استفاده پلیمر طبیعی پلی‌لاکتیک اسید به جای پلیمرهای مصنوعی نفتی در کامپوزیت چوب پلاست

پلیمرهای حاصل از پتروشیمی به علت جرم مولکولی بالا و آب گریز بودن نمی‌توان آن را به آسانی تخریب کرد و ممکن است میلیون‌ها سال در طبیعت وجود داشته باشد پلیمر طبیعی مثل پلی‌لاکتیک اسید می‌توانند به طور کامل داخل اکوسیستم‌های طبیعی تخریب شوند و به هیچ عنوان مشکل آلودگی و پسماند را ایجاد نکنند همچنین از نظر مقاومت‌های مکانیکی، فیزیکی و گرمایی جایگزین خوبی برای پلیمرهای پتروشیمی است. در ساخت محصول کامپوزیت چوب پلاست با پلیمر پلی‌لاکتیک اسید به سه روش اکستروژن، بالتروژن و قالبی تولید کرد.

واژه کلیدی: پلی‌لاکتیک اسید، پلیمر نفتی، پلیمر در کامپوزیت چوب پلاست

• مقدمه پلیمر در کامپوزیت چوب پلاست

مواد پلاستیک حاصل از پتروشیمی به طور گسترده‌ای در بسته‌بندی، اتومبیل سازی، ارتباطات و صنايع الکترونیک به كار گرفته می‌شوند. اين پلیمرهای مصنوعی مزايا و كاربردهای متنوعی را فراهم می‌كنند، اما به علت جرم مولکولی بالا و ويژگی آب گريزی نمی‌توانند، به آسانی تخريب شوند. درنتیجه زباله‌های حاصل از پلاستیک‌های غیر زيست تخريب پذير می‌توانند، به جای دفن كردن به وسیله بازيافت مجدداً مورد استفاده قرار گیرند (اله دادی و همکاران1396). افزایش مشکلات زیست محیطی با تجمع و انباشته شدن ضایعات پلاستیک، گرایش‌ها را به سمت توسعه پلیمرهای تجزیه پذیر معطوف کرده است. اکثر ضایعات لاستیک از مواد بسته بندی نظیر کیسه‌های زباله، فیلم‌های کشاورزی، کیسه‌های کود و مواد شیمیایی و ظرفیت بسته بندی مواد غذایی حاصل می‌شود. پلیمرهای تولیدی مانند پلی اتیلن و پلی استیرن در معرض اکسیژن و پرتو فرابنفش تخریب می‌شوند. به هر حال، فرایند تخریب پلی اتیلن بسیار آهسته است (محمدی و باریکانی 1384).

در طی سال‌های اخیر، پلیمرهای تخريب پذير و زيست سازگار با ويژگی‌های فیزيکی و مکانیکی مناسب توجه ويژه‌ای را برای جايگزينی پلیمرهای نفتی جلب كرده‌اند. پلی‌لاكتیک اسید، نیز يکی از پلیمرهای زيست تخريب پذير، دارای سفتی و مقاومت بالا و مشتق شده از منابع تجدیدپذير است كه در تركیب با الیاف لیگنوسلولزی، چند سازه‌های سبز را تولید می‌كند (اله‌دادی و همکاران1396). همچنین ویژگی‌های گرمایی پلیمرهای زیستی به پلیمرهایی مانند یلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن و پلی استایرن بسیار نزدیک است یکی از این پلیمرهای طبیعی، پلی‌لاکتیک اسید است که پلیمری ترموپلاستیک به شمار می‌رود (ناروئی و همکاران 1397).

چند سازه‌های سبز کاملا تجزیه پذیر می‌باشند. این مواد می‌توانند به طور کامل داخل اکوسیستم‌های طبیعی مانند لجن فعال، خاک طبیعی، دریاچه و دریا تخریب شوند و به هیچ عنوان مشکل آلودگی و پسماند را ایجاد نکنند. زمانی که محصولی دارای این ویژگی ممتاز باشد، مقدار به کارگیری آن افزایش می‌یابد زیرا ریسک آسیب به محیط زیست کمتر می‌شود و یا از بین می‌رود (اله‌دادی و همکاران 1396).

