روش‌های بهبود خواص کامپوزیت‌های چوب پلاست (قسمت اول)
بیش از چند دهه است که پلیمرها جایگزین فلزات و مواد گوناگون در کاربردهای مختلف شده‌اند. از مهم‌ترین دلایل استفاده گسترده از پلیمرها، کاهش هزینه و فرآیندپذیری راحت‌تر آنها است. در اغلب کاربردها، پلیمرها به‌همراه دسته‌ای از افزودنی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در سال‌های اخیر، استفاده از کامپوزیت‌های چوب-پلیمر که پلیمرهای تقویت‌شده با پودر چوب یا سایر محصولات سلولوزی مانند الیاف طبیعی هستند، کاربرد گسترده‌ای در صنعت ساختمان و خودروسازی پیدا کرده است. پایه پلیمری بیشتر چوب پلاستیک‌ها، پلی‌اولفین‌هایی مانند پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و پلی‌وینیل کلراید هستند. این نوع کامپوزیت‌ها با دارا بودن مزایای چوب (سختی و استحکام) و پلیمرها ( قابلیت قالب‌گیری و شکل‌دهی آسان)، به‌طور هم‌زمان گوی سبقت را از محصولات چوبی و پلیمری ربوده‌اند.
از جمله مزایای چوب و سایر الیاف طبیعی، به‌عنوان افزودنی پرکننده در صنعت چوب پلاستیک در مقایسه با سایر پرکننده‌ها، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- دانسیته پایین
- اصطکاک و سایش پایین‌تر ماشین آلات
- قیمت پایین
- زیست‌تخریب‌پذیر بودن
از جمله کاربردهای این محصولات، می‌توان به استفاده از آنها در ساخت در، پروفیل پنجره، دکور، کف‌پوش و … اشاره کرد. شکل 1 کاربرد عمده کامپوزیت‌های گرمانرم چوب را نشان می‌دهد.
شکل 1. کاربرد عمده کامپوزیت‌های چوب گرمانرم در آمریکای شمالی
از جمله مزایای کامپوزیت‌های 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 چربی‌ها؛
- 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، به‌خصوص در چوب پلاستیک‌های پلی‌وینیل کلراید؛
- عمر مفید تقریباً سی سال بدون تغییر شکل؛
- قابلیت شستشو و تمیز کردن با انواع پاک‌کننده‌ها و مواد شوینده؛
- مقاوم در برابر نفوذ حشرات و جانورانی مانند موش؛
- صد در صد قابل بازیافت و کاملاً هماهنگ با محیط زیست، به‌دلیل ساخت با مواد ترکیبی چوب و پلاستیک؛
این کامپوزیت‌ها به‌راحتی پیچ کاری و نصب شده و با ابزارهای متداول تجاری فرآیند می‌شوند. از طرفی هزینه استفاده از این کامپوزیت‌ها پایین‌تر بوده و از نظر اقتصادی مقرون به‌صرفه هستند. کامپوزیت‌های الیاف طبیعی بسیار ساده‌تر از دیگر کامپوزیت‌ها بازیافت می‌شوند. تخمین زده می‌شود که حداقل هزار گونه گیاهی وجود دارد که می‌توانند در تولید این محصولات به‌کار برده شوند. در همه الیاف طبیعی گیاهی، مهم‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده را سلولز، همی‌سلولز و لیگنین تشکیل می‌دهند که از این میان، سلولز مهم‌ترین جزء، به‌خصوص در تولید کامپوزیت‌ها 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 درگیرشونده را زیاد می‌کند و در نتیجه خواص مکانیکی را بهبود می‌دهد.
به‌نظر می رسد با حرارت دادن طولانی مدت، چوب به‌طور کامل خشک شود و کاهش رطوبت باعث شکستن پیوندهای هیدروژنی جدید گردد که این پدیده کامپوزیت را متورم می‌کند. اتصال خوب میان الیاف و ماتریس پلیمری نیز به‌مقدار خوبی جذب آب را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، اتصال مناسب باعث افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت هم می‌شود که این یکی دیگر از مشکلات اساسی استفاده از الیاف طبیعی یعنی عدم اتصال مناسب و یا به‌عبارتی عدم سازگاری بین الیاف سلولزی قطبی و ماتریس پلیمری، مخصوصاً پلیمرهای غیرقطبی هم‌چون پلی‌پروپیلن (PP) و پلی‌اتیلن (PE) است. بنابراین باید با روش‌هایی، تمایل و سازگاری سطح پلیمر و الیاف به یک‌دیگر را افزایش داد که می‌تواند شامل اصلاح سطحی الیاف و یا افزودن پرکننده و هم‌چنین استفاده از عوامل جفت‌کننده باشد. عوامل سازگارکننده (کوپلینگ ایجنت) باعث افزایش ترشوندگی الیاف در ماتریس پلیمری شده که افزایش چسبندگی الیاف و ماتریس را به‌همراه دارد.
