افزایش شدید تقاضای بازار برای چندسازه‌های چوب پلاست، توجه زیادی نیز به‌سوی این فرآورده‌ها معطوف گشته و گزارش‌های زیادی در مورد اصلاح و بهبود خواص این چندسازه‌ها موجود می‌باشد [4]. در ساخت چندسازه‌های چوب پلاست محدوده‌ی وسیعی از پلیمرها مانند پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن، پلی ونیل استیل و … همراه با پرکننده‌های سلولزی نظیر آرد و الیاف چوب، کتان، کنف، بامبو، کاه و کلش مورد استفاده قرار می‌گیرد [5]. طی سالیان گذشته به‌دلیل افزایش جمعیت در کشور و نیاز روزافزون برای مصرف چوب، سبب بهره‌برداری‌های بی‌رویه و خارج از توان تولید جنگل شده است. جنگل‌ها صرف‌نظر از جنبه اقتصادی آن، به لحاظ مسائل اکولوژیکی نیز دارای اهمیت فراوانی می‌باشند. در گذشته، جنگل‌های طبیعی به‌ویژه در کشورهای حاره‌ای به‌منظور تأمین نیازهای چوبی، سوختی و کاغذ مورد بهره‌برداری بی‌رویه قرار گرفته‌اند [6]. از این رو یکی از راهکارهای پیشنهادی در ساخت چندسازه‌ها، استفاده از منابع لیگنوسلولزی ارزان قیمت است. این موضوع می‌تواند در تئولید مقرون به صرفه و تعدیل قیمت آن نقش مهمی داشته باشد. منابع ارزان قیمت مختلفی در دنیا وجود دارند که می‌تواند در تولید صنتعی چندسازه‌های چوب پلاست مورد استفاده قرار بگیرد [7]. به همین دلیل و با توجه به نیاز روز افزون به چوب و كاهش منابع چوبي، ايجاد و تشديد جنگل‌كاري با گونه‌هاي تندرشد یکی از این راهکارها می‌باشد [8]. بنابراین در ساخت چندسازه‌های چوب پلاست استفاده از منابع لیگنوسلولزی غیر جنگلی کمک شایانی در جهت حفظ منابع طبیعی جنگلی خواهد بود و از آنجایی‌که گونه‌های تندرشد از قیمت پایین‌تری نسبت به چوب‌های جنگلی دارند، تولید محصول با استفاده از این نوع مواد لیگنوسلولزی تعدیل قیمت و صرفه اقتصادی بالاتری را در جهت تولید محصول به‌همراه خواهد داشت.

Gorjani و Omidvar (2005) خواص مكانيكی چندسازه پلي‌اتيلن بازيافتی[4]-كاه گندم ساخته شده با 15، 30 و 40% آرد كاه گندم دانه ريز (مش 25 تا 40) و دانه درشت (مش 12 تا 25) به‌عنوان تقویت کننده با استفاده از 2% مالئیک انیدرید به‌عنوان سازگارکننده[5] را مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که افزایش درصد آرد کاه گندم تا سطح 30% مقاومت‌های کششی و خمشی را افزایش داده و تا سطح 40% موجب بهبود مدول الاستیسیته کششی چندسازه شده است. اما بر روی مقاومت به ضربه تأثیر چندانی نداشت. همچنین استفاده از ذرات ریز آرد کاه گندم مقاومت به ضربه و مدول الاستیسیته کششی و خمشی را افزایش داد ولی اندازه ذرات کاه بر استحکام کششی و خمشی تأثیر معنی دار نداشت و بهترین مقاومت‌های مکانیکی در چندسازه حاصل از 30% آرد کاه گندم و 70% پلی‌اتیلن سنگین بازیافتی مشاهده شد [9].

Mirmehdi و همکاران (2012) در بررسی ویژگی‌های مکانیکی چندسازه پلی‌اتیلن/آرد چوب نخل خرما، تأثیر مقدار و نوع پرکننده را مورد آزمایش قرار دادند. نتایج نشان داد با افزایش درصد پرکننده مدول گسیختگی و مقاومت کششی کاهش می‌یابد. همچنین افزایش درصد پرکننده تا 60% مدول الاستیسیته خمشی را افزایش می‌دهد. همچنین دریافتند استفاده از آرد برگ و آرد مخلوط باعث افزایش مدول گسیختگی نسبت به چندسازه‌های ساخته شده از آرد ساقه شد و استفاده از آرد برگ باعث افزایش مدول خمشی در مقایسه با چندسازه‌های ساخته شده با آرد مخلوط و آرد ساقه شد [10].

