چوب پلاست و چوب پلاستیک

بررسی تاثیر نوع فرایند اختلاط بر خواص فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست نرمه ام دی اف-پلی­ پروپیلن

پژوهش: آرش چاوشی

بخش اول

(این پژوهش در 3 بخش ارائه میگردد و ترتیب خواندن اهمیت دارد)

هدف از این پژوهش بررسی تاثیر روش اختلاط ذوب-مخلوط و خشک-مخلوط بر خصوصیات فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست نرمه MDF-پلی‌پروپیلن می­باشد. بدین منظور از پلی­پروپیلن (PP) با شاخص مذاب min10/ g18 به عنوان ماده ترموپلاستیک و نرمه سمباده­زنی MDF در سه سطح (40%، 50% و 60% وزنی) به عنوان ماده لیگنوسلولزی و همچنین از مالئیک اندرید پیوند داده شده با پلی­پروپیلن (MAPP) به میزان 4% وزنی به عنوان عامل جفت­کننده استفاده شد. نمونه‎های چوب پلاست با دانسیته اسمی gr/cm31 در ابعادcm 1×cm20×cm30 تهیه شدند که از دو روش اختلاط ذوب-مخلوط و خشک-مخلوط استفاده شد.

سپس نمونه‌های ساخته شده برای تعادل رطوبتی به مدت 3 هفته در محیط قرار داده شدند. پس از آن خصوصیات مکانیکی نمونه‌های چوب پلاست بر اساس استاندارد (CEN/TS15534–1:2007) و خصوصیات فیزیکی مطابق با آیین­نامهD-1037  استاندارد ASTM مورد ارزیابی قرار گرفتند. در پایان نتایج نشان داد که با افزایش سطوح وزنی نرمه MDF، میزان مقاومت­های مکانیکی کاهش و میزان خواص فیزیکی افرایش یافته‎اند. همچنین نتایج نشان داد که خواص فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست ها در روش ساخت ذوب-مخلوط نسبت به خشک-مخلوط مطلوب­تر بودند. نتایج تصاویر FE-SEM نشان داد ترکیب فاز پلیمری و فاز پرکننده در روش ساخت ذوب-مخلوط بهتر صورت گرفته است.

کلمات کلیدی: چوب پلاست، نرمه MDF، خواص فیزیکی و مکانیکی، روش ساخت، FE-SEM – پلاستو وود

  1. مقدمه فراورده چوب پلاست

چوب پلاست ­ها مواد نسبتاً جدیدی هستند که توجه قابل ملاحظه­ای را در سال­های گذشته بدست آورده‌اند (Valente et al., 2011). موادی که هم اکنون به عنوان چوب پلاست شناخته شده­اند نخستین بار در دهۀ 1960 با نام ترکیبات قالبی گرماگیر ظهور پیدا کردند (A.Klyosov, 2007).

چوب پلاست­های چوب/الیاف طبیعی-پلاستیک توسعه­ی منحصر به فردی می­باشند؛ که به عنوان گروهی نو ظهور از مواد تجدیدپذیر بر اساس عملکرد، فراورش و نوآوری در طراحی محصول می­باشند که در ایالات متحده امریکا از سال 1970 محبوبیت یافته‎اند (Crookston, et al., 2011). به تازگی علاقه به مواد کامپوزیتی تقویت شده با آرد چوب و الیاف طبیعی به نحو قابل توجهی افزایش یافته است.

این گونه مواد مزایای مختلفی را ارائه می­دهند: آرد چوب از منابع طبیعی به دست آمده­، به راحتی در دسترس است، سبک و ارزان است و می­توان آن را به ماتریس مواد اولیه در مقادیر زیاد افزود، که مقرون به صرفه است (Dominkovics, et al., 2007). چوب و پلاستیک (بکر یا بازیافتی) با انواع مختلف، درجه­ها، اندازه­ها و شرایط مختلف، مواد اصلی مورد استفاده در تولید چوب پلاست هستند (El-Haggar, et al., 2011). استفاده از مواد پایه چوبی در چوب پلاست، مانند آرد چوب و الیاف چوب، به عنوان تقویت‎کننده ترموپلاستیک­ها علاقه قابل توجهی را در طول دهه گذشته به دست آورده است.

