فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 20، بهار 91

بررسی واکشیدگی ضخامت کامپوزیت ساخته شده از آرد چوب راش- پلی پروپیلن

شکوه اعتدالی شهنی [1]

بهبود محبی[2]^*

mohebbyb@modares.ac.ir

مهدی تجویدی [3]

چکیده

با توجه به محدودیت منابع جنگلی، کمبود چوب در کشور و به تبع آن حجم بالای واردات چوب، الوار، انواع صفحات فشرده و حتی فراورده‌های چوبی که در سال های اخیر نیز شدت یافته است، چند سازه های چوب-پلاستیک در بسیاری از موارد می‌توانند جایگزین مناسبی برای چوب باشند؛ باتوجه به مسایل زیست محیطی، بازیافت دورریزهای مواد مختلف به طور روز افزونی در سطح جهان رو به گسترش است. این الیاف به راحتی به چرخه طبیعت باز می‌گردند و از قیمت بسیار پایین‌تری نیز برخوردار هستند.

این بررسی به منظور نشان دادن کاهش میزان تغییرات واکشیدگی ضخامت و افزایش ثبات ابعادی کامپوزیت چوب پلاستیک در درصدهای مختلف پلاستیک و آرد چوب در دو روش ساخت اکستروژن و پرس گرم انجام شده است.

در این تحقیق تخته­های چوب پلاستیک با دانسیته اسمی g/cm³ 1 و ابعاد اسمی 1×35 ×35 سانتی­متر از آرد چوب راش (ضایعات کارگاه چوب بری) و پلی­پروپیلن با نسبت 40، 50 و 60 درصد الیاف ساخته شدند. برای  نشان دادن میزان تغییرات واکشیدگی ضخامت و افزایش ثبات ابعادی کامپوزیت چوب پلاستیک، از درصدهای مختلف پلاستیک و آرد چوب ساخته شده با دو روش اکستروژن و پرس گرم استفاده شد. نتایج نشان دادند که میزان واکشیدگی ضخامت حداکثر نمونه چوب پلاستیک با افزایش درصد الیاف از 40 به 60 درصد افزایش می­یابد. علاوه بر این، با افزایش درصد الیاف تخته­های چوب پلاستیک، در زمان کوتاه تری به اشباع می­رسند. هم چنین  نمونه‌های ساخته شده با روش پرس گرم از واکشیدگی بیشتری برخوردار بودند. 

واژه‌های کلیدی: ضایعات، کامپوزیت چوب پلاستیک، واکشیدگی ضخامت، و روش ساخت اکستروژن و پرس گرم.

مقدمه

با نگاهی به وضعیت جنگل های شمال کشور که تنها 5/7% از مساحت کشور را در برمی گیرند و عنایت به این که جنگل های شمال با همین وضعیت بغرنج هنوز اصلی‌ترین منبع داخلی تامین چوب آلات و مواد اولیه فراوردهای چوبی و کاغذی هستند؛ حساسیت و آسیب پذیری آن به وضوح نمایان می‌گردد.  لذا لزوم یافتن جایگزینی مناسب و اتکا به سایر منابع و مواد برای صنعت چوب خود هر چه بیشتر احساس می‌شود  (1، 2). کمبود منابع جنگلی و چوبی در کشور ما حقیقتی تلخ و انکار ناپذیر است و به تبع آن کاهش ظرفیت تولید و حتی در موارد متعددی تعطیلی کارخانه­های صنایع چوب را در سال های اخیر در پی داشته است. بر اساس مطالعات صورت گرفته، ارزش زیست محیطی جنگل ها تا 400 برابر ارزش آن ها در تولید چوب است (3).

با توجه به محدودیت کمی منابع چوبی و مواد پلاستیک، و رشد روزافزون تقاضای مصارف صنعتی و ساختمانی به مواد اولیه با کیفیت و طول عمر بیشتر و هم چنین  توجه به جنبه های نو آوری محصول و اثرات زیست محیطی می توان از مواد کامپوزیت چوب-پلاستیک به عنوان  یک تکنولوژی پیشرونده و قابل توسعه نام برد.

مواد مرکب چوب پلاستیک[4] که به اختصار «WPC»، گروه جدیدی از مواد هستند که در بسیاری از کشورهای پیشرفته و در حال توسعه در حال تولید و گسترش هستند. این مواد دارای ویژگی های مثبت بسیار زیادی ازجمله سختی و مقاومت فشاری بالا، پایداری ابعاد، مقاومت در برابر قارچ زدگی و حمله حشرات، جذب رطوبت پایین، برای کارکردن با WPC ها ازهمان  تجهیزات رایجی که برای چوب و MDF استفاده می شود؛ استفاده می کنند. سرعت اشتعال کم، قابلیت تولید شکل های پیچیده، قابلیت ماشین کاری خوب، مدول الاستیسیته بالا، مقاومت به سایش و ... نیـز از ویژگی های این مواد می باشند. هم چنین  این مواد ضایعات بسیار کمی تولید می کنند و ضایعاتی هم که تولید می شوند، دوباره مصرف می گردند. فرمالدئید و ترکیبات آلی فرار ندارند (بر خلافMDF  و تخته خرده چوب که این گازهای سمی را متساعد می­کنند)، قابــل بازیافت هستند و پس از عمر مفیــدشــان می توانند دفن شوند و یا دوباره در چرخه تولید قرار بگیرند. با توجه به ویژگی های بسیار خوب مواد مرکب چوب پلاستیک، این مواد کاربردهای گوناگونی  پیدا کرده­اند و استفاده از آن ها به سرعت رو به افزایش و گسترش می باشد. این مواد می­توانند در محوطه­های بیرونی و داخلی مورد استفاده قرار بگیرند. به طور کلی بازارهای اصلی این مواد شامل خودرو سازی، مبلمان شهری و ساختمان سازی، دکوراسیون داخل و خارج ساختمان می­باشد. مشکل عمده صفحات فشرده چوبی جذب آب و واکشیدگی ناشی از آن می باشد که در این باره  پژوهش­های گوناگونی انجام شده است. Yang و همکاران (4) جذب آب، واکشیدگی ضخامت، مقاومت به ضربه فاقدار و مقاومت کششی کامپوزیت های الیاف طبیعی- پلی الفین و تخته های MDF و تخته خرده چوب را مورد بررسی قرار دادند و بر اساس نتایج این پژوهش نشان دادند که جذب آب کامپوزیت های الیاف طبیعی _پلی الفین با افزایش درصد الیاف از 30 به 40 درصد به آرامی افزایش می یابد؛ ولی با وجود این، در مقایسه با جذب آب تخته هــای MDF و تخته خرده چوب بسیـار کمتر می باشد. علاوه بر این مقاومت های مکانیکی کامپوزیت های الیاف طبیعی با افزایش درصــد الیــاف کاهش می یابد. هرچند  مقاومت های مکانیکی قابل قبول هستند.

بیشتر پژوهش‌ها  بر روی نحوه فراوری و ساخت مواد مرکب و اصلاح و بهبود خواص آن­ها و با توجه به نوع کاربرد نهایی­شان، تمرکز یافته­اند. کاهش جذب آب، افزایش مقاومت به پوسیدگی، افزایش مقاومت به هوازدگی و پرتوهای ماورای بنفش و هم چنین مقاومت های مکانیکی همگی  از عوامل مهمی هستند که بر ویژگی­های یک فرآورده اثر گذار می­باشند و در پژوهش­ها بدان­ها توجه بسیاری شده است (5، 6، 7، 8، 9، 10، 11، 12، 13، 14).  

جذب آب چند­سازه الیاف چوب-پلاستیک یکی از ویژگی‌هایی می­باشد که به­طور پیوسته تحت بررسی و تحقیق بوده است (14). هدف اصلی در این پژوهش نیز  مشخص نمودن نقش مهم جذب آب در دوام چنین چند­سازه­هایی است. بسیاری از ویژگی­ها از قبیل ثبات ابعادی، دوام طبیعی و ویژگی های فیزیکی و مکانیکی تحت تأثیر جذب آب هستند. واضح است که اگرجذب آب محدود گردد؛ محصولات پایداری و دوام بیشتری خواهند داشت. این بررسی برای نشان دادن کاهش میزان تغییرات واکشیدگی ضخامت و افزایش ثبات ابعادی کامپوزیت چوب پلاستیک در درصدهای مختلف پلاستیک و آرد چوب در دو روش ساخت اکستروژن و پرس گرم انجام شده است.

مواد و روش ها

ساخت نمونه­ها:

ساخت نمونه­ها به دو روش اکستروژن (ذوب مخلوط) و خشک مخلوط انجام شد. در روش اول مواد مختلف مطابق جدول 1 در یک دستگاه اکسترودر دو ماردونه همسوگرد مخلوط گردیدند و نمونه‌های چوب‌پلاستیک از گرانول­های تولیدی به وسیله پرس گرم تهیه شدند. در روش دوم، آمیختگی خشک مواد مختلف توسط هم زن انجام ‌شد و با استفاده از قالب و به وسیله دستگاه پرس گرم هیدرولیک نمونه­های چند­سازه چوب-پلاستیک ساخته ­شدند. ابعاد تخته­های آزمونی ساخته شده در هر دو روش 1×35×35 سانتی­متر بود

جدول 1- ترکیبات مورد بررسی

بررسی ویژگی های واکشیدگی تخته­ها

نمونه­های چند­سازه ساخته­شده پس از کلیماتیزه شدن در آزمایشگاه به مدت دو هفته، برای تهیه نمونه­های آزمونی و با توجه به آزمایش­های پیش­بینی شده (فیزیکی و مکانیکی) برش داده ­شدند تا آزمایش‌ زیر بر روی آن‌ها انجام شوند.

- واکشیدگی ضخامت:

مطابق با استاندارد4  ASTM D7031- انجام شد. ابعاد اسمی نمونه­ها 1×5×5 سانتی­متر و تعداد 3 نمونه از هر ترکیب مورد آزمون قرار گرفت. برای اندازه­گیری، ضخامت نمونه­ها در وسط از ریزسنج  با دقت 01/0 استفاده شد. این پارامتر در یک دوره زمانی در مدت 2000 ساعت اندازه‌گیری شد و واکشیدگی ضخامت نیز پاس  از رابطه زیر محاسبه گردید:

1. TS_(t) =×100                                                                                                           

 TS_(t): واکشیدگی ضخامت در زمان غوطه­وری t (%)

T_t      : ضخامت نمونه در زمان غوطه­وری t (mm)

T_o     : ضخامت نمونه در حالت خشک (mm)

نتایج

روند واکشیدگی ضخامت مواد مرکب ساخته شده از روش ذوب مخلوط و خشک مخلوط در شکل 1 و 2 آورده شده است.  اختلاف در واکشیدگی ضخامت در زمان های اولیه بین سطوح مختلف کم است و با گذشت زمان این فاصــله بیشتر می شود و پس از رسیدن به مقدار ماکزیمم از آن کاسته می‌گردد و پس از رسیدن به یک مقدار مشخص، اختلاف با همین مقدار تا انتها ادامه می یابد، علت این امر تاثیر الیاف بر مقدار و مدت زمان رسیدن به واکشیدگی حداکثر می باشد.

                                   شکل1- میزان واکشیدگی نمونه های ساخته شده با روش ذوب مخلوط- پرس گرم

نتایج نشان دادند که با افزایش درصد الیاف بر مقدار واکشیدگی ضخامت افزوده می­شود. در شکل 1 همان طور که مشاهده می­شود در روش ذوب مخلوط تیمار با 40٪ آرد و3٪ سازگارکننده بهترین تیمار از لحاظ ثبات ابعادی و کمترین میزان واکشیدگی را دارا می­باشد. به تدریج با افزایش میزان الیاف از 40 به 60٪ میزان واکشیدگی افزایش می­یابد. هم چنین  تیمار با50٪ الیاف در مقایسه با تیمار شاهد با 50٪ الیاف بدون سازگارکننده واکشیدگی ضخامت کمتری داشته است که این نقش سازگار کننده را در ثبات ابعاد و کاهش میزان واکشیدگی ضخامت اثبات می­کند.

در روش خشک مخلوط نیز هرچه میزان درصد الیاف بیشتر می­شود واکشیدگی افزایش می­یابد (شکل 2). به طوری که تیمار با 60٪ الیاف بیشترین میزان واکشیدگی را دارد و هم چنین  تیمار با 50٪ در الیاف در مقایسه با تیمار شاهد با 50٪ الیاف و بدون سازگارکننده، واکشیدگی ضخامت کمتری داشته است که این نقش سازگار کننده را در ثبات ابعاد و کاهش میزان واکشیدگی ضخامت اثبات می­کند.

                شکل 2- میزان واکشیدگی نمونه های ساخته شده با روش خشک مخلوط- پرس گرم

در شکل 3 با بررسی کلیه تیمار­ها و میزان واکشیدگی آن­ها به این نتیجه می­­رسیم که کمترین میزان واکشیدگی متعلق به تیماری است که به روش ذوب مخلوط (اکستروژن) و با40٪ الیاف در حضور سازگارکننده ساخته شــد که می­تواند برای مصارف ساختمانی و درونی به کاربرده شود.

