استفاده از سر شاخه پسته در ساخت پروفیل های چوب پلاست

پژوهش: دکتر اکبر رستم پور هفتخوانی

(بخش اول)

چکیده

این تحقیق با هدف بررسی اثر درصد پوست بر خواص مکانیکی پروفیل های چوب پلاست پروفیل های چوب پلاست های ساخته شده از آرد چوب- آرد پوست سرشاخه پسته- HDPE انجام شد. نمونه­های چوب پلاست با اختلاط در اکسترودر دوماردونه و سپس با روش قالب­گیری تزریقی ساخته شدند. نتایج حاصل از اندازه­گیری خواص مکانیکی چوب پلاست­ها نشان داد که با افزایش درصد پوست مقاومت کششی، مقاومت و مدول خمشی ، مقاومت به ضربه بدون فاق آیزود کاهش می­یابد. با افزایش درصد پوست تا ٪25 جذب آب افزایش و سپس کاهش می‌یابد.

واژگان کلیدی: آرد چوب، آرد پوست، پلی­اتیلن سنگین، اکسترودر دو ماردونه، پروفیل های چوب پلاست

مقدمه

پروفیل های چوب پلاست (WPC) موادی هستند که برای ساخت آنها الیاف یا پرکننده طبیعی (مانند الیاف کنف ، آرد چوب و غیره) با یک پلیمر گرمانرم (مانند پلی­پروپیلن، پلی­اتیلن ،پلی وینیل کلراید و غیره) مخلوط می­شوند. این مواد با توسعۀ روش­های تولید و تجهیزات فراوری جدید در حال گسترش­اند و به­دلیل دوام زیاد آن و خاصیت جایگزینی چوب کاربرد فراوانی پیدا کرده­اند.

در میان پلیمرهای مختلف مورد استفاده در ساخت پروفیل های چوب پلاست، پلیمر پلی ­اتیلن به­ دلیل دمای ذوب به ­نسبت پایین ( به­طور معمول بین ºC 130-106) و قابلیت تولید آن با گرانروی وسیع، به ­خوبی با انواع پرکننده­ ها مخلوط می­شود­. به­ دلیل دمای ذوب نسبتا کم HDPE می­توان از آرد چوب بدون هیچ تخریب حرارتی به عنوان پرکننده در آن استفاده کرد.

در بین انواع مختلف پلی­ اتیلن، پلی ­اتیلن سنگین به ­دلیل بلورینگی و مقاومت بیشتر عمده­ترین پلیمر مورد استفاده در چوب  پلاستیک ­های تجاری است [Klyosov A,2007]. از مزایای دیگر پلی­اتیلن سنگین می­توان به مقاومت در برابر مواد شیمیایی، هدایت الکتریکی کم، فراوانی و هزینه پایین آن اشاره کرد [Brydson, J. A. , 1999, MERL Ltd, 2003]. از جمله پرکننده هایی که در پلی­اتیلن سنگین استفاده می­شود ، پرکننده­های معدنی مانند دوده­، کربنات کلسیم و تالک [Katz, H. S.; , 1987, Osman, M. A. et all. 2004, Maiti, S. N.; Jeyakumar, R., 1990] و پرکننده­های آلی مانند آرد چوب و آرد پوست هستند [Adhikary K B et all.2008, Kamini S,2006, Gajender, S et all.,2006, Gajender, S.et all.,2007, Claude M,et all.2009]. از امتیازهای مواد لیگنوسلولزی در مقایسه با مواد معدنی سهولت تهیه و فراوانی، هزینۀ کم­تر در واحد حجم، انعطاف­پذیری طی فراوری، قابلیت تجزیۀ زیست محیطی و سازگاری با محیط زیست، چگالی کم، سایش کم­تر تجهیزات تولید و تجدید پذیری است [Kazemi Najafi S,et all. 2006]. یکی از منابع مورد توجه به عنوان پرکننده آلی در ساخت WPC­ها، ضایعات پوست حاصل از پوست­کنی گرده­بینه­ها به­ویژه گرده­بینه­های کم­قطر در کارخانه­های کاغذسازی و صنایع چوب است که جمع­آوری و دفع این مواد بار مالی برای این صنایع به­وجود آورده است. اختلاف بین ترکیبات چوب و پوست سبب ایجاد خواص متفاوتی در چوب پلاست ها می­شود. تحقیقات متعددی در مورد استفاده از پوست به عنوان پرکننده صورت گرفته است. Sewda و همکاران (2007) تاثیر آرد پوست بر خواص مکانیکی چوب پلاست­ها را بررسی کردند و با افزودن %50-0 وزنی آرد پوست به  HDPE دریافته­اند که با افزایش درصد پرکننده مدول و مقاومت کششی، مقاومت به ضربه، ازدیاد طول در مرحله شکست کاهش می­یابد. افزودن %5 سازگارکننده به مخلوط چوب پلاست، خواص مکانیکی آن را نسبت به حالت بدون سازگارکننده افزایش می­دهد. Saini و همکاران (2007) خواص چوب پلاست پوست –PVC  را برسی کردند و با افزودن ٪40-0 آرد پوست با دو اندازۀ ذرات مختلف (µm150-100، و کوچک­تر از µm50) به PVC دریافته­اند که  با افزایش مقدار پرکننده پوست تا %40 مقاومت کششی ، ازدیاد طول در مرحله شکست و مقاومت به ضربه کاهش می­یابد. آرد پوست دارای ذرات کوچک­تر خواص مکانیکی را افزایش می­دهد ولی بر جذب آب کوتاه مدت آن تاثیر منفی دارد. Yemel و همکاران(2009) اثر اندازه ذرات و مقدار پوست را بر خواص مکانیکی چوب پلاست های ساخته شده با  HDPEو آرد پوست گونه‌های صنوبر و نوئل در اندازه ذرات ریز (32-16 مش)، متوسط (60-32 مش)، درشت (80-60 مش) و با دو درصد پرکنندگی 50 و 60 درصد بررسی کردند و دریافتند که این عوامل تاثیر چشمگیری بر مقاومت خمشی و کششی دارد. چوب پلاست های ساخته شده با آرد پوست نوئل مقاومت بیشتری نسبت به چوب پلاست های ساخته شده با آرد پوست صنوبر از خود نشان دادند. با افزایش درصد پرکنندگی آرد پوست تمام خواص مکانیکی جز مدول خمشی و کششی کاهش یافت. اثر اندازه ذرات بر خواص مکانیکی کم تر از بقیه عوامل مورد مطالعه بود . با افزایش اندازه ذرات مقاومت خمشی و کششی چوب پلاست های ساخته شده با ٪50 آرد پوست نوئل و ٪60 آرد پوست صنوبر افزایش یافت. از طرفی مقاومت کششی چوب پلاست های ساخته شده با ٪60 آرد پوست نوئل و ٪50 آرد پوست صنوبر با افزایش اندازه ذرات کاهش یافت. ذرات با اندازه کوچک‌تر ضریب لاغری (نمای) کم‌تری دارند و این امر سبب می‌شود خواص مکانیکی ذرات کاهش یابد. تحقیقات متعددی درباره جذب آب بلند مدت چوب پلاست های چوب پلاستیک صورت گرفته است. کاظمی و همکاران (2005) با بررسی جذب آب بلند مدت چوب پلاست های  HDPEپایه از مواد لیگنوسلولزی مختلف مانند الیاف کنف، آرد چوب، آرد پوسته شالی و آرد کاغذ روزنامه دریافتند که با افزایش درصد پرکنندة سلولزی جذب آب افزایش می‌یابد. همچنین بیان کردند که بیشترین میزان جذب آب مربوط به چوب پلاست های ساخته شده با آرد کاغذ روزنامه و الیاف کنف است و چوب پلاست های ساخته شده با آرد چوب و پوسته شالی کم‌ترین جذب آب را داشتند. Adhikary و همکاران (2007) با بررسی جذب آب و واکشیدگی ضخامت بلند مدت چوب پلاست های ساخته شده از آرد چوب کاج و دو پلیمر HDPE و PP بکر و بازیافتی دریافتند که با افزایش درصد پرکنندة سلولزی جذب آب افزایش می‌یابد. همچنین بیان کردند که با افزودن جفت کننده به ترکیب چوب پلاستیک جذب آب و واکشیدگی ضخامت کاهش می‌یابد و چوب پلاست های ساخته شده از پلاستیک‌های بازیافتی کم‌ترین میزان جذب آب و واکشیدگی ضخامت را داشتند.  کاظمی و همکاران (2008) تاثیرآرد پوست بر خواص هیگروسکوپیک چوب پلاست های چوب-یلی پروپیلن را بررسی کردند و با افزودن %20 -0 آرد پوست به مخلوط آرد چوب – پلی پروپیلن دریافته­اند که با افزایش درصد پوست در چوب پلاست جذب آب و واکشیدگی ضخامت کاهش می­یابد و افزودن %2 سازگارکننده (MAPP) به مخلوط چوب پلاست جذب آب و واکشیدگی ضخامت را نسبت به حالت بدون سازگارکننده در درصدهای کم­تر پوست کاهش می­دهد، اما در درصد های بالاتر پوست تاثیری بر آن ندارد.