در کامپوزیت های چوب پلاست الیاف چوبی چندین مزایا نسبت به تقویت­کننده­های مرسوم اعم از فراوانی، قابلیت تجدید شوندگی، وزن مخصوص کم، استحکام بالا و سختی و هزینه نسبتا کم دارد (Bengtsson et al., 2007). Adhikary و همکاران (2008)، اظهار داشتند که مقدار زیادی از ضایعات چوب توسط صنایع چوب در مراحل مختلف پردازش چوب­ها تولید می­شود که اغلب در محل­های دفن زباله دور ریخته می­شوند (Adhikary, et al., 2008). از طرف ديگر استفاده از ضايعات بخش­هاي مختلف صنايع چوب و پسماندهاي كشاورزي با توجه به کمبود مواد اولیه بسيار حائز اهميت است.

استفاده از ضايعات كارخانجات صنايع چوب در ساخت مواد مركب چوب-پلاستيك نه تنها باعث كاهش هزينه­هاي توليد بلكه باعث رفع مشكل واحدهاي صنايع چوب از نظر انباشت و دفع اين ضايعات مي­باشد. در توليد محصولات چوبي ساليانه مقدار زيادي ضايعات چوبي ايجاد مي‎شود (امريكا در حدود 63 ميليون تن در سال 2002) كه استفاده از اين ضايعات در توليد، باعث پايين آمدن قيمت تمام شده محصول مي­شود (Kamal et al., 2008). به عنوان مثال در كارخانه صنايع آرین سینا (ایران) كه تخته MDF تولید مي­كند روزانه حدود 30 تن نرمه سنباده توليد مي‌شود.

پذیرش گسترده­ای از چندساره­های چوب-پلاستیک از سوی بازار جهانی با توجه به کاهش هزینه­ها، کاهش وزن، خواص برتر نسبت به چوب و پلاستیک به تنهایی، قابلیت بازیافت، قابلیت انطباق با تکنیک‎های موجود فراوری پلاستیک و مهمتر از همه انگیزه­های صنایع پیش رو برای محصولات سازگار با محیط زیست شده است (Singh & Mohanty 2007).

راه­های مختلفی به منظور بهبود خواص کلی پانل­های چوب پلاست وجود دارد، که می­توان به اندازه مناسب مواد خام، مخلوط کردن بهینه، آماده­سازی عناصر محصول و اضافه کردن مقادیر کمی از مواد افزودنی اشاره کرد (Wechsler & Hiziroglu, 2007). همچنین عملکرد چوب پلاست را می­توان با کنترل مواد خام مورد استفاده (نوع و مقدار چوب و پلیمرهای گرمانرم)، فراورش و مواد افزودنی بهینه­سازی کرد (Rocha et al., 2009). بطورکلی رایج­ترین روش‎های مورد استفاده برای تولید پلاستیک و الیاف چوبی زمینه پلاستیکی، اکستروژن و قالبگیری تزریقی (IM) می­باشد (Migneault et al., 2009).

از بين روش‎هاي ياد شده پرس گرم روشي است كه با استفاده از آن مي‎توان تخته‎هايي با ابعاد بزرگ، دانسيته متفاوت، مصرف بالاي مواد ليگنوسلولزي و نيز در حجم زياد توليد كرد .در روش پرس گرم مي­توان از ضايعات ليگنوسلولزي با ابعاد متفاو­تي استفاده كرد.

در اين روش، پلاستيك و پركننده ليگنوسلولزي ممكن است به دو روش مخلوط گردند، ذوب-مخلوط و خشك-مخلوط. در نوع اول، پلاستيك در درجه حرارت بالا ذوب شده و در حالت مذاب با پركننده سلولزي مخلوط مي­شود. در اين روش به تجهيزات مخصوص اختلاط نياز مي‌باشد (ماننده دستگاه اکسترودر). در روش دوم، پلاستيك (ترجيحاً بصورت پودر) با پركننده سلولزي در يك مخلوط­كن معمولي و درجه حرارت محيط مخلوط مي­شوند و به تجهيزات ويژه و گران قيمت نيازي نيست.

پیشینه پژوهش در مورد چوب پلاست

Yeh و Gupta (2008)، اظهار داشتند در حالی که تغییر متغیرهای فرآوری اکستروژن به میزان قابل توجهی استحکام کششی و مدول فراورده چوب پلاست را تحت تاثیر قرار نمی­دهد، بر رفتار جذب رطوبت موثر می­باشد. همچنین اظهار داشتند در این چوب پلاست ها که نرخ جذب رطوبت زمانیکه شرایط آمیختگی شدیدتری بکار گرفته شود، کاهش می­یابد. زیرا این عمل سبب از دست رفتن ترکیبات آلی آبدوست فرار موجود در چوب پلاست می­شود (Yeh & Gupta, 2008).

