بررسی ساخت چوب پلاست از ساقه سویا

پژوهش: دکتر مهدینیا

بخش اول

(این مقاله در دو بخش ارائه می گردد)

چکیده

در این تحقیق اثر مقدار و ژئومتری ذرات ساقه سویا بر خواص فیزیکی و مکانیکی چند­سازه چوب پلاست مورد مطالعه قرار گرفت. ذرات ساقه سویا در دو سطح 40-20 مش (ذرات سوزنی شکل) و 60-40 مش (ذرات آرد شکل)، نسبت اختلاط پلی­ اتیلن و ذرات ساقه سویا در 2 سطح 40، 50 و 60 درصد وزنی به عنوان فاکتور­های متغیر در این تحقیق در نظر گرفته شدند. مقاومت مکانیکی چند­سازه ­های تولید شده شامل مدول الاستیسیته خمشی و کششی، مقاومت خمشی و کششی و خواص فیزیکی شامل جذب آب و واکشیدگی ضخامت پس از ثابت شدن (پس از 1344 ساعت غوطه­وری) اندازه­گیری شدند.

نتایج نشان دادند که با افزایش مقدار ساقه سویا، مدول الاستیسیته خمشی و کششی و مقاومت­های خمشی و کششی و همچنین میزان جذب آب و واکشیدگی ضخامت به طور معنی­داری افزایش می­یابد. اثر اندازه ذرات نیز فقط بر روی خواص فیزیکی و مدول الاستیسیته خمشی و کششی معنی­دار بود. به صورتی­که نمونه ­های ساخته شده با ذرات با اندازه 60 مش دارای خواص بهتری بودند.

کلمات کلیدی: ساقه سویا، چوب پلاست از ساقه سویا، اندازه ذرات، نسبت اختلاط، خواص فیزیکی و مکانیکی

مقدمه چوب پلاست

صنایع چوب و دیگر صنایع وابسته به مواد لیگنوسلولزی کشور با توجه به کمبود منابع جنگلی و همچنین طرح­های صیانت از جنگل­ها با مشکل جدی تامین مواد اولیه مورد نیاز برای خود مواجه است. لذا توجه­ها را باید به سمت تولید فراورده­های جدید که توانایی بالایی در استفاده از ضایعات و پسماندها به عنوان ماده اولیه دارند سوق دهیم. یکی از این محصولات که دارای پتانسیل بالایی جهت استفاده از پسماندهای کشاورزی دارد چندسازه چوب پلاست می­باشد.

چند­سازه ­های چوب پلاست که به اختصار WPC نامیده می­شوند، گروه جدیدی از فرآورده های مرکب هستند که در بسیاری از کشورهای پیشرفته، تولید و مصرف آنها گسترش یافته است. در ساخت این چند­سازه­ های چوب پلاست محدوده وسیعی از پلی­مرها مانند پلی ­پروپیلن، پلی­ اتیلن، پلی ونیل کلراید، پلی ­استر و … به همراه پر­کننده­ های مختلف از جمله پرکننده های سلولزی شامل پودر و الیاف حاصل از مواد چوبی، پودر و الیاف حاصل از بقایای کیاهان کشاورزی و ضایعات حاصل از انواع کاغذ قابل استفاده می­باشند. مزایای استفاده از این پرکننده ها نسبت به پرکننده­های معدنی (رس، تالک، آهک و …) والیاف مصنوعی (شیشه، کربن و …) قابل توجه است که از جمله می توان به قیمت پایین، دانسیته کم، قابلیت پرکنندگی زیاد، دسترسی به انواع گوناگون از الیاف آنها در سرتاسر جهان، قابلیت تجزیه بیولوژیکی در طبیعت، ظریب انبساط حرارتی کم، تجدید پذیری، عدم سایش ماشین آلات و عدم تولید مواد سمی پس از سوزاندن اشاره کرد..

از جمله ضایعات گیاهان کشاورزی می توان به ضایعات حاصل از ساقه سویا اشاره کرد. در سال 1388میزان پسماند قابل استحصال ساقه سویا حدود 367/311 تن برآورد شده است(7). این حجم عظیم پسماند ساقه سویا که بدون استفاده در زمین­های کشاوزی رها و یا در مزرعه توسط کشاورزان سوزانده می شود، موجب آلودگی زیست محیطی و از بین رفتن میکرو ارگانیسمهای موجود درخاک می گردد، می تواند پاسخگوی بخشی از نیازهای صنایع چوب و در عین حال صنایع تولید چندسازه چوب پلاست کشور باشد.

علاوه بر نوع و مقدار ماده سازگارکننده، عواملی چون شرایط تولید، نوع ماده لیگنوسلولزی و ساختار و مقدار آن نیز بر ویژگی های چند سازه های چوب پلاست موثر هستند. از بین ویژگی های مختلف ماده لیگنوسلولزی می توان به شکل و اندازه ذرات آن و همچنین مقدار استفاده از آن در ساختار چندسازه اشاره نمود. در زمینه اثر این عوامل بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی چندسازه چوب­پلاستیک مطالعات زیادی انجام شده است که می توان به چند مورد از آنها اشاره نمود.

قاسمی و همکاران(1386) در بررسی اثر اندازه ذرات چوب در 3 سطح 100، 250 و 400 میکرومتر بر خواص فیزیکی و مکانیکی و رفتار رئولوژیکی کامپوزیت چوب پلاست به این نتیجه رسیدند که ذرات چوب با اندازه درشت­، مقدار مدول کششی را افزایش و مقدار استحکام تا پارگی در کشش و استحکام ضربه را کاهش می­دهد ولی بر ازدیاد طول تا پارگی بی­اثر است. پارامترهای رئولوژیکی نیز مانند گرانروی مختلط و مدول ذخیره با کاهش اندازه ذرات افزایش یافت.

شاکری و امیدوار(1384) در بررسی اثر نوع، مقدار و اندازه ذرات کاه بر خواص مکانیکی کامپوزیت­های چوب پلاست پلی­اتیلن سنگین-کاه غلات به این نتیجه رسیدند که افزایش کاه تا مقدار 30 درصد وزنی موجب بهبود استحکام کششی و خمشی کامپوزیت شده، ولی در 40 درصد وزنی سبب کاهش این خواص می­شود. آمیزه های دارای ذرات ریزتر استحکام ضربه­ای و مدول خمشی بهتری را نسبت به فراورده­های دارای ذرات درشت­تر نشان می دهند.

شاکری و همکاران (1385) ویژگی­های مکانیکی فرآورده مرکب چوب پلاست پلی­اتیلن سنگین-کاه ساقه برنج را مورد بررسی قرار دادند. بر اساس نتایج به دست آمده، مقاومت به ضربه شکاف­دار با افزایش مقدار کاه کاهش یافت. همچنین تیمار­های حاوی ذرات کاه ریزتر، خواص استحکام به ضربه و مدول خمشی بهتری نسبت به فرآورده­های حاوی ذرات درشت داشتند.

Yang و همکاران (2004) امکان استفاده از آرد سبوس برنج را به عنوان فیلر در تهیه چند­سازه­های چوب پلاست پلی پروپیلن بررسی و نشان داد ندکه مقاومت کششی چند­سازه­ها با افزایش میزان فیلر به تدریج کاهش و مدول کششی افزایش می­یابد. همچنین مقاومت به ضربه فاق­دار و بدون فاق با افزایش فیلر کاهش یافت.

تحقیق حاضر به بررسی اثرمقدار و اندازه ذرات ساقه سویا به عنوان عامل تقویت کننده در تولید چند سازه چوب پلاست و تعیین شرایط بهینه استفاده از این ماده پرداخته است.

مواد و روش ها ساخت چوب پلاست از ساقه سویا

مواد

در این تحقیق جهت چوب پلاست از ساقه سویا از پلی اتیلن با گرید 5620  با دانسیته 956/0 گرم بر سانتی­متر مکعب و شاخص جریان مذاب g/10min 20 تولید شده در پتروشیمی اراک ، پسماند حاصل از ساقه سویا تهیه شد ه از مزارع استان گلستان (گرگان) واز مالئیک انیدرید پلی اتیلن (MAPE) پودری شکل تولید شده توسط شرکت کیمیا جاوید سپاهان با نام تجاری PE-G 101 به عنوان ماده سازگار کننده استفاده شد. همچنین از استاریک اسید به­عنوان ماده روان­ساز استفاده شد.

روش های ساخت چوب پلاست از ساقه سویا

پسماند­های حاصل از ساقه سویا در ابتدا از هر گونه ناخالصی پاک و سپس با استفاده از اره نواری به قطعات کوچک تر تبدیل شدند. این قطعات به وسیله دستگاه خرد­کن آزمایشگاهی از نوع PALLMAN به تراشه (flake) و توسط آسیاب آزمایشگاهی به آرد تبدیل شدند. پس از تهیه آرد، ذرات با مش مورد نیاز (60-40 و 40-20 مش ) با استفاده از الک جدا­سازی شدند. ذرات حاصله قبل از اختلاط با پلی اتیلن در یک آون[1] با دمای 2±103 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت تا رطوبت زیر 1% خشک و به منظور جلوگیری از جذب مجدد رطوبت داخل کیسه ­های نایلونی نگهداری شدند.

ماده لیگنوسلولزی به همراه ماده زمینه (در 3 سطح اختلاط 40، 50 و 60 درصد وزنی و 2 سطح شکل ذرات ماده لیگنوسلولزی شامل ذرات سوزنی شکل و آرد) و دیگر مواد افزودنی (شامل ماده سازگار­کننده به مقدار 3 درصد وزنی و ماده روان کننده در اکسترودر دو ماردون همسوگرد مدل USEON, TDS26B با متوسط دمای 160 درجه سانتی­گراد برای نواحی[2] مختلف و دمای 180-170 درجه سانتی­گراد برای قالب، فشار قالب 6 مگاپاسکال سرعت تغذیه 8 و سرعت دوران موتور 190 دور در دقیقه[3] مخلوط شد. از قسمت خروجی دستگاه مواد وارد حمام آب سرد شده و در انتها پس از عبور از خرد­کن[4] انتهای اکسترودر به گرانول[5] تبدیل شدند. گرانول­های بدست آمده به مدت 48 ساعت در دمای 100 درجه سانتی گراد نگهداری و جهت جلوگیری از جذب مجدد رطوبت در کیسه­های پلاستیکی نگهداری شدند. برای تهیه نمونه­های آزمونی از دستگاه تزریق[6] با دمای 180 درجه سانتی­گراد و فشار 100 کیلوگرم بر مترمربع استفاده شد. قبل از انجام آزمونهای مکانیکی و فیزیکی، نمونه­های ساخته شده برای رسیدن به رطوبت تعادل به مدت 2 هفته در اتاق کلیمای استاندارد (دمای 20 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 65%) قرار گرفتند.

آزمون مقاومت کششی بر اساس استاندارد ASTM D638 و مقاومت خمشی ASTM D790 توسط دستگاه Instron با سرعت بار­گذاری 8 میلی­متر بر دقیقه و دمای 23 درجه سانتی گراد، مقاومت به ضربه نیز بر اساس ASTM D256 انجام شد. جذب آب و واکشیدگی ضخامت بر اساس ASTM D570 و پس از 1344 ساعت غوطه وری در آب انجام شد. این بررسی با استفاده از طرح کاملاً تصادفی و آزمون فاکتوریل انجام شد .اثر مستقل و متقابل عوامل متغیر بر ویژگی­های مکانیکی و فیزیکی نمونه­های آزمونی  با استفاده ازتکنیک تجزیه واریانس وگروه بندی میانگین ها بکمک آزمون دانکن انجام شد.

[1] Oven

[2] Zone

[3] RPM (Roand Per Minute)

[4] Granulator

[5] Granule

[6] Injection