كامپوزيت هاي الياف طبيعي- پليمر (چوب پلاستیک)

..............................................................

امروزه استفاده از پلاستيكها از رشد چشمگيري برخوردار است كه دلايل آن را مي‌توان به شرح زير دانست:
-افزايش شناخت خصوصيات و تواناييهاي مواد پلاستيكي
-قابليت رو به بهبود پلاستيكها به واسطة ظهور مواد جديد،كيفيتهاي بهتر تجهيزات فعلي،تجهيزات فرايند بهتر
-كاهش مداوم هزينه مواد اولية پلاستيكها نسبت به هزينة مواد رايج مانند چرم،كاغذ،فلزات وسراميكها.
كاربرد  الياف طبيعي به عنوان پر كننده يا تقويت كننده در پلاستيك ها، به سرعت در حال افزايش است.

تعریف چند سازه:
از دیر باز انسان مواد مختلف را با هم ترکیب کرده تا ماده ای جدید با خواص بهتر بدست آورد. هدف اصلی از انجام اینکار دستیابی به موادی با خصوصیات مطلوب تر بوده است.
به طور كلي به تركيب دو يا چند ماده با هم مادة مركب گفته مي‌شودكه مواد مركب حاصل از مواد پركننده يا تقويت كننده با پليمرها از مهمترين آنها محسوب مي‌شوند. به طور كلي مواد مركب را مي‌توان به صورت زير خلاصه كرد .
تهيه مواد مركب از پودر چوب يا محصولات سلولزي مانند الياف سلولز، ليگنين و غيره.با پلي‌اولفين‌ها، بالاخص پلي‌پروپيلن در دهه اخير به شدت مورد توجه قرار گرفته است و كشورهاي آمريكايي و اروپايي محصولاتي از اين نوع را تحت عنوان wood stock براي مصارف گوناگون، عرضه كرده‌اند.

از تهيه كامپوزيت پلي پروپيلن- پودر چوب سه هدف اصلي دنبال مي‌شود:
ـ كاهش قيمت محصول از طريق مخلوط كردن يك ماده با قيمت كم(چوب)و يك ماده پليمري نسبتاً گرانتر.
ـ تهيه محصولاتي كه از بازيافت مواد زايد بدست آيد.
ـ توليد كامپوزيتي كه داراي خواص جديدي مانند سبك بودن، برتري خواص سايشي و غيره است.
اصلي‌ترين مواد تشكيل دهندة چند سازه‌ها، الياف و ماتريس هستند.

نقش الياف در چندسازه ها شامل موارد زير مي باشد:
- سهم اصلي باربري درمواد مركب را دارد.
- بالاترين حجم را در مواد مركب پر مي كند.
انتخاب دقيق مقدار و نوع الياف و جهت قرارگيري بسيار مهم است.
نقش ماتريس نيز به شرح زير مي باشد:
- انتقال تنش بين الياف.
- حفاظت در مقابل شرايط محيطي سخت وحفاظت از سايش مكانيكي الياف.
-حفاظت عرضي براي الياف و جلوگيري از كمانش آن تحت بار فشاري(13).
فزودن الياف چوب (فاز جامد) به ماتريس پليمري سبب افزايش ويسكوزيته نسبت به ماده خام پليمري مي‌شود. اين افزايش ويسكوزيته مي‌تواند در فرايند، مطلوب باشد. زيرا استحكام مذاب را افزايش مي‌دهد. از طرفي استحكام و خواص فيزيكي- مكانيكي كامپوزيت‌ها با توجه به درصد الياف تغيير مي‌كند.
با در نظر گرفتن قيمت پايين مواد سلولزي و ميل توليدكننده در بكارگيري بيشتر ازآن، بدست آوردن تركيب بهينه كامپوزيت كه هم داراي خواص مكانيكي دلخواه باشد و هم از لحاظ فرايند خوش‌رفتار باشد،ضروري است. بنابراين در توليد محصولاتي از جنس اين كامپوزيت، درصد الياف چوب كه تأمين كننده استحكام مورد نظر قطعه و همچنين فرايندي كه متضمن حصول قطعه شود از پارامترهاي مهم و اصلي مي‌باشد(4)

فرآيند هاي توليد

-  فرآيند دو مرحله اي
ر اين روش ابتدا مواد اوليه با يكديگر مخلوط مي شوند، كه به آن فرآيند كامپاندينگ اطلاق مي شود. فرآيند كامپاندينگ خود به معناي توزيع پرکننده و افزودني ها در مذاب پليمري مي باشد. فرآيند كامپاندينگ مي تواند توسط فرآيندهاي پيوسته (continuous) و يا نا پيوسته (Batch) صورت پذيرد. استفاده از محصول تركيب شده به دو صورت مي باشد و مي توان بلافاصله پس از اختلاط به شكل قالب مورد نظر در آورد و يا آن را به صورت گرانول براي فرآيند شكل دهي نمونه تهيه نمود.فرآيندهاي شكل دهي در محصولات كامپوزيت پليمر ـ الياف طبيعي به 4 گونه عمده مي باشند كه اين روش ها عبارتند از :فرآيند اكستروژن
فرآيند کلندرينگ
فرآيند قالبگيري تزريقي
فرآيند قالبگبری فشاري
مهمترين روش تهيه محصولات كامپوزيت پلی پروپیلن-  ذرات چوب، فرآيند اكستروژن مي باشد كه با استفاده از اين روش محصولات مورد نظر، به صورت ورق و پروفيل به منظور استفاده در زمينه هاي مختلف تهيه مي گردند. ساير فرآيندهايي كه به جز فرآيند اكستروژن، براي تهيه كامپوزيت هاي الياف طبيعي اشاره شد، نيز براي اين منظور استفاده مي شوند ولي وزن محصولات تهيه شده توسط اين فرآيندها روي هم رفته كمتر از محصولات تهيه شده توسط فرآيند اكستروژن مي باشد. فرآيندهايي مانند قالبگيري تزريقي و فشاري زماني مورد استفاده قرار مي گيرند كه محصولات مورد نظر داراي شكل پيچيده اي باشد و يا نيازي به فرآيند پيوسته نباشد.

2- فرآيند تك مرحله اي
در اين روش فرآيند كامپاندينگ و شكل دهي در يك مرحله و توسط يك اكسترودر دو پيچه صورت مي گيرد. البته در اين روش از دو اكسترودر تك پيچه كه به صورت پشت سر هم (Tandem) قرار گرفته اند، نيز مي توان استفاده كرد. بدين صورت كه اكسترودر اولي مخصوص فرآيند كامپاندينگ و اكسترودر دومي به منظور شكل دهي مورد استفاده قرار مي گيرد.

 فوايد استفاده از الياف طبيعي در پلاستيكها
فوايد اوليه استفاده از الياف ليگنوسلولزي به عنوان پركننده و تقويت كننده در پلاستيكها عبارتنداز: چگالي كم، عدم سايش ماشين آلات، سختي بالا، خواص ويژه بالا، بازيافت آسان، قابليت تخريب بيولوژيك در طبيعت، امكان دسترسي به انواع گوناگوني از الياف در سرتاسر جهان، ارزان بودن آنها و ضريب انبساط حرارتي اندك.

محدوديتهاي استفاده از الياف طبيعي در پلاستيكها
اولين ضعف الياف طبيعي، تحمل دماي پائين در فراوري اين الياف است كه اين مسئله بخاطر تخريب حرارتي و يا خروج گازهاي فرار از مواد ليگنوسلولزي است كه مي‌تواند روي خواص چندسازه اثر بگذارد.بنابراين دماي فراورش اين مواد حدود 200است گرچه اين امكان وجود دارد كه براي دوره‌اي كوتاه، حد دما از اين مقدار فراتر رود.ضعف دوم الياف، جذب بالاي رطوبت توسط اين الياف است.جذب رطوبت توسط اين الياف باعث واكشيدگي الياف مي‌شودكه خود برهم‌زننده ثبات ابعادي چند سازه است.البته رطوبت الياف در چندسازه‌ها به حداقل مي‌رسد، چون توسط پليمر احاطه مي‌شوند.در صورت ضرورت، رطوبت الياف مي تواند به طورشگفت آوري با اصلاح شيميا يي گروههاي هيدروكسيل موجود روي آن كاهش يابد. اتصال خوب پليمر و الياف نيزمي‌‌‌‌‌تواند مقدار و نرخ جذب آب را كاهش دهد.استفاده از الياف طبيعي در چند سازه‌‌‌‌ها با مشكلات ديگري از قبيل عدم سازگاري ياعدم وجود اتصال لازم بين پر كننده قطبي الياف سلولزي با پليمر غير قطبي، وجود مشكلاتي در پخش و پراكنش مناسب الياف چوب درماتريس پليمر نيز مواجه است.

سطوح مشترك پليمر واتصال
ساختار و خواص سطح مشترك بين پر كننده و پليمر، نقش عمده‌‌اي در تعيين خواص فيزيكي و مكانيكي مادة مركب حاصل ايفا مي‌كند، سطوح پركننده مي‌توانند به شدت متغير باشند و در نتيجه اثر متقابل با زمينة پليمر را به شدت تغيير دهند.نواحي سطح مشترك و ناحية حدواسط بر خواص نهايي ماده مركب به‌شدت مؤثرند.سطح مشترك الياف-پليمر
(Inter face) ، سطح بين دو فاز است، درحالي كه ناحية حدواسط
(Inter phase) ، ناحية بين پركننده و مادة زمينه مي‌باشد.
اثر متقابل ضعيف بين پركننده و ماده زمينه موجب كاهش سطح مشترك مي‌گردد كه اين مسئله موجب تضعيف اتصالات بين شبكه و پر كننده خواهد شد. براي رفع اين مشكل و بهبود اثر متقابل بين پر كننده و مادة زمينه، ازعوامل جفت كننده يا سازگار كننده استفاده مي‌شود.

پر كننده ها
لفظ پر كننده معمولاً به افزودنيهايي جامد در يك بسپار كه خواص فيزيكي (معمولاً مكانيكي) آن را اصلاح مي كنند، اطلاق مي شوداستفاده از پر كننده هاي ليفي در مواد پلاستيكي سابقه ديرينه دارد. خاك اره، خرده پنبه، پارچه، كاغذ خيس شده و الياف كوتاه آلي مصنوعي مثل نايلون مي تواند استحكام ضربه و اغلب سختي و چقرمگي آميزه هاي قالبگيري را بهبود بخشد.

عامل جفت كننده
بطوركلي  يكي از نكات مهم و قابل توجهي كه در استفاده از پرکننده های پودري در بسترهاي پليمري وجود دارد، خواص پرکننده از لحاظ فعال بودن يا قابليت خوشه اي شدن است كه برفرآيند توليد كامپوزيت هاي مورد نظر و خواص مكانيكي آنها اثر مي گذارد.
بر خلاف بسياري از پرکننده های پودري مورد استفاده در بسترهاي پليمري مانند دوده و كربنات كلسيم، پودر چوب بدليل برخورداري از ساختار ويژه خاصيت خوشه اي شدن ندارد و از اين رو مشكلات مربوط به اين پديده در مورد كامپوزيت پلي اولفين ـ پودر چوب وجود نخواهد داشت. اما بدليل اختلاف زيادي كه بين ساختار مولكولي پلي اولفين ها با محصولات سلولزي ( الياف سلولز، پودر چوب، كاغذ و ... ) وجود دارد، تهيه كامپوزيت هايي با خواص مكانيكي مطلوب از اين مواد چندان آسان نمي باشد. پلي اولفين ها بشدت هيدروفوب( آب گريز ) هستند در حالي كه الياف سلولز و ذرات چوب هيدروفيل ( آب دوست ) مي باشند. با توجه به اين ويژگي ها افكار علمي براي تهيه كامپوزيت مورد نظر با خواص مكانيكي مطلوب همواره معطوف به استفاده از جفت كننده هاي مناسب بوده است. جفت كننده هايي كه تا به حال در اين راستا مورد استفاده قرار گرفته اند؛ پلي پروپيلن مالئيك شده، تركيبات تيتانات و تركيبات سيلان مي باشد. ميزان درصد جفت كننده هاي مورد استفاده در تهيه كامپوزيت پودر چوب–پلی پروپیلن معمولاً زير5 % مي باشد.

در ميان اين جفت كننده ها، پلي پروپيلن مالئيك شده (PP- MA ) بدليل محاسني كه دارا مي باشد از ساير جفت كننده ها مورد توجه بيشتري قرار گرفته است. نخست اينكه اين جفت كننده برپايهPP بوده كه اين خود باعث ايجاد سازگاري ميان عامل و ماتريسPP مي باشد. از طرف ديگر بدليل وجود اين سازگاري و بزرگ مولكول بودن اين جفت كننده آماده سازي مواد جهت اختلاط به راحتي امكان پذير مي باشد.

منبع: پایان نامه کار شناسی ارشد صالح نظری دانشگاه تهران