در سال 2010 تولید مواد پلیمری زیست تخریب پذیر در سراسر جهان تقریبا 300000 تن گزارش شده است که کمتر از 2/0 درصد از 181 میلیون تن کل پلاستیک تولیدی دنیا را شامل می‌شود (2010 ,et al Madhavan). اين پلیمر را می‌توان از عمده مواد دارای نشاسته مانند ذرت ، سیب زمینی و چغندرقند استخراج نمود و به عنوان جايگزينی برای پلیمرهای با منشأ نفتی مورد استفاده قرارداد PLA در شرايط ايده آل و استاندارد تجزيه شده و اثری از خود برجای نمی‌گذارد ( Mathew et al 2005).

فواید این پلیمر طبیعی عبارت‌اند از: زیست تخریب پذیر، مصرف انرژی کمتر برای تولید، کاهش گازهای گلخانه‌ای، تجدید شوندگی و ویژگی‌های مقاومتی مناسب علاوه بر این، انعطاف پذیری در برابر حرارت، سازگاری با محیط زیست و سهولت تولید از دیگر ویژگی‌های این پلیمر است. شکنندگی ذاتی و سفتی آنها سبب محدودیت استفاده از آن در کاربردهای مختلف می‌شود، ولی استفاده از الیاف طبیعی به عنوان عامل تقویت کننده می‌تواند راه حلی امید بخش برای بهبود و جبران خواص نامناسب آن باشد زیرا الیاف طبیعی با مقاومت و سفتی زیاد، قیمت کمتر، چگالی کم و انعطاف پذری دارای توانایی تقویت ماتریس پلیمر برای کامپوزیت‌های با ویژگی‌های مطلوب‌اند (ناروئی و همکاران 1397). الیاف لیگنوسلولزی می‌تواند به عنوان جزئی ديگر از مواد تشکیل دهنده چندسازه‌های زيستی محسوب شود (Sharma  ,et al2015).  دسترس پذيری آسان، قابلیت تخريب بیولوژيکی در طبیعت، خواص حرارتی مطلوب، تجديدپذير بودن، عدم ايجاد سايش و خوردگی در ماشین آلات و عدم تولید مواد سمی بعد از سوختن را می‌توان از دلايل استفاده از اين الیاف در ساخت اين نوع فرآورده عنوان نمود.  توانايی الیاف طبیعی در جذب دی‌اكسید كربن كه به كاهش نرخ آلودگی‌های زيست محیطی منجر می‌گردد را می‌توان از ديگر مزايای اين الیاف برشمرد ( La Mantia  ,et al2011). در ایـن راستا استفاده از پسماندهاي زراعی به عنوان منابع تجدید شـونده در ارتباط با کمبود منابع چوبی در ساخت انـواع کامپوزیـت‌هـا مطرح بوده و روي آوردن به استفاده از این نوع الیاف حاصل از پسماندها به نظر اجتناب ناپذیر می‌رسد؛ زیرا بـا اسـتفاده از ایـن نوع پسماندهاي کشاورزي با توجه به کوتـاه بـودن دوره رشـد آنها، میتوان تا حدي منـابع فیبـري صـنعت چـوب و کاغـذ را تأمین کرد و از سوي دیگر باعـث حفـظ اکوسیسـتم و کـاهش آلودگی زیست محیطی ناشی از سوزاندن این نوع ضایعات شـد (قاسمی و همکاران 1397).

درزمینه ساخت چندسازه‌های زيستی با پلی‌لاكتیک‌اسید و الیاف لیگنوسلولزی و سازگار كننده بین آنها پذيرفته مطالعاتی صورت است. (PoHo & Lau2014) در ارزيابی خواص چندسازه آرد بامبو و پلی‌لاكتیک‌اسید عنوان نمودند كه استفاده از اين گیاه تا 7/5درصد بر اساس وزن خاک پلیمر و %1 مالئیک انیدريد به دلیل انتقال بهتر تنش از پلیمر به الیاف، موجب افزايش مقاومت‌های مکانیکی می‌شود. اين در حالی است كه با افزايش مقدار آرد بامبو، اين ويژگی‌ها كاهش يافتند ( Ho  ,et al2015).  در پژهشی كه بر روی چندسازه الیاف نخل روغنی- پلی‌لاكتیک‌اسید انجام دادند، چنین بیان كردند كه با افزودن الیاف نخل خرما، مدول گسیختگی و مقاومت كششی چندسازه كاهش يافته است اما مدول يانگ و خواص جذب آب و واكشیدگی ضخامت محصول ساخته شده در مقايسه با پلیمر خالص افزايش می‌يابند (Birnin-Yauri ,et al2016).

