روش­ های بهبود خواص کامپوزیت های چوب-پلاستیک (قسمت اول)

بیش از چند دهه است که پلیمرها جایگزین فلزات و مواد گوناگون در کاربردهای مختلف شده اند. از مهم ترین دلائل استفاده گسترده از پلیمرها، کاهش هزینه و فرایند پذیری راحت ترآن ها است. در اغلب کاربردها، 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 پیدا کرده است. پایه پلیمری بیش ترچوب-پلاستیک ها، پلی اولفین 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 قالب گیری و شکل دهی آسان) به طور هم زمان گوی سبقت را از محصولات چوبی و پلیمری 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 موارد زیر اشاره کرد:

  • دانسیته پایین
  • اصطکاک و سایش پایین تر ماشین آلات
  • قیمت پایین
  • زیست تخریب پذیر بودن

از جمله کاربردهای این محصولات می توان به استفاده از آن ها در ساخت در، پروفیل پنجره، دکور، کف پوش و … اشاره کرد. شکل ۱ کاربرد عمدۀ کامپوزیت های گرمانرم چوب را نشان می دهد.

شکل ۱- کاربرد عمدۀ کامپوزیت های چوب گرمانرم در آمریکای شمالی

از جمله مزایای کامپوزیت های چوب-پلاستیک موارد زیر هستند:

  • عایق کامل در برابر پرتوها و امواج رادیویی و مغناطیسی، صوت، گرما و سرما؛
  • خاصیت آنتی باکتریالی، مقاوم در برابر جذب و نفوذ میکروب و باکتری، مقاوم در برابر نفوذ انواع اسیدها، مایعات و چربی ها؛
  • انبساط و انقباض کم در شرایط مختلف آب و هوایی؛
  • استقامت بسیار بالا، وزن سبک و مقاومت مناسب در برابر ضربه و خش و فشار اجسام خارجی؛
  • غیر قابل اشتعال و مقاوم در برابر حریق، عدم امکان بروز هر نوع اتصال و جرقه به خصوص در چوب -پلاستیک های پلی وینیل کلراید؛
  • عمر مفید تقریباً سی سال بدون تغییر شکل؛
  • قابلیت شستشو و تمیز کردن با انواع پاک کننده ها و مواد شوینده؛
  • مقاوم در برابر نفوذ حشرات و جانورانی مانند موش؛
  • صد در صد قابل بازیافت و کاملاً هماهنگ با محیط زیست، به دلیل ساخت با مواد ترکیبی چوب و پلاستیک؛

این کامپوزیت ها به راحتی پیچ کاری و نصب شده و با ابزارهای متداول تجاری فرایند می شوند. از طرفی هزینه استفاده از این کامپوزیت ها پایین تر بوده و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه هستند.
کامپوزیت های الیاف طبیعی بسیار ساده تر از دیگر کامپوزیت ها بازیافت می شوند، تخمین زده می شود که حداقل هزار گونۀ گیاهی وجود دارد که می توانند در تولید این محصولات به کار برده شوند. در همۀ الیاف طبیعی گیاهی مهم ترین اجزاء تشکیل دهنده را سلولز، همی سلولز و لیگنین تشکیل می دهند که از این میان، سلولز مهم ترین جزء به خصوص در تولید کامپوزیت ها است. 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 شود و کاهش رطوبت باعث شکستن پیوندهای هیدروژنی جدید گردد 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 به عبارتی عدم سازگاری بین الیاف سلولزی قطبی و ماتریس پلیمری، مخصوصاً پلیمرهای غیرقطبی هم چون پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن (PE) است.
بنابراین باید با روش هایی، تمایل و سازگاری  سطح پلیمر و الیاف  به یکدیگر را افزایش داد که می تواند شامل  اصلاح سطحی الیاف و یا افزودن پرکننده و هم چنین استفاده از عوامل جفت کننده باشد. عوامل سازگارکننده (کوپلینگ ایجنت) باعث افزایش ترشوندگی الیاف در ماتریس پلیمری شده که افزایش چسبندگی الیاف و ماتریس را به همراه دارد.
همان طور که گفته شد چسبندگی میان دو سطح ماتریس پلیمری غیر قطبی و الیاف طبیعی بسیار ضعیف است که باعث کاهش چشم گیر خواص مکانیکی مطلوب در کامپوزیت می شود. روش های گوناگونی برای افزایش چسبندگی بین این دو سطح وجود دارد که به بررسی آن ها می پردازیم، اما ابتدا بهتر است برای درک بهتر از نحوه عملکرد و نوع تأثیرگذاری این روش ها، با مکانیزم های چسبندگی آشنا شویم. این مکانیزم ها عبارتند از :

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

طبق تئوری اتصالات مکانیکی درگیرشدن مکانیکی دو ماده و یا به عبارتی پیوند خوردن مکانیکی دو سطح توسط نفوذ زبری های آن سطوح به داخل یک دیگر است که باعث افزایش بسیار زیاد در مقاومت برشی می شود. مهم ترین عامل چسبندگی در این مکانیزم، وجود حفرات و بی نظمی های سطحی است.

در تئوری الکترونی بیان می شود چنان چه دو ماده در تماس با هم ساختار الکترونی متفاوتی داشته باشند، تمایل به انتقال الکترون برای رسیدن به تعادل بین آن ها به وجود می آید. طبق این تئوری، نیروهای الکترواستاتیک ناشی از اختلاف پتانسیل در سطح تماس، به مقدار قابل توجهی در استحکام چسبندگی دخالت دارند. در واقع این پیوند خوردن الکترواستاتیکی میان دو سطح، بارهای مختلف ایجاد کرده و هر چه اختلاف بار میان دو سطح بیش تر باشد چسبندگی بیش تر خواهد بود.

تئوری جذب، یکی از مهم ترین و پرکاربردترین تئوری های چسبندگی است. طبق این تئوری زمانی که دو ماده به اندازه کافی به هم نزدیک شوند، به علت وجود نیروهای بین اتمی و بین مولکولی بین آن ها به هم می چسبند. این نیروها چندین نوع دارند. اصلی ترین آن ها نیروهای وان دروالسی هستند که به نیروهای نوع دوم معروفند. هم چنین در هنگام نزدیک شدن دو ماده به هم ممکن است پیوند شیمیایی ایجاد گردد که به آن جذب شیمیایی گفته می شود و به نام پیوندهای نوع اول معروف هستند. علاوه بر این دو نوع پیوند ممکن است یک سری پیوند از نوع دهنده-گیرنده هم در فصل مشترک دو ماده رخ دهد که به لحاظ استحکام بین پیوندهای اولیه و ثانویه قرار می گیرند. پیوندهای نوع اول شامل پیوندهای یونی، کووالانسی و فلزی و پیوندهای نوع دوم شامل پیوندهای هیدروژنی، وان دروالسی، برهم کنش اسید یا باز برونشتد و اسید با باز لوئیس هستند.

بر اساس تئوری نفوذ، چسبندگی، نتیجۀ نفوذ هم زمان مولکول ها در فصل مشترک بین آن دو است و در مورد پلیمرها (ماکرومولکول ها) بخش های زنجیره های 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 آن ها مشابه و یا بسیار نزدیک به هم باشد.

پس همان طور که گفته شد عدم اتصال مناسب و یا به عبارتی عدم سازگاری الیاف سلولزی قطبی و ماتریس پلیمری غیر قطبی مهم ترین مشکل استفاده از این الیاف برای تهیه کامپوزیت های چوب پلاستیک 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 برخی از مهم ترین روش های اصلاح الیاف طبیعی کامپوزیت های چوب پلاستیک را بررسی می کنیم.

دیدگاهتان را بنویسید

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