روش­های بهبود خواص کامپوزیت های چوب پلاست

(قسمت اول)

بیش از چند دهه است که پلیمرها جایگزین فلزات و مواد گوناگونی در کاربردهای مختلف شده اند. از مهمترین عوامل استفاده گسترده از پلیمرها، کاهش هزینه و فرایند پذیری راحت ترآنهاست. در اغلب کاربردهای پلیمری پلیمرها به همراه دسته ای از افزودنی ها مورد استفاده قرار می گیرند.

در سال های اخیر استفاده از کامپوزیت های چوب پلیمر که پلیمرهای تقویت شده با پودر چوب یا سایر محصولات سلولوزی مانند الیاف طبیعی هستند، کاربرد گسترده ای در صنعت ساختمان و خودروسازی دارند. پایه پلیمری اکثر چوب پلاستیک ها، پلی الفین هایی مانند پلی اتیلن، پلی پروپیلن و پلی وینیل کلراید هستند.

این نوع کامپوزیت ها با دارا بودن مزایای چوب ( سختی و استحکام) و پلیمرها ( قابلیت قالبگیری و شکل دهی آسان) به طور همزمان گوی سبقت را از محصولات چوبی و پلیمری را ربوده اند.

از جمله مزایای چوب و سایر الیاف طبیعی به عنوان افزودنی پر کننده در صنعت چوب پلاستیک در مقایسه با سایر پر کننده ها می توان به اشاره کرد:

  • چگالی پایین
  • اصطکاک و سایش پایین تر ماشین آلات
  • قیمت پایین
  • قابلیت زیست تخریب پذیری

از جمله کاربردهای این محصولات می توان به استفاده از آنها در ساخت در و پنجره، پروفیل پنجره، دکور، وکف پوش و … اشاره کرد. نمودار شماره ۱ کاربرد عمده کامپوزیتهای گرمانرم چوب را نشان می دهد.

نمودار ۱٫ کاربرد عمده کامپوزیتهای گرمانرم چوب در آمریکای شمالی

از جمله مزایای کامپوزیت های چوب پلاستیک می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • عایق کامل در برابر اشعه و امواج رادیو مغناطیسی، صوت، گرما و سرما.
  • خاصیت آنتی باکتریالی، مقاوم در برابر جذب و نفوذ میکروب و باکتری، مقاوم در برابر نفوذ انواع اسید ، مایعات و چربی ها.
  • انبساط و انقباض کم در شرایط مختلف آب و هوایی.
  • استقامت بسیار بالا، وزن سبک و مقاوم متعادل در برابر ضربه و خش.
  • غیر قابل اشتعال و مقاوم در برابر حریق، عدم امکان بروز هر نوع اتصال و جرقه مخصوصا در چوب پلاست های پلی وینیل کلراید.
  • دارای عمر مفید تقریبا ٣٠ سال بدون تغییر شکل.
  • قابل شستشو و تمیز کردن با انواع پاک کننده ها و مواد شوینده.
  • مقاوم در برابر نفوذ حشرات و جانورانی مانند موریانه و موش.
  • ١٠٠% قابل بازیافت و کاملا هماهنگ با محیط زیست، به دلیل ساخت با مواد ترکیبی چوب و پلاستیک
  • مقاومت مناسب در برابر ضربه و فشار اجسام خارجی

این کامپوزیتها به راحتی پیچ کاری و نصب می شوند و با ابزارهای متداول تجاری فرایند می شوند. از طرفی هزینه استفاده از این کامپوزیتها هم پایین تر و هم از نظر اقتصادی مقرون به صرفه اند.

کامپوزیت های الیاف طبیعی بسیار ساده تر از دیگر کامپوزیت ها بازیافت می شوند، تخمین زده می شود که حداقل ١٠٠٠ نوع یا گونه گیاهی وجود دارد که می توانند در تولید ای محصولات بکار برده شوند. در همه الیاف طبیعی گیاهی مهم ترین اجزا تشکیل دهنده را سلولز، همی سلولز و لیگنین تشکیل می دهند که از این میان، سلولز مهم ترین جزء بخصوص در تولید کامپوزیت ها می باشد. سازگاری سطح الیاف با مواد شیمیایی مانند پلیمر بسیار مهم است و به صافی و زبری الیاف نیز بستگی دارد. سطوح زبر تعداد نقاط درگیر شونده را زیاد می کند و در نتیجه خواص مکانیکی را بهبود می دهد.

به نظر می رسد با حرارت دادن طولانی مدت، چوب به طور کامل خشک شده است و کاهش رطوبت باعث شکستن این پیوندهای هیدروژنی جدید می شود که این پدیده کامپوزیت را متورم می کند. اتصال خوب میان الیاف و ماتریس پلیمری نیز به مقدار خوبی جذب آب را کاهش می دهد. علاوه بر این، اتصال مناسب باعث افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت هم می شود که این یکی دیگر از مشکلات اساسی استفاده از الیاف طبیعی یعنی عدم اتصال مناسب و یا بعبارتی عدم سازگاری بین الیاف سلولزی قطبی  و ماتریس پلیمری مخصوصا پلیمرهای غیرقطبی همچون پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن(PE) است.

