چوب-پلاستیک(3) یکشنبه 22 اردیبهشت1387

محصولات چوب-پلاستیک (۳)

سطح مخاطبین این مطلب: کارشناسی و کارشناسی ارشد

به قلم : مصطفی برزگر

بازار محصولات چوب-پلاستیک  موانع ومشکلات پیش روی  بازار محصولات چوب-پلاستیک

 1-    کشش بازار :   به دلیل وجود کالاهای مشابه تولید شده ازدیگر مصالح ونیز رقابت قیمت ،میزان تولید وعرضه این محصولات به شدت متاثر از کشش بازار می باشند . در ایالات متحده که بزرگترین بازاردنیا را  ثابت شده که توسعه بازار WPC به شدت وابسته به کشش بازار است .

 2-    وجود عقاید غلط  و دید منفی در جامعه نسبت به محصولات بازیافتی :   اصولا اکثر مصرف کنندگان بر این باورند که محصولات ساخته شده ازمواد بازیافتی هرگز کیفیت بالاتر و یا حتی مشابه محصول ساخته شده از مواد نو را نخواهد داشت و نیز این عقیده غلط  وجود دارد که "WPC  ها از چوب گرانترند وخواص کاربردیشان حتی درابتدای مصرف پایین تراز چوب است" بر همین اساس بسیاری از شرکتهای تولیدی از بیان این واقعیت به مصرف کنندگان که محصولشان با استفاده از مواد بازیافتی تولید شده اکراه دارند .

3-    عدم وجود استاندارد برای  مواد کامپوزیتی پلاستیک :    نبودن استاندارد برای این محصولات ومواد بازیافتی نیز برمشکلات این بازار می افزایند . البته درحال حاضر سه نوع استاندارد برای این محصولات که در ASTM کار تدوینشان از فوریه 2003 آغاز شده بود به مراحل پایانی خود نزدیک شده  است .  از این استانداردهای تدوین شده  یک استاندارد شامل راهنمایی هایی است در جهت بررسی کارآیی این مواد وارزیابی محصولات WPC است،استاندارد دوم مربوط به روشها وآزمایشهایی در مورد سیستم های نگهدارنده زیر کفپوشهای  WPC می باشد و بلاخره استاندارد سوم دستور العمل های مربوط به طراحی ومهندسی محصولات را شامل می شود .

 4-    کم بودن گواهیینامه ها و واحدهای دارای تاییدیه صنعتی درزمینه تولید این محصولات :  هنوز تعداد کمی ازتولید کنندگان این گروه از محصولات موفق به دریافت گواهینامه وتاییدیه هایی در زمینه تولید محصول با کیفیت برتر شده اند ودر بسیاری از موارد موسسه های اعطا کننده این گواهینامه های تشویقی هنوز به مواد ومصالح سنتی گرایش دارند ویا تولیدکنندگان کامپوزیتی قادر به تولید محصولی نبوده اند که نظرمثبت مقامات وسازمانهای ذیربط  رابه خود معطوف نماید   .

 5-    مقاومت مصرف کنندگان در برابر تغییر : به هر حال مصرف کنندگان عموما نسبت به محصول مورد مصرف خود  تعصب دارند وبه طور طبیعی در برابر محصولات جدید جایگزین حتی اگربهترباشند  به سختی تغییر سلیقه می دهند ودر ضمن هر کالای جدید به مدت زمانی نیاز دارد تا جایگاه خود را باز کرده و مصرف کنندگان نسبت به آن شناخت وگرایش پیدا کنند وفرهنگ استفاده آن به وجود آید. واین وضعیت در مورد محصولات WPC   صادق است وهنوز برای پیدا کردن جایگاه اصلی خود نیاز به زمان دارند . 

 روند آینده

 با توجه به تحو لات بازار وتصمیمات سازمانهای زیست محیطی در محدودیت ومنع استفاده از مواد حفاظتی نمک مس  -  که امروزه در اروپا به طور کلی ممنوع شده -  روند روی آوردن بازار به سمت محصولات WPC خواهد بود یکی از مصارف بالقوه در این زمینه استفاده دربرجهای خنک کننده است در ضمن تسهیلات دولتی برای تولید کنندگان  WPC  که از مواد بازیافتی استفاده می کنند نیز به رشد وتوسعه این صنعت کمک شایانی خواهد کرد. برگزاری سمینار،کنفرانس و سمپوزیوم ها نیز در این زمینه بسیار موثر خواهد بود . در اروپا نیزبازار به این سمت سوق پیدا کرده و روند رشد تولید ومصرف این محصولات به ویژه در آلمان وبریتانیا  قابل توجه بوده است . این صنعت علیرغم پیشرفت زیاد ورشد فزاینده در امریکا واروپای غربی در  سالهای اخیر ؛  در کشور ما هنوز نوپاست و در مراحل معرفی وسازگاری قراردارد؛ بازار این محصولات در حال شکل گیری است وبا توجه به حجم ضایعات سلولزی وپلاستیکی توان بالقوه ای برای ساخت و گسترش این کامپوزیتها درکشور وجود دارد و به وضوح می توان روند رشد تولید ومصرف را در کشور رصد کرد و رشد شتابان تر آن را در سالهای آتی پیش بینی کرد . در سال2006 بازار جهانی WPC به مرز 300 میلیون تن رسید که از این میزان حدود 75 % مربوط به کاربرد های ساختمانی وسازه ای است وهیچ نوع  ماده مهندسی به این اندازه در مصارف ساختمانی ومحوطه های  باز تا این اندازه رشد بازار مصرف نداشته است . 

 WPC ها در شرایط سرویس در معرض انواع عوامل مختلف فیزیکی ، شیمیایی ، مکانیکی و بیولوژیکی قرار دارند : 1-    رطوبت 2-    اشعهUV 3-    آتش 4-    انواع ترکیبات شیمیایی  اسیدی وبازی 5-    بارهای کوتاه مدت وطولانی مدت استاتیکی 6-    انواع بارهای دینامیکی 7-    حشرات قارجها وعوامل مخرب بیولوژیکی  تولید کنندگان محصولات کامپوزیت چوب پلاستیک ادعا می کنند که عمر مفید محصولاتشان حداقل 10 سال است  .          

                                                                                                                                                      ·      تکنولوژی و ماشین آلات شکل دهی کامپوزیت WPC

اصول کلی شکل دهی در تولید پیوسته :

 1- عمل سنجش و اضافه کردن مواد افزودنی

  2- خشک کردن تا رطوبت زیر 1% 3- تغذیه به داخل دستگاه اکستروژ ن

 4- تولید گرانول 

 5- قالب گیری وشکل دهی نهائی

 اصول کلی شکل دهی در تولید پیوسته به این ترتیب است که ابتدا مواد اولیه   sizing( عمل اندازه گیری و افزودن مواد کمکی موردنیاز ) می شوند ؛  سپس مواد اولیه سلولزی در خشک کن تا حد مطلوب (1%)  رطوبت خود را از دست می دهند البته عمل خشک کردن در بعضی فرآیندها قبل از اختلاط چوب و پلیمر ودر برخی دیگر از فن آوریهای جدیدتر پس ازآن صورت می پذیرد در مرحله سوم توسط سیستم تغذیه که ممکن است ثقلی باشد یا حجمی ویا ... مواد به داخل اکسترودر خوراک دهی می شوند  در مرحله بعد خروجی سیستم اکسترودر به صورت گرانول در می آید در نهایت هم گرانول تولید شده با انواع فرآیندهای شکل دهی ترموفرمینگ قالبگیری شده و به محصول نهایی تبدیل می شوند .    

روشهای تولید  

اکستروژن :  متداول ترین روش شکل دهی این کامپوزیتها است قابلیت تولید پیوسته ، انبوه واتوماتیک از مزایای این روش به شمار می روند دربین ماشین آلات فرآیند اکستروژن ، اکسترودرهای دو پیچه همسوگرد واکسترودر های دو پیچه ناهمسوگرد مخروطی ،از تک پیچه ها عمومیت بیشتری دارند .    خوراک دهی این اکسترودرها بسته به امکانات وتجهیزات  می تواند به صورت مواد اولیه مجزا ، مواد اولیه پیش اختلاط شده ویا گرانول صورت گیرد در این ماشین ذوب مواد دراثرانتقال حرارت از بدنه وبرش ایجاد شده در اثر حرکت پیچ صورت می گیرد .  تولیدات این اکسترودرها می تواند به صورت مستقیم به شکل پروفیل های اکسترود شده مورد مصرف قرار گیرد و یا با استفاده از دستگاه گرانول سازبه صورت دانه های گرانول درآمده ودر سایر فرآیندها مثل تزریق وپرس مصرف شود .

از آنجایی که فیلر مورد استفاده در این کامپوزیت الیاف وپودر سلولزی است که به شدت آبدوست هستند ؛ رطوبت گیری وخشک کردن جهت رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب اهمیت بسزایی دارد  زیرا عدم رطوبت گیری مناسب نه تنها مانع از اختلاط خوب ذرات چوب وپلیمر می شود بلکه بعد از فرآیند نیز به دلیل حضورآب در سطح مشترک چوب وپلیمر ، چسبندگی بین چوب وپلیمر کاهش می یابد وغیر ازکاهش خواص فیزیکی ومکانیکی قطعه تولیدی باعث می شوند که عمر مفید قطعه به شدت کاهش پیدا کند .   رطوبت موجود در چوب در حین فرآیند تبخیر شده وباعث ایجاد یک فوم نامنظم وایجاد حفره ونقص درقطعه تولیدی می شود همچنین چوب دارای دانسیته و پایداری حرارتی پایین است و اندازه ذرات محدوده گسترده ای دارد ( از نظر یکنواختی ابعاد ذرات) که در مرحله تغذیه وانتقال بر مشکلات فرآیند می افزاید .

یکی دیگر از چالش های اساسی در فرآیندهای شکل دهی ،  افزایش ویسکوزیته ومحدودیت دمای فرآیند می باشد که به دلیل جلوگیری از تخریب حرارتی مواد لیگنوسلولزی موجب کاهش مقاومت مذاب وکاهش کیفیت قطعه وشکست سطحی مذاب می شود کمک فرآیندها ، روان کننده ها وعوامل جفت کننده مهمترین ابزارغلبه بر این مشکل به شمار می روند در ضمن باید یاد آوری کرد که درحین فرآیند ، دما نباید در هیچ نقطه ای از 180 درجه سانتی گراد تجاوز کند زیرا در دمای بالاتر تخریب حرارتی الیاف سلولزی آغاز می شود .    البته با پیشرفت فن آوری ، دربعضی از تکنولوژی ها تولید نیازی به خشک کن نیست وعمل رطوبت گیری در اکسترودرصورت می گیرد؛ در این اکسترودرها الیاف ویا پودرسلولزی با رطوبتی در حدود 15%    وارد شده و بعد از طی مسیر مورد نظر جهت رطوبت گیری و رسیدن به رطوبت مورد نیاز عمل اختلاط بین پلیمر وچوب آغاز می گردد از مزایای این روش نسبت به عمل خشک کردن قبل از ورود به اکسترودر ، کاهش هزینه تولید و عدم نیاز به استفاده از الیاف رطوبت گیری شده می باشد .  برای رفع مشکلات فوق از روان کنده ها وعوامل جفت کننده استفاده می شود که در بخش مواد افزودنی به تفصیل در مورد این ترکیبات صحبت خواهد شد .  

  همانطور که بیان شد متداول ترین روش برای تولید کامپوزیتPC W استفاده از ماشین اکسترودر می باشد در ادامه به تشریح انواع اکسترودر و تکنولوژی های متداول این ماشین آلات می پردازیم .             انواع اکسترودر و ·      تکنولوژیهای متداول اکسترودر های تک پیچه (اکسترودرپروفیل) : اکسترودر تک پیچه به فراوانی درفرآیند ترموپلاستیک ها استفاده می شود ، این اکسترودرها از سه ناحیه تغذیه ،  تراکم وفشردگی  و  اندازه گیری وسنجش  تشکیل شده اند ؛  قیمت این دستگاه ها به نسبت سایر اکسترودرها پایین تر می باشد به ندرت از این دستگاه جهت فرایند کامپوزیت چوب پلیمر استفاده می شود از معایب این دستگاه به اختلاط ضعیف مواد زمان اقامت گسترده ودبی پایین آنها می توان اشاره کرد. در مواردی که ماده اولیه به صورت ذرات گرانول تغذیه شده باشد مشکل اختلاط وجود ندارد ولی در دبی بالا احتمال سوختن الیاف وجود دارد . 

 جهت اختلاط عموما از اکسترودرهای دوپیچه استفاده می شود نوع همسو گرد اختلاط بهتری را ایجاد می کند اما تنش برشی ایجاد شده در آن بالاست ولذا برای مواد حساس به برش مانند PVC  معمولا استفاده نمی شوند زمان اقامت در نوع همسو گرد بالاتر از نوع نا همسو گرد است زیرا بیشتر جریان مواد در انتقال ازیک پیچ به پیچ دیگر صورت می گیرد این مساله سبب اختلاط بهتروتوزیع زمان اقامت پهن ترمی گردد

 در این اکسترودر ها مواد از یک پیچ به پیچ دیگر در مسیری به شکل عدد هشت لاتین منتقل می شوند بدون اینکه کمترین احتمال ماندگار شدن موضعی وجود داشته باشد .از جمله اکسترودر های دو پیچه همسو گرد موجود در بازار به موارد زیر می توان اشاره کرد :

شرکت ایتالیایی  Bausano  اکسترودر دو پیچه همسو گردی خاص کامپوزیت های WPC طراحی نموده است که برای پلی اولفین ها مناسب می باشد . دبی ماشین (  بر حسبkg / hr  ) قطر پیچ ( برحسب  mm) 500 –  275 53 1000 – 600 73 2000 – 1200 103 3700 – 2750 133 این سیستم نیاز به زطوبت گیری قبل از فرآیند را ندارد ودر حین اکسترود کردن توسط وکیوم رطوبت را که تبخیر شده مکش می کند و از سیستم خارج می سازد همچنین این خط مجهز به یک دستگاه اختلاط خشک می باشد که قبل ازاکستروژن مواد در داخل آن مخلوط می شوند در ضمن خوراک پلیمر این دستگاه باید به صورت پودر باشد .   شرکت امریکایی Entek نیز دستگاه دو پیچه همسوگرد مخصوص  کامپوزیت های چوب پلیمر برپایه پلی اولفین ها طراحی کرده 

اکسترودر دوپیچه  ناهمسوگرد موازی : اکسترودرهای دوپیچه  ناهمسوگرد موازی عموما در تولید پروفیلهای در وپنجرهPVC  بکار می روند اختلاط در پیچ های نا همسوگرد به نسبت ضعیفتر از نوع همسو گرد است درناهمسو گردها بیشتر جریان در فضای بین دو پیچ در حرکت است وانتقال مواد از یک پیچ به پیچ دیگر کمتر صورت می گیرد . این مساله سبب اختلاط ضعیف تر و زمان اقامت کوتاهتر و توزیع زمان اقامت باریکتر نسبت به نوع همسوگرد می شود.

  اکسترودرهای دو پیچه نا همسو گرد مخروطی : سیستم های جدید(Counter Roating Twin Screw Extruder ConicalIntermeshing ) اکسترودرهای دوپیچه مخروطی ناهمسوگرد ومتداخل را برای فرآیند کامپوزیتهای چوب پلاستیک پیشنهاد می کنند .این سیستم دارای زمان اقامت کوتاه وتوزیع اقامت باریک است که سبب کنترل دمایی خوب وبه حداقل رسیدن تخریب حرارتی می گردد. این مساله برای مواد حساس مثل PVC وچوب یک مزیت بزرگ به شمار می رود . قطر زیاد مارپیچ وسطح تماس زیاد در منطقه تغذیه به انتقال مخاوط دارای درصد چوب بالا کمک می کند شکل مخروطی در سرعت پایین ، گشتاور وفشار بالا ایجاد می کند که سبب فشردگی وآغشتگی بهترذرات چوب می شود به علاوه قطر کم ناحیه metering سبب تامین جریان ویسکوز لازم دای می گردد شکل زیر نمای شماتیک قسمت ماردون (پیچ) اکسترودر دو پیچه مخروطی را نشان می دهد . این دستگاه برای اولین بار توسط شرکت اطریشی Cincinnatti برای کامپوزیتهای چوب پلاستیک بانام تجاری  FiberexT ساخته شد وقابلیت فرآیند های PP ,PE ,PVC را دارد.   اکسترودرهای  FiberexT به طور ویژه برای تولید کامپوزیت چوب پلاستیک طراحی شده اند ودارای ویژگی هایی به شرح زیر می باشند : سری اکسترودرهای  FiberexT 35 _ 92 برای تولید 50تا 1000کیلوگرم در ساعت مناسب هستند. روشهای خوراک دهی متنوع از جمله مخلوط آماده ، گرانول چوب پلیمر، واکستروژن مستقیم مواد خام ، امکان استفاده از این اکسترودرها رابرای هر نوع خوراک اولیه فراهم می سازد. امکان گاز گیری تا  8% رطوبت را برای کامپوزیت های با 30 تا 90درصد چوب فراهم می کند . قسمتهای قابل تعوبض خوراک دهی ، توزین ،گازگیری وماردون از ویژگی های این ماشین می باشد بیش از 30 طراحی مختلف ماردون برای الیاف وجود دارد وتوان کار با انواع پلیمر از  پلیمرهای طبیعی مثل نشاسته تاPP,PVC ,PE  را دارد .

سایر دستگاه های اکسترودر ساخته شده اکسترودرهای دیگری به نام Wood Truder  توسط شرکت Davis Standard ساخته شده که شامل یک اکسترودر دو پیچه ویک اکسترودر تک پیچه است که قابلیت فرآیندPE, PP PVC  را دارد.  در این سیستم ابتدا پودر چوب به تنهایی وبدون اینکه رطوبت گیری شود و یا با پلیمرمخلوط گردد به ناحیه تغذیه انتقال یافته ودر مسیر گرم شده و رطوبت خود را از دست می دهد سپس پلیمر مذاب به صورت جانبی از اطراف اکسترودر به داخل تزریق می شود وبا ذرات چوب مخلوط می گردد ، در این سیستم به دلیل اینکه پلیمر در حالت مذاب با پودر چوب مخلوط می شود امکان استفاده از اشکال دیگر پلیمر مثل گرانول ومواد بازیافتی وجود دارد در این سیستم پس از اختلاط رطوبت اضافی توسط ناحیه گاز گیر که مجهز به سیستم وکیوم است خارج شده وآنگاه مخلوط وارد ناحیه سنجش می شود   در این منطقه از اکستروژن دما معمولی است تا ازتخریب حرارتی و سوختن مواد در آن جلوگیری شود در مقایسه با دیگر اکستروژنها این سیستم نیاز به تجهیزات و انرژی بیشتری دارد ( تصویر زیر) . در این سیستم پس از اختلاط رطوبت اضافی توسط ناحیه گاز گیر که مجهز به سیستم وکیوم است خارج شده وآنگاه مخلوط وارد ناحیه سنجش می شود   در این منطقه از اکستروژن دما معمولی است تا ازتخریب حرارتی و سوختن مواد در آن جلوگیری شود در مقایسه با دیگر اکستروژنها این سیستم نیاز به تجهیزات و انرژی بیشتری دارد

  مهندسان شرکت ژاپنی Ein متد جدیدی را برای خروج کامل رطوبت از چوب ابداع کرده اند در این روش به جای حرارت دهی مستقیم ازحرارت حاصل از انرژی چرخشی استفاده می شود همجنین آنها برای روشی را یرای پاشش مذاب پلیمر بر روی سطح ذرات چوب به ثبت رسانده اند محصولات تولیدی آین شرکت با نام تجاریEIN WOOD  توسط اکسترودرویا تزریق با فشار بالا (تصویرزیر) ساخته می شود و درصد مواد لیگنوسلولزی آن از 51% برای PVC  سخت تا 60% برای PVC نرم متغیر است ، درضمن این خط توانایی استفاده از ضایعات WPC را نیز دارد .

  اکسترودرهای Conex :  اکسترودرهای جدیدی هستند که از دو روتورچرخنده مخروطی تشکیل شده اند ودر هر دوطرف روتورهای چرخنده استاتور قرار گرفته وهر روتور با ماردون های مجزا خوراک دهی وکنترل می شود . روتورهای مخروطی از شیارها وحفرات (sigments) تشکیل شده اند . وقتی مواد وارد قسمت داخلی روتور می شود پس ازطی کردن مسیرشیارهای داخلی به حفره می رسد وبعداز عبوراز حفره ماده وارد شیار خارجی می شود وبا چرخش روتور به حفره بعدی می رسد واز این راه ماده دوباره به داخل چرخه وارد می شود وبا تکرار این عمل مواد به صورت کامل با هم مخلوط می شوند . کیفیت بالا به نسبت هزینه کم از محاسن این تکنولوژِی به شمار می رود  و   ازجمله  دیگر ویژگی های مثبت استفاده از این اکسترودرها ، عدم نیاز به" آمیزه سازی " یا   "Compunding"،عدم نیاز به رطوبت گیری از مواد اولیه مصرفی  وامکان استفاده از مواد مصرف شده بازیافتی  مثل خرده های پلاستیک ؛ چوب و کاغذ است . همچنین تولید محصول WPC چند لایه در این اکسترودرها ؛ امکان استفاده از مواد ارزان قیمت برای قسمتهای داخلی پروفیل ومواد خام با کیفیت را درسطح خارجی فراهم می سازد .

همانطور که در بخش پودرهای سلولزی اشاره شد ذرات چوب یا مواد لیگنوسلولزی می توانند در قبل ویا حین فرآیند بسته به نوع دستگاه خشک شوند. به عنوان نمونه شرکت Extrusion Tek Milacron   منبع تغذیه ای به نام CM 140 Z  ساخته است که می تواند مخلوط پلیمر ومواد لیگنوسلولزی راپیش از ورود به ناحیه تغذیه اکسترودر،  پیش گرم کند ورطوبت اضافی را خارج نماید.محصول اکستروژن پروفیل و ورق ( تا عرض 60سانتی متر) خواهد بود ، با قرار دادن دای های مختلف می توان پروفیل را با اشکال مختلف سطح مقطع و همچنین ورقهای مورد مصرف برای فرآیندهای ترموفرمینگ را تولید کرد.    

 سایر تکنولوژی های شکل دهی کامپوزیت WPC   

 فرآیند پالتروژن   یکی دیگر از تکنولوژیهای تولیدWPC تکنولوژی پالمن می باشد این تکنولوژی که به پالتروژن نیز موسوم است  از سه مر حله تشکیل شده که مرحله اول پالتروژن است در این مرحله کامپوزیت توسط دستگاه پالترودر تولید می شود به این صورت که الیاف طبیعی (الیاف مورد استفاده عموما الیاف طبیعی بلند مثل کنف ، کتان و...هستند) یا پودر چوب به همراه گرانولهای پلیمر، روان کننده وسایر افزودنی ها در مقادیر مشخص وارد پالترودر می شوند حرارت ناشی از فشار واصطکاک ایجاد شده باعث ذوب شدن پلاستیک واختلاط آن با الیاف طبیعی می شود چاقوهای چرخنده در قسمت خارجی دای آمیزه حاصل را را تکه تکه کرده وگرانولهای wpc آماده می شود .

در مرحله دوم گرانولهای تولید شده بر روی رولهای مخصوص به صورت یکنواخت پخش می شوند ودر مرحله سوم پرس کردن آمیزه با استفاده از نوار تسمه می باشد و در انتها توسط غلطکهای کالیبراسیون که در فاصله حرارت دهی وخشک کردن می باشد ضخامت تخته تنظیم می شود .

تولید پیوسته ، سرمایه گذاری پایین وکیفیت بالای محصول از مزایای این تکنولوژی به شمار می رود . 

  روشهای شکل دهی حرارتی   Thermo Forming "" 

    قالبگیری فشاری صفحه ای : صفحات تولید شده توسط ماشین اکسترودر و یا صفحات تولید شده در فرآیند پالتروژن را با استفاده از تکنیک قالبگیری صفحه ای می توان به محصول نهایی تبدیل کرد . در تصویر مقابل این متد شکل دهی به خوبی نمایش داده شده است . برای تولید قطعات مصرفی در داخل اتاق خودرو سقف ، رودری داشبورد و قطعات داخل صندوق عقب معمولا ازاین روش استفاده می شود .   

 قالب گیری تزریقی تحت فشار

 تنها تفاوت مهم فرآیند قالب گیری تزریقی با قالب گیری تزریقی تحت فشاراستفاده از نیروی هیدرلیک در روش اخیر است که در شکل بالا به صورت شماتیک نمایش داده شده است .

مواد افزودنی به کامپوزیت های  WPC   مقدمتا می توان گفت که افزودنی ها از اجزا مهم در فرمولاسیون کامپوزیتهای چوب پلاستیک هستند که نقش کلیدی در فرایند پذیری ، پایداری حین فرایند ، میزان دبی ، صافی سطح قطعه ؛ همچنین خواص مکانیکی ودوام و کارکرد قطعه دارند . انتخاب افزودنی ها باید بر اساس نوع ودرصد پلیمر، خواص مورد انتظار وقیمت تمام شده صورت گیرد . مواد افزودنی شامل دسته های فراوان وگونه های متفاوت شیمیایی هستند که به منظوراصلاح خواص مکانیکی،پایدارسازی وتسهیل فرایند پذیری آمیزه های چوب – پلاستیک مورداستفاده قرارمی گیرند. اگرچه میزان مصرف افزودنی ها درفرمولاسیون کم است اماهمین مقدارتاثیرعمده ای برفرایندپذیری ،خواص مکانیکی وهمچنین قیمت تمام شده محصول دارد.کامپوزیت های چوب – پلاستیک (WPC ) عمدتا برپایه   HDPE،PP  و PVC ساخته می شوند و بر اساس نوع پلاستیک افزودنی های خاصی درآن به کار برده می شوند . درصد افزودنی مورد استفاده در این کامپوزیت ها نسبت به پلاستیک خالص بیشتر بوده وگاهی به 10درصد ویا بیشتر نیز می رسد. دراین میان  PVC بزرگترین مصرف کننده افزودنی هاست .انواع کامپوزیت های برپایه  PVC نیاز به درصد افزودنی بیشتری دارند. حدود 73 درصد افزودنیها WPC  ها به لحاظ  وزنی و حدود 59 درصد به لحاظ قیمتی در آمیزه های  PVCمصرف می گردند . حضور برخی افزودنی ها جهت تولید  WPCها الزامی است.زیرا فرایند پذیری مواد پلاستیکی بدون استفاده از کمک فرآیندهایی مثل روان کننده و   بسیار مشکل است . اما استفاده از برخی دیگر سبب بهبود خواص مکانیکی،افزایش طول عمر ویا بهبود برخی خواص فیزیکی می شود

  انواع مواد افزودنی و کارکرد هر یک ازآنها همان طور که قبلا اشاره شد در فرآیند ساخت کامپوزیتهای الیاف طبیعی / پلاستیک  علاوه بر مواد اولیه اصلی ترکیبات دیگری نیزعموما در حد 1%تا 5% مورداستفاده قرار می گیرند که ما تحت نام کلی مواد افزودنی به انها می پردازیم . حالا پس از آشنایی اولیه بهتر است که به صورت دقیق تر با تقسیم بندی وکارکرد انواع مختلف مواد افزودنی آشنا شویم . هنگامی که از ترکیبات افزودنی استفاده می شود معمولا یک پیش اختلاط قبل از ورود مواد به اکسترودر برای یکنواختی انجام می پذیرد . همچنین برای یکنواختی بهتر مذاب وخواص نهایی بهتر قطعه تولیدی در برخی موارد از عوامل اصلاح سطحی استفاده می کنند در این موارد پودر سلولزی با پلیمر مخلوط شده وآمیزه فراهم شده با روشهای مختلف شکل دهی قابل فرآیند می باشند 

  افزودنی ها را می توان به سه دسته کلی تقسیم بندی نمود: 1.    دسته ای که جهت بهبود فرایند پذیری به کار می روند.این دسته شامل انواع روان سازها(Lubrications )  وکمک فرایندها (processing aids) می باشد. 2.    دسته ای که جهت پایداری حین فرایند وبهبود کارکرد قطعه درحین مصرف می گردند : این گروه شامل انواع پایدار کنند های حرارتی (Heat stabilizers)      پایدار کنندهای نوری (Light stabilizers)، ضد قارچها وآنتی میکروبیکال ها(Biocides)وتاخیر اندازهای شعله (Flame retardant) می باشند. 3.    دسته ای سوم شامل انواعی هستند که جهت بهبود خواص مکانیکی به کار می روند : این گروه شامل عوامل جفت کننده(Coupling agents)،بهبود دهنده های مقاومت ضربه (Impact modifiers) ونرم کنندها(Plasticizers) می باشند.  البته برخی انواع افزودنی ها ممکن است به دو یا سه دسته متعلق باشند . مثلا در حین اینکه خواص مکانیکی را بهبود می بخشند ، اثر مثبت بر فرایند پذیری نیز داشته وکارکرد مداوم قطعه رانیز بهبود بخشند .  استفاده از هر یک از افزودنیها باید با توجه به خواص مورد نیاز و قیمت تمام شده صورت گیرد . قیمت افزودنیها از دیگر مواد فرمولاسیون بالاتر بوده وعموما حدود ton/$ 4000-1400است. در عین حال در موارد خاصی مثل پایدار کننده های نوری ویا مواد آنتی میکروبیکال که به میزان خیلی کم در فرمولاسیون مصرف می شوند ،قیمتهایی تا حدود چند ده دلار به ازای هر کیلوگرم نیز دارند.

مهمترین مواد افزودنی به کامپوزیتهای  WPCعبارتند از : 1-    جفت کننده ها 2-    آنتی اکسیدان ها 3-    فوم کننده ها 4-    اصلاح کنندههای ضربه 5-    پایدار کننده های حرارتی 6-    پایدار کننده های نوری 7-    عوامل ضد میکروب و قارچ 8-    رادیکال سازها" آغاز کننده ها " 9-     عوامل کند ساز 10- کمک فرایند ها  11- عوامل رنگی ساز  12- تاخیر انداز شعله  و... جفت کننده ها:    مهمترین گروه از ترکیبات افزودنی به کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف طبیعی عوامل جفت کننده می باشد از آنجایی که الیاف طبیعی دارای خواص  قطبی وهیگروسکوپیک هستند ودر طرف دیگر پلاستیکها عمدتا موادی غیر قطبی آب گریزند و به دلیل ساختار مولکولی بین الیاف طبیعی وپلیمر هیچگونه  پیوند شیمیایی ایجاد نمی شود فلذا برای ایجاد اتصال قوی بین الیاف وپلیمر از coupling agents    یا همان عوامل جفت کننده استفاده می کنند   عوامل جفت کننده را  بر اساس نوع عملکرد به سه دسته تقسیم می کنیم : 1-1         اتصال دهنده ها         1-2         سازگار کننده ها 1-3         پراکنده سازها                                                     1-1       اتصال دهنده ها همانطور که ذکر شد بین الیاف وپلیمر هیچگونه اتصال شیمیائی نمی توان برقرار کرد و لذا وقتی صحبت از اتصال بین پلیمر  والیاف می شود منظور اتصالات سطح مشترک بین پلیمر وجفت کننده از یک سو وبین جفت کننده والیاف طبیعی  از طرف دیگرمی باشد و برای این منظور ترکیبات بسیاری مورد استفاده قرار می گیرد (تا 50 نوع ترکیب ).اتصال دهنده ها عوامل شیمیائی هستند که با مکانیزم هائی مثل پیوند کوالانسی ودرگیری مکانیکی وبرهم  کنشهای ثانویه پیوند هیدروژنی، بین پلیمر ها والیاف طبیعی پل ایجاد می کند معروفترین ترکیب مورد استفاده برای این منظور مالئیک انیدرید ومشتقات آن می باشد، که دارای یک سر قطبی و یک سر هیدرو کربنی غیر قطبی می باشد ، که از سر هیدروکربنی بااتصال غیر قطبی و درگیری مکانیکی با ماتریس پلیمر درگیر شده واز از سمت دیگر توسط گروه های کربوکسیلات با گروه های هیدروکسیلی چوب پیوند استری ایجاد می کند . (تصاویر زیر )                     واکنش گروه های مالئیکه با سطح الیاف سلولزی وایجاد پیوند استری   1-2          سازگار کننده ها سازگار کننده ها ترکیباتی هستند که از طریق کاهش کشش در سطح مشترک الیاف طبیعی وپلاستیک ها سازگاری ایجاد می کنند . این مواد به دلیل اینکه انرژی سطحی پایین تری نسبت به الیاف دارندآنها را غیر قطبی وبه زمینه پلاستیکی شان شبیه می کنند . مهمترین ترکیبات این گروه عبارتند از استیک انیدرید ومتیل ایزو سیانات . 1-3          پراکنده ساز ها                 این ترکیبات نیز انرژی سطح مشترک ماتریس ( ماده زمینه ) والیاف را کاهش داده و ازاین طریق به توزیع یکنواخت ترالیاف طبیعی در زمینه پلاستیکی کمک می کند. از جمله این ترکیبات می توان به استالیک اسید ونمکهای فلزی آن اشاره کرد. از نظر ساختار شیمیایی عوامل جفت کننده را می توان به سه گروه تقسیم کرد : 1-   عوامل جفت کننده باساختار شیمیایی آلی 2-   عوامل جفت کننده باساختار شیمیایی معدنی 3-   عوامل جفت کننده باساختار شیمیایی معدنی – آلی ( هیبرید ) 1- جفت کننده های آلی: به طور کلی این نوع جفت کننده ها در ساختار مولکولی خود حاوی گروههای عاملی مثل گروههای nco در ایزوسیاناتها یا کلر در ترکیبات کلر دارهستند واز طریق این گروههای عاملی باگروه های هیدروکسیل موجود در چوب ایجاد پیوند کووالانس می نمایند البته ممکن است این پیوند اتری باشد یا استری یا سایر پیوندها از طرف دیگر جفت کنندههای آلی می توانند درطی فرایند کوپلیمرشدن پیوندی به ماتریس پلاستیک پیوند خورده واین ماده پیوندی ،در حد یک درصد تا سه درصد به عنوان ماده جفت کننده مصرف شود .   انواع جفت کننده های آلی: عوامل جفت کننده با منشا ترکیبات آلی را به هفت گروه زیر می توان تقسیم کرد انیدریدها – ایزوسیاناتها – ترکیبات کلرو دی ازیل – اسیدهای آلی – جفت کننده های آلی مونومری – پلیمرها وکوپلیمرها – رزینهای ترموست . حال  جداگانه به هریک می پردازیم . 1-1  انیدریدها (استیک انیدرید – مالئیک انیدرید و... ) این ترکیبات ساختار حلقوی و واکنش پذیری بالایی باالیاف طبیعی دارند ولی از طرف دیگر در مقایسه با زنجیرهای پلیمر طبیعی چوب وزنجیره پلاستیک یک مولکول بسیار کوچک هستند لذا امکان تشکیل اتصال بین این دو مولکول ضعیف به نظر می رسد لذا امروزه این ترکیبات را به دلیل وجود پیوند دوگانه کربن -  کربن درساختارشان (مثلا مالئیک انیدرید ) به زمینه pp یا ps پیوند کرده واین محصولات پیوند شده را به عنوان جفت کننده مورد استفاده قرار می دهند.    1-2  ایزوسیاناتها (اتیل ایزوسیانات – متیلن پروپیلن ایزوسیانات – هگزو متیل ایزوسیانات ) این ترکیبات به طور کلی از نظر مکانیزم عمل مشابه موارد قبلی هستند .    1-3  کلروتری آزیل ها و مشتقاتشان :  این ترکیبات هم حاوی گروههای کلر هستند و هم حاوی گروههای نیتروژن ، از طریق گروههای آمینو و نیتروژن (که یک عنصر الکترو نگاتیو است )باگروههای هیدروکسیل الیاف می توانند پیوند هیدروژنی ایجاد کنند و نیز از طریق گروههای کلرخود با اتصال اتری به الیاف سلولزی متصل شوند .   1-4          اسیدهای آلی (آبتیک اسید – لینولیک اسید )  که حاوی گروههای DN و گروههای کربوکسیلیک هستند که می توانند موجب برهم کنش مناسب بین سطح پلاستیک و الیاف طبیعی شوند .   1-5          جفت کننده های آلی مونومری گروهی از جفت کننده های آلی به صورت مونومری مصرف می شوند که معمولا به داخل الیاف جوب ماسیو تزریق میشوند و توسط منابع انرژی حرارتی – تابشی مثل بتا و گاما عمل پیوند خوردن این مونومرها با الیاف امکان پذیر می شوند .   1-6          پلیمرها و کوپلیمرها (مالئیک انیدرید پیوند شده بهPP ) این ترکیبات نیز مشابه موارد قبلی باعث ایجاد پیوند استری و هیدروژنی و درگیری مکانیکی می شوند .   1-7    رزینهای ترموست استفاده از رزینهای ترموست به میزان اندکی گزارش شده که  از طریق اتصال متیلنی (اتصال عرضی الیاف طبیعی با متیلن) پیوند ایجاد می کند . در بین رزینهای ترموست در مورد  ملامین فرم آلدئید و فنل فرم آلدئید به جرات می توان گفت که هیچ گونه واکنش شیمیایی بین آنها و ماتریس پلاستیکی امکان پذیر نیست و صرفا درگیری مکانیکی می تواند سبب بهبود چسبندگی در سطح مشترک شود .   1-   جفت کننده های معدنی : ازترکیبات معدنی درموارد بسیار معدود به عنوان جفت کننده استفاده می شود مهمترین ترکیب این گروه  سیلیکات سدیم است که  به عنوان سازگار کننده قطبیت الیاف طبیعی را کاهش داده واز این طریق بین پلاستیک و الیاف طبیعی سازگاری ایجاد می کند .                                                          3- جفت کننده های آلی- معدنی (هیبرید): این گروه از ترکیبات شامل دو دسته زیر می باشند : 1-    سیلان ها 2-    تیتالات ها       مکانیزم واکنش بین سیلان ها والیاف طبیعی :  سیلان ها در حضور آب ورطوبت هدرولیز شده وبه سیلانول تبدیل می شوند والیاف طبیعی که درساختار طبیعی سلولز،همی سلولز ولیگنین شامل گروه های  OH هستند با سیلانول وارد واکنش شیمیائی شده واتصال اتری ایجاد می کنند و این در حالی است که امکان ایجاد اتصال هیدروژنی نیز به قوت خود باقی است . 

 تکنیکهای پیش تیمار الیاف طبیعی و پلاستیک :  

 1-    اندود کردن 2-    گرافتکو پلیمریزاسیون یا پیوند زدن    

  روشهای اندود کردن 1-1  ترکیب کردن componding  که روشی است بسیار ارزان وساده ودر تحقیقات داخل کشور نیز عمدتا از این روش استفاده می شود در این روش جفت کننده در دمای زیاد با الیاف طبیعی وپلاستیک در یک اکسترودر ترکیب  می شوند

 1-2   مخلوط کردن  blending در این روش یک عامل جفت کننده روی سطح الیاف طبیعی یا پلیمر ویا هر دو در یک آسیاب غلتکی و همزن مغناطیسی در دمای زیاد ودمای کم پخت می شود

1-3   خیساندن   sending   در این روش الیاف طبیعی به صورت ورقه با جفت کننده اشباع شده ، و ورقه های اشباع شده قالب گیری می شود

 1-4    مه پاشی کردن   sprayin در این روش جفت کننده به صورت مه پاشی بر روی الیاف طبیعی اسپری می شود.

 رادیکال ساز ها یا آغاز گرها : رادیکال ساز ها یا آغاز گرها پر اکسید هائی هستند که توانائی ساخت رادیکال را دارند . در عمل مالئیک دار کردن حتما باید ابتدا زمینه پلاستیکی را رادیکالی کنیم که برای این منظور از پراکسید های آلی استفاده می کنیم . میزان مصرف جفت کننده ها درحد 1% تا 3% وزن کل کمپوزیت است و مصرف بیشتر باعث کاهش مقاومتهای مکانیکی می شود که از دلائل آن به تشکیل فر آورده های جانبی – افزایش غلظت جفت کننده های غیر واکنشی -  وتداخل با واکنش جفت شدن می توان اشاره کرد. 

روان سازها: گروه دیگری از مواد افزودنی روان ساز ها هستند که سبب بهبود جریان مذاب ودر نتیجه کاهش چسبندگی بین دیواره  ومارپیچ اکسترودر وکاهش اصطکاک بین پلیمر وتجهیزات فر آیند می شونداز جمله این ترکیبات می توان به آمید ها ، استر ها ، اسید های چرب ، موم ها واستئارات های فلزی   اشاره نمود .      روان سازها از مهمترین دسته افزودنی ها هستند که در کلیه دسته های کامپوزیت های چوب - پلیمر استفاده می کردند . روان سازها به دو دسته داخلی وخارجی تقسیم می گردند.

روانساز داخلی که عمدتا درکامپوزیتهای بر پایه PVC به کار می روند سبب کاهش اصطکاک داخلی بین ذرات پلیمر وفیلر گشته و جریان را تسهیل می کند این نوع روان ساز باید سازگاری مناسبی با آمیزه داشته باشد ودرآن حل شود. این دسته شامل انواع الکل های چرب، استرها، واکس اتیلن وینیل استات و ... می باشند. روان ساز خارجی که در اغلب آمیزه های چوب- پلاستیک مورد استفاده قرار می گیرند ، در ناحیه سطحی بین بدنه داخلی اکسترودر وآمیزه داخل آن قرار گرفته وسبب کاهش اصطکاک بین سطحی و جریان بهتر می گردد. روان ساز خارجی با پلیمر سازگاری مناسبی نداشته ودر آن نامحلول است .این امر سبب می شود در هنگام فرایند به نواحی سطحی مهاجرت کند .این دسته شامل انواع واکسهای پلی اتیلن ،اکسید پلی اتیلن ،استئارات های فلزی ،استرها ،اسیدهای چرب وآمیدها می باشند . روان سازهایی نیز وجوددارند که هم روان ساز داخلی وهم روان ساز خارجی هستند .

به طور کلی استفاده از روان سازها دارای مزایای زیر است: . بهبود بخشی فیلر . کاهش پارگی لبه ها و پدیده شکست مذاب . افزایش دبی خروجی(حتی تا 40درصد وبیشتر) . کاهش فشار پشت دای .  کاهش گشتاور دستگاه و دمای فرایند . بهبود کنترل ویسکوزیته . بهبود جدایی از دای . کاهش زمان اختلاط و مصرف انرژی . بهبود سطح ظاهری محصول میزان مصرف روان ساز در آمیزه های پلاستیک عموما کمتر از یک درصد است . اما در کامپوزیت های چوب - پلاستیک نیاز به درصد بالاتر روان کننده است . علاوه بر روان سازهای معمول ، برخی شرکت های تولید کننده مواد افزودنی، روان سازهایی خاص WPC ساخته و عرضه نموده اند .  به عنوان مثال شرکت  struktolروان ساز  TPWرا طراحی نموده که خاص  WPCهاست. قیمت این روان ساز حدود ton/$3600است که نسبت به روان ساز های معمولی استئاراتی که حدود ton/$1600 قیمت دارند ، خیلی بالاتر است. مزیت عمده این نوع روان ساز و دیگر روان سازهایی که خاص WPCها ساخته می شوند دبی بالاتر، کاهش ویسکوزیته مذاب، امکان افزایش درصد پودر چوب و گاهی اوقات افزایش خواص مکانیکی وافزایش طول عمر قطعه می باشد .  اگر چه قیمت این دسته از روان سازها بالاتر است و استفاده از ان سبب افزایش قیمت مواد اولیه مصرفی می شود ، ولی با افزایش دبی هزینه های ثابت را کاهش داده و در مجموع می تواند سبب کاهش هزینه های تمام شده گردد. به عنوان مثال اثر استفاده از درصدهای مختلف روان ساز شرکت  struktol بر روی دبی و قیمت تمام شده مواد در کامپوزیت  HDPE / WFبا50درصد پودر چوب در جدول زیرآورده شده است. دراین جدول دیده می شود که افزایش دبی می تواند اثر افزایش قیمت مواد اولیه را جبران کرده وحتی سبب کاهش قیمت تمام شده نیز می گردد . 


برچسب‌ها: چند سازه های چوب, پلاستیک
به قلم مصطفی برزگر شیری  | لینک ثابت |