شکل3- میزان واکشیدگی نمونه های ساخته شده در هر دو روش ساخت

بحث و نتیجه گیری

این بررسی به منظور نشان دادن کاهش میزان تغییرات واکشیدگی ضخامت و افزایش ثبات ابعادی کامپوزیت چوب پلاستیک در درصدهای مختلف پلاستیک و آرد چوب در دو روش ساخت اکستروژن و پرس گرم انجام شد. نتایج نشان دادند که چندسازه چوب پلاستیک در درصدهای پایین الیاف (در این تحقیق40٪) و در روش ساخت اکستروژن میزان واکشیدگی را بسیار کاهش می­دهد و ثبات ابعادی چندسازه را حفظ نماید. از لحاظ حفظ ثبات ابعاد برای کاربردهایی چون کفپوش، دیوارکوب، قفسه، مبلمان داخلی، شهری، صنایع خودروسازی و ... مناسب می­باشد.

تشکر و قدردانی

این پژوهش با حمایت مالی دانشگاه تربیت مدرس انجام شد. لذا از پژوهش دانشگاه و همکاری بخش آزمایشگاه و کارگاه صنایع چوب دانشکده منابع طبیعی نهایت سپاس و امتنان خود را اعلام می داریم.

منابع

1. ابولفتحی، م. حامدی نژاد، ا. 1387. روند نوسانات تولید چوب و توسعه صنایع چوب کشور در نیم قرن گذشته، مجموعه مقالات همایش ملی تامین مواد اولیه و توسعه صنایع چوب و کاغذ کشور، آذر 87- دانشگاه علوم کشاورزی منابع طبیعی، 40 صفحه.
2.  برزگر شیری،  م. 1386.  چند سازه‌های چوب-پلاستیک پایان نامه کارشناسی. دانشگاه شهید رجایی.
3. برزگر شیری- م. اخلاقی امیری ز.، 1388. استفاده از پسماند محصولات زراعی برای ساخت فراورده‌های چندسازه"، همایش ملی کشاورزی پاک، اردیبهشت 1388- گرگان- ایران.
   1. Yang, H. S., Kim, H.J., Park, H. J., Lee, B. J., Hwang, T. S., 2006. Water absorption behavior and mechanical properties of lignocellulosic fillerpolyolefin bio-composites. Composite Structures, Vol. 72. No.4, pp.429–437.
      1. Cope C. W., 1998, Polymer and wood flour composite extrusion, US Patent: 5,847, 016.
      2. Falk, R. H., Vos, D. G., and Cramer, S. M., 1999, The comparative performance of wood fiber-plastic and wood-based panels, Fifth International Conference of  Wood Fiber-Plastic Composites.
      3. Falk, R. H., Vos, D. G., Cramer, S. M., English, B. W., 2001, Performance of fasteners in wood flour-thermoplastic composite panel, Forest Product Journal, Vol. 51, No.1, pp.55-61.
      4. George, J., Sreekala, M. S., Thomas, S., 2001, A review on interface modification and characterization of natural fiber reinforced plastic composites, Polymer Engineering and Science, September 2001, Vol. 41, No. 9, pp.1471-1485.
      5. Espert, A., Vilaplana, F., Karlsson S., 2004. Comparison of water absorption in natural cellulosic fibers from wood and one-year crops in polypropylene composites and its influence on their mechanical properties. Composites: Part A,Vol. 35, pp.1267–1276.
4.  Stark, N. M., Rowlands, R. E., 2003, Effects of wood fiber characteristics on mechanical properties of wood/polypropylene composites, Wood and Fiber Science, Vol 35, No.2, pp.167-174.
5.  Stark, N. M., Matuana, L. M., Clemons,C. M., 2004, Effect of processing method on surface and weathering characteristics of wood-flour/HDPE composite, Journal of Apllied Polymer Science, vol. 93, pp.1021-1030.
6.  Tajvidi, M., Ebrahimi, G., 2003, Water Uptake and Mechanical Characteristics of Natural Filler–Polypropylene Composites, Journal of applied polymer science, Vol 88, pp. 941–946.
7.  Klyosov, A. A., 2007, Industrial applications of natural fibers structure, properties and technical applications, Wood-plastic composites. Wiley-Interscience, Hoboken, N.J.