Ziyaie Khosroshahi و همکاران (2015) طی تحقیقی تحت عنوان بررسی مقایسه‌ای خواص فیزیکی و مکانیکی پروفیل های چوب پلاست ساخته شده از مواد لیگنوسلولزی مختلف و پلی‌اتیلن سنگین، اثر سه نوع ماده لیگنوسلولزی مختلف به‌عنوان پرکننده و درصد اختلاط آن‌ها با پلی‌اتیلن سنگین، بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی چندسازه‌های چوب پلاست را بررسی و مقایسه کردند. نتایج بیانگر این بود که با افزایش درصد وزنی ماده پرکننده در چندسازه‌ها، میزان جذب آب و واکشیدگی ضخامتی چندسازه افزایش یافت و این گمان که الیاف سلولزی یا ذرات چوبی در چندسازه با پلاستیک پوشانده می‌شوند به‌طور کامل معتبر نیست. همچنین ثابت شد الیاف سلولزی پسماندهای کشاورزی مقاومت‌های مکانیکی کمتری نسبت به گونه‌های چوبی دارند [11].

Biazyat و همکاران (2016) طی تحقیقی با عنوان تأثیر استفاده از آرد نخل خرما در ساخت پروفیل های چوب پلاست بر پایه پلی‌پروپیلن[6]، تأثیر مقدار پرکننده و ماده جفت کننده مالئیک انیدرید پلی‌پروپیلن بر ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت پلی‌پروپیلن تقویت شده با آرد حاصل از ضایعات ناشی از هرس سالیانه برگ نخل خرما (رقم شاهانی) را مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل نشان داد با افزایش آرد نخل خرما مقاومت خمشی، مقاومت کششی و مقاومت به ضربه کاهش و در مقابل واکشیدگی ضخامت، مدول خمشی و مدول کششی افزایش یافت. همچنین با بررسی اثر ماده جفت کننده مشخص شد که با افزودن مالئیک انیدرید پلی‌پروپیلن واکشیدگی ضخامت، مقاومت و مدول الاستیسیته کششی و خمشی کامپوزیت حاصل بهبود یافته است. این بدان معنی است که همراه با افزایش مصرف آرد نخل خرما، افزودن عامل جفت کننده منجر به بهبود کیفیت سطح مشترک شده و تغییرات قابل ملاحظه‌ای را به‌ویژه در پایداری ابعادی و مدول الاستیسیته حاصل کرده است [12].

Adhikari و همکاران (2008) ثبات ابعادي و رفتار مكانيكي فرآورده‌ی کامپوزیت چوب پلاست بر پایه پلی‌اتیلن سنگین بازیافتی را مورد مطالعه و بررسی قرار دادند. در این تحقیق، ثبات ابعادی، خصوصیات مکانیکی و ساختمان میکروسکوپی کامپوزیت مورد بررسی قرار گرفت. با افزودن مالئیک انیدرید پلی‌اتیلن[7] به میزان 3 تا 5 درصد وزنی به کامپوزیت بهبود معنی‌داری در ثبات ابعادی و خصوصیات مکانیکی کامپوزیت ایجاد شد. آنالیز ساختمان میکروسکوپی سطح شکست کامپوزیت اصلاح شده با مالئیک انیدرید پلی‌اتیلنی بهبود اتصالات زنجیره مولکولی را تایید کرد [13].

1-1- پلی‌اتیلن در ساخت پروفیل های چوب پلاست

پلی‌اتیلن بالاترین حجم تولید را در جهان دارد. پلی‌اتیلن به‌طور نسبی پایین‌ترین دمای ذوب را دارد (بین 106 تا 130 درجه سانتی‌گراد، بسته به دانسیته جرم پلی‌اتیلن) و می‌تواند در دامنه وسیع ویسکوزیته ذوبش تولید شود. مذاب آن با پرکننده‌ها، خوب مخلوط می‌شود و دمای ذوب پایین آن کابرد الیاف سلولزی را بدون تخریب حرارتی الیاف، ممکن می‌سازد. پلی‌اتیلن پلیمری نیمه کریستالی است. یعنی در دمای محیط، پلیمر شامل دو فاز یا جزء مشخص است، کریستالی و بی‌شکل. قسمت بی‌شکل پلی‌اتیلن که نوعی لاستیک در دمای محیط است، در دمای تغییر معینی، نرم می‌شود که به نقطه انتقال شیشه‌ای معروف است. نقطه انتقال شیشه‌ای پلی‌اتیلن از دمای خیلی کم تا کم (130- تا 20- درجه سانتی‌گراد) متغیر است و این پلاستیک را در دمای معمولی تغییر شکل پذیر می‌سازد. از بین مزایای پلی‌اتیلن می‌توان به جذب رطوبت نسبتا صفر درصد، نرمی نسبی (که باعث سهولت میخ و پیچ کردن و بریدن تخته‌های چندسازه می‌شود)، مقاومت بالا به مواد شیمیایی و مقاومت بسیار بالا در برابر اکسید شدن اشاره نمود [14].

1-2- پالونیا در ساخت پروفیل های چوب پلاست

امروزه پالونیا به‌عنوان مهم‌ترین گونه درختی تندرشد مصرف جهانی پیدا کرده و در بسیاری از کشورهای جهان مورد توجه قرار گرفته است و این امر به‌دلیل سازگاری چند صد ساله این گونه می‌باشد [15]. جنس پالونیا بومی کشور چین بوده و شامل 9 گونه از درختان تندرشد با حجم چوب‌دهی مناسب است [16]. این گونه غیر بومی از سالیان پیش به‌صورت قلمه وارد کشور شده و همزمان با بررسی مراحل سازگاری و فنولوژی در فواصل مختلف کاشت جهت بررسی میزان تولید چوب در جنگل آموزشی-پژوهشی دکتر بهرام نیا واقع در شهرستان گرگان کاشته شده است. گونه مذکور رشد مطلوبی در استان‌های شمالی ایران از خود نشان داده است. متوسط رویش قطری و ارتفاع توده دست کاشته سه ساله این گونه در استان گیلان به‌ترتیب 12/4 سانتی‌متر و 61/2 متر گزارش شده است [17]. هر اصله پالونیا می‌تواند در سن 7-5 سالگی در حدود یک متر مکعب چوب تولید کند و در جنگل‌کاری‌های متراکم تا 2000 اصله در هکتار کشت شود و در حدود 330 تن در هکتار چوب تولید کند [18]. چوب پالونیا در عین سبکی از دوام و استحکام بالایی برخوردار است که می‌توان به مواردی همچون عدم ترک برداشتن، اعوجاج پیدا کردن، خشک شدن سریع و مقاومت آن نسبت به قارچ‌ها، آفات، رطوبت و نوسان حرارتی اشاره کرد. همچنین این گونه جایگزین مناسبی برای چوب‌های رزین‌دار و تانن‌دار می‌باشد [19].

1-3- سازگار کننده‌ در ساخت پروفیل های چوب پلاست

عوامل سازگار کننده نقش مهمی را در بهبود سازگاری و چسبندگی بین الیاف قطبی و پلیمر غیرقطبی به‌وسیله تشکیل پیوندهایی بین ماده زمینه و الیاف بازی می‌کنند و همچنین سبب مقاومت به جذب آب در کامپوزیت می‌شوند. بدون وجود سازگار کننده اتصالات بین سطحی بسیار ضعیفی بین فاز زمینه و فاز تقویت کننده ایجاد می‌شود. زیرا الیاف چوب دارای گروه‌های هیدروکسیل قطبی و دارای ماهیت آبدوست و برعکس ماده زمینه ماهیتی آب گریز دارد و این امر باعث کاهش یا عدم سازگاری بین این دو فاز می‌شود [20]. سازگار کننده باید دارای ساختاری باشد که بتواند با هر دو جزء کامپوزیت برهم کنشی از نوع فیزیکی و شیمیایی برقرار کند. از جمله سازگار کننده‌های رایج مورد استفاده در کامپوزیت‌ها، انواع کوپلیمرهای پلی اولفین مالئیک انیدرید هستند [21]. سازگار کننده‌های شیمیایی دارای مولکول‌های دو کارکردند. اول واکنش ان‌ها با گروه‌های هیدروکسیل سلولز و دوم واکنش با گروه‌های عملکردی ماتریس پلیمری است. عوامل سازگار کننده با گروه‌های قطبی سطح الیاف طبیعی واکنش می‌دهد و منجر به کاهش قطبیت الیاف شده و آن را به ماده زمینه که غیرقطبی است، شبیه می‌سازد. از پلیمرهای دارای سازگار کننده مانند پلی‌پروپیلن مالئیک‌دار و پلی‌اتیلن مالئیک‌دار در ساخت چندسازه الیاف طبیعی-گرمانرم‌ها به‌طور گسترده استفاده می‌شود. حذف لایه‌های مرزی ضعیف، تولید لایه منعطف و محکم، توسعه یک ناحیه اتصال با مدول متوسط بین پلیمر و ماده چوبی، توسعه ترشوندگی بین پلیمر و ماده چوبی، تشکیل پیوند کوالانسی بین دو ماده و تغییر اسیدیته سطح ماده مکانیزم‌های اصلی اتصال در این مواد هستند [22]. اصلاح شیمیایی سطح الیاف طبیعی که موجب بهبود چسبندگی با پلیمر می‌شود، نیز توسط محققان بسیاری گزارش شده است [23 و 24 و 25].

2- نتيجه­ گيري

ساخت پروفیل های چوب پلاست

پلی‌اتیلن جزء ارزان‌ترین و در دسترس‌ترین پلیمرها در بازار هستند. اما این مواد به تنهایی خواص فیزیکی و مکانیکی بالایی ندارند. استفاده از الیاف لیگنوسلولزی به‌عنوان فاز تقویت کننده در ترکیب پلاستیک‌ها باعث بهبود خواص مکانیکی آن‌ها می‌شود. امروزه به‌علت کاهش منابع طبیعی جنگلی و همچنین حفظ و حراست محیط‌زیست و با توجه به افزایش تقاضای فرآورده‌های چوبی، گرایش این صنعت به استفاده از ضایعات کشاورزی سوق پیدا کرده است. اما این امر معایبی همچون فصلی بودن و مشکلات انبار کردن این مواد را به‌دنبال خواهد داشت. لذا یکی از راهکارهای مناسب جهت رفع این مشکل بکارگیری چوب گونه‌های تندرشد در صنعت فرآورده‌های مرکب می‌باشد. گونه پالونیا علاوه بر سازگاری و رشد مناسب در کشور ما، دارای مزایایی همچون وزن کم، دوام و استحکام بالا و راهکار مناسبی برای رفع مشکلات ذکر شده است. بنابراین با ترکیب پلی‌اتلین و پودر چوب پالونیا در کامپوزیت‌های چوب پلاست می‌توان محصولی با مقاومت‌های فیزیکی و مکانیکی بالا و در عین حال دارای سازگاری بهتر با محیط‌زیست و همچنین دارای صرفه اقتصادی بالاتر تولید نمود و در راستای حفظ وحراست و نیز کاهش استفاده از منابع جنگلی قدمی بزرگ برداشت.

مراجع

[1] Schut, J., 1999. For compounding, sheet & profile: Wood is good. Plastic technology, 45(3):46-60.

[2] Markarian, J., 2005. Wood-plastic composites: current trends in materials and processing. Plastics, Additives and Compounding, 7(5):20-26.

[3] Zhang, Z.M., Du, H., Wang, W.H. and. Wu, Q., 2010. Property changes of wood-fiber/HDPE composites colored by iron oxide pigments after accelerated UV weathering. Jornal of Forestry Resarch 21(1):59-62.

[4] Chen, H. C., Chen, T.Y. and 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.

[5] Espert, A., Vilaplana, F. and Karlsson, S., 2004. Comaprison of water absorption in natrul cellulosic fiber from wood and one-year crops in polypropylene composites and its influence on their mechanical properties, 35(1):1276.

[6] Sidhu, D.S. and Dhillon, P.S., 2007. Field performance of ten clones and two sizes of planting stock of Populus deltoides on the Indogangetic plains of India, New Forest, 34 (2):115-122.

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

[8] Swamy, S.L., Mishra, A. and Puri, S., 2006. Comparison of growth, biomass and nutrient distribution in five promising clones of Populus deltoides under an agrisilviculture system. Bioresource Technology, 97:57-68.

[9] Garjani, F., and Omidvar, A., 2005. Investigation on manufacturing process and mechanical properties wheat straw / recycled polyethylene composite. Pajouhesh & Sazandegi, 72:84-88.

[10] Mirmehdi, S.M., Omidvar, O., Madhoushi, M. and Shakeri, A., 2012. Investigation on the Mechanical Properties of Polyethylene/Date Palm Wood Flour Composite: The Effect of Filler Content and Type. Wood & Forest Science and Technology, 18(4):77-92.

[11] Ziyaie Khosroshahi, S., Mehdinia, M. and Enayati, A.A., 2015. A Comparative study of the physical and mechanical properties of Wood plastic composites made from different lignocellulosic materials and high density polyethylene. Wood & Forest Science and Technology, 22(1):75-92.

[12] Biazyat, A., Jamalirad, L., Aminian, H. and Hedjazi, S., 2016. The effect of using palm wood flour in the manufacture of polypropylene-based wood-plastic composite. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 31(1):30-39.

[13] Adhikary, K., Pang, S.S. and Staiger, M., 2008. Dimensional stability and mechanical behaviour of wood-plastic composites based on recycled and virgin high-density polyethylene (HDPE). Composites Science, 39(2):807-815.

[14] Ebrahimi, G., and Rostam Pour Haftkhani, A., 2011. Wood-Plastic Composites. 2^th Ed., Tehran University Publications, Tehran, 60 p. (In Persian).

[15] Tang, R.C., Carpenter, S.V., Wittwer, R.F. and Graves, D.H., 1980. Paulownia-A crop tree for wood products and reclamation of surface-mined land. Southern journal of applied forestry, 4(1):19-24.

[16] Otadi, F., 2001. Evaluation of growth and wood properties of Paulownia. Proceedings of the Second International Meeting on Forests and Industry, 2:1-18.

[17] Hassanzad Navroodi, I. and Rostami, T., 2007. Evaluation of the growth potential of Paulownia furtunei in Guilan province. Proceedings from an International Conference. Improving the Triple Bottom Line Returns from Small-scale Forestry, Ormoc, the Philippines, 18(21):197-204.

[18] Jimenez, L., Rodriguez, J.L., FerrerPrez, A. and Angulo, V., 2005. La Paulownia: una planta de rapido crecimiento como material prima para la fabricacion de papel, Afinidad 62:100-105.

[19] Bahrinejad, R., and Khazaeian, A., 2013. Industrial applications of spruce poplar and palonium fast growing species, Proceedings of the 2th National Conference on Sustainable Agriculture and Environment, Hamadan, 9 p. (In persain).

[20] Farsi, M., 2012. Some of the Mechanical and Thermal Properties of Wheat Straw Filled-Pp Composites. Fibers and Polymers, 13(4):515-521.

[21] Rezaei, M., Tajeddin, B. and MohammadiSani, A., 2011. A study on the effect of different compatibilizers on mechanical properties of wheat straw-low density polyethylene (LDPE) biocomposites. Food Science and Technology, 3(2):1-9.

[22] Bledzki, A.K. and Gassan, J., 1999. Composites reinforced with cellulose based fibers. Journal of Progress in polymer science, 24:221-274.

[23] Jahn, A., Schroder, M.W., Futing, M., Schenzel, K. and Diepenbrock, W., 2002. Characterization of alkali treated flax fibres by means of FT Raman spectroscopy and environmental scanning electron microscopy. Spectrochim Acta, part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 58(10):2271-2279.

[24] Yam, K.L., Gogoi, B., Lai, C.C. and Selkea, S.E., 1998. compounding wood fibers and recycled HDPE using a twin-screw extruder. Journal of Polymer Science and Engineering, 30(11):693-699.

[25] Mohanty, A.K., Misra, M. and Drzal, L.T., 2001. Surface modifications of natural fibers and performance of the resulting biocomposites: an overview. Composite Interfaces, 8(5):313-343.

[1] Wood-Plastic Composite

[2] Injection moulding

[3] Compression moulding

[4] rPE

[5] Cupling Agent

[6] MAPP

[7] MAPE