در رابطه با خواص مکانیکی چندسازه هیبريدی الیاف نارگیل، كنف، بامبو و اختلاط آنها با پلی‌لاكتیک اسید به ثبت رسید، مشاهده شد كه اين الیاف موجب تقويت خواص مکانیکی پلی‌لاكتیک‌اسید گرديده و به تولید فرآوردهای با ويژگی‌های قابل قبول منجر شده است (Yusoff ,et al2016).

چندسازه پلی‌لاكتيک اسيد-پوسته شالی با ویژگیهای قابل قبول و همچنين تأثير استفاده از پركننده‌های معدنی كندسوز كننده آلومينيوم تری هيدرات  (ATH ) و هيدروكسيد منيزیم  (MDH) بر روی خواص فيزیکی و حرارتی چندسازه توليدی پرداخته شده است. نتایج نشان داد كه دانسيته چندسازه پلی‌لاكتيک اسيد-پوسته شالی نسبت به چند سازه‌های ساخته شده با پليمرهای پایه نفتی پلی‌پروپيلن  (PP) و پلی‌اتيلن دانسيته بالا (HDPE) بيشتر بود و افزودن پركننده‌های معدنی كندسوز كننده سبب افزایش دانسيته چندسازه شد (عین اله و همکاران1400).

در این پژوهش ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی چندسازه پلی‌لاکتیک اسید- آرد ساقه کلزا ساخته شد افزایش مقدار آرد ساقه کلزا، مدول گسیختگی، مقاومت کششی و مقاومت به ضربه بدون فاق چندسازه در مقایسه با PLAخالص کاهش و در مقابل ویژگی‌های الاستیک شامل مدول یانگ، مدول الاستیسیته خمشی و سختی سطح افزایش یافتند. همچنین، افزودن آرد ساقه کلزا موجب جذب آب و واکشیدگی ضخامت این چندسازه گردید (دهقان و همکاران 1398).

در این تحقیق اثر استفاده از پلیمر طبیعی پلی‌لاکتیک اسید و مقدار ماده جفت کننده MAPP بر ویژگی‌هاي فیزیکی و مکانیکی     کامپوزیت ساخته شده با آرد ساقه آفتابگردان مطالعه شد. با افزایش مقدار پلیمر پلی‌لاکتیک اسید و کاهش سهم ذرات آرد ساقه آفتاب گردان و افزایش 6درصدي ،MAPP مقاومت‌هاي خمشی، کششی و مقاومت به ضربه افزایش و پایداري ابعادي کامپوزیت‌ها بهبود یافت؛ اما در مقابل مدول کششی و خمشی کامپوزیت‌هاي حاصل کاهش یافت (قاسمی و همکاران1397).

در این تحقیق با هدف جایگزینی پایمرهای شیمیایی با پلیمر طبیعی و تجدید شونده و در پی ان کاهش مسائل زیست محیطی، خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت پلی‌لاکتیک اسید تقویت شده با آرد ساقه توتون بررسی شد. نتایج نشان داد که با افزایش مقدار آرد توتون و کاهش سهم PLA پایداری ابعادی تخته‌های ساخته شده کاهش یافت، اما پایداری ابعادی تخته‌های ساخته شده با PLA در مقایسه با پلیمر پلی‌پروپیلن بهبود چشمگیری داشت. ویژگی‌های مکانیکی کامپوزیت حاصل در مورد بسیاری افزایش یافت و حتی دو برابر خواص مکانیکی کامپوزیت ساخته شده با پلی‌پروپیلن بود (ناروئیی و همکاران1397).

این تحقیق کیفیت ظاهری و مقاومت به تخریب ‏ چندسازه‌های سبز تشکیل یافته از پلی‌لاکتیک اسید  (PLA ) و خمیرهای مونو اتانول آمین، ‏ سولفیت قلیایی-آنتراکینون، سودا ‏ رنگبری شده، سودا ‏ رنگ بری نشده باگس و الیاف باگس خام  مورد مطالعه و بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان داد زمانی که الیاف باگاس با ماتریس پلیمر مخلوط ‏ می‌شود، درصد افت وزنی و سختی نمونه‌ها افزایش ‏ می‌یابد. همچنین، میزان کاهش اشاره شده در چندسازه‌های الیاف خمیرکاغذ باگاس بالاتر از ‏ چندسازه‌های حاوی الیاف باگاس خام قرار گرفت. این روند ‏ می‌تواند به وسیله حذف ترکیبات غیر سلولزی مانند لیگنین و ‏ همی‌سلولزها از الیاف درنتیجه فرآیند خمیرسازی توضیح داده ‏شد. همچنین دریافته شد که چند سازه‌های ساخته شده نسبت به PLA خالص کیفیت سطوح ‏ پایین‌تری دارند که بسته به نوع الیاف، کاهش کیفیت سطوح متفاوت است. بااین وجود، درجه تغییر رنگ در چندسازه‌های دارای الیاف خمیرکاغذ باگاس در مقایسه با چند سازه‌های دارای الیاف باگاس خام کمتر است. درنهایت الیاف خمیرکاغذ باگاس در مقایسه با الیاف‌های باگاس خام  قابلیت‏ تقویت کنندگی بهتری داشتند( اله‌دادی و همکاران1398).

در ساخت محصول کامپوزیت چوب پلاست به سه روش اکستروژن، بالتروژن و قالبی تولید می‌گردد.

• فرایند قالبی در ساخت چوب پلاست

در این فرایند تولید چوب پلاست توسط یک پرس قالبی صورت می‌پذیرد. این قالب می‌تواند فرم‌دار یا ساده باشد. فرایند قالبی برای تولید صفحات عریض یا دارای فرم‌های خاص( قوص‌دار، دارای زوایای چند وجهی و غیره) بکار می‌رود.

2-1- فرایند پالتروژن در ساخت چوب پلاست

این فرایند از دو مرحله تشکیل شده است. در مرحله اول، مخلوط مناسب تولید چوب پلاست آماده می‌شود. این بخش شامل دستگاه‌های خردکن، خشک کن، پودر کننده و مخلوط کن‌های مختلف است. مرحله دوم شامل دستگاه پالترودر است که توسط آن مواد لیگنو سلولزی به صورت پودر یا الیاف با گرانول‌های پلاستیک آماده شده روان کننده و سایر افزودنی‌ها در مقادیر مشخص ترکیب شده‌اند، تحت حرارت ناشی از فشار و اصحکاک، مخلوط مذاب را بوجود می‌آورند مخلوط مذاب بعد از عبور از غلطک‌های فشار سازی به ناحیه سرد منتقل و به صورت صفحات فرم دهی شده متعادل سازی و آماده مصرف می‌گردد.

3-1- فرایند اکستروژن در ساخت چوب پلاست

این فرایند متداول‌ترین روش تولید چوب پلاست است. امکان تولید پیوسته و با ظرفیت بالاتر، از جمله دلایل این مقبولیت می‌باشد. این فرایند از یک دستگاه اکسترودر بهره می‌برد که امکان تولید محصول را بوجود آورده است. یکی از مهمترین بخش‌های دستگاه اکسترودر، ماردون (مار پیچ بی انتها) می‌باشد. بر این اساس از 4 دسته کلی تقسیم می‌کنند: اکسترودر تک پیچه، اکسترودر دوپیچه همسوگرد، اکسترودر دوپیچه ناهمسوگرد موازی و در نهایت اکسترودرهای دو پیچه ناهمسوگرد مخروطی. در این میان، اکسترودرهای دو پیچه همسوگرد و اکسترودرهای دو پیچه ناهمسوگرد مخلوطی عمومیت بیشتری دارند (حسینی و فدایی1393). هدف از این تحقیق استفاده پلیمر سبز به جای پلیمرهای نفتی می‌باشد.

نتیجه گیری پلیمر در کامپوزیت چوب پلاست

افزایش مشکلات زیست محیطی با تجمع و انباشته شدن ضایعات پلاستیک، گرایش‌ها را به سمت توسعه پلیمرهای تجزیه پذیر معطوف کرده است. پلیمرهای تخريب پذير و زيست سازگار با ويژگی‌های فیزيکی و مکانیکی مناسب توجه ويژه‌ای را برای جايگزينی پلیمرهای نفتی جلب كرده‌اند. پلی‌لاكتیک اسید، پلیمرهای زيست تخريب پذير، دارای سفتی و مقاومت بالا و مشتق شده از منابع تجدیدپذير است كه در تركیب با الیاف لیگنوسلولزی، چند سازه‌های سبز را تولید می‌كند. به طور کامل داخل اکوسیستم‌های طبیعی تخریب شوند و به هیچ عنوان مشکل آلودگی و پسماند را ایجاد نمی‌کنند در ساخت محصول کامپوزیت چوب پلاست با پلیمر پلی‌لاکتیک اسید به سه روش اکستروژن، بالتروژن و قالبی تولید کرد.