بنابراین باید با روش هایی تمایل و سازگاری  سطح پلیمر و الیاف را به یکدیگر افزایش داد که می تواند شامل استفاده از اصلاح سطحی الیاف و یا پرکننده و همچنین استفاده از عوامل جفت کننده باشد. عوامل سازگارکننده (کوپلینگ ایجنت) باعث افزایش ترشوندگی الیاف در ماتریس پلیمری و در نتیجه افزایش چسبندگی الیاف و ماتریس را به همراه دارد.

همانطور که گفته شد چسبندگی میان دو سطح ماتریس پلیمری غیر قطبی و الیاف طبیعی بسیار ضعیف است که این مورد باعث کاهش چشمگیر خواص مکانیکی مطلوب در کامپوزیت حاصل می شود. روش های گوناگونی برای افزایش چسبندگی بین این دو سطح وجود دارد که به بررسی آنها می پردازیم.  اما ابتدا بهتر است برای درک بهتر از نحوه عملکرد و نوع تاثیرگذاری این روش ها، آشنایی کلی با مکانیزم های چسبندگی پیدا کنیم.

این مکانیزم ها عبارتند از :

  • تئوری اتصالات مکانیکی
  • تئوری الکترونی
  • تئوری جذب
  • تئوری نفوذ

بر طبق تئوری اتصالات مکانیکی درگیر شدن مکانیکی دو ماده و یا به عبارتی پیوند خوردن مکانیکی دو سطح با نفوذ زبری های آن سطوح به داخل یکدیگر است که باعث افزایش بسیار زیاد در مقاومت برشی می شود. مهمترین عامل چسبندگی در این مکانیزم، وجود حفرات و بی نظمی های سطحی است.

در تئوری الکترونی چنانچه دو ماده در تماس با هم ساختار الکترونی متفاوتی داشته باشند، تمایل به انتقال الکترون برای رسیدن به تعادل بین آنها وجود می آید. بر طبق این تئوری، نیروهای الکترواستاتیک ناشی از اختلاف پتانسیل در سطح تماس، به مقدار قابل توجهی در استحکام چسبندگی دخالت دارد. در واقع این پیوند خوردن الکترو استاتیکی میان دو سطح با بارهای مختلف ایجاد و هر چه اختلاف بار میان دو سطح بیشتر باشد چسبندگی بیشتر خواهد بود.

تئوری جذب، یکی از مهمترین و پرکاربردترین تئوری های چسبندگی است و بر طبق این تئوری زمانی که دو ماده به اندازه کافی به هم نزدیک می شوند، بعلت وجود نیروهای بین اتمی و بین مولکولی بین آن ها به هم می چسبد. این نیروها چندین نوع دارند. اصلی ترین آنها نیروهای واندروالسی هستند که به نیروهای نوع دوم معروفند. اما در هنگام نزدیک شدن دو ماده به هم ممکن است پیوند شیمیایی ایجادگردد که به آن جذب شیمیایی گفته می شود و به نام پیوندهای نوع اول معروف می باشند.

علاوه بر این دو نوع پیوند ممکن است یکسری پیوند از نوع دهنده-گیرنده هم در فصل مشترک رخ دهد که به لحاظ استحکام بین پیوندهای اولیه و ثانویه قرار میگیرند. از پیوند های نوع اول می توان به پیوندهای یونی، کووالانسی و فلزی اشاره کرد و پیوندهای نوع دوم شامل پیوندهای هیدروژنی، واندروالسی و برهمکنش اسید یا باز برنشتد و اسید با باز لوئیس می باشد.

بر طبق تئوری نفوذ چسبندگی نتیجه نفوذ هم زمان مولکول ها در فصل مشترک بین آن دو است و در مورد پلیمرها (ماکرومولکول ها) بخش های زنجیرهای پلیمر باید دارای توانایی حرکت کافی باشند و در واقع بتوانند در هم حل شوند که این موضوع را می توان با پارامتر حلالیت مورد بررسی قرار داد. برای حلالیت دو ماده پلیمری در هم می بایستی میزان پارامتر حلالیت آنها مشابه و یا بسیار نزدیک به هم باشد.

پس همانطور که ذکر شد عدم اتصال مناسب و یا به عبارتی عدم سازگاری الیاف سلولزی قطبی و ماتریس پلیمری غیر قطبی مهمترین مشکل استفاده از این الیاف برای تهیه چوب پلاستیک کامپوزیت ها است. بنابراین به نوعی باید تمایل این الیاف و پلیمرها را از طریق اصلاح این دو سطح به هم افزایش داد. در بخش بعدی مقاله به برخی از مهمترین روش های اصلاح الیاف طبیعی ر کامپوزیت های چوب پلاستیک می پردازیم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *