ساخت و خصوصیات تخته خرده بدون چسب از مغز کنف

 (پسماند گیاهی) با پرس تزریق بخار

   سطح مخاطبین این مطلب:  کارشناسی ارشد

فهیمه شعبان­علیزاده، النا مهدی­نژاد ، محدثه خواجه

چکیده:

تخته خرده بدون چسب از مغز کنف با استفاده از پرس تزریق بخار ساخته شد. اثر دانسیته تخته، فشار بخارو زمان تیمار بر روی خصوصیات تخته مورد ارزیابی قرار گرفت. دانسیته تخته نسبتاٌ پایین ودر حدود ³cm/g 4/0 تا 7/0 بوده است. خصوصیات (مدول گسیختگی (MOR)، مدول الاستیسیته (MOE)­، در هر دو شرایط خشک و تر، اتصالات داخلی (IB)و جذب آب(WA ))، با افزایش دانسیته تخته به طور خطی، افزایش یافت. همچنین فشار بخار، زمان تیمار بر روی خصوصیات تخته تاثیرداشت. اتصالات داخلی (IB) با افزایش فشار بخار بهبود یافت. زمان بخار تیمار طولانی در کاهش میزان واکشیدگی ضخامت (TS) و سپس ثبات ابعادی بهتر شرکت دارد. فشار بخار مناسب Mpa 1 و زمان تیمار 15 -10 دقیقه بوده است . خصوصیات مکانیکی و فیزیکی تخته­های با دانسیته­ی ³cm/g 55/0 در شرایط اپتیمم به قرارزیر بوده است .

MOR  6/12aMp، MOE  5/2Gpa، IB  49/0Mpa ،TS  5/7% و در شرایط تر MOR  4/2 Mpa ، در مقایسه بااستاندارد 1994 و 5908 JIS تخته خرده کنف بدون چسب، دارای مقاومت IBعالی بوده اما ثبات ابعادی نسبتاٌ ضعیفی را نشان می­دهد .

کلمات کلیدی: تخته خرده، مغز کنف، تخته بدون چسب، پرس تزریق بخار

مقدمه:

در سالهای اخیر به دلیل کاهش منابع جنگلی استفاده موثر از مواد لیگنوسلولزی سریع­الرشد غیر­چوبی و ضایعات کشاورزی علاقه مندان زیادی را جذب نموده است. در میان مواد لیگنوسلولزی غیر چوبی کنف یک جذابیت خاصی داشته زیرا سریع الرشد می باشد. تحقیقات زیادی بر روی استفاده موثر از کنف انجام شده است که این پژوهش­ها نشان دادند ساقه کنف قابلیت استفاده در ساخت تخته را دارند. چسبهای سینیتیک معمولا برای تولید پنل­های چوبی استفاده می­شوند. دو مشکل این چسب­ها عبارت است از: گران هستند و همچنین ازمنابع نفتی غیرقابل بازگشت تهیه می­شوند. تحقیقات برای استفاده از چسب­های تبدیلی گسترده بوده تا میانه های سال 1970 یک اقدام بزرگ در این کار کشف استفاده از لیگنین، تانن، کربوهیدرات و سایر جایگزینها بود حتی تکنولوژی بدون چسب نیز ارزیابی شد.[5-1] پروسه تر تخته فیبر سخت یک نوع از تخته بدون چسب است . چسبندگی کمتر از 2% در طول تولید تخته سخت پروسه­ی تر ابجاد گردید. اتصالات لیگنینی و هیدروژنی سلولز نقش اصلی را در اتصالات فیبربا فیبربازی می­کند روش­های بدون چسب در میانه سال 1980 گسترش یافت این روش شامل یک مرحله بخار انفجار برای مواد لیگنوسلولزی به جهت تبدیل شدن و تولید پنل ها بدون استفاده از چسب­های سینتیک بود. تخته­های بدون چسب از مغز کنف با استفاده پرس گرم سنتی گسترش یافت. دمای پرس و درصد رطوبت خرده چوب­ها که استفاده شد نسبتا بالا به ترتیب درحدود 240 –220 درجه سانتیگراد و%30 -%20 بوده است[3-2]. درتخته بدون چسب ساخته شده از مخلوط الیاف سوزنی برگ و پهن برگ استفاده از پرس تزریق بخاربهبود ثبات ابعادی را گزارش داد [4] اما متاسفانه استحکام اتصالات تختهFDM بدون چسب ضعیف بود.در این مطالعه تخته­های بدون چسب با استفاده از فشردن بخار انفجار با استفاده از خرده­های مغز کنف به عنوان مواد خام بود اثر دانسیته تخته، فشار بخار و زمان تیمار بر روی خصوصیات تخته­ها مورد بررسی قرار گرفت .

مواد و روش­ها:

مغز کنف با m 2/1 طول و ابعاد mm 20 -10 به عنوان مواد خام استفاده شد. ابتدا مغز کنف به صورت چیپس­های در حدود cm 5 بریده شد. درصد رطوبت چیپس­ها حدود %60 بوده است. چیپس­ها کنف با استفاده از رینگ فلیکر فراوری مجدد شده وخرده چوب­ها با یک ضخامت مشخص mm 5/0 تولیدگردید، خرده چوب­ها سپس در جریان هوا خشک شد که رطوبتی در حدود %11 به­دست آمد. ابعاد تخته­ها12* 300*300 mm بوده است. براساس دانسیته­های تعیین شده خرده­های کنف اندازه­گیری شد سپس خورده­ها با دست فرم داده شد (با استفاده از جعبه فرمینگ )به صورت کیک تک لایه همگن در آمدند. کیک­ها پیش پرس شدند و سپس با یک پرس بخار تزریقی پرس گردیدند. پرس مورد استفاده با ضخامتی در حدود mm 12 با فریم استیل بود. بخار نشان داد که پرس بعد از اینکه بسته شد و فشار بالارفته و به فشار مطلوب apM 6 رسید.

کیک­ها زیرفشاربخار (Mpa1 – 6/0 )قرارگرفته و زمان تیمار(25 – 7 ) دقیقه بود. بخاردر حدود 30 ثانیه پخش شد. بخار از پرس باز شده خارج می­شود ودر طول پرس، دماهای هر دو صفحه­ی پایینی و بالایی بالاتر از 7 – 5 درجه سانتی­گراد نگه­داشته شد. و این کار برای جلوگیری از تلغیظ بخار بود. دانسیته­های مشخص شده، فشارها و زمان تیمار بخار که در آزمایش استفاده شده  در جدول 1 آمده است. دانسیته تخته مشخص شده در 6 سطح قرار داشت این رنج در حدود ³cm/g 7/0 – 4/0 بود. فشارهای بخار در حدود 6/0 Mpa  ( 164C)، 8/0 Mpa (175C)، 1Mpa (184C) وزمان های تیمار بخار در حدود 7 تا 25 دقیقه بود. یک مجموعه از30 تخته ساخته شد به علاوه یک تخته شاهد از کیک خرده مغز کنف بدون چسب با پرس سنتی در دمای C 190 برای 20 دقیقه ساخته شد، درصد رطوبت خرده چوب­ها %11 بود و دانسیته تخته­ها ³cm/g 55/0 در نظرگرفته شد.

ابتدا برای ارزیابی خصوصیات مکانیکی و ثبات ابعادی، تخته­های بدون چسب دو هفته در دمای اتاق قرار گرفت در این شرایط درصد رطوبت در حدود 5 تا 7 درصد بود. خصوصیات تخته­های بدون چسب مطابق با استانداردهای ژاