تاریخچه پلاستيك ها در چندسازه چوب پلاست
پلاستيک در چوب پلاست اهمیت ویژه ایی دارد. در دهه 1990 توجه زیادی به مواد گرمانرم ديگري (غير از پلي‌اتيلن) معطوف شد. اختراعهای آمريكايي به شماره‌هاي ثبت 5082605، 5088910، 5096046 (هر سه توسط AERT) چندسازه چوب پلاست را مطرح مي‌كنند كه از %60-40 پلاستيك (LDPE، يا تركيبي از %60 LDPE و %40 HDPE، يا داراي %15-10 پلي‌پروپیلن از مقدار كل پلاستيك) و حدود %40-60 الياف چوبی ساخته شده است.
اختراع آمريكايی به شماره ثبت 5288772 [75] مربوط به تركيب گرمانرم تقويت شده با الياف سلولزی براي قالبگيري فشاري است كه در آن ماده گرمانرم پلي‌پروپیلن يا مخلوطي از پلي‌پروپیلن، پلي‌استايرن و پلي‌اتيلن (%90-40 وزني پلاستيك)، و مواد سلولزي (%60-10 وزني)، كاغذ روزنامه آسياب شده با رطوبت اوليه حداقل %30 وزني بود. اين اختراع پيشنهاد ميكند كه حضور ليگنين در خرده كاغذها يك توده به هم پيوسته از مواد گرمانرم و سلولزي را ايجاد ميكند.
اختراع كانادايي به شماره‌هاي ثبت 21000320، 2178036، 2243226 [78-76] و اختراع آمريكايي به شماره‌هاي ثبت 5486553، 5539027، 5585155، 5827607، 5948524، 6015611 [6-4، 81-79] و 6015612 [82] (هر هفت مورد، توسط شركت سهامي Andersen) شرح چندسازه چوب پلاست است كه داراي پلي‌مر PVC (%70-50) و الياف چوبي (خاك اره %50-30) ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 5480602 [85] شرح چندسازه چوب پلاست با پلي‌پروپیلن،پلی اتیلن و يا مخلوطي از آن‌ها، همراه با ذرات ليگنوسلولزي (%70-50 وزني) و يك عامل جفت كننده پلي‌اورتان (%15-3 وزن مخلوط) ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 5539027 [5] (توسط شركت سهامی Andersen) مربوط به چندسازه چوب پلاست ساختماني است كه داراي PVC و الياف چوبي (%50-30 وزني) و داراي ضريب انبساط حرارتي F/1 5-10×5/2- 5/1 ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره‌هاي ثبت 5635125 [86] و 5992116 [87] شرح چندسازه چوب پلاست قالبي از ذرات خاك اره (%44-34) و ذرات PVC بازيافت شده (%65-55) ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره‌هاي ثبت 5827462 [10]، 5866264 [11] (هر دو توسط شركت پلاستيك Crane، TimberTech) چندسازه چوب پلاست گرمانرم اكسترود شده‌اي را تشريح ميكند كه داراي %40-25 HDPE يا PVC و % 70-50 آرد چوب ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 5863480 [12] (توسط صنايع SRP، Nexwood) توصيف چندسازه چوب پلاست گرمانرمي از پلي‌اتيلن، پلي‌پروپیلن، وينيل‌ها و ساير پلاستيك‌هاي قابل تزريق، الياف سلولزي مانند خاك اره، آرد چوب، پوسته شالي و مانند آن‌ها، پر كننده‌ها، روان‌كننده‌ها است. اين اختراع مطرح ميكند كه اكسترودي كه در قالب در دماي كمتر از نقطه ذوب پلي‌مر اتفاق مي‌افتد، سبب به وجود آمدن تغيير شكل پلي‌مر در حالت جامد شده و محصول داراي توجيه دو محوري مي‌گردد.
اختراع كانادايي به شماره ثبت 2278688 [88] مربوط به چندسازه چوب پلاست گرمانرمي است كه % 60-50 آن پلي‌اتيلن يا پلي‌پروپیلن، %30-10 آن پودر چوب و %35-10 آن سيليكات (ميكا) ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره‌هاي ثبت 6011091، 6248813 [90، 89] (هر دو توسط شركت پلاستيك Cranc، TimberTech) شرح چندسازه چوب پلاست سلولزي است كه داراي 50 تا %75 وزني مواد سلولزي، %50-25 وزني PVC و %4-0 وزني از يك ماده گرمانرم ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6617376 [91] (شركت پلاستيك Crane، TimberTech) چندسازه چوب پلاست سلولزي را مطرح ميكند كه داراي حدود 20 تا حدود %55 وزني مواد سلولزي، %80-45 وزني پلي‌اتيلن كلردار شده و لاستيك گرمانرم ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره‌هاي ثبت 6111792 [92] و 6984674 [93] (هر دو توسط شركت پلاستيك Crane، TimberTech) فرآيند اكسترود ساخت ماده چندسازه پلاستيك-سلولز (چوب پلاست) تحت فشار بيشتر ميباشد. پلاستيك‌ها شامل پلي‌اتيلن، پلي پروپيلن، PVC، LDPE، و ساير پلي‌مرهاي تجاري ميباشند.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6171688 [94] شرح چندسازه چوب پلاست است كه داراي آرد چوب با اندازه ذرات بين 50 و 450 ميكرومتر، الياف طبيعي خشك شده (مانند الياف كنف) با پهناي 60-40 ميكرومتر و طول cm 5/2-6/0 (ضريب نماي 60-15)، ذرات ريز كروي توخالي از يك كوپلي‌مر وينيليدين كلرايد و آكريلونيتريل با قطر بين حدود 15 و 50 ميكرومتر، ذرات ريز كروي تو خالي شيشه با قطر بين 50 و 200 ميكرومتر و يك پلي‌مر پلیاستر به‌عنوان تقويت كننده شبكه پلي‌مري ميباشد. با توجه به اين اختراع‌ها ذرات ريز كروي پلي‌مري فضاي خالي را كاهش داده و از ترك خوردن ذرات ريز كروي شيشه در قالبگيري فشاري جلوگيري ميكند.
اختراع آمريكايي به شماره‌هاي ثبت 6265037، 6680090، 6682789 [97-95] (هر سه توسط شركت سهامي Andersen) شرح چندسازه چوب پلاست ساختماني است كه داراي %40-20 وزني پلي‌پروپيلن، %75-50 وزني الياف چوب با ضريب نماي 1: 2- 1: 2 و %5-1/0 وزني مالئيك انیدرید پيوند شده با پلي‌پروپيلن ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 66270883 [98] مربوط به چندسازه چوب پلاست تقويت شده‌اي است كه داراي كمتر از %50 وزني الياف سلولزي خمير پخش شده در يك شبكه گرمانرم شامل نايلون‌ها مانند نايلون 6، نايلون 12، نايلون 66، يا مخلوطي از آن‌ها و خمير سلولزي داراي اليافي با ليگنين كمتر از %2 وزني ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6274248 [99] شرح چندسازه چوب پلاست بسيار مقاوم است كه داراي پلاستيك سري‌هاي اولفيني (%82-70 وزني)، پركننده سلولزي چوب (%43-10 وزني) و ميكا (%50-10 وزني) با ضريب نماي 70-60 ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6284098 [100] چندسازه چوب پلاست را تشريح ميكند كه داراي يك پلي‌مر گرمانرم (%80-50 وزني) و الياف بلند ليگنوسلولزي به‌عنوان يك پركننده تقويت كننده (%50-20 وزني) كه حداقل حدود %20 الياف با طول بزرگ‌تر از mm15 ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6337138 [101] (توسط شركت پلاستيكTimberTech ، Crane) شرح چندسازه چوب پلاست پر شده با پر كننده‌هاي سلولزي، معدني است كه داراي %40-25 پلي‌اتيلن، %70-30 مواد سلولزي مانند الياف چوب، پوسته بذر، پوسته شالي، الياف كاغذ روزنامه، كنف، پوست نارگيل و %20-1 وزني تالك ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6344504 [102] و 6498205 [103] (توسط شركت پلاستيك Crane، Timber Tech) مربوط به چندسازه چوب پلاست است كه بر پايه پلي‌مرگرمانرم و داراي حداقل %16 وزني مواد پودري گرمانرم، حداقل %50 وزني مواد سلولزي و يك روان كننده، يك رزين فنلي، يك تركيب داراي يك يا چند گروه ايزوسيانات، هر كدام حداقل %1 وزني ميباشد. مواد پودر شده گرمانرم شامل پلي‌اتيلن، LDPE، پلي‌پروپيلن، استات اتيل- وينيل (EVA) و كوپلي‌مرهاي پلي‌اتيلن ميباشند.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6511757 [104] (توسط شركت پلاستيك Crane، Timber Tech) چندسازه چوب پلاست است بر پايه پلي‌مر گرمانرم كه با قالبگيري فشاري به دست آمده است و داراي حدود %40-20 وزني از يك پلي‌مر گرمانرم مانند پلي اتيلن يا PVC، حدود %30 وزني افزودني‌هايي مانند عوامل پيوند دهنده، روان كننده، شتاب دهنده‌ها، باز دارنده‌ها، افزودني‌ها، سازگار كننده‌ها، و عامل تورم ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره‌هاي ثبت 6586503 [105] و 6737006 [106] (هر دو توسط محصولات ساختماني Correct) شرح چندسازه چوب پلاست است بر پايه پلي‌پروپيلن كه داراي پروپيلن، ترجيحاً ذرات تراشه مانند واكنش‌گر پلي پروپيلن به مقدار %80-20 وزني، و مواد ليفي سلولزي مانند خاك اره الياف كاغذ روزنامه، يونجه، كاه، پنبه، پوسته شالي، كنف، و ساير مواد سلولزي به مقدار %80-20 ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره‌هاي ثبت 6122877 [107] و 6682814 [108] (هر دو توسط شركت Andersen) مربوط به چندسازه چوب پلاست پلي‌مر- الياف سلولزي است كه داراي %70- 45 پلي‌مرهاي گرمانرم مانند PVC، پلي‌اتيلن و كوپلي‌مرهاي آن‌ها، پلي‌استايرن، پلي‌آكريلات، پلي‌استر و مخلوط آن‌ها و %65-30 الياف چوبي مانند خاك اره ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6780359 [109] (توسط شركت پلاستيك Crane، TimberTech) شرح چندسازه پلي‌مر الياف سلولزي است كه داراي مخلوط يك ماده سلولزي مانند الياف چوب، با يك ماده پلاستيك مانند HDPE، LDPE، PVC، PVC كلردار شده، پلي‌پروپيلن، EVA، ABS و پلي‌استايرن ميباشد كه يك چندسازه پلاستيك تقويت شده با سلولز را تشكيل مي‌دهد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6971211 [110] (توسط شركت پلاستيك Crane، Timber Tech) چندسازه چوب پلاست پلي‌مر- الياف سلولزي است كه داراي يك پركننده سلولزي به مقدار %70-30 وزني، يك ماده پلاستيك مانند PVC، و پلي‌پروپيلن به مقدار %70-30 وزني ميباشد. ماده PVC داراي 10-1 قسمت پايدار كننده، 8-5/0 قسمت از يك تسهيل كننده فرآيند بر 100 قسمت رزين ميباشد. ماده پلي‌پروپيلن داراي 20-10 قسمت از يك روان كننده بر 100 قسمت رزين پلي‌پروپيلن ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 7022751 [111] يك ماده چندسازه چوب پلاست تقويت شده با الياف را نشان مي‌دهد كه داراي پلي‌مرهاي گرمانرم مانند HDPE، LDPE، پلي‌پروپيلن، PVC، و پلي‌استايرن، يك ماده ليفي پلي‌مري زايد با نقطه ذوب بالا مانند پلي‌اتيلن ترفتالات و نايلون، يك پركننده معدني مانند شيشه و مواد ديگر و يك پركننده آلي مانند چوب يا ذرات پلاستيك گرماگير مانند لاستيك و كف پلي‌اورتان ميباشد.
پلاستیک در چوب پلاست / گرانول سلولز- پلی اولفين
اختراع‌ها ديگر دهه 1990 شامل تركيب پلي‌مرهاي گرمانرم و مواد سلولزي به همراه ساير تركيبات به داخل مواد تغذيه شونده به شكل بادوام، آسان براي حمل، و گرانول بادوام بودند.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 5938994 [112] مربوط به ماده‌اي از چوب پلاست (WPC) است كه از مواد تغذيه شونده در يك اكسترودر دوماردونه توليد مي‌شوند و داراي آرد چوب (%80-20 وزني) و پلي‌اتيلن (%80-20)، ترجيحا ً‌با يك نوع پلاستيك ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 50948524، 6015612 [82-80] و 6210792 [113] (همگي توسط شركت سهامي Andersen) مربوط به تركيب چوب پلاستی است كه گرانول تغذيه شونده آن داراي PVC و الياف چوب ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6255368 [114] گرانول چندسازه چوب پلاست مواد سلولزي- پلاستيك است كه داراي %60-20 وزني پلي‌اتيلن، پلي‌پروپيلن يا پلي‌استايرن، %80-40 الياف سلولزي (كتان هندي، كنف، آگاو، بامبو، پوسته شالي، سبوس ذرت، الياف چوب و آرد چوب) با ضريب نماي بين 2 و 20 و اندكي پوشش (اندود) معدني (تالك) بهصورت پخش شده بر روي سطح گرانول ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6632863 [115] (توسط شركت پلاستيك TimberTech, Crane) شرح تركيب چندسازه چوب پلاست است كه از گرانول مواد تغذيه شونده داراي %90-55 مواد سلولزي مانند آرد چوب و الياف سلولزي %40-10 پلي‌اولفين مانند LDPE , HDPE و پلي‌پروپيلن و %30-0 وزن كل افزودني‌هايي مانند روان‌كننده‌ها ، پركننده‌هاي معدني مانند تالك و ميكا ساخته شده است.
اختراع آمريكايي به شماره‌هاي ثبت 6756114 [116] ، 7052640 [117] گرانول قالب پذيري را مطرح ميكند كه داراي يك پلي‌مر (هاي) گرمانرم و يك الياف سلولزي سنتزي مانند نخ تابيده يا نخ ويسكوز (ريون) يا ليوسل (Lyocell) به مقدار %80-2 وزني ميباشد.
چندسازه مجوف (فوم شده) چوب پلاست
در اواسط دهه 1990 يك راهكار جديد و توجه برانگيز براي ساخت چندسازه‌هاي بسيار سبك و اقتصادي ارائه شد. البته در مواد پلاستيكي خالص، به‌ویژه پلاستيك‌هاي مقاوم به ذوب، مجوف كردن معمول بود. مقدار بالايي از الياف سلولزي در پلاستيك بهويژه در پلي‌اتيلن، چندسازه را براي مجوف كردن نامناسب ميكند و به‌طور مشهودي مقاومت خمشي و مدول خمشي چندسازه را كاهش مي‌دهد. بنابراين مجوف كردن PVC اغلب مستلزم تقويت كردن است، مانند عوامل جفت كننده يا كاربرد يك پلاستيك محكم مانند PVC ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6153293 [118] شرح چندسازه چوب پلاست گرمانرمي است كه داراي آرد چوب (%60-40 وزني) و پلي‌اتيلن (%40-60) همراه با عوامل اسفنج ساز (كف‌كننده) پودر شده گرماگير مانند بيكربنات سودا ميباشد. اين اختراع پيشنهاد ميكند كه عوامل اسنفج ساز سبب انبساط بيشتر چندسازه مي‌شود و جرم ويژه را كاهش مي‌دهد، بین 8/0 و 3cm/g2/1. بدون اين‌كه هيچ كاهش مشهودي در مقاومت خمشي كلي ديده شود. (مقاومت خمشي 2cm/kg 117)
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6342172 [119] (توسط شركت‌هاي سهامي Andersen) يك روش ساخت براي تركيب چوب- پلاستيك مجوف را تشريح ميكند كه داراي PVC، الياف چوب، و يك عامل اسفنج ساز، يك نيتروژن (عامل تورم) يا يك دي‌اكسيد كربن (عامل تورم) يا تركيبي از آن‌ها ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6344268 [120] (توسط شركت سهامي Certainteed) شرح چندسازه چوب پلاست ليفي مجوف ميباشد كه داراي %73-35 وزني PVC، %65-27 الياف چوب، و يك تقويت كننده آکريليك براي بهبود مقاومت به ذوب شدن ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6590004 [121] (توسط شركت پلاستيك TimberTech Crane) شرح چندسازه چوب پلاست ليفي مجوف است كه داراي %80-40 وزني PVC يا پلي‌پروپيلن ، %60-20 وزني الياف سلولزي و افزودني‌هايي مانند پايدار كننده(ها) به مقدار %10-1 به ازاي رزين پلي‌مري، روان‌كننده (ها) به مقدار %12-1 به ازاي رزین پلي‌مري، تسهيل كننده فرآيند به مقدار %5-25/0 وزن PVC ميباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6784216 [122] (توسط شركت پلاستيكTimberTech ، Crane) طرح چند سازهای بر پایه ABS- الیاف مجوف را مطرح میکند که دارای حدود 100 قسمت ABS، 80-10 قسمت مواد سلولزی، 10-2 تقویت کننده اسفنج مانند یک تقویت کننده اسفنج آکریلیک و پلیمر استایرن- آکریلونیتریل، 2-5/0 قسمت عامل دمشی مانند هیدروسرول و 4-1 قسمت از یک روان کننده میباشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6863972 [123] (توسط شركت پلاستيكTimberTech ، Crane) تركيبي براي اهداف ساختمان و سازه‌ها مطرح ميكند كه داراي چندسازه چوب پلاست PVC يا پلي پروپيلن – لايه سلولزي چسبيده به لايه PVC مجوف ميباشد كه لايه چندسازه داراي %70-20 وزني PVC يا پلي‌پروپيلن و %70-20 وزني پركننده سلولزي و لايه مجوف داراي PVC يا پلي‌پروپيلن (100 قسمت) ، پايدار كننده (7-5/1 قسمت)، روان كننده (10-3 قسمت)، تسهيل كننده فرآيند (12-6 قسمت) ، عامل تورم (1-3/0 قسمت) ميباشد. چسبندگي (اتصال) مي‌تواند شيميايي، چسب، يا اتصال دهنده مكانيكي باشد.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6936200 [124] شرح فرآيندي است براي توليد چندسازه چوب پلاست پلاستيك- الياف سلولزي كه در آن عامل تورم در مرحله اختلاط افزوده مي‌شود و عامل تورم يك عامل تورم شيميايي يا فيزيكي ميباشد. عامل تورم فيزيكي 2CO ،2N، He، Ar هوا يا مخلوطي از آن‌ها ميباشد.
