بازیافت کامپوزیت های چوب پلاست

کامپوزیت چوب پلاست را به طور کلی ترکیبی از پلی مر ها با الیاف یا ذرات بدست آمده از طبیعت می شناسند. در طی سال های اخیر توجه به استفاده از چوب و مواد لیگنوسلولزی به عنوان پر کننده در پلاستیک ها دچار فراز و فرودهای فراوانی شده است. چوب پلاست ها کامپوزیت هایی با پایداری مناسب در شرایط محیطی هستند و به دلیل برخورداری از خواص مناسب از جمله مقاومت به رطوبت، دوام بالا در برابر عوامل جوی و مخرب، مقاومت خمشی بالا، قابلیت تولید در ابعاد مختلف، امکان قالب گیری و شکل پذیری آسان و… در عین حال شباهت ظاهری به محصولات چوبی، کاربردهای زیادی دارند[1]. مزایای کامپوزیت های چوب پلاست باعث شده که این کامپوزیت ها با اقبال عمومی مواجه گردند.

از ابتدای شروع تولید این محصولات در دهه ی 70 میلادی روند تولید این محصولات در کشورهای پیشرفته دارای روند صعودی بوده است. تولید و مصرف این کامپوزیت ها به دلیل توجه بشربه کاهش مصرف منابع طبیعی هم چون درختان و کاهش وابستگی به محصولات پتروشیمی روز به روز در حال افزایش است. به طور کلی استفاده از موادی که قابلیت بازگشت به چرخه ی مصرف را داشته باشند امروزه به عنوان یکی از بزرگترین دغدغه ها در کلیه ی صنایع کشورهای توسعه یافته بدل گردیده است[2]. مهم ترین خصوصیت برجسته ی کامپوزیت های چوب پلاست پایداری آن ها در شرایط محیطی مختلف است. این محصولات به دلیل استفاده از ماتریس پلی مری قابلیت این را دارند که تقریبا در تمام شرایط بیولوژیکی ماندگاری مناسبی از خود نشان دهند. این ویژگی آن ها را به عنوان جایگزین مناسب برای قطعات چوب قرار داده است. این خصوصیت در اکثر موارد به عنوان مزیت محسوب می شود اما از نقطه نظر زیست محیطی پایداری بعضی محصولات در طبیعت یک تهدید شمرده می شود[1]. باید توجه کرد که دفع این کامپوزیت ها به عنوان زباله علاوه بر مشکلات ناشی از عدم زیست تخریب پذیری پلی مر مورد استفاده با توجه به وجود الیاف چوبی در ساختار آن ها که حاوی کربن هستند در نهایت منجر به تصاعد گازهای حاوی کربن و افزایش گرماش جهانی می شود[2]. برای رفع این مشکل بهترین گزینه بهره برداری از قابلیت بازیافت است که جز ویژگی های برجسته ی این مواد است.

کامپوزیت های چوب پلاست به دلیل وجود پلی مرهای ترموپلاستیک به عنوان ماده ی پایه، بازیافت پذیر هستند بدین صورت که می توان آن ها را همانند مواد پلاستیکی پر نشده دوباره در فرایند استفاده کرده و قطعات جدیدی از ان ها تولید کرد [1].

نکته ی قایل توجه در مورد کامپوزیت های چوب پلاست این است که این کامپوزیت های چوب پلاست این است که این کامپوزیت ها از ضایعات و مواد کم ارزش ساخته شده اند و چنانچه بتوان خود این کامپوزیت ها را نیز بازیافت کرد مزیت دو چندان برای آن در پی دارد[2].

مساله اینجاست که عمر مفید این کامپوزیت ها بسته به محصول و انتظارات مصرف کننده متفاوت است. برای مثال در برخی منابع گفته شده عمر مفید سکوهای ساخته شده از کامپوزیت های چوب پلاست در دامنه ی متغیر 8 تا 14 سال است که علت آن از بین رفتن دوام محصول نیست بلکه علت آن ترک و شکاف های سطحی ناشی از خیس و خشک شدن دائمی و نگهداری ضعیف است که باعث می شود ظاهر محصول دیگر آن وضعیت دلخواه و مطلوب اولیه را نداشته باشد و مصرف کننده تصمیم به تعویض آن بگیرد [2]. علاوه بر این علت دیگر آن تغییر در سلیقه ی مشتریان است که هر روز با آمدن مدل ها و طرح های جدید تغییر می کند.

به طور کلی ضایعات کامپوزیت های چوب پلاست در دو دسته ی کلی قرار می گیرند که شامل ضایعات بوجود آمده در حین پروسه ی تولید و ضایعات پس از عمر مفید محصول می باشد[4].

2- روش های مختلف مدیریت ضایعات کامپوزیت های چوب پلاست

ضایعات کامپوزیت های چوب پلاست را می توان به سه روش مدیریت کرد:

• بازیافت حرارتی مکانیکی
• بازیافت انرژی
• بازیافت بیولوژیکی

   بازیافت ترمومکانیکی ابتدا شامل بازیافت مکانیکی است که در آن کامپوزیت ها به صورت گرانول آسیاب می شوند و پس از آن توسط روش هایی مثل اکستروژن و یا ترموفرمینگ در اثر حرارت ذوب شده و مجددا به صورت کامپوزیت قالب گیری و ساخته می شوند[4]. بازیافت این کامپوزیت ها به صورت خرد کردن مکانیکی آن ها توسط دستگاه آسیاب می باشد با آسیاب کردن کامپوزیت ها، گرانول های چوب پلاست بدست می آیدکه این قابلیت را دارند که به طور مجدد مورد استفاده قرار گیرند. بازیافت کامپوزیت های چوب پلاست می تواند بیش از یک با روی این کامپوزیت ها صورت گیرد [1].

   بازیافت انرژی می تواند به دو روش انجام شود:

روش اول شامل سوزاندن است که در آن پلی مرهای هیدروکربن جایگزین سوخت های فسیلی می شوند.

روش دوم که پیرولیز یا هیدروژناسیون به هیدروکربن های با وزن مولکولی کم برای استفاده به عنوان سوخت های قابل حمل یا به عنوان ماده ی اولیه ی پلی مر است.

بازیافت بیولوژیکی از مزیت تخریب زیستی پلی مر بهره می برد که بستگی به نوع پلی مر و شرایط زیست محیطی دارد. این روش بازیافت نه تنها هزینه ی بالا و فرایند پیچیده ای دارد بلکه پتانسیل آسیب به محیط زیست را نیز دارد.

از بین این سه روش تیمار ترمومکانیکی حداقل مصرف انرژی را در زمینه ی چرخه ی عمر دارد[4]. از جمله تحقیقات اتجام شده در زمینه ی بازیافت ترمومکانیکی ضایعات کامپوزیت های چوب پلاست می توان به موارد زیر اشاره کرد:

Balatinecz و همکاران (1998) روی اثر بازیافت بر کامپوزیت پلی اتیلن و پروپیلن پر شده با کاغذ روزنامه مطالعه ای انجام دادند. آن ها دریافتند که بازیافت موفقیت امیز به کاهش اندک در ویژگی های مکانیکی تخته های حاصل منجر می شود. ویسکوزیته ی پلی پروپیلن با افزایش تعداد دفعات بازیافت به دلیل تخریب حرارتی، اکسیداسیون کاهش یافت. با افزایش تعداد دفعات بازیافت  این کامپوزیتها جریان ذوب بیشتری داشتند. هم چنین نتایج نشان داد که در صورت استفاده از روان کننده از آسیب به الیاف چوبی جلوگیری می شود و باعث بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت های بازیافتی می شود. [2].

Nawadon و همکاران(2001) به بازیافت چوب پلاست ساخته شده از پلی وینیل کلراید و آرد چوب پرداختند. چوب پلاست ساخته شده متشکل از پروفیل های صنعتی چوب پلاست و چوب تازه با نسبت 30 به 70 بود. بازیافت در هفت مرحله صورت گرفت. نتیجه ی آن کاهش وزن مولکولی پلی مر به دلیل بریدگی زنجیره پلی مر بود. ویژگی های مکانیکی کامپوزیت های بازیافتی افت قابل توجهی داشت [6] .

Petchwattana و همکاران (2012) از آرد چوب و پلی وینیل کلراید برای ساخت کامپوزیت استفاده کردند و سپس آن را تا 7 مرتبه بازیافت کردند که مقاومت به ضربه ی کامپوزیت ها تغییر نکرد[5].

Walz  و همکاران (2010)کامپوزیت های پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف کنف را تا 9 مرتبه بازیافت کردند که باعث کاهش مقاومت خمشی و کششی کامپوزیت های حاصل شد[4].

Arbelaiz وهمکاران (2003) کامپوزیت پروپیلن تقویت شده با الیاف کتان را تا 4 مرتبه بازیافت کردند که نتایج نشان داد ویژگی های کششی کاهش کمی داشته اند[5]..

Joseph و همکاران (2008) کامپوزیت های LDPE – الیاف سیسال را  به صورت موفقیت آمیز بازیافت کردند[1].

Augier و همکاران(2007) کامپوزیت های ساخته شده از پرکننده ی آردچوب و ماتریس پلی وینیل کلراید را تا 20 مرتبه بازیافت کردند. نتایج نشان داد که پس از 20 مرتبه بازیافت ویژگی های کامپوزیت ها ثابت می ماند و حتی در بازیافت مرحله بیستم، چقرمگی و مقاومت در برابر پیچش کامپوزیت ها بهبود یافت. مقاومت به ضربه کامپوزیت ها نیز بعد از 20 مرتبه بازیافت بهبود یافت [7].

John  و همکاران (2005) ویژگی های کامپوزیت های ساخته شده از مواد بازیافتی شامل 60% الیاف چوبی 30% HDPE و 5%pp را بررسی کردند که ویژگی های مکانیکی، مقاومت به آب و پایداری ابعاد پانل های بازیافتی برابر یا بهتر از پانل های اولیه بود. [4].

3-عوامل موثر بر کیفیت کامپوزیت های چوب پلاست بازیافت شده به روش ترمومکانیکی

در بازیافت کامپوزیتهای چوب پلاست باید به رفتار بخش های تشکیل دهنده آن شامل پلی مر، پرکنندهی چوبی، جفت کننده و … توجه کرد. هم چنین مدت زمان در سرویس ، تعداد دفعات بازیافت، تغییر شیمیایی بافت چوب پلاست و افزودنی های موجود در آن موضوع بازیافت را پیچیده تر می کنند. باید اثر حرارت، فشار، آسیاب مکانیکی و … را روی خواص کامپوزیت ها ی بازیافتی مد نظر داشت [6].

از جمله مهم ترین عوامل موثر بر کیفیت کامپوزیت های چوب پلاست بازیافتی می توان به تاثیر ماده ی لیگنوسلولزی مورد استفاده به عنوان پر کننده، ویژگی های پلی مر مورد استفاده به عنوان ماتریس و شرایط فرایند اشاره کرد:

تاثیر ماده ی لیگنوسلولزی :

ماده ی لیگنوسلولزی در کامپوزیت به عنوان پر کننده استفاده می شود.

در تحقیقات انجام شده ثابت شده که استفاده از کاغذ باطله به عنوان پرکننده در ساخت کامپوزیت های چوب پلاست تاثیر بسیار زیادی بر بهبود کیفیت کامپوزیت های چوب پلاست بازیافتی دارد[2].

برای ساخت کامپوزیت هایی که قرار است بازیافت شوند بهتر است میزان الیاف چوبی تا 50% در نظر گرفته شود [1]. بررسی ها نشان داده که سایز الیاف لیگنوسلولزی تاثیری بر ویژگی های کامپوزیت های بازیافتی ندارد [2].الیاف چوبی باعث تسریع تخریب ماتریس می شوند هم چنین باعث دهیدروکلریشن و عدم اشباع کامپوزیت و ایجاد اتصالات عرضی می شوند و چنانچه میزان آن ها بیشتر از 50% در ترکیب کامپوزیت چوب پلاست باشد باعث افت شدید کیفیت کامپوزیت های چوب پلاست می شود [4].

ترکیب شیمیایی چوب نسبت به حرارت عکس العمل های متفاوتی دارد. دمای تخریب سلولز که نقش اصلی در تقویت ماده ی زمینه ی چوب پلاست را ایفا می کند 220 درجه سانتی گراد است. هر چند فراوری پلاستیک ها در ساخت چوب پلاست که در دمای پایین تر از 150-190 درجه سانتی گراد انجام می شود اما در عین حال حرارت دهی مکرر سلولز باعث کاهش خواص تقویت کنندگی آن می شود. همی سلولزها در دمای 160 درجه تخریب می شوند از بین رفتن همی سلولزها منجر به افزایش درجه ی کریستالیته پلی مرها می شوند [6] .

تاثیر پلی مر:

بخش پلی مری استفاده شده در کامپوزیت های چوب پلاست نقش ماتریس را ایفا می کند. ترموپلاستیک ها بیشترین سهم را در تولید این محصولات دارند. دمای فرایندی از جمله عوامل محدود کننده در انتخاب ماتریس پلی مری می باشد بدین معنی که دمای فرایندی پلی مر مصرفی نباید بیشتراز 200 درجه سانتی گراد باشد زیرا در دمای بالاتر ذرات یا الیاف چوب تخریب می شوند.

برخی پلی مرهای مورد استفاده در ساخت کامپوزیت های چوب پلاست تجزیه پذیر هستند و برخی غیر قابل تجزیه می باشند. فرایند تخریب در پلی مرها ی تجزیه پذیر به عواملی چون وزن مولکولی، میزان کریستالیته، درجه خلوص، دما، pH، مقدار نفوذ رطوبت، افزودنی ها و مواد پر کننده بستگی دارد. این پلی مرها شامل پلی لاکتیک اسید ، پلاستیک های بدست آمده از نشاسته و پلاستیک های سلولزی هستند و کامپوزیت های تولید شده از آن ها این قابلیت را دارند که در اثر یکی از سه روش تخریب فرسایشی، تخریب توسط رطوبت و تخریب توسط نور خورشیداز بین بروند [1].

اکثر پلی مرهای مورد استفاده در ساخت کامپوزیت های چوب پلاست، زیست تخریب پذیر نیستند.

قرار گرفتن مجدد پلی مر در اثر حرارت و فشار باعث تغییر در خواص این مواد می شود از ویژگی های قابل تغییر این پلاستیک ها در حین بازیافت می توان به شاخص جریان مذاب، دمای ذوب و بلورینگی و خواص مکانیکی مانند مقاومت به ضربه و ویژگی های خمشی اشاره کرد. این ویژگی ها در اثر بازیافت کاهش می یابند [6].

با بازیافت چوب پلاست شاخص جریان مذاب پلی مر افزایش می یابد. افزایش شاخص جریان مذاب نشان دهنده ی کاهش وزن مولکولی و ویسکوزیته ی مذاب پلی مر است که باعث تخریب زنجیره های پلی مر می شود[6] .

متداول ترین پلی مرهای مورد استفاده در ساخت کامپوزیت های چوب پلاست و مهم ترین مشخصه های آن ها در جدول 1 ارائه شده اند.

جدول 1– پلی مرهای متدوال در ساخت کامپوزیتهای چوب پلاست

نوع پلیمر	مشخصه
پلی اتیلن چگالی پایین	اکسیداسیون سریع- انعطاف پذیری بالا- جذب آب کم- خراش پذیری زیاد
پلی اتیلن چگالی بالا	استحکام بیشتر از پلی اتیلن چگالی کم- اعوجاج زیاد- مقاومت به ضربه ی خوب- جذب آب کم
پلی پروپیلن	سبک- مستحکم- سفت- مقاومت مناسب در برابر خزش و ساییدگی- لغزندگی کم- پیچ کاری و برش دشوار- اکسیداسیون سریع- جذب آب کم
پلی وینیل کلراید(PVC)	مقاوم در برابر آتش- ناسازگر با محیط زیست- استحکام خمشی بالا- مقاومت فشاری خوب- جذب آب کم.
آکریلو نیتریل بوتادین استایرن  کوپلیمر (ABS)	مقاوم در برابر گرما و مواد شیمیایی- مقاوم به ضربه- انعطاف پذیری خوب- عدم پایداری محیطی- مقاومت کم در برابر آتش- چگالی بالا- سمیت زیاد- دمای فرایندی پایین- مقاومت خمشی بالا- دوام کم [1]

در کل بررسی نتایج تحقیقات انجام شده نشان داد که کیفیت کامپوزیت های چوب پلاست ساخته شده از پلی وینیل کلراید در مقایسه با کامپوزیت های ساخته شده با سایر پلی مرها، بعد از بازیافت دچار کمترین تغییرات شده و حتی در برخی ویژگی های آن ها، بهبود حاصل شده است.