منابع

• اله‌دادی، م، حجازی، س، جنوبی، م، عبدالخانی، ع، جمالی‌راد، ل، 1396، مطالعه رفتار زیست تخریب پذیری و تغییر رنگ چند سازه‌های حاصل از انواع خمیر کاغذ باگاس/ پلی‌لاکتیک اسید، مجله صنایع چوب و کاغذ ایران، 8(1): 13-1.
• حسینی، م، فدایی، م، 1393، شرحی بر فرایند و تکنولوژی فراورده‌های چند سازه چوب، جهاد دانشگاهی، تهران، 415.
• دهقان، م، صادقی فرد، ا، دهمرده، ح، شهرکی، ا، 1398، تاثیر پلی‌لاکتیک اسید بر خواص مکانیکی و فیزیکی چند سازه- چوب پلاست، مجله صنایع چوب و کاغذ ایران، 10(2): 272-261.
• عین‌اللهی، ی، حمصی، ا، خادمی اسلامی، ح، قاسمی، ا، طلایی‌پور، م، 1400، اثر پرکننده‌های معدنی کند سوز کننده روی خواص فیزیکی و حرارتی چند سازه پلی‌لاکتیک اسید- پوسته شالی، نشریه علمی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران، 36(2): 118- 105.
• قاسمی، ب، جمالی‌راد، ل، فرجی، ف، حجازی، س، 1397، ارزیابی ویژگی‌های کامپوزیت ساخته شده از آرد ساقه آفتابگردان و پلیمر طبیعی پلی‌لاکتیک اسید، فلصنامه علمی- پژوهشی تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران، 33(3): 401-391.
• محمدی، م، بارکانی، م، 1384، بررسی اختلاط، شکل شناسی و خواص مکانیکی آمیزه‌های پلی‌اتیلن- نشاسته- پلی‌کاپرولاکتون، مجله علوم و تکنولوژی پلیمر، 18(3): 190-181.
• ناروئی، س، جمالی راد، ل، امینیان، ه، حجازی، س، 1397، ویژگی‌های کامپوزیت سبز پلی‌لاکتیک اسید تقویت شده با آرد ساقه توتون، مجله منابع طبیعی ایران، 71(3): 231-241.
• Birnin-Yauri, A. U., Ibrahim, N. A., Zainuddin, N., Abdan, K., Then, Y. Y. and Chieng, B. W., 2016. Enhancement of the Mechanical Properties and Dimensional Stability of Oil Palm Empty Fruit BunchKenaf Core and Oil Palm Mesocarp-Kenaf Core Hybrid Fiber-Reinforced Poly (lactic acid) Biocomposites by Borax Decahydrate Modification of Fibers. BioResources, 11(2), 4865-4884
• Ho, M. P., Lau, K. T., Wang, H. and Hui, D., 2015. Improvement on the properties of polylactic acid (PLA) using bamboo charcoal particles. Composites Part B: Engineering, 81, 14-25
• La Mantia, F. P. and Morreale, M., 2011. Green composites: A brief review. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 42(6), 579-588
• Mathew, A. P., Oksman, K. and Sain, M., 2005. Mechanical properties of biodegradable composites from poly lactic acid (PLA) and microcrystalline cellulose (MCC). Journal of applied polymer science, 97(5), 2014-2025
• Sharma, R., Raghupathy, V. P., Rao, S. S. and Shubhanga, P., 2015. Review of recent trends and developments in biocomposites. In International Conference on Recent Developments in Structural Engineering..
• Yusoff, R. B., Takagi, H. and Nakagaito, A. N., 2016. Tensile and flexural properties of polylactic acidbased hybrid green composites reinforced by kenaf, bamboo and coir fibers. Industrial crops and products, 94, 562-573.

زهرا یاری فیروزآبادی¹، هادی علی‌یاری بروجنی²، محمد شمسیان³

1- دانشجو دکتری مهندسی صنایع چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه زابل دانشگاه زابل و عضو انجمن علوم و صنایع چوب و کاغذ ایران

2- دانشجو دکتری مهندسی صنایع چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه زابل، زابل، ایران

3- دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه زابل، زابل، ایران.

Email: Zahra.yar.1990sss@gmail.com