با وجود پتانسیل استفاده از پوست در چوب پلاست ­ها هنوز تاثیر مقدار پوست بر خواص چوب پلاست­ها مشخص نیست. هدف از این مطالعه بررسی تاثیر مقدار پوست بر خواص فیزیکی و مکانیکی WPC ساخته شده از آرد چوب سرشاخه پسته و PP بوده است.

مواد و روش‌ها

در این تحقیق از پلی­اتیلن سنگین تولید شده توسط پتروشیمی بندر امام با شاخص جریان مذاب min10/g 18 و دانسیته g/cm³ 952/0، مالیئک انیدرید  پیوندشده با پلی­پروپیلن MAPP)) به عنوان سازگارکننده و آرد پوست و آرد چوب از سر شاخه پسته (Pisitacia vera) با اندازۀ ذرات عبور کرده از الک 40 مش و باقی­مانده روی الک 80 مش استفاده شد.

در این تحقیق برای ساخت نمونه‌های آزمونی از دستگاه اکسترودر دوماردونه کولین (Collin) و دستگاه تزریق برای ساخت نمونه‌های آزمونی و برای اندازه‌گیری خواص مکانیکی نمونه‌ها از دستگاه Instron استفاده شد.

سرشاخه­های پسته ابتدا از استان خراسان جنوبی تهیه شد و سپس پوست آنها جدا شده و  پوست و چوب هر یک جداگانه ابتدا توسط دستگاه پالمن به تراشه تبدیل شد و پس از آن توسط آسیاب آزمایشگاهی به آرد تبدیل شده و با استفاده از الک ارتعاشی، ذرات بین الک­های40 و80 مش جداسازی شدند و مورد استفاده قرار گرفته­اند. در فرایند اختلاط رطوبت مواد لیگنوسلولزی به بخار تبدیل شده و سبب اسفنجی شدن  محصول می­شود. این پدیده سبب اختلال در فرایند و عدم تولید چوب پلاست هایی سالم می­شود. از این رو ذرات آرد چوب و آرد پوست به­طور جداگانه قبل از اختلاط با HDPE به مدت 24 ساعت در اجاق ازمایشگاهی با دمای ºC2±103 خشک شدند. سپس آرد چوب و آرد پوست برای ساخت با درصدهای وزنی ارائه شده در جدول 1 با پلی­اتیلن سنگین و MAPE به­طور فیزیکی به­خوبی با هم مخلوط شدند. پس از اختلاط مواد، هرکدام از آنها توسط دستگاه اکسترودر کولین (Collin) با دوماردون ناهمسو گرد و چهار محفظۀ دمایی با دماهایی به ترتیب160،170،165، ºC 180 و با دور ماردون  RPM125 اکسترود شدند. برای خنک کردن، مادۀ خروجی از اکسترودر از کانال آب عبور داده شد و مادۀ حاصل توسط دستگاه گرانول­ساز به­صورت گرانول (پلت) در آمد. سپس گرانول (پلت) به­دست آمده با استفاده از اجاق آزمایشگاهی با دمای ºC 80  و به مدت 48 ساعت خشک شدند.  از گرانول (پلت) خشک شده با استفاده از روش قالب­گیری تزریقی آزمونی ساخته شدند. فشار تزریق MPa3 ، دمای لوله و دمای نازل ºC 180 بوده است.

جدول1:درصد وزنی اجزای چوب پلاست

WF: آرد چوب

BF: آرد پوست

اندازه گیری خواص مکانیکی با تبعیت از آیین­نامه­های زیر در استاندارد ASTM  انجام شد.

• خواص کششی ASTM D638
• خواص خمشی D790 ASTM

آزمایش­ها با ماشین آزمایش اینسترون مدل 4468 به اجرا در آمد.

• جذب آب ASTM D570

– مقاومت به ضربه بدون فاق آیزود 256 ASTM D با دستگاه ضربه ایزود

تعداد نمونه‌های آزمونی پنج عدد برای هر تیمار بود. نتایج با نرم‌افزار SPSS و با آنالیز واریانس یک طرفه تحلیل آماری شدند.