استفاده از ضایعات پودری چوب در تولید کامپوزیت‌های چوب‌پلاستیک
امروزه با بالا رفتن سطح آگاهی افراد جامعه نسبت به استفاده از مواد دوستدار محیط زیست گرایش به سمت تولیداتی از این دست افزایش یافته است. به این ترتیب مردم و تولیدکنندگان به دنبال موادی هستند که از کمترین اثرات منفی بر محیط زیست برخوردار باشد. استفاده از کامپوزیت‌ها یکی از روش‌های کاهش فشار بر محیط زیست است. در این راستا بسیاری از تولیدکنندگان درصدد استفاده از ضایعات در کامپوزیت‌ها هستند. ضایعات پودری شکل چوب یکی از منابعی است که می‌تواند به عنوان ماده اولیه قابل بازیافت در تولید بیوکامپوزیت‌ها استفاده شود. در ادامه توجه شما را به نتایج استفاده از ضایعات پودری چوب در تولید کامپوزیت‌های چوب پلاستیک جلب می‌کنیم.
در حال حاضر با وضع قوانین دولتی و افزایش سطح آگاهی افراد جامعه نسبت به مسائل زیست محیطی تغییری اساسی در مسیر طراحی و ساخت مواد سازگار با محیط زیست ارائه شده است. در این میان بیوکامپوزیت‌ها بیش از هر ماده دیگری به عنوان مواد دوستدار محیط زیست مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. فیبرهای زیستی یا الیاف طبیعی معمولاً در ساخت بیوکامپوزیت‌ها به عنوان تقویت‌کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند. ماتریس (ماده زمینه) در بیوکامپوزیت‌ها معمولاً از جنس پلیمرهای تجزیه پذیر یا غیر قابل تجزیه می‌باشد که می‌توانند به جای منابع نفتی از منابع طبیعی استخراج شوند. کامپوزیت‌های چوب پلاستیک نمونه‌ای از این مواد هستند که از پودر چوب ساخته می‌شوند. کامپوزیت‌ها۱ از ترکیب دو ماده ساخته می‌شوند، با این هدف که ماده حاصل عملکرد بهتری از هر کدام از دو ماده تشکیل‌دهنده داشته باشد و در عین حال فاز اصلی این مواد حفظ شود. اتصال محکم بین الیاف و ماتریس (ماده زمینه) در ساخت کامپوزیت‌ها با ویژگی‌های مکانیکی بالا اهمیت بسیار زیادی دپودر. به دلیل عدم سازگاری بین چوب آسیاب شده آبدوست و پلیمر آبگریز، برای تولید کامپوزیت‌های چوب پلاستیک دو ماده‌ای که با هم ترکیب می‌شوند باید توسط عوامل جفت کننده تیمار شوند. اما قیمت بالای عوامل جفت کننده قابلیت تولید کامپوزیت‌های چوب پلاستیک را کاهش داده است. علاوه بر این عوامل جفت کننده مواد شیمیایی هستند که دوستدار محیط زیست نمی‌باشند. بنابراین تکنولوژی‌های جدید برای تولید مواد دوستدار محیط زیست از منابع زیست توده گسترش یافته‌اند.
دو روش اصلاح
اتصال سطحی در بیوکامپوزیت‌ها می‌تواند بوسیله دو روش بهبود یابد: در روش اول پلیمرها اصلاح می‌شوند و در روش دیگر پرکننده‌های زیست تخریب پذیر۲ برای افزایش ویژگی‌های آبگریزی تیمار می‌شوند. روش دوم شامل روش‌هایی از جمله تیمار کرونا۳، تیمار پلاسما۴ و حرارت‌دهی۵ است. تیمار پلاسما ساختار شیمیایی و ویژگی‌های سطحی الیاف طبیعی آبدوست را تغییر می‌دهد تا به آنها ویژگی آبگریزی داده و به این ترتیب اتصال سطحی آنها با پلیمر را بهبود بخشد. در این مطالعه برای تولید انبوه بیوکامپوزیت‌ها، پلاسما با فشار اتمسفر به جای پلاسمای خلأ استفاده شد. تولید بیوکامپوزیت‌ها در پلاسما با فشار اتمسفر یک فرآیند خشک است که مزایای بسیار زیادی دپودر از جمله آلودگی کم، صرفه جویی در مصرف انرژی و افزایش اتصال سطحی.