همان‌طور که گفته شد، چسبندگی میان دو سطح ماتریس پلیمری غیر قطبی و الیاف طبیعی بسیار ضعیف است که باعث کاهش چشم‌گیر خواص مکانیکی مطلوب در کامپوزیت می‌شود. روش‌های گوناگونی برای افزایش چسبندگی بین این دو سطح وجود دارد که به بررسی آنها می‌پردازیم، اما ابتدا بهتر است برای درک بهتر از نحوه عمل‌کرد و نوع تأثیرگذاری این روش‌ها، با مکانیزم‌های چسبندگی آشنا شویم. این مکانیزم‌ها عبارتند از :
- تئوری اتصالات مکانیکی
- تئوری الکترونی
- تئوری جذب
- تئوری نفوذ
طبق تئوری اتصالات مکانیکی، درگیر شدن مکانیکی دو ماده و یا به‌عبارتی پیوند خوردن مکانیکی دو سطح، توسط نفوذ زبری‌های آن سطوح به داخل یک‌دیگر است که باعث افزایش بسیار زیاد در مقاومت برشی می‌شود. مهم‌ترین عامل چسبندگی در این مکانیزم، وجود حفرات و بی‌نظمی های سطحی است.
در تئوری الکترونی بیان می‌شود، چنان‌چه دو ماده در تماس با هم ساختار الکترونی متفاوتی داشته باشند، تمایل به انتقال الکترون برای رسیدن به تعادل بین آنها به‌وجود می‌آید. طبق این تئوری، نیروهای الکترواستاتیک ناشی از اختلاف پتانسیل در سطح تماس، به‌مقدار 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 بیشتر باشد چسبندگی بیشتر خواهد بود.
تئوری جذب یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین تئوری‌های چسبندگی است. طبق این تئوری، زمانی که دو ماده به اندازه کافی به هم نزدیک شوند، به‌علت وجود نیروهای بین اتمی و بین مولکولی بین آنها، به هم می‌چسبند. این نیروها چندین نوع دارند. اصلی‌ترین آنها نیروهای واندروالسی هستند که به نیروهای نوع دوم معروفند. هم‌چنین در هنگام نزدیک شدن دو ماده به هم، ممکن است پیوند شیمیایی ایجاد گردد که به آن، جذب شیمیایی گفته می‌شود و به‌نام 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 به‌لحاظ استحکام، بین پیوندهای اولیه و ثانویه قرار می‌گیرند. پیوندهای نوع اول شامل پیوندهای یونی، کووالانسی و فلزی و پیوندهای نوع دوم شامل پیوندهای هیدروژنی، واندروالسی، برهم‌کنش اسید یا باز برونستد و اسید یا باز لوییس هستند.
بر اساس تئوری نفوذ، چسبندگی نتیجه نفوذ هم‌زمان مولکول‌ها در فصل مشترک بین آن دو است و در مورد پلیمرها (ماکرومولکول‌ها)، بخش‌های زنجیره‌های 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، می‌بایستی میزان پارامتر حلالیت آنها مشابه و یا بسیار نزدیک به هم باشد.
پس همان‌طور که گفته شد، عدم اتصال مناسب و یا به‌عبارتی عدم سازگاری الیاف سلولزی قطبی و ماتریس پلیمری غیر قطبی، مهم‌ترین مشکل استفاده از این الیاف برای تهیه کامپوزیت‌های چوب پلاستیک است. بنابراین به‌نوعی باید تمایل این الیاف و پلیمرها را از طریق اصلاح این دو سطح به هم افزایش داد. در بخش بعدی مقاله برخی از مهم‌ترین روش‌های اصلاح الیاف طبیعی کامپوزیت‌های چوب پلاستیک را بررسی می‌کنیم.
