روش ­های بهبود خواص کامپوزیت های چوب پلاست (قسمت دوم)

در مقاله قبلی مکانیزم های مختلف اصلاح سطحی بررسی شد. در این مقاله به روش های مختلف اصلاح سطحی و نتایج آن بر خواص کامپوزیت های چوب پلاستیک پرداخته می شود. در روش های مختلف آماده سازی سطح الیاف چوب سعی می شود تا از طریق عامل دار کردن سطح و تغییر در مورفولوژی آن، چسبندگی افزایش یابد. روش های آماده سازی پلیمرها، به ویژه پلی اولفین ها به دو دستۀ آماده سازی شیمیایی شامل استفاده از اسید کرومیک، پتاسیم پرمنگنات و غیره؛ و آماده سازی فیزیکی شامل پلاسما، کرونا و غیره تقسیم می شود. در ابتدا به معرفی روش های فیزیکی می پردازیم.

الف) آماده سازی فیزیکی

1-الف) روش کرونا

این روش یک روش مکانیکی است به صورت گسترده در صنایع مختلف جهت بهبود چسبندگی فیلم ها و لوله های پلی اولفینی، فیلم های پیوسته، لوله ها و شیلنگ ها به کار می رود.
مزایای این روش عبارتند از:

•  ساده و مقرون به صرفه بودن؛
• فرایند به صورت پیوسته.

و معایب این روش عبارتند از:

• به دلیل مجاورت با محیط ممکن است آلودگی های محیط وارد سطح شوند و عوامل محیطی مانند رطوبت و دما بر روش آماده سازی تأثیر بگذارند؛
• آماده سازی در این روش یک نواختی روش پلاسما را ندارد؛
• تأثیر این روش از روش پلاسما کم تر است.

یک سیستم آماده سازی کرونا شامل یک مولد ولتاژ بسیار بالا، تولید کنندۀ فرکانس بالا و یک الکترود و یک فلز متصل به زمین است. با اعمال ولتاژ، هوای بین الکترود کرونا یونیزه می شود و با تولید پلاسما، نوری آبی رنگ در دهانه الکترود مشاهده می شود. این فرایند را می توان به صورت پیوسته در دهانۀ اکسترودر استفاده کرد. سرعت فیلم و ولتاژ الکترود، فاصلۀ الکترود و رطوبت نسبی مهم ترین عواملی هستند که خصوصیات سطح آماده سازی شده را کنترل می کنند. البته از دو روش اخیر می توان برای اصلاح  الیاف  نیز استفاده نمود.

2-الف) روش پلاسما

پلاسما نوعی از فرایند عملیات سطحی است که گاز یونیزه شده سطح ماده را باردار می کند. این روش از حدود پنجاه سال پیش برای آماده سازی سطح پلاستیک ها استفاده می شده است. در این روش گاز به میان دو کاتد فرستاده می شود و منبع انرژی ( الکتریکی یا امواج پر انرژی ) که به کاتدها متصل است، گاز را یونیزه و به یون، اتم ها و رادیکال های آزاد تبدیل می کند که این ذرات به سطح ماده برخورد می کند و سطح ماده را باردار می کنند. مهم ترین اثرات پلاسما که ممکن است به صورت هم زمان اتفاق بیفتند عبارتند از:

• تمیز کردن؛ ذرات برانگیخته توانایی جا به جایی آلودگی را دارند که با این روش این امکان از بین می رود.
• تخریب؛ پلاسما می تواند سطح پلیمر را تخریب کند. پلاسمای اکسیژن و هوا تخریب بیش تری نسبت به گازهای بی اثر دارند.
• شبکه ای شدن: این اثر در پلیمرهای غیر اشباع رخ می دهد که باعث جلوگیری از رسیدن ذرات ریز به سطح می شود، اما قابلیت مقاومت حرارتی را کاهش می دهد.
• اکسید شدن: استفاده از انواع گازها باعث این اثر می شود. نتایج آزمون XPS و FTIR وجود اکسید شدن توسط هر دو نوع گاز (خنثی و غیر خنثی) را نشان می دهد. به دلیل وجود اکسیژن در نتایج تست FTIR، گاز خنثی را به وجود اکسیژن در محیط و محفظه ربط داده اند.

از ویژگی های این فرآیند می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• زیست سازگار بودن
• عدم وجود ضایعات
• عدم استفاده از حلال ها
• فرآیند خشک کردن بدون استفاده از مواد شیمیایی
• قابلیت فرایند پودرهای حساس به دما

و نیز معایب روش پلاسما عبارتند از:

• تراکم پودرها در منطقه پلاسما
• عملیات ناهمگن ناشی از فعالیت زیاد گاز

در ادامه و در این قسمت از مقاله به معرفی برخی دیگر از روش های شیمیایی می پردازیم.