این روش همچنین نیاز به مواد خارجی را از طریق ایجاد واکنش‌های شیمیایی روی سطح پلیمر رفع می‌کند و در عین حال ویژگی‌های فیزیکی اصلی پلیمر نیز حفظ می‌شود. فرآیند پلاسما که معمولاً در خلأ انجام می‌شده هم اکنون در فشار اتمسفر انجام می‌شود و فرآیندهای پلاسما در فشار اتمسفر به دلیل کاهش هزینه تولید و کاهش مدت زمان فرآیند بسیار متداول شده‌اند و طرفداران بسیاری پیدا کرده‌اند. اخیراً کاربرد پلاسما با فشار اتمسفر بسیار گسترش یافته است. از طرف دیگر در فرآیندهای پلاسما در خلأ به دلیل تعداد کمتر الکترون‌ها و یون‌ها در خلأ در مقایسه با پلاسما در فشار اتمسفر مدت زمان بیشتری صرف می‌شود و همچنین این فرآیندها برای تیمار یکنواخت و پایدار با مشکلاتی مواجه هستند.
مطالعه روی اتصال سطحی
در مطالعه‌ای جدید تلاش شد تا از طریق اصلاح سطح ذرات آبدوست چوب، بیوکامپوزیت‌هایی با اتصال سطحی بیشتر بین چوب آسیاب شده و پلی پروپیلن که از گروه پلیمرهای آبگریز پلی اولفینی گرماذوب می‌باشد ساخته شوند. برای دستیابی به این هدف یک مخزن آزمایشگاهی ساخته شد. برای جابجا کردن چوب پودری شکل یک نقاله به این مخزن افزوده شد.
الکترودها در خارج مخزن نصب شدند به نحوی که پودر چوب بتواند جابجا شود و فرآیند پلاسما از طریق چرخش نقاله انجام شود. پیوستگی و قابلیت تولید خوبی بدست آمد. سطوح ذرات پودر چوب از طریق فرآیند پلاسما به ترتیب ذیل اصلاح می‌شوند:
ابتدا مولکول‌های گاز و الکترون‌ها در پلاسما با هم برخورد می‌کنند. زمانی که یک الکترون با یک مولکول XY برخورد می‌کند، یک الکترون از مولکول XY جدا می‌شود و مولکول یونیزه می‌شود. گاهی پیوند مولکول XY شکسته می‌شود و مولکول به X و Y تقسیم می‌شود. مولکول‌های تقسیم شده X و Y تمایل به واکنش با الکترون‌های آزاد دارند. این مولکول‌ها رادیکال یا از نظر شیمیایی فعال نامیده می‌شوند. از طریق واکنش‌های شیمیایی الکترون‌های یونیزه شده در اثر برخورد در پلاسما، ذرات پودری شکل چوب پوشش‌دهی می‌شوند و پراکنش در سطح افزایش می‌یابد.
پس از آن سطح ذرات پودری شکل چوب برای ایجاد خاصیت آبگریزی تیمار می‌شود. برای بررسی اثرات چنین تیمار سطحی مطالعاتی روی ضایعات پودری شکل چوب و چوب آسیاب شده انجام شد.
اگر اتصال سطحی بین ضایعات پودری شکل چوب و پلی پروپیلن بوسیله تیمار سطحی بهبود پیدا کند مقاومت بیوکامپوزیت‌های ساخته شده از ضایعات چوب افزایش می‌یابد و ضایعات پودری شکل چوب می‌توانند به عنوان یک ماده اولیه بازیافتی در ساخت کامپوزیت‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
تیمار پلاسما
در این روش دو نوع پودر چوب مورد استفاده قرار گرفت یک نوع پودر چوب بدست آمده از یک گونه چوبی (کاج نوئل) و دیگری پودر چوب حاصل از ضایعات چوب‌های ساختمانی بود. پودر چوب‌های بدست آمده از الک با مش ۸۰-۶۰ عبور داده شدند. پودر چوب قبل از تیمار به روش پلاسما در رطوبت کمتر از ۱% در خلأ خشک شد.
