استفاده از پودر سنگ مرمر در تخته های چوب پلاست
تخته های چوب پلاست شامل الیاف چوب و مواد پلاستیکی تجدید پذیر و بازیافت شده است. با افزایش شدید تقاضای بازار برای چند سازههای چوب پلاست[1] توجه زیادی نیز به سوی این فرآوردهها معطوف گشته و گزارشهای زیادی در مورد اصلاح و بهبود خواص این چند سازهها موجود میباشد [1]. دارا بودن خواص سازگار با محیط زیست این چند سازهها و همچنین نیاز کم به تعمیر و نگهداری، از جمله دلایل رشد سریع این فرآوردهها در کاربردهای جایگزین
چوب بوده است [2]. امروزه بهدلیل مزایا و جنبههای اقتصادی و زیستمحیطی پرکنندههای آلی یا غیر آلی توجه زیادی بهسمت این نوع پرکنندهها در ترکیبات کامپوزیتهای چوب پلاست جلب شده است. در بین پرکنندههای آلی، الیاف چوبی دارای ویژگیهایی همچون دانسیته پایین، زیست تخریب پذیری و بهرهوری پایدار میباشند [3 و 4]. همچنین پرکنندههای معدنی بهدلیل هزینه بهرهوری کم و فراوانی توجه زیادی را به خود جلب کرده اند [5]. بهطور کلی پرکنندهها (آلی یا معدنی) با هیبریداسیون سفتی، مقاومت و سختی کامپوزیتهای پلیمری را افزایش میدهند [6 و 7 و 8]. مدت زیادی است که پرکنندههای آلی و معدنی بهعنوان جایگزین الیاف شیشه و الیاف کربن در کامپوزیتهای گرمانرم مورد توجه قرار گرفته اند و در نتیجه میتوانند نسبت به حل مسائل زیستمحیطی و صرفه اقتصادی این الیاف مصنوعی کمک شایانی بکنند [9]. سنگ مرمر، که اغلب در صنعت ساختمانی کاربرد دارد، مقدار زیادی از آن در طول پروسه تولید و بهرهبرداری به ضایعات تبدیل میشود. بهدلیل مسائل مهمی هچمون قیمت پرکنندهها و مشکلات زیست محیطی، بازیافت پودر سنگ مرمر حاصل از تولید و برش یک موضوع مهم بهحساب میآید [10]. ضایعات سنگ مرمر هم از لحاظ اقتصادی و هم از لحاظ زیستمحیطی اثرات قابل توجهی دارند. کارخانجات سنگبری زیادی در جهان در تولید ضایعات سنگ مرمر سهم دارند که بر زیبایی طبیعی و محیطزیست و بهخصوص مناطقی که این کارخانجات در آن قرار دارند تأثیر منفی میگذارند [11]. سالانه حدود 10 درصد سنگ جهان در کشور ایران تولید میشود و میزان تولید ضایعات حاصل این صنعت نیز چشمگیر است. امروزه ضایعات سنگ مشکل و تهدیدی جدی برای محیط زیست تمدن مدرن[2] است. از آنجاییکه این مواد تجزیه ناپذیر میباشند، خطرات متعددی را بهوجود میآورند. اگر این ضایعات بر روی زمین رها شوند میتوانند منجر به کاهش میزان نفوذ آب باران و بدتر از آن کاهش حاصلخیزی خاک[3] گردند. همچنین رهاسازی ضایعات سنگ در رودخانهها، رودها و دریاها نیز سبب آلودگی آب و دریا نیز میشوند [12]. پس از استخراج سنگ مرمر از معدن، سنگ مرمر در اشکال خواسته شده بریده میشود. عمل برش و