ب) آماده سازی شیمیایی

1-ب) استفاده از اکسید کننده

اکسید کننده های قوی از جمله اسید کرومیک و پتاسیم پرمنگنات بارها به عنوان اکسید کنندۀ سطح پلی اولفین ها مورد استفاده قرار گرفته اند. استفاده از برخی از این مواد از جمله اسید کرومیک با وجود قدرت اکسید کنندگی بالا و تأثیرات مطلوب به دلیل مسائل زیست محیطی و سلامت انسان منسوخ گردیده است. اما پتاسیم پرمنگنات به عنوان اکسید کننده ای قوی که مشکلاتی از این قبیل را ایجاد نمی کند مورد توجه است. استفاده از محلول های پتاسیم پرمنگنات برای اصلاح سطحی صفحات پلیمری برای افزایش چسبندگی سطحی آن ها به روکش ها، رنگ و چاپ بارها مورد پژوهش و آزمایش محققان و دانشمندان قرار گرفته که نتایج مطلوبی را در بر داشته است. نتایج تحقیقات گوناگون نشان داده که استفاده از یک محیط اسیدی برای اکسید شدن سطح در حضور پتاسیم پرمنگنات تأثیر اصلاح سطح با این اکسیدکننده را افزایش می دهد که بر همین اساس استفاده از اسید سولفوریک در این قبیل کارها برای تشدید اثرگذاری پتاسیم پرمنگنات قوت گرفت.

2-ب) آماده سازی آلکلاینی

این روش یکی از بیش ترین کاربردها را در بین آماده سازی های شیمیایی الیاف طبیعی برای استفاده از الیاف به عنوان تقویت کننده در ترموپلاستیک ها و ترموست داشته است.
این اصلاح باعث خروج مقدار معینی لیگنین و واکس از سطح الیاف شده و با شکستن پیوندهای هیدروژنی در ساختار الیاف باعث کاهش آب دوستی و افزایش زبری سطح و در نتیجه افزایش درگیری های فیزیکی می شود.

3-ب) استایله کردن

استایله کردن واکنش مقدماتی یک گروه عاملی (CH₃COO-) با یک ماده ی آلی است. این روش معمولاً با آماده سازی آلکاینی آغاز می شود که در ابتدا یک پیش آماده سازی آلکاینی داریم و سپس عملیات آماده سازی با استایله کردن الیاف طبیعی ادامه می یابد.

4-ب) استفاده از استیک انیدرید

در این روش گروه های هیدروکسیل دیوارۀ الیاف را با گروه های استایل جایگزین می کند. واکنش با ایجاد اسید استیک به عنوان محصول جانبی همراه است که باید آن را از محیط واکنش خارج کرد. این اصلاح باعث بهبود خواص مکانیکی حاصل و هم چنین آب گریزی الیاف و در نتیجه کامپوزیت می شود. واکنش انیدرید استیک با الیاف طبیعی به شکل زیر است:

Fiber–OH + CH₃– C(=O)–O–C(=O)–CH₃

Fiber–O–COCH₃ + CH₃COOH

شکل 1- مقایسه اثر اصلاح آلکاینی و استایله کردن بر کامپوزیت سیسال – اپوکسی

5-ب) مالئیک انیدرید

مالئیک انیدرید استفاده گسترده ای در تقویت خواص کامپوزیت های شامل فیلر و الیاف تقویت کننده دارد. تفاوت این روش با سایر روش های شیمیایی این است که مالئیک انیدرید فقط برای اصلاح الیاف به کار نمی رود، بلکه در ماتریس هم برای رسیدن به اتصال بین سطحی بهتر کاربرد دارد. به طور مثال زنجیر پلی پروپیلن به مالئیک انیدرید [HO–C(=O)–CH₂–C–CH₂–C(=O)–OH] اجازه می دهد تا به آن بچسبد و MAPP تولید شود. سپس اصلاح الیاف سلولزی با کوپلیمرهای MAPP انجام می گیرد و پیوندهای کووالانسی در سراسر سطح تشکیل می شود.

در سال 2000، میشرا و هم کارانش تأثیر آماده سازی توسط مالئیک انیدرید را بر جذب آب الیاف موز، سیسال و کنف مورد بررسی قرار داده و ترتیب کاهش جذب رطوبت را بدین نحو اعلام کردند:

کنف< موز< سیسال

بدین صورت اصلاح توسط مالئیک انیدرید بیش ترین تأثیر را بر روی الیاف سیسال می گذارد.

شکل 2- تأثیر اصلاح مالئیک انیدرید در کاهش جذب رطوبت بر الیاف سیسال (sisal)، موز (banana) و کنف (hemp)

شکل 3- تأثیر مالئیک انیدرید بر مقاومت ضربه

همان طور که در تصویر مشخص است تأثیر مالئیک انیدرید بر الیاف سیسال نسبت به الیاف دیگر بیش تر بوده است و مقاومت ضربه در 50 درصد الیاف در بالاترین میزان قرار دارد و پس از این مقدار کاهش می یابد.

شرکت آریا پلیمر پیشگام موفق به تولید سازگارکننده های مالئیک انیدرید برای استفاده در چوب پلاست های پایه پلی پروپیلن، پلی اتیلن و پی وی سی شده است. در صورت نیاز به این محصولات سازگارکننده با کارشناسان فروش تماس حاصل فرمایید.