در تیمار پلاسما از هگزا متیل دی اکسین (HMDSO) برای اصلاح ویژگی‌های سطح پودر چوب برای ایجاد خاصیت آبگریزی استفاده شد. برای انتخاب مونومری که پودر چوب را از حالت آبدوست به آبگریز اصلاح می‌کند یک سری آزمایشات انجام شد. نوعی فیلم پلی اتیلن ترفتالات (PET) با استفاده از پرس ساخته شد. تیمار پلاسما با استفاده از پلاسمای خلأ انجام شد. مونومر مورد استفاده در این آزمایش تبخیر شد و سپس برای اصلاح سطح فیلم PET استفاده شد. ۱۰ میکرو لیتر آب و گلیسرول روی سطح فیلم ریخته شد و سپس زاویه تماس به روش قطره سیسیل اندازه‌گیری شد. به منظور بدست آوردن مقدار میانگین و انحراف معیار اندازه گیری زاویه تماس سه مرتبه تکرار شد.
در تیمار پلاسما، همراه با فشار اتمسفر برای اصلاح سطح پودر چوب، از هلیوم برای تولید پلاسما و گاز حامل استفاده شد. پودر چوب توسط یک قیف تزریق شد که بوسیله نقاله‌ای که در مخزن نصب شده بود جابجا می‌شد. پلاسمای تولید شده بین دو الکترودی که در اطراف مخزن قرار داشتند پودر چوبی را که توسط نقاله جابجا می‌شد تیمار کرد. در این زمان شرایط تیمار پلاسما ۳ کیلو ولت در فرکانس ۱±۱۷ کیلو هرتز بود. برای مخلوط کردن مکانیکی پودر چوب و پلی پروپیلن قرص‌ها در دمای ۲۱۰ درجه با سرعت ۱۸۰ دور در دقیقه با استفاده از یک اکسترودر دو مپودرون ساخته شدند.
مقدار پودر چوب در این بیوکامپوزیت‌ها به مقدار ۶۵% وزنی ثابت در نظر گرفته شد. پراکنش پودر چوب در پلی‌پروپیلن با انجام سه مرتبه اکستروژن افزایش یافت. قرص‌های ساخته شده به مدت ۲۴ ساعت در دمای ۹۰ درجه خشک شدند و سپس نمونه‌های مربوط به ارزیابی ویژگی‌های مکانیکی توسط ماشین قالب‌گیری تزریقی ساخته شدند.
آزمون کشش
آزمون کشش در سرعت ۵ میلی‌متر در دقیقه در دمای اتاق با استفاده از بار ۱۰۰ کیلونیوتن بر اساس استاندپودر ASTM D838 انجام شد و آزمون خمش با سرعت ۴/۳ میلی متر در دقیقه در دمای اتاق با اعمال بار ۱۰۰ کیلو نیوتن بر طبق استاندپودر ASTM D 790 انجام شد. مقاومت کششی کامپوزیت‌های ساخته شده از پودر چوب یک گونه ۵/۲۱ مگاپاسکال بود که ۲/۱۶ درصد بیشتر از کامپوزیت‌های ساخته شده از پودر ضایعات چوبی بود (۵/۱۸ مگاپاسکال). علت این که چرا مقاومت کششی کامپوزیت‌های ساخته شده از پودر ضایعات چوبی کمتر از کامپوزیت‌های ساخته شده از پودر چوب یک گونه بود وجود مواد خارجی در پودر ضایعات چوبی است. این مواد خارجی از مواد پوشاننده سطح و چسب‌های به کار رفته در مواد چوبی ساختمانی که پودر چوب از آنها تهیه شده نشأت گرفته‌اند.
مواد خارجی، بازیافت ضایعات چوب را دشوار می‌سازند. مقاومت پودر ضایعات چوب به منظور گسترش کاربرد آن باید بهبود یابد. برای افزایش مقاومت کامپوزیت‌های چوبی سطح پودر ضایعات چوبی باید تیمار شود.
نتایج مطالعه
نتایج آزمایشات نشان داد که مقاومت کششی پودر ضایعات چوبی بعد از تیمار سطحی توسط پلاسمای فشار اتمسفر، ۲/۲۱ مگاپاسکال بود که افزایش ۶/۱۴ درصدی نسبت به پودر ضایعات چوبی بدون تیمار داشت. پودر چوب تیمار شده یک گونه چوبی نیز افزایش مقاومت کششی را نشان داد. این نتایج تأیید کرد که تیمار پلاسمای فشار اتمسفری در اصلاح سطح پودر چوب موثر است. مدول کششی پودر چوب یک گونه بیشتر از مدول کششی پودر ضایعات چوبی بود و در هر دو مورد تیمار پلاسما منجر به افزایش مدول کششی شد. مقاومت خمشی کامپوزیت پودر چوب یک گونه ۱/۴۱ مگاپاسکال بود که ۲/۱۴ درصد بیشتر از مقاومت خمشی کامپوزیت ساخته شده از پودر ضایعات چوبی بود (۳۶ مگاپاسکال).
همچنین مشاهده شد که مقاومت خمشی کامپوزیت‌های ساخته شده از پودر ضایعات چوبی اصلاح شده با تیمار پلاسما در فشار اتمسفر، ۶/۳۹ مگاپاسکال بود که افزایش ۷/۹ درصدی نسبت به پودر ضایعات چوبی تیمار نشده داشت.
به علاوه مدول خمشی در مورد پودر چوب یک گونه نیز افزایش یافت. در مورد کامپوزیت‌های ساخته شده از پودر چوب بدون تیمار در حد فاصل بین پودر چوب و پلیمر حفراتی مشاهده شد اما در مورد کامپوزیت‌های ساخته شده از پودر چوب تیمار شده با پلاسما چنین حفراتی مشاهده نشدند. این نتایج نشان داد که سطح آبدوست پودر چوب به حالت آبگریز اصلاح شده که این امر به بهبود اتصال داخلی آن با پلیمر که ماده‌ای آبگریز است کمک کرد. نتایج آزمون‌های مقاومت کششی و خمشی نیز همین روند را تصدیق کردند.
پی‌نوشت
۱٫ کامپوزیت ماده مرکب یا چندسازه به ماده‌ای اطلاق می‌شود که از دو فاز ماتریس و تقویت کننده تشکیل شده باشد و از فاز دوم حداقل به اندازه ۵ درصد استفاده شده باشد. به ترکیب ماتریس با الیاف (یا ماده تقویت کننده) زیر ۵ درصد کامپوزیت گفته می‌شود. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس و تقویت کننده تشکیل شده‌است. ماتریس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می‌دارد. تقویت‌کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می‌شود. به طور کلی تقویت‌کننده می‌تواند به صورت فیبرهای کوتاه و یا بلند و پیوسته باشد.
۲٫ واژه «زیست‌تخریب‌پذیر» بدین معناست که ساختار یک ماده می‌تواند توسط میکرو‌ارگانیسم‌های موجود در طبیعت شکسته شده و به مواد ساده تری تبدیل شود و در نتیجه برای همیشه در طبیعت باقی نماند.
ماهنامه تخصصی صنایع چوب و مبلمان ایران شماره ۹۴ – فروردین و اردیبهشت ۱۳۹۴
منبع: FDM ASIA Magazine
نویسنده: MiMi Kim ، Heung Soo Kim و Joong Yeon Lim از دانشگاه Dongguk سئول
مترجم: مهندس بیتا معزی‌پور