اره، پودر مرمر را بهعنوان محصولی فرعی تولید میکند. بهطور میانگین، 20 درصد از سنگ مرمر استخراج شده نهایی به پودر مرمر تبدیل میشود. این پودر سطح زیادی از زمینها را برای تهنشینی و خشک شدن اشغال میکنند. این ضایعات تهنشین شده بر مورفولوژی[4]، هیدرولوژی[5] و حاصلخیزی خاک نواحی اطراف با کاهش در تخلخل و نفوذپذیری آنها، تأثیر میگذارند. گرد و غبار ریز معلق در هوا[6] حاصل از این ضایعات میتواند حتی سبب اختلالات تنفسی، بینایی و پوستی شود [13]. امروزه حفظ و حراست از منابع طبیعی و محیط زیست امری ضروری واجتناب ناپذیر بنظر میآید. بنابراین استفاده از ضایعات سنگ مرمر نه تنها به حفظ منابع طبیعی کمک میکند بلکه از لحاظ حفظ و سالم سازی محیط زیست و صرفه اقتصادی نیز مزایای قابل توجهی خواهد داشت. همچنین باعث کاهش استفاده و حفظ منابع لینگوسلولزی نیز خواهد شد. در همین راستا ضایعات سنگ مرمر میتواند بهعنوان یک جایگزین مناسب و کاهش دهنده مصرف الیاف لیگنوسلولزی مدنظر باشد.
Klyosov (2007) اعلام نمود پرکنندههای مورد استفاده در تخته های چوب پلاست میتوانند معدنی، آلی یا مخلوطی از اینها مانند بیوداک باشند. بیوداک مخلوطی گرانولی از الیاف سلولزی، کربنات کلسیم و کالوئین (خاک رس) است و پرکنندههای معدنی متداول میتوانند نمکهای ساده مثل کربنات کلسیم یا سیلیکات کلسیمف با یک ساختار شیمیایی معین، مواد معدنی مانند تالک یا کائولین آب پوشیده باشند یا میتوانند ترکیباتی نامعلوم یا متفاوت مانند میکا، خاک رس و خاکستر سبک باشند. مواد معدنی مانند کربنات کلسیم، تالک یا سیلیس پرکنندههای متداول در صنعت پلاستیک هستند و جایگزین پلاستیک بسیار گران میشوند و مدول خمشی محصول پر شده را افزایش میدهند و پلاستیک را در برابر آتش مقاوم میکنند [14].
Lei و همکاران (2007) نانو تخته های چوب پلاست حاصل از آرد چوب کاج و پلی پروپیلن بر پایه نانو سیلیکاتهای رسی را با استفاده از روش قالبگیری تزریقی تولید کردند. نتایج نشان داد که با افزایش 1 درصد نانورس، مقاومت خمشی و کششی به ترتیب در حدود 20 و 24 درصد افزایش یافتند، همچنین مدول کششی و ازدیاد طول نیز بهترتیب 8/11 و 13 درصد روند افزایشی داشتند، ولی مقاومت به ضربه در حدود 7 درصد کاهش داشت [15].
Dundar و همکاران (2016) در تحقیقی اقدام به افزودن پودر سنگ مرمر بهعنوان ضایعات کارخانجات سنگبری در ترکیب کامپوزیت کاج-پلی پروپیلن نمودند. نتایج نشان داد افزودن پودر سنگ مرمر سبب بهبود خواص جذب آب و واکشیدگی ضخامت گردید ولی برعکس باعث کاهش مقاومتهای مکانیکی مانند مقاومت و مدول کششی و مقاومت خمشی شد و تنها فاکتور مدول خمشی در اثر افزودن پودر سنگ بهبود یافت [16].
Tisserat و همکاران (2015) به بررسی تأثیر اندازه ذرات در ترکیب آرد چوب پالونیا با پلیاتیلن سنگین پرداختند. در این ترکیب از ذرات آرد پالونیا با اندازه 74-600 میکرون استفاده شد و از مالئیک انیدرید پیوند خورده با پلیاتیلن[7] بهعنوان عامل جفت کننده در پنج سطح 0، 1، 3، 5 و 10 درصد وزنی پلیمر استفاده شد. نتایج نشان داد جفت کننده در سطح 3 درصد بیشترین مقاومت کششی را در تخته های چوب پلاست ایجاد میکند. همچنین اندازه ذرات بهطور معنیداری در مقاومتهای مکانیکی تخته های چوب پلاست مؤثر است و مقاومتهای چندسازه حاوی ذرات با اندازه کوچکتر از 180 میکرون و بزرگتر از 300 میکرون مقاومت کششی بالاتری در چندسازه ایجاد میکنند [17].
1-1- پلیاتیلن سبک
پلیاتیلنها خانوادهای از گرمانرمها میباشند که از طریق پلیمریزاسیون گاز اتیلن (C2H4) بدست میآیند. از طریق کاتالیست و روش پلیمریزاسیون این ماده میتوان خواص مختلفی همچون چگالی، شاخص جریان مذاب (MFI)، بلورینگی، درجه شاخهای و شبکهای شدن، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی را در آنها کنترل کرد. پلیمرهای با وزن مولکولی پایین را بهعنوان روانکننده[8] بهکار میبرند. گاهی اوقات بهجای اتمهای هیدروژن در مولکول (پلیاتیلن)، یک زنجیر بلند از اتیلن به اتمهای کربن متصل میشود که به آنها پلی اتیلن شاخهای یا پلیاتیلن سبک (LDPE) میگویند؛ چون چگالی آن بهعلت اشغال حجم بیشتر، کاهش یافته است. در این نوع پلیاتیلن مولکولهای اتیلن به شکل تصادفی به یکدیگر متصل میشوند و ریخت و شکل بسیار نامنظمی را ایجاد میکنند. چگالی پلیاتیلن سبک بین ۹۱۰/۰ تا ۹۲۵/0 گرم بر سانتیمتر مکعب است و تحت فشار و دمای بالا و اغلب با استفاده از پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد وینیلی[9] تولید میشود. البته برای تهیه آن میتوان از پلیمریزاسیون زیگلر ناتا[10] نیز استفاده کرد. شکل 1 ساختمان واحدهای تکرار شونده اتیلن در زنجیره پلیمری پلیاتیلن میباشد.
شکل 1- ساختمان واحدهای تکرار شونده اتیلن در زنجیره پلیمری پلیاتیلن
1-2- پالونیا
جنس پالونيا بومي كشور چين بوده و شامل 9 گونه از درختان تندرشد با حجم چوبدهي مناسب است. در شرايط عادي، يك درخت پالونياي 10 ساله به اندازه 30 تا 40 سانتيمتر قطر برابرسينه داشته و حجم چوبدهي آن 3/0 تا 5/0 مترمعکب در سال است و در بهترين شرايط محيطي، درختان 5 تا 6 ساله چوب قابل بهرهبرداري توليد میکنند. گزارشها نشان ميدهد كه افزايش رشد حجمي هر درخت سالانه 03/0-05/0 تا 15/0 مترمکعب بوده و در سن پنج سالگي تا شش سالگي با قطري حدود 30 تا 40 سانتيمتر به سن بهرهبرداري ميرسد [18]. بیشتر گونههای پالونیا در سن 15 سالگی میتوانند برای الوارهای با ارزش و در سن 6 تا 7 سالگی برای تولید الوار با کیفیت پایینتر بهره برداری شوند. پالونیا در شرایط مطلوب میتواند به ارتفاع 10 تا 20 متر و رشد بالای 3 متر در سال برسد. هر اصله درخت پالونیا میتواند در سن 5 تا 7 سالگی در حدود یک متر مکعب چوب تولید کرده و با رشد در جنگلکاریهای متراکم تا 2000 اصله، حدود 330 تن در هکتار تولید سالیانه چوب داشته باشد [19]. در بررسی پالونیا فورتونهای هشت ساله، مشخص شد دارای چوب صد در صد جوان بوده که طول الیاف آن در حلقه سالیانه اول 8/0 و در حلقه سالیانه هشتم 11/1 میلیمتر است و رشد سریع پستاکامبیومی طول الیاف از حلقه ششم آغاز میشود. قطر و ضخامت الیاف در حلقه اول بهترتیب 31 و 14/4 و در حلقه هشتم 18/33 و 98/5 میکرومتر حاصل شده است. ضریب تغییرات برای ضخامت دیواره الیاف، بیشترین و برای قطر الیاف، کمترین مقدار است. قطر الیاف، کمترین تغییرات را از حلقه سالیانه اول تا هشتم داشته و تغییرات شاخص فیبر در چوب از 26 تا 34 بوده است. مواد استخراجی قابل حل در آب داغ به طور متوسط 94/6 در، مقدار متوسط لیگنین در چوب 77/29 درصد و مقدار متوسط سلولز و همی سلولز به ترتیب 55/45 و 66/24 درصد بوده است [20].
1-3- سنگ مرمر و میزان ضایعات حاصل از این صنعت
سنگ مرمر با فرمول شیمیایی Ca(CO3)2 با وزن مولکولی 09/100، نقطه ذوب 484 درجه سانتیگراد از جنس کلسیم بوده و یک فلز نرم فعال دو ظرفیتی محسوب میگردد که به نامهای دیگری همچون بی کربنات کلسیم و سنگ آهک نیز نامیده میشود. سنگ مرمر با تبلور مجدد ناشی از دگرگونی سنگ آهک یا دولومیت تشکیل میشود. خواص تکنیکی سنگ مرمر در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول 1: خواص تکنیکی سنگ مرمر ]21[
ویژگی | واحد | اندازه |
سختی | Mohs | 5/3-3 |
وزن مخصوص | گرم بر سانتیمتر مکعب | 44/2 |
دانسیته | گرم بر سانتیمترمکعب | 66/2 |
اندازه ذرات | میکرومتر | <250 |
جذب آب در فشار اتمسفر | درصد وزنی | 62/1 |
جذب آب تحت فشار | درصد وزنی | 94/3 |
تخلخل | درصد | 94/3 |
مقاومت فشاری | نیوتون بر سانتیمتر مربع | 4/54 |
مقاومت فشاری بعد از انجماد | نیوتون بر سانتیمتر مربع | 8/50 |
درجه منافذ | درصد | 94/3 |
SiO2 | در صد | 91/1 |
F2O3 | در صد | 1/79 |
MgO | در صد | 15/1 |
CaO | در صد | 43/2 |
سنگ یکی از رایجترین مصالح ساختمانی از دوران باستان بوده است. در سالهای اخیر، رشد روزافزون سنگ در سراسر جهان قابل مشاهده است. همانگونه که در شکل 2 مشاهده میشود، حدود 10 درصد از سنگ جهان در ایران تولید میشود.
شکل 2: میزان تولید سنگ در ایران و سایر کشورها [12]
تعداد بسیاری معدن و کارخانهی سنگ مرمر در سرتاسر جهان وجود دارند که ضایعات قابل توجهی را تولید مینمایند و این ضایعات علاوه بر اینکه فضای قابل ملاحضهای از زمینهای اطراف کارخانهها را اشغال میکنند، موجب آلودگی محیطزیست نیز میشوند. از آنجاییکه وجود این ضایعات در اطراف کارخانههای سنگ و محیط شهری سبب آلودگی زمینهای اطراف میشوند و برای انسان نیز خطرآفرین میباشند، کارخانهها موظف به دور نمودن آنها از معادن و کارخانههای سنگ میباشند و با توجه به اینکه پتانسیل مناسبی برای استفاده از ضایعات پودر سنگ مرمر تولید شده وجود ندارد، این ضایعات در فضاهای باز اطراف کارخانهها و یا طبیعت پیرامون ما انباشته شده و سبب آلودگی محیطزیست میشوند ]22.[
2- نتيجه گيري ساخت تخته های چوب پلاست
در صنعت تولید سنگهای طبیعی، نزدیک به 40 درصد از این سنگها در حین فرآوری به ضایعات تبدیل میشود که فضای قابل ملاحضهای را در زمینهای اطراف کارخانهها اشغال می کنند. این ضایعات نه تنها موادی تجزیه ناپذیر هستند بلکه تأثیرات منفی و مخرب زیادی در محیطزیست و سلامت انسان دارند. استفاده از این ضایعات بهعنوان مواد جایگزین در صنایع مختلف یکی از راهکارهای جلوگیری از تخریب محیطزیست و حفظ سلامت انسان است. علاوه بر این تجزیه پلیمرها نیز که امروزه از جایگاه بالایی در صنعت برخوردار هستند نیاز به دوره چند صد ساله دارد و ایجاد راهکار برای کاهش استفاده از این مواد امری ضروری بهنظر میرسد. همچنین کشور ایران با توجه به کمبود منابع جنگلی و همچنین طرح صیانت از جنگلها، با مشکل جدی تامین مواد اولیه چوبی جهت تولید فرآوردههای مختلف لیگنوسلولزی مواجه میباشد. علاوه براین حفظ و حراست از محیطزیست نیز امری اجتناب ناپذیر است. بههمین دلیل بکارگیری گونههای تندرشد همچون پالونیا که طبق تحقیقات صورت گرفته با آب و هوای ایران سازگار و حجم چوبدهی بالایی دارد امری اجتناب ناپذیر به نظر میآید. بنابراین استفاده از پودر سنگ مرمر و پالونیا در چندسازههای چوب پلاست علاوه بر کمک به حفظ محیطزیست کمک شایانی به حفظ منابع طبیعی لینگوسلولزی خواهد بود و با انجام تحقیقات میتوان محصولاتی مطابق با استانداردهای تولید و با صرفه اقتصادی بالاتر تولید نمود.
تشكر و قدرداني
ضمن تشکر و قدردانی از سرکار خانم دکتر لعیا جمالی راد که زحمات بسیار زیاد و کمکهای شایانی در راستای نگارش این مقاله انجام دادند برای ایشان آرزوی سعادت و سربلندی میکنم.
مراجع
[1] Chen, H.C., Chen, T.Y. and Hsu, C.H., 2006. Effects of Wood Particle Size and Mixing Ratios of HDPE on the Properties of the Composites. Holz Roh Werkst, 64(3):172–177.
[2] Zhang, Z.M., Du, H. Wang, W.H. and Wang, Q.W., 2010. Property changes of wood-fiber/HDPE composites colored by iron oxide pigments after accelerated UV weathering. Journal of Forestry Research, 21(1):59–62.
[3] Pickering K.L., A, Abdalla. C, Ji. McDonald, A.G. and Franich, R.A., 2003. The effect of silane coupling agents on radiata pine fibre for use in thermoplastic matrix composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 34:915–926.
[4] Valadez-Gonzaleza, A., Cervantes-Uc, J.M. Olayo, R. and Herrera-Franco, P.J., 1999. Effect of fiber surface treatment on the fiber–matrix bond strength of natural fiber reinforced composites. Composites Part B: Engineering, 30:309–320.
[5] Lubomir Lapcik, J., Jindrova, P. Lapcikova, B. Tamblyn, R. Greenwood, R. and Rowson, N., 2008. Effect of the talc filler content on the mechanical properties of polypropylene composites. Journal of Applied Polymer Science, 110:2742–2747.
[6] Gwon, J.G., Lee, S.Y. Chun, S.J. Doh, G.H. and Kim, J.H., 2010. Effect of chemical treatments of wood fibers on the physical strength of polypropylene based composites. Korean Journal of Chemical Engineering, 27(2):651–657.
[7] Bakar, M.B.A., Leong, Y.W. Ariffin, A. and Ishak, Z.A.M., 2008. Effect of chemical treatments on the mechanical, flow, and morphological properties of talc-and kaolin-filled polypropylene hybrid composites. Journal of Applied Polymer Science, 110:2770–2779.
[8] Faruk, O., Bledzki, A.K. and Matuana, L.M., 2007. Microcellular foamed wood–plastic composites by different processes: a review. Macromolecular Materials Engineering, 292:113–127.
[9] Gwon, J.G., Lee, S.Y. Chun, S.J. Doh, G.H. and Jung Kim, H., 2011. Physical and mechanical properties of wood–plastic composites hybridized with inorganic fillers. Journal of Composite Materials, 43(6):1–7.
[10] Bilensoy, M., 2010. Utilization of the Marble Factory Powder Wastes, M.S. thesis, Institute of Sciences, Eskişehir Osmangazi University, Eskişehir, 239 p. (in Turkish)
[11] Şentürk, A., Gündüz, L. Tosun, Y.İ., and Sarıışık, A., 1996. Marble Technology, Tuğra Yayıincilik, Isparta, 83 p. (in Turkish)
[12] Lakhani, R., Kumar, R. and Tomar, P., 2014. “Utilization of Stone Waste in the Development of Value Added Products: A State of the Art Review,” Journal of Engineering Science and Technology Review, 7:180-187.
[13] Rana, A., Kalla, P. and Csetenyi, L.J., 2015. Sustainable use of marble slurry in concrete, Journal of Cleaner Production, 94:304-311.
[14] Klyosov, A.A., 2007. Wood-Plastic Composites. Willey-Interscience, A John Willey and Sons, Inc, Publicatin, 672 p.
[15] Lei, Y., Wu, Q. Clemons, C.M. Yoa, F. Xu, Y. and Lian, K., 2007. Properties of HDPE/Clay/Wood Technology, 27(2):108-155.
[16] Dundar, T., N. Ayrilmis, M. Akkus. and G. Ulay., 2016. Effect of the marble powder and wood powder content on the technological properties of thermoplastic composites. Department of Wood Mechanics and Technology, Forestry Faculty, Istanbul University, Bahcekoy, Sariyer, 34473, Istanbul, Turkey, 2:55-58.
[17] Tisserat, B., Reifschneider, L. Joshee, N. and L Finkenstadt, V., 2015. Evaluation of Paulownia elongata wood polyethylene composites. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 28(9):1301–1320.
[18] Otadi, F., 2001. Evaluation of growth and wood properties of Paulownia. Proceedings of the Second International Meeting on Forests and Industry, 2:1-18.
[19] Jimenez, L., Rodriguez, A., Ferrer, J.L., Perez, A. and Angulo, V., 2005. La Paulownia: una planta dera´pido crecimiento como materia prima para lafabricacio´n de papel. Afinidad, 62(516):100-105.
[20] Hosseini, S.Z. and Afra, E., 2006. A Study of Fiber Characteristics and Chemical Composition in Paulownia (Paulownia fortunei) of Gorgan Region. Iranian J, Natural Res, 58(4):871-877.
[21] Technical Properties of the Marble., 2009. Test report of Demirkayalar Marble Company, Denizli, Turkey.
[22] Khoda Bakhshian, A., Ghaleh Novi, M., and Asadi, E., 2016. Effects of the usage of the waste Marble powder and silica fume as partial replacement of cement on the mechanical properties of consrete. In: Civil Engineering Architecture and Urban Management. March.9-10. Tehran, Persian, p 1-18.
[1] Wood-plastic composites
[2] Modern Civilization
[3] Fertility Of Soil
[4] Morphology
[5] Hydrology
[6] Fine Air–Suspended Dust
[7] MAPE
[8] Lubricant
[9] Free radical polymerization
[10] Ziegler-Natta polymerization
بدون دیدگاه