تاثیر فرایند:

فراوری WPC می تواند روی پتانسیل مخرب حرارتی هر یک از اجزا تشکیل دهنده ی آن اثر داشته باشد. بطور مثال، قرار گرفتن پلی پروپیلن در معرض حرارت بالا در حین فرایند منجر به اتصال عرضی یا افزایش ترک و شکنندگی آن می شود. الیاف چوبی نیز ممکن است به دلیل قرار گرفتن پی در پی در معرض حرارت دچار تخریب شوند. افت مکانیکی الیاف که به صورت ساییدگی الیاف دیده می شود می تواند یک عامل نگران کننده در بازیافت محسوب شود[2].

یکی از بهترین راهکارها برای جلوگیری از اثرات منفی بازیافت بر کیفیت کامپوزیت های چوب پلاست استفاده از روان کننده ها می باشد. راهکار دیگر استفاده از دماهای پایین برای بازیافت کامپوزیت های چوب پلاست است. الیاف چوبی که به عنوان تقویت کننده در ماده ی زمینه بارگذاری می شوند نسبت به حرارت های بالا حساس بوده و دچار تجزیه و تخریب می شود. تحمل حرارت مجدد برای تحمل تنش ناشی از بار وارده به این سازه ها مشکل ایجاد می کند[3].

افزایش سرعت فرایند تزریق که با توجه به جریان بهتر مواد در بازیافت امکان پذیر است،  یکی از فاکتورهای موثر در بهبود کیفیت کامپوزیت های چوب پلاست می باشد[4].

4- مزایا و معایب بازیافت ترمومکانیکی کامپوزیت های چوب پلاست

هنگامی که بازیافت صورت می گیرد باعث افزایش روانی پلاستیک می شود که این افزایش منجر به پوشاندن هر چه بهتر سطح ذرات چوب می شود. هم پوشانی و درگیری مناسب بین آرد چوب و پلی مر ایجاد می شود که باعث کاهش جذب آب چوب پلاست بازیافت می شود[6].

کاهش برخی ویژگی های مکانیکی به دلیل شکسته شدن زنجیره های پلی مری، افت درگیری بین زنجیره ها و کاهش استحکام پلی مر پایه و تغییر بر هم کنش چوب و پلاستیک می شود. بازیافت باعث تصاعد گازهای فرار چوب می شود که باعث افزایش بالک دانسیته می شود که روی ویژگی های مکانیکی اثر منفی دارد [6].  خلاصه ای از مزایا و معایب بازیافت کامپوزیت های چوب پلاست در جدول 2 آورده شده است.

جدول 2- مزایا و معایب بازیافت کامپوزیت های چوب پلاست به روش ترمومکانیکی

مزایا	معایب
کاهش هزینه ی مواد اولیه	کاهش ویسکوزیته پلی مر ([1].
جلوگیری از مشکلات زیست محیطی	کاهش مقاومت خمشی در بازیافت مرحله ی 10 به بعد[1]
حفظ منابع طبیعی و جلوگیری از جنگل زدایی[3].	تسریع در تغییر شکل و کرنش کامپوزیت ها [1]
ساختار همگن تر در کامپوزیت های بازیافتی [1]	کاهش استحکام و سختی نمونه [6]
مقاومت به رطوبت بهتر کامپوزیت ها پس از بازیافت[1]
فشار کمتر در اکسترودر و در نتیجه کاهش مصرف انرژی[1]
افزایش سرعت تولید[1]
امکان استفاده از دماهای بالاتر
عدم تغییر در ویژگی های سطحی[1]
عدم تغییر در مقاومت به ضربه کامپوزیت های بازیافتی
افزایش روانی پلیمر[6]

5- سایر کاربردهای ضایعات چوب پلاست

علاوه بر بازیافت کامپوزیت های چوب پلاست برای تولید مجدد چوب پلاست می توان گزینه های دیگری را نیز مد نظر قرار داد. کاربردهایی شامل تولید مالچ برای پوشش خاک و جایگزین تورب برای لایه ی زیرین در باغبانی ، ساخت مواد ترکیبی برای کامپوست لجن فاضلاب، کف سازی در مدارس سوارکاری و زمین های پرورش انواع حیوانات.

هم چنین تولیدکاغذهایی با کیفیت کم، ایجاد بستر برای تولید قارچ، تولید آنزیم در حالت تخمیر جامد با استفاده از قارچ و تولید بریکت و زغال سنگ از دیگرموارد کاربرد ضایعات چوب پلاست محسوب می شوند. البته در تمام این موارد باید به کیفیت ضایعات و وجو مواد آلاینده در آن ها توجه داشت[3].

6- جمع بندی و نتیجه گیری

تولید کامپوزیت های چوب پلاست با توجه به افزایش قیمت مواد نفتی و پلی مری و هم چنین کمبود جنگل ها و منابع لیگنوسلولزی هزینه ی زیادی را بر تولید کننده وارد می کند، بنابراین با بازیافت این فراورده می توان از بسیاری از این هزینه ها جلوگیری کرد و از سوی دیگر بازیافت این محصول می تواند کمک شایانی به حفظ محیط زیست و  جنگل ها کند.

بازیافت به روش ترمومکانیکی بهترین روش برای مدیریت کامپوزیت های چوب پلاست است که با استفاده از آن می توان تا چندین مرتبه کامپوزیت ها را بازیافت کرد و در حین بازیافت حتی برخی ویژگی های کامپوزیت ها بهبود نیز می یابد که این خود یکی از مهم ترین مزایای بازیافت کامپوزیت های چوب پلاست است. البته باید در نظر داشت که کیفیت کامپوزیت های بازیافتی به نوع پلی مر مصرفی، سهم ماده ی لیگنوسلولزی و شرایط فرایند بستگی دارد که برای حصول نتایج بهتر باید این موارد را در نظر داشت و آن ها را کنترل نمود.

مراجع

[1]طبخ پز سرابی، م (1390)، بررسی تاثیر جریان پذیری ماتریس پلی مری بر قابلیت بازیافت کامپوزیت های چوب پلاست تولیدی در فرایند اکستروژن، پایان نامه کارشناسی ارشد رشته ی مهندسی مکانیک- ساخت و تولید، دانشکده فنی مهندسی دانشگاه تربیت مدرس، 114 صفحه.

[2]Winandy,J. Stark, N.M. Clemons, C.M., 2004. considerations in recycling of wood plastic composites, 5th global wood and natural fiber composites symposium, April 27-28, Kassel, Germany:1-9.

[3] Kues, U. Kharazipour, A., 2007. recycling of wood composites and solid wood products, book chapter, published by Georg Aguste University, Gottingen:509-533.

[4] Dalour Hosen Beg, M., 2007. The improvement of interfacial bonding , weathering and recycling of wood fiber reinforced polypropylene composites, A thesis for degree of doctor of philosophy in Material and Process Engineering, University of Waikato, Hamilton, Newzeland, 194pp .

[5] Petchwattana, N. Covavisaruch,S. Sanetuntikul, J., 2012. recycling of wood plastic composites prepared from poly vinyl chloride and wood flour, construction and building materials, 28: 557-569.

[6] ظفری سرمدی. م، (1394)، تاثیر بازیافت بر خصوصیات فراورده های مرکب چوب پلاست پلی اتیلنی تقویت شده با نانو رس، پایان نامه کارشناسی ارشد، رشته ی صنایع چوب و کاغذ، دانشگاه زابل، 170 صفحه.

[7] Augier, L. Speroue, G. Vaca Garcia, C. Borredon, M. E., 2007. Influence of the wood fiber filler on the internal recycling of poly vinyl chloride based composites, Polymer degradation and stability , 92:1169-117