در مطالعه­ای دیگر Yeh و همکاران (2009)، فرآیند تولید چوب پلاست چوب-پلاستیک را به دو بخش اصلی تقسیم کردند. بخش اول شامل ترکیب مواد با استفاده از یک اکسترودر دو ماردونه بود و بخش دوم برای به دست آوردن پروفیل­هایی از طریق اکسترودر تک ماردونه و یا استفاده از قالب‎گیری تزریقی برای به دست آوردن یک محصول مشابه در ظاهر و خواص با چوب (Yeh et al., 2009). در پژوهشی Michaeli و Menges فرایند اکسترود کردن و قالب­گیری تزریقی (IM) را با استفاده از پارامترهای فرایندی تعریف شده از جمله زمان ماند، درجه حرات، فشار، سرعت برشی، تنش برشی و سرعت سرد شدن با هم مقایسه کردند.

صرف نظر از داده‎های فرایندی استفاده شده، فشار و برش در قالب گیری تزریقی (IM)، به طور معنی­داری بالاتر از آن در فرایند اکسترود کردن بودند. همچنین محققین لایه­های بسیار جهت­داری در مواد ترموپلاستیک تقویت­شده با الیاف کوتاه غیر آلی ساخته شده به روش قالب­گیری تزریقی (IM) مشاهده کردند. به هنگام شکل­دهی، این لایه­ها الیاف را در یک جهت خاص تنظیم می­کنند: در لایه­های بیرونی، الیاف در جهت جریان اصلی، جهت­دار هستند در حالی که در لایه داخلی (مرکزی)، در جهت جریان عمودی قرار می­گیرند. با این وجود، با اکسترود کردن، پارامترهای ساختاری همچون جهت­گیری و لایه­های مرزی کمتر قابل تشخیص (تمایز) بودند (Michaeli & Menges, 1989).

Migneault و همکاران (2009)، در پژوهشی به بررسی نقش­های روش فرایند تولید و اندازه الیاف مصرفی بر ویژگی­های فراورده چوب پلاست پرداختند. چوب پلاست­ها با استفاده از روش اکسترودر و قالب­گیری تزریقی (IM)، و الیاف با ضریب لاغری (L/D) مختلف ساخته شدند. نتایج نشان داد که روش قالب­گیری تزریقی (IM)، دارای ویژگی­های مکانیکی بهتر و جذب آب و واکشیدگی کمتری نسبت به روش ساخت اکسترودر بودند. این تفاوت­ها را می­توان از طریق ساختار و کیفیت سطح چوب پلاست­ها تشریح کرد. این نتایج درک بهتری از روابط بین نوع فرایند تولید، ویژگی­های الیاف و رفتار چوب پلاست را فراهم می­آورد (Migneault et al., 2009).

Starkو همکاران، فراورده چوب پلاست (پلاستو وود) قالب­گیری تزریقی (IM) و اکسترود شده ساخته شده با 50 درصد وزنی آرد چوب کاج پاندورا[1] و ماتریس پلی­اتیلن دانسیته بالا (HDPE) را با هم مقایسه کردند. مدول­های الاستیسیته (MOE) چوب پلاست‎های ساخته شده در هر دو روش، مشابه بودند. با این وجود، فرایند قالب­گیری تزریقی (IM)، مدول گسیختگی (MOR) بیشتری از روش اکسترود کردن نشان دادند. نویسندگان بر این عقیده هستند که نمونه­های قالب­گیری تزریقی (IM) با دانسیته بالاتر، تماس بیشتری بین ماتریس پلی­اتیلن دانسیته بالا (HDPE) و آرد چوب و متعاقب آن ویژگی­های مکانیکی بالاتر دارند.

تماس بین وجهی بهبود یافته، از انتقال تنش موثر بین ماتریس و ذرات چوب ایجاد شده در مقاومت افزایش یافته، ناشی می­شود. همچنین مشاهده کردند که سطوح نمونه­های قالب‎گیری تزریقی (IM) غنی از پلیمر است در حالی که الیاف چوبی در سطح نمونه­های اکسترود شده ظاهر شدند (Stark et al., 2004). در مطالعه دیگری، Stark، جریان پلیمری در سرتاسر ذرات چوب در سطح نمونه­های چوب پلاست‎های قالب‎گیری تزریقی (IM) را مشاهده کرد. در حالی که پلیمر نتوانسته بود ذرات چوب را روی بسیاری از نواحی سطح فراورده چوب پلاست اکسترود شده کپسوله کند (Stark ., 2006).

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید