نانوتکنولوژي و چوب پلاست

پتانسیل‌هاي استفاده از نانوتکنولوژي در صنایع چوب پایه چوب پلاست

نانوتکنولوژي از پتانسیل هاي براي استفاده در صنایع چوب و کاغذو چوب پلاست برخوردار است که می­توان آنها را به ترتیب زیر خلاصه نمود؛ تولید فرآورده­هاي هوشمند چوب پایهماننده چوب پلاست ها و یا و کاغذ پایه که در بردارنده مجموعه­اي از نانو حس­­گرها بوده و می­توان از آنها در ساخت تجهیزات الکترونیکی خاص براي اندازه­گیري نیرو، بارگذاري، رطوبت، فشار، دما، بروز فعل و انفعالات شیمیایی، و آغاز حمله قارچ‎هاي پوسیدگی چوبو چوب پلاست استفاده نمود. با شناسایی و بهره­گیري از پتانسیل­هاي نانوتکنولوژي می‎توان به پیشرفت‎ها و تحولات بزرگی در فرآیندهاي تولید  چوب پلاست، کاغذ و دیگر محصولات سلولزي نائل شد. کاهش چشمگیر در حجم آب مصرفی در طی فرآیندها و نیز حذف عملیات مکرر مرطوب­سازي مواد در طول فرآیند، کاهش میزان مصرف انرژي در بخش خشک­کن­ها، و فرآهم نمودن امکان دسته‎بندي و جداسازي بسیار دقیق دسته­هاي الیاف، و ذرات الیاف که منجر به افزایش چشمگیر در راندمان و کیفیت فرآیند می­شود؛افزایش مقاومت های فیزیکی و مکانیکی چوب پلاست های از جمله تحولات و پیشرفت‎هایی هستند که با به کارگیري تکنولوژي نانو در صنایع سلولزيو چوب پلاست می­توان به آنها دست یافت. همچنین استفاده از فناوری نانو در صنایع چوب و کاغذ سبب کارآمدی چوب، کامپوزیت­های چوب پلاست و خمیر و کاغذ شده و کارآیی فرایندهای تولید محصولات و هر آنچه که به توسعه پایدار و حیات صنایع محصولات چوب و کاغذ منجر می­شود را بهبود می‎بخشد. با فناوری نانو می­توان کاهش اساسی در مقدار مصرف ماده اولیه و انرژی ایجاد کرد و محصولات با کارایی بالاتر و قیمت کمتر و رقابتی­تر روانه بازار کرد. همچنین تاثیرات منفی زیست محیطی فرایندهای و محصولات لیگنوسلولزی کمتر خواهد شد. به طور کلی نانو تکنولوژی می­تواند صنعت لیگنوسلولزی را ار یک صنعت منبع پایه به دانش پایه تغییر دهد.

نانو کامپوزیت‌های پلیمری

این نوع کامپوزیت­ها دارای زمینه آلی (پلیمری) و فاز دوم غیرآلی (سرامیکی یا فلزی) در ابعاد نانومتر است و بیشتر تحت عنوان هیبریدی آلی-غیر آلی شناخته می­شوند. یکی از مهمترین و رایج‌ترین نانو کامپوزیت­ها، پلیمر-سیلیکات­های لایه­ای است. این نانو کامپوزیت­ها به علت ویژگی‌های مطلوبی که دارد، توجه صنعت و محققان را به خود جلب کرده­اند. از آنجایی که واکنش‌های درونی پلیمر در هنگام مخلوط شدن با یک سیلیکات لایه­ای تقریباً شناخته شده است، نانو کامپوزیت­های پلیمر-سیلیکات لایه­ای پیشرفت سریعی داشته­اند (دلشاد خطیبی و همکاران، 1385).

اجزا در نانو کامپوزیت چوب پلاست

علاوه بر خواص تک تک اجزاء در یک نانو کامپوزیت،بطور مثال نانو کامپوزیت چوب پلاست فصل مشترک­ها نیز نقش مهمی در افزایش یا محدود کردن خواص کلی سیستم ایفا می­کنند. با توجه به بالا بودن سطح در نانو ساختارها، نانو کامپوزیت­ها فصول مشترک بسیاری بین فازهای ترکیب شده اجزاء نشان می­دهند. گاهی اوقات ویژگی‎های مخصوص مواد نانو کامپوزیتی، از برخورد فازهای آن در فصل مشترک­ها ناشی می­شود. یک مثال بسیار خوب از این پدیده،  رفتار مکانیکی کامپوزیت­های پلیمری نانو لوله ها است. اگر چه افزودن نانو لوله­ها می­تواند باعث استحکام پلیمر شود (به علت خواص مکانیکی عالی نانو لوله ها)، یک فصل مشترک بدون فعل و انفعال، تنها می­تواند مناطق ضعیفی را در کامپوزیت ایجاد کند، که باعث می­شود خواص مکانیکی آن افزایش نیابد (دلشاد خطیبی و همکاران، 1385).

نانو خاک رس در چوب پلاست

در ساخت این گونه نانو کامپوزیت­ها دو اصطلاح وجود دارد که برای بیان دو دسته نانو مورفولوژی مورد استفاده قرار می­گیرد. این اصطلاحات عبارتند از : Delaminated و Intercalated. Intercalated به ساختار چند لایه، منظم و خود ساخته اشاره دارد که طی آن زنجیرهای طولانی پلیمر به درون فضای آزاد دو تا سه نانومتری بین لایه­ای سیلیکات نفوذ می­کند. اما ساختار Delaminated هنگامی حاصل می­شود که لایه­های سیلیکات نزدیک هم نبوده و امکان اندرکُنش با کاتیون­های لایه‌های مجاور وجود نداشته باشد. در این حالت فضای بین لایه­ای در حدود شعاع ژیراسیون می‌باشد. لذا می­توان چنین تصور کرد که سیلیکات درون فاز آلی توزیع شده است. در این نوع ساختار لایه­های سیلیکات از نظم کمتری برخوردار است. در یک ماده زمینه پلیمری هر دو ساختار به طور همزمان می­توانند حضور داشته باشند (علینژاد و گلی، 1386).‌

نوع نانو رس مصرفی در چوب پلاست

برای انتخاب رس به عنوان یک ماده تقویت­کننده در یک چندسازه ماننده چوب پلاست، باید مواردی مثل نوع رُس، اندازه ذرّات رس، میزان سازگاری آن با رزین (ماده پلیمری) و نیز میزان تقویت­کنندگی آن مورد توجّه قرار گیرد. در نانوچندسازه­های چوب پلاست با توجّه به این مطلب که هدف از تهیّه این مواد بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی است، سعی می­شود که رُسی انتخاب شود که بهترین خواص مکانیکی و حرارتی را ارائه دهد. با توجّه به این مطلب و با توجّه به تنوّع ساختمانی رُس­های موجود در طبیعت، تحقیقات نشان می­دهد که رس­های مونت ­موریلونیت و میکا بهترین ساختمان و خواص را برای استفاده در نانوچندسازه­های چوب پلاست دارند.

به عنوان مثال، مونت ­موریلونیت در مقایسه با سایر رس­ها، پیوندهای قوی­تری با زنجیره­های پلیمری ایجاد می­کند و همین باعث می­شود که نانوچندسازه حاصل دارای خواص بهتری باشد. معروف­ترين و پرکاربردترين سيليکات­هاي لايه­اي (رُس­ها) سه نوع‎اند: کائولينيت، مونت موریلونیت و ايليت (هيدروميکا). این مواد داراي ترکيب شيميايي مختلفي هستند: کائولينيت داراي مقادير بالايي از آلومينا است، در حالی­ که مونت ­موریلونیت دارای مقدار کمي از آلومينا و مقدار زيادي از سيليکا مي‎باشد. ترکيب شيميايي سيليکات ­هاي لايه­اي يک پارامتر مهم براي کاربردهاي آنها مي­باشد و به عنوان شاهدي مهم براي آناليز شيميايي به منظور شناسايي نوع آنها است.

پژوهش ها در نانوتکنولوژي و چوب پلاست

در سال­های اخیر نانو ذرات در زمینه افزودنی‎های پلاستیک­ها، بطور کلی چندسازه­ها و به ویژه چوب پلاست ها معرفی شده­اند. نانو ذرات در حالت معمولی به مقدار کمتر از 10% و گاهی 2 تا 5 درصد به کار می­روند (محراب­زاده و کمال 1388؛ ابراهیمی و رستم­پور 1389؛ هتزر و دِ کی 2008؛ نوربخش و عشوری 2009؛ بوردس و همکاران 2009). استفاده از این نوع تقویت­کننده‎ها (ذرات نانو رُس) با توجه به افزایش قابل توجه ویژگی­های مکانیکی در مقابل مصرف کم این نوع مواد، می‎تواند راه­گشای آینده بسیاری از صنایع و کامپوزیت­های جدید باشد. در دهۀ اخیر استفاده از تقویت­کننده­ها در ماتریس پلیمری و همچنین محصولات چوب پلاست توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است.‌

وانگ و همكاران (2001)، اظهار داشتند كه تأثير پركننده ذرات نانو رُس بر خصوصيات كامپوزيت‌های چوب پلاست به شكل، اندازه، ضريب ظاهري، نوع، مقدار و كيفيت پراكنده شدن ذرات و چسبندگي آنها در سطح اتصال بستگي دارد. همچنين بيان كردند كه افزودن مقادير اندك ذرات نانو رُس موجبات بهبود خواص مكانيكي، حرارتي و ثبات ابعاد در كامپوزيت­ها چوب پلاست را فراهم مي­سازند‌.

وان و همكاران (2005)، خصوصيات ريخت­شناسي و مكانيكي-گرمايي كامپوزيت­هاي تقويت شده با ذرات نانو رُس را مورد مطالعه قرار دادند و به اين نتيجه رسيدند كه اين پركننده­ها به علت تشكيل ساختار لايه لايه­اي و ساختار بين لايه­اي موجب پراكنش بهتر ذرات در ماتريس پليمري شده و در نهايت مدول كششي، مقاومت كششي و سختي كامپوزيت افزايش مي­يابد.

در پژوهش دیگری که توسط یه[1] و همکاران (2005) صورت گرفت، نتایج نشان داد که افزودن نانو رُس به چوب پلاست موجب افزایش مدول یانگ از  GPa3/2 به GPa 8/3 می­شود.

وانگ[2] و همکاران (2006)، مطالعه­ای بر روی خواص مکانیکی، پایداری حرارتی ‌و کریستالیزاسیون نانوچندسازه­های پلیمر-رس انجام دادند. پلیمر از نوع پلی­اتیلن ­ترفتالات­ و نانو رُس از نوع مونت‎موریلونیت اصلاح شده با مواد آلی بود که به روش مخلوط مذاب با هم ترکیب شدند. در این حالت سرعت کریستالیزاسیون نانوچندسازه بطور معنی­داری افزایش یافت. موقعی که 1% نانو رُس به چندسازه افزوده شد، مقاومت کششی 25% افزایش پیدا کرد و همچنین دمای شروع تخریب حرارتی و دمای تغییر شکل یافتن چندسازه به ترتیب به میزان 12 و 35 درجه سلسیوس افزایش یافتند.

چادهاري[3] و همكاران (2006)، نتيجه گرفتند كه بالاترين مقدار مقاومت خمشي كامپوزيت­هاي پليمري تقويت شده با پركننده نانو رُس به هنگام استفاده از 2% پركننده حاصل گرديد و نتايج تحليل ديناميكي- مكانيكي نشان دهنده بهبود خواص مكانيكي-گرمايي كامپوزيت­ها تحت تأثير پركننده نانو رُس مي‌باشد. همچنين بيان كردند كه به هنگام اضافه نمودن ذرات نانورُس به مقدار 2% ، دماي انتقال شيشه­اي كامپوزيت به ميزان ^oc 9 افزايش مي­يابد.

وو[4] و همكاران (2007)، دريافتند كه با اضافه نمودن تنها 2% پركننده ذرات نانورُس به نانو كامپوزيت چوب پلاست حاصل از آرد چوب كاج و پلي اتيلن سنگين(HDPE) ،  مقاومت خمشي از 4/19% به 24% و مقاومت كششي از 8/11% به 13% افزايش مي­يابد، در صورتي كه مقدار جذب آب و واكشيدگي ضخامت به ميزان 7-5% كاهش مي­يابد.

تكيه معروف و باقري (1386)، اثر وجود خاك رُس اصلاح­شده بر كارايي مكانيكي رزين اپوكسي را مورد مطالعه قرار دادند. در این پژوهش مطالعات به روش پراش پرتو X و ميكروسكوپي الكترون عبوري نشان مي­دهد كه توزيع خاك رُس اصلاح­شده در زمينه پليمري از نوع بين لايه­اي است. بررسي نتايج آزمون­هاي مكانيكي نیز نشان دادند كه وجود خاك رُس اصلاح شده در زمينه اپوكسي موجب افزايش استحكام تسليم فشاري، مدول كششي و چقرمگي شكست نانوكامپوزيت نسبت به اپوكسي خالص مي­شود. با بررسي­هاي ميكروسكوپي نيز مشخص شد كه سازوكار افزايش چقرمگي اين نوع نانوكامپوزيت­ها ناشي از انحراف ترك، تشكيل سطوح جديد و شكست توده­هاي خاك رُس است.

کفاشی و همکاران

(1386)، نحوه پراکنش خاک رُس اصلاح شده در پلیمر PTMEG که یکی از پلی‌ال­های رایج به عنوان ماده اولیه در صنعت پلی‌یورتان است را مورد مطالعه قرار دادند. این بررسی در سه مقیاس نانو، میکرو و ماکرو به ترتیب با استفاده از آزمایش­های تفرق پرتو X، رئومتری و مشاهده ظاهری برای سه نوع خاک رُس کلویزیت A۱۰ ،A۹۳ و B۳۰ انجام شد. نتایج آزمایش‎های تفرق پرتو X نشان داد که فاصله بین لایه­ها در هر سه نوع خاک رُس اصلاح شده پس از افزودن پلی ال افزایش می­یابد، ولی این افزایش در مورد کلویزیت B۳۰ بیشتر از دو نوع دیگر است. نتایج آزمایش­های رئومتری نیز نشان می­دهد که کلویزیت B۳۰ نسبت به دو نوع دیگر ساختار محکم­تری در پلی ال ایجاد می­کند. همچنین، مشاهده ظاهری پایداری تعلیق­های مختلف تایید کرد که تعلیق کلویزیت B۳۰ در پلی ال پایدارتر است.

[1]– Yeh

[2]– Wang

[3]– Chowdhury

[4]– Wu