چندسازه‌های زيست تخريب پذير چوب پلاست
در نهايت، همه چندسازه هاي چوب پلاست با گذر زمان تخريب پذير و زيست تخريب پذيرند. اين امر به‌ویژه در مورد WPCهاي با مقادير كم ضد اكسيد شدن صدق ميكند. چوب پلاست هاي زيست تخريبپذير چندسازه‌‌هايي هستند كه طوري طراحي مي شوند تا در محيط بيرون به‌ویژه هنگامي كه در سرويس قرار ميگيرند داراي طول عمر كوتاهي باشند. چوب پلاست هاي زيست تخريب پذير اغلب براي كاربردهاي داخل ساختمانی مانند كف پوش ساخته مي‌شوند.
تركيبات گرمانرم زيست تخريب پذير شامل پلي‌وينيل الكل، پلي‌اورتان‌ها، يا پلي‌آكريلات‌ها، الياف سلولزي، چيتوسان ميباشند كه در اختراع آمريكايي به شماره ثبت 5306550 [125] مطرح شده است.
چندسازه‌هاي زيست تخريبپذير گرمانرم داراي پلي‌استر اورتان هاي آليفاتيك، يا پلي‌استرآميدها و آرد چوب به عنوان يك ماده تقويت كننده ميباشد كه در اختراع آمريكايي به شماره ثبت 582790 [126] ارائه شده است.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6274652 [127] شرح چندسازهاي چوب پلاست زيست تخريب پذير است كه داراي سلولز باكتريايي به حالت پودري و يك ماده پلي‌مري مانند پلي هيدروكسي بوتيرات، پلي هيدروكسي والرات، پلي‌كاپرولاكتون، پلي‌بوتيلن‌سوكسينات، پلي‌اتيلن سوكسينات، اسيد پلي‌لاکتيك، پلي‌وينيل الكل، استات سلولز، نشاسته، و ساير پلي‌مرهاي زيست تخريبپذير ميباشند.
اختراع آمريكايي به شماره ثبت 6479164 [128] طرح چندسازه چوب پلاست زيست‌تخريب پذير، قابل تزريق يا قابل قالبگيري است كه داراي الياف سلولزي مانند چوب، چيپس چوب، يا پنبه و شبكه جفت‌كننده زيست تخريبپذير نشاستهپايه ميباشد. اين نكته قابل ملاحظه است كه با وجود پيشرفت انواع چندسازه گرمانرم از مواد زايد، تعداد كمي از اين مواد هم اكنون به‌طور متداول و با هزينه كم در دسترس‌اند. علاوه بر اين سهم آن‌ها در مخلوط كلي چندسازه تا حدودي كم ميباشند، زيرا سهم زياد مواد غير پلاستيكي در چندسازه مي تواند خصوصيات مكانيكي آن را كاهش دهد به همين دليل، به نفع محيط زيست توصيه مي‌شود اين تركيبات محدود شوند.
با مقايسه ادعاهاي بالا با اطلاعات جدول 3-1 ملاحظه مي‌شود علي رغم تحقيقات گسترده در مورد پركننده‌هاي سلولزي، تعداد كمي از آن‌ها به توليد تجاري چوب پلاست، مانند تخته كفپوش رسيدند. در حال حاضر دو نوع عمده از پركننده‌هاي سلولزي، آرد چوب، پوسته شالي، در تخته‌هاي كفپوش وجود دارد. مادة جامد پساب كاغذسازي به شكل گرانول شده (بيوداك) تنها در يك نوع تخته كف پوش تجاري كاربرد دارد. الياف بلند طبيعي مانند كنف هنوز هم براي استفاده در چند سازه تخته كفپوش بسيار گران ميباشند. مگر اين‌كه الياف بلند يك محصول فرعي بلااستفاده با هزينه مناسب 22 سنت به ازاي هر كيلوگرم باشد و گرنه به سختي براي چوب پلاست (WPC) قابل استفاده ميباشد.
به‌طور معمول وقتي چندسازه 55 سنت به ازاي هركيلوگرم قيمت داشته باشد ارزش الياف بلند حدود 55 سنت تا يك دلار در هر كيلوگرم ميباشد. بنابراين، براي اين كه الياف بلند راهش را در چوب پلاست (WPC) باز كند، بايد قيمتش نصف شود يا به یکدهم قیمت فعلي برسد.
خواص كلی الياف ليگنو سلولزی به‌عنوان پركننده در چوب پلاست
تركيب شيميايی چوب های مصرفی در ساخت چوب پلاست
سه تركيب اصلي گياهان سلولز، لينگين، و هميسلولز ميباشند. سلولز و هميسلولز پلي‌ساكاريدند. سلولز يك ساختار بسيار منظم، پلي‌مربلوري ساخته شده از هزاران واحد گلوكزي ميباشد كه با پيوند كوالانسي بهصورت سر به دم با هم پيوند يافته اند (شكل 3-1)
شكل 3-1: a) ساختار يك بلوك از دو مولكول گلوكز را در سلول نشان مي‌دهد كه هزاران بار تكرار مي‌شود تا يك زنجير سلولزي كم و بيش كامل را بسازد. چند دسته از اين زنجيرها يك ليف سلولزي را تشكيل مي دهند. b) ساختار يك مدل سه بعدي از همين بلوك از دو مولكول گلوكز را نشان مي‌دهد.
همي سلولز از زنجيرهاي منشعب بسيار كوتاه شامل قندهاي حلقوي پنج و شش كربنه تشكيل شده است. اين زنجيرها نقش پركننده‌هاي نرم بي شكل را ايفا مي كنند كه نواحي سلولزي را مي‌پوشاند. همي سلولزها يك اصطلاح كلي براي تعداد زيادي از ساختار هتروپلي ساكاريدي با منشاء گياهي ميباشد كه همراه با سلولز جدارهاي سلولي گياه را تشكيل ميدهند.
لیگنین یک رزین بیشکل جامد شده فنل پروپانپایه میباشد که فضاهای بین الیاف پلیساکاریدی را پر میکند. لیگنین نه تنها بتون نیست بلکه یک ساختار شیمیایی بسیار مهندسی شدهای نیز میباشد (شکل 3-2).
شكل 3-2: چندين شكل ممكن (ساخته شده از تعداد به تقريب بي‌نهايت از آن‌ها) از ساختارهای ليگنين.
علاوه بر اين سه تركيب اصلي، گياهان داراي تركيبات غير ساختاري ، شامل مواد استخراجي (%10-4)، خاكستر معدني (بين 2/0 و %5/0 در چوب و بيش از %19 در پوسته شالي و بعضي از گياهان ديگر) و آب ميباشند. مواد استخراجي شامل ترپن‌ها، پينن‌ها، تانن‌ها، تركيبات كربونيل، و مانند آن‌ها ميباشند. اين‌ها سبب بوي چوب مي‌شوند و در طي خشك كردن مي‌توانند به سطح چوب آمده و انتشار يابند و بر چسبندگي و خواص ضدميكروبي چوب تاثير بگذارند.
اصطلاح ليگنوسلولزي كه اغلب براي توصيف گياهان به‌كار مي‌رود، به‌طور دقيق تركيبات اصلي گياهان را توصيف نمي‌كند. ترکیب دیگر علاوه بر سلولز و ليگنين، از سه تركيب اصلي كه در بالا شرح داده شدند، هميسلولز يا به‌طور دقيق‌تر هميسلولزها ميباشند. شكل جمع كه در اينجا به‌كار رفته است، به انواع مختلفي از هترو پليمرهای ساكاريدي اطلاق مي‌شود كه به اصطلاح به شبكه پلي ساكاريدي گياه معروف است. اين هميسلولزها به‌طور عمده ساختارهاي بي شكل سه بعدي را تشكيل ميدهند كه الياف سلولزي را احاطه مي‌كنند. هميسلولزها شامل زايلان‌ها، آرابينوزايلان‌ها، گلوكورونوزايلان‌ها، گلوكومانان‌ها، گالاكتومانان‌ها، زايلوگلوكان‌ها، و … ميباشند.
ليگنوسلولز ظاهراً به‌عنوان يك اصطلاح منحصر به فرد عنوان شده است، زيرا مجموعه‌اي از تركيبات ساختاري را عنوان ميكند كه به سلول‌هاي گياهي در گياهان چوبي استحكام مي‌بخشد.
ليگنين ماده‌اي بسيارپلي‌مري، داراي اتصال عرضي و ساختار آروماتيكي بزرگ است. لينگين به‌طور عمده مسئول مقاومت و دوام چوب ميباشد.
در حقيقت ليگنين سبب می شود درخت حالت ايستادگي خود را حفظ كند. علاوه بر اين، ليگنين به شدت دسترس پذيري چوب را براي ميكروب‌هاي تجزيه كننده سلولز كاهش مي‌دهد. ليگنين به‌عنوان ماده‌اي تعريف مي‌شود كه هنگام هيدروليز شدن گياه با اسيدهاي قوي آزاد مي‌شود. لينگين ماده پلي‌مري بزرگي ميباشد كه به داخل شبكه چوبي نفوذ ميكند. هنگامي كه چوب برش داده مي‌شود در آن بخشهايي از يك مولكول لیگنین نيز برش مي‌خورد. اين مورد براي هميسلولز و با بعضي استثناها – براي سلولز كه برخلاف هميسلولز و ليگنين داراي يك ساختار منظم ميباشد نيز صادق است.
به‌طور كلي گياهان و نيز چوب داراي يك سوم تا نصف سلولز، يك سوم يا كمتر ليگنين و يك سوم يا كمتر هميسلولز از نظر وزني ميباشند. براي مثال چوب داراي %45-40 سلولز و %35-25 هميسلولز ميباشد (جدول 3-2).
جدول 3-2: يك نمونه تركيب شيميايي پهن برگان، سوزني‌برگان و پوسته‌شالي.
در بعضي از داده‌ها، صنوبر داراي %2/18 ليگنين، افرا %5/22 و نوئل %6/27 ليگنين ميباشند، اگرچه به دقت اين اعداد مي‌توان شك كرد. علاوه بر اين، اين مقادير بسته به سن درخت تغيير ميكند. ليگنين طي عمليات كاغذسازي به مقدار زيادي حذف مي‌شود، طوري‌كه پساب داراي مقادير اندكي ليگنين، اغلب بين 1 و %5 ميباشد.
چوب در دماهاي پايين يا در نقطه ذوب پلي‌اتيلن در C° 130-110 آب از دست مي‌دهد. اين عمل با كاهش درجه پلي‌مريزاسيون هر سه تركيب اصلي گياه همراه است كه با رطوبت تشديد مي‌شود. ليگنين در دماي C°150 شروع به تخريب حرارتي ميكند و هميسلولز نيز در دماي C°160 تخريب مي‌شود. همه اين فرآيندها مواد فرار آزاد مي كنند، كه به نوبه خود تخلخل راافزايش داده و دانسيته محصول چندسازه حاصل را كاهش مي‌دهد مگر اين‌كه از اكسترودرهاي داراي تهويه استفاده شود.
اثرات مضر ليگنين در چوب پلاست
ليگنين يك ماده حساس به نور است و گمان بر اين است كه تخريب آن زیر نور UV سبب رنگ باختگي چوب و چوب پلاست مي‌شود. زیر نور UV ليگنين از رنگ قهوه‌اي به رنگ خاكستري مي‌گرايد.
ليگنين به طور كلي محصول را ضعيف ميكند، چون طي فرآيند ساخت به آساني مي‌سوزد و CO2آزاد ميكند كه دانسيته محصول را كاهش داده و رنگ باختگي محصول را در معرض هواي بيرون تسريع ميكند.
اثرات مضر همی سلولز، انفجار بخار در چوب پلاست
همانند ليگنين، همي سلولزها نيز به آساني طي فرآيند ساخت مي‌سوزند، به‌طور عمده VOC (تركيبات آلي فرار) آزاد مي‌كنند، كه سبب مي‌شود دانسيته محصول چوب پلاست كاهش يابد. اما اين مورد تنها مشكل همي سلولز تحت فشار و دماي بالا نيست. طي فراوري مذاب در اكسترودر تحت فشار بالا، رطوبت ذرات چوب حتي در دماي بالا جوش نمي‌آيد . براي مثال در فشار2kg/cm70 در اكسترودر، آب تنها در دماي ºC286 مي‌جوشد. در فشار 2Kg/cm140 آب در C°336 به جوش مي‌آيد. به عبارت ديگر، در دماي معمول اكستروژن در فشار بالا، آب مايع است و بخار نمي‌شود، اما هنگامي‌كه مواد از ناحيه‌اي بگذرد كه فشار به سرعت افت كند، آب ناگهاني و تخريب گرانه به جوش مي‌آيد و بخار توليد ميكند.
اين اثر ناگهاني كاهش فشار و به جوش آمدن آب در تمام ذرات خيس چوب سبب انفجار بخار مي‌شود. در نتيجه، تعدادي از پيوندهاي ليگنين- هميسلولز تشديد مي‌شود. اجزاي هميسلولز در آب محبوس شده در شبكه حل مي‌شود و فوراً تجزيه شده و با بقاياي استيلدار شده خود اسيداستيك توليد مي كنند. در دماي بالا در اكسترودر، حتي مقادير بسيار اندكي از اسيد استيك بسيار فعال بوده و سبب خوردگي تجهيزات مي‌شود (شكل‌هاي 3-3 و 3-4).
شكل 3-3: نمایي از ماردون در بخش سنجش يك اكسترودر بدون تهويه 1:24 .
مذاب به طرف خروجي مخلوط كن جريان دارد جايي كه كاهش فشار ناگهاني رخ مي‌دهد. اين ناحيه پینهای مخلوط کن و فضاي باز به خاطر انفجار بخار و توليد اسيد استيك از همي‌سلولزخورده شده است.
شكل 3-4: نمايي از برآمدگي (شيار ماردون) در ماردون اكسترودر داراي تهويه 1:30.
ناحيه‌اي كه فشار بالا به‌طور ناگهاني افت ميكند بين برآمدگي (شيار ماردون) و فضاي باز (گودي شيار) نشان داده شده است. اين ماردون طراحي شده است تا مواد را ذوب و فشرده كند، سپس هنگام تخليه گازها فشار را تا حد زير اتمسفر كاهش دهد. كاهش فشار روي طرف گودي شيار ماردون اتفاق مي‌افتد و پرداخت كروم روي ماردون به دليل خوردگي اين ناحيه از بين مي‌رود. اين ناحيه به خاطر انفجار بخار و توليد اسيد استيك از هميسلولز خورده شده است.
خواص الیاف چوب در محصولات چوب پلاست
ضريب نما[1] الیاف چوبی بکار رفته در محصولات چوب پلاست
ضريب نما به معني نسبت طول الياف به ضخامت الياف ميباشد. براي آرد چوب اين ضريب حدود 1:3 – 1:4 (جدول 3-3) ميباشد. به‌طور کلي، الیاف بلند در مقايسه با چندسازه‌هاي چوب پلاست پر شده با الياف كوتاه با توجيه در جهت جريان مذاب خروجي خواص مكانيكي چندسازه را بهبود مي‌بخشد. به عبارت ديگر، ضريب نمای بزرگ‌تر منجر به خواص خمشي بهتري در محصولات چوب پلاست مي‌شود.
در نتيجه، در چوب پلاست (WPC) الياف سلولزي جز اصلي باربر هستند و الياف بيشتري در راستاي جريان مذاب خروجي خواص خمشي چندسازه چوب پلاست را افزايش ميدهند.
جدول3-3: ضريب نمای الياف چوبي [129]. اعداد دراين جدول به نزديك‌ترين مقدار واقعي گرد شدهاند.
اختصاصيتر گفته شود، بعضي WPCها با استفاده از آرد چوب كاج با ضريب نمای متوسط 4، از سرو با ضريب نمای متوسط 2/3 ، و از ارس با ضريب نمای متوسط 4/4 توليد شدند [130]. الياف سلولزي داراي ضريب نمای بيشتري مانند 10:1 – 25:1 ميباشد. براي مثال بسياري از الياف چوبي داراي طول mm 3 و پهناي mm2/0 (ضريب نمای 15) يا طول mm10 و پهناي mm4/0 (ضريب نمای 25) ميباشند.
الياف چوبي تجاري از صنوبر، توس، افرا، نوئل به‌طور معمول داراي طول mm5/3-4/0 (نوئل بلندتر از بقيه ميباشد) پهناي mm27-50 ميباشند. متوسط ضريب نما براي الياف اين گونه‌ها 35 (افرا)، 60(صنوبر)، 100(توس)، 130/9نوئل) ميباشد.
در فرایند تولید چوب پلاست فرآيند اكستروژن سبب كاهش ضريب نمای الياف سلولزي مي‌شود يعني سبب كوتاه شدن طول آن‌ها در همان ضخامت مي‌شود. براي مثال عملآوری الياف سلولزي سولفيت رنگبري شده به همراه پلي پروپیلن در يك اكسترودر دوماردونه با سرعت 100 و 300 دور در دقيقه سبب تبديل الياف بلند به الياف كوتاه مي‌شود، طوري‌كه كسر (نسبت مخلوط) ذرات كوچك‌تر (حدود µm50 طول) حدود 3 تا %5 افزايش مي‌يابد. كسر µm100 (ميكرومتري) يعني نسبت بسيار فراوان ايجاد شده توسط اكستروژن با دور RPM100، در اكستروژن با دور RPM300 از %12 كل ذرات به %16 ميرسد. بعد از دومين اكستروژن با دور RPM300 اين كسر ذرات mm100 از %16 به %26 افزايش مي‌يابند [131]
دانسيته جرم (جرم در واحد حجم) الیاف بکار رفته در چوب پلاست
دانسيته جرم الياف سلولزي ليگنين زدايي شده (آرد چوب، خاك اره، و پوسته شالي) در چوب پلاست (WPC) به‌طور معمول بين 3/1 و 3g/cm5/1 ميباشد. شبكه ليگنوسلولزي پوسته شالي در چوب پلاست (WPC) مشابه با دانسيته چوب پلاست (WPC) با آرد چوب بود و به‌ترتيب برابر با حدود 3g/cm35/1 و 3g/cm 35/1-3/1 ميباشد. اما بهخاطر اين‌كه پوسته شالي %19 سيليس دارد (دانسيته جرم سيليس برابر با 3g/cm 8/2 ميباشد) جرم ويژه پوسته شالي به‌عنوان پركننده به 3g/cm 5/1 نيز ميرسد.
الياف بلند سلولزي مانند كتان، شاهدانه، كتان هندي، رامي، آگاو، پنبه، پوسته نارگيل در چوب پلاست (WPC) دانسيته جرم 3g/cm 5/1-3/1 را دارند.
دانسيته جرم چوب پلاست (WPC) به اندازه ذرات آرد چوب بستگي ندارد. به نظر ميرسد در جريان مخلوط كردن و اكسترود کردن الياف سلولز فشرده شده و به دانسيته جرم 3g/cm 5/1-3/1 مي‌رسند.
معادله ساده‌اي براي محاسبه دانسيته جرم يك چندسازه به شرح زير است. اگر g100 از يك چندسازه چوب پلاست را داشته باشيم كه فرضاً داراي W/W%50 از HDPE (با دانسيته جرم 3g/cm 96/0 )، %30آرد چوب (با دانسيته جرم 3g/cm 3/1 و %20 تالك (با دانسيته جرم 3g/cm 8/2) باشد هر كدام از اين تركيبات حجمي به شرح زير را خواهند داشت.
بنابراين، حجم كل چندسازة 100 گرمي cm3303/82 خواهد بود. پس دانسيته جرم چندسازه چوب پلاست (WPC) خواهد بود:
در پلیپروپیلن پر شده با %85 آرد چوب، دانسيته جرم به شرح زير خواهد بود:
حجم كل چندسازه cm3 86/81 خواهد بود. بنابراين دانسيته چندسازه چوب پلاست (WPC) بهصورت زير محاسبه مي‌شود:
اگر دانسيته جرم آرد چوب g/cm335/1 بوده باشد، دانسيته جرم براي چندسازه HDPE پايه برابر با g/cm323/1 و براي چندسازه بر پايه PP برابر با g/cm326/1 خواهد بود. عدد منتشر شده براي دانسيته جرم پلي پروپیلن پر شده با %85 آرد چوب g/cm3 26/1 ميباشد [132]. يعني برابر با عدد آخري در بالا.
اندازه ذره الیاف بکار رفته در چوب پلاست
دو سيستم براي ارزيابي اندازه چوب يا ذرات الياف طبيعي وجود دارد. يكي از آن‌ها بهصورت اندازه مؤثر ذره با مش يا به ويژه در الياف با ضريب نمای بالا با طول اندازه‌گيري مي‌شود. به‌طور معمول اندازه ذرات پركننده (شامل سلولز) براي چوب پلاست (WPC) با غربال كردن انتخاب مي‌شوند تا بين 40 و 80 مش باشند (تقريباً 35/0 و mm 18/0). ذرات بزرگ‌تر از 40 مش خارج از اندازه به حساب مي‌آيند و ذرات كوچك‌تر از 80 مش نرمه تلقي مي‌شوند. نرمه‌ها در آرد چوب مي‌توانند به اندازه 10 تا m100 باشند. طول الياف سلولزي به‌كار رفته بهصورت پركننده اغلب در دامنه m300-20 ميباشند. مشاهدات بيشتر در مورد طول الياف سلولزي در قسمت ضريب نما ارائه شده است.
بررسي اندازه ذرات انواع آرد چوب تجاري نشان داده است كه اندازه ذرات به‌طور قابل توجهي متغير است. براي مثال چهار نمونه از آرد چوب دامنه اندازه ذرات (به ميكرون) زير را داشته است:
m100-5-
m150-5-
m250-5-
m430-5-
در هر نوع آرد چوب توزيع گسترده‌اي از اندازه ذره وجود داشت.
اطلاعات جديدتر از شركت الياف چوبي آمريكايي (كلمبيا، MD) نشان مي‌دهد كه در سه درجه مختلف از آرد چوب «نوع استاندارد» (4020 و 4010)، «مش x» (4017 و 4037)، «سري M» (7M40- 3M40)- بيش از %80 از همه ذرات به ترتيب متعلق به دامنه‌اي از 80-40، 120-40، 100-20 مش ميباشند [129].
شكل ذره الیاف بکار رفته در چوب پلاست
ذرات سلولزي به‌كار رفته در چوب پلاست (WPC) به‌طور معمول الياف با ضريب نمایی بين 3 و 4 يا بيشتر به ويژه در مورد الياف بلند سلولزي ميباشند. ذرات آرد چوب پهن‌برگان به‌طور كلي استوانهاي ميباشند در حالي كه ذرات آرد چوب سوزني‌برگان اغلب تكه‌تكه شده ميباشد.
توزيع اندازه ذره الیاف بکار رفته در چوب پلاست
آناليز تصاوير بيش از 500 ذره از گونه‌هاي كاج، سرو و ارس با ضريب نمایی (لاغری) به ترتيب 4، 2/3، 4/4، توزيع اندازه ذرات (برحسب سطح، در ميكرون مربع) را به ترتيب زير نشان داده است [130].
كوچك (حدود mm5/0-1/0):
mm2 05/0 %23-15
متوسط (حدود mm 8/0×2/0):
2mm 1/0 %32-26
2mm 15/0 %18-16
2mm 2/0 %13-10
جمع متوسط‌ها %63-56
بزرگ (حدود mm 2/1-3/0)
2mm 25/0 %8-6
2mm 3/0 %3-2
2mm 35/0 %3-2
2mm 4/0 %2
2mm 45/0 %2
2mm 5/0 %1
جمع بزرگ‌ها %19-15
سطح ذره الیاف بکار رفته در چوب پلاست
سطح ويژه الياف سلولزي در مقايسه با پر كننده‌هاي ريز معدني زياد نيست. سطح ويژه مواد معدني چندين مترمربع در گرم است ولي براي الياف سلولزي m2/g 1 ميباشد. براي مثال سطح ويژه ذرات پهن‌برگان حدود m2/g 01/1 و از آن سوزني‌برگان m2/g 34/1 ميباشند. الياف كتان بسته به نوع تيمارشان داراي سطح ويژه بين 31/0 و m2/g 88/0 ميباشند [134]. علاوه بر اين، سطح ويژه به خصوص به نوع دستگاهي كه براي اندازه‌گيري آن به‌كار مي‌رود (گاز، آب، جيوه، يا مولكولهاي آلي بزرگ) بستگي دارد. كاربرد مولكولهاي بزرگ‌تر سطح ويژه كم‌تري را نشان مي‌دهد. براي مثال، سطح ويژه الياف سلولزي قابل دسترس براي آب در حالت خيس m2 200 – 100 ميباشد.
رطوبت، توان جذب آب الیاف بکار رفته در چوب پلاست
پلاستيك خالص (به جز نايلون)، كه در چندسازه‌ها به‌كار مي‌روند، در عمل آب جذب نمي‌كنند (يك صدم يا يك هزارم وزني). به‌كار بردن الياف سلولزي در پلاستيك به‌طور مشهودي جذب آب را افزايش مي‌دهد (%2-5/0 طي 24 ساعت زير آب)، كه با اين حال از خود چوب كمتر است (اغلب بيش از w/w %2 طي 24 ساعت در آب).
الياف سلولزي و ليگنوسلولزي به مقدار %200 و بيشتر آب جذب مي‌كنند. ذرات پوسته شالي %220 وزني آب جذب ميكند.
رطوبت الياف سلولزي در انبار، بسته به منشأ الياف و رطوبت هوا به‌طور معمول به %12-2 ميرسد. رطوبت پوسته شالي كه براي ساخت چوب پلاست (WPC) تهيه مي‌شود در طول سال بين 5/8 و %5/9 تغيير ميكند.
الياف پنبه و رامي طبق گزارش‌هاي مكرر ظرفيت جذب رطوبت آن‌ها در شرايط محيط مي‌تواند به ترتيب به 17 و %25 برسد هر چند كه شرايط محيطي در اغلب اوقات مشخص نمیشود.
توان پركننده در جذب روغن در محصولات چوب پلاست
الياف سلولزي از اين نظر كه به‌طور برابر مي‌توانند هم روغن و هم آب را جذب كنند بي‌نظيرند. «برابر» بدين معني نيست كه از نظر كمي برابرند، بلكه بدين معني است كه الياف سلولزي هر دو مايع را به خوبي جذب مي‌كنند. براي مثال پوسته شالي %240 وزني روغن موتور را جذب ميكند. همان‌طور‌كه در بالا ذكر شده، آرد پوسته شالي %200 وزني آب جذب ميكند. بيوداك در حدود %120 آب و %150 روغن موتور (درصد وزني) جذب ميكند.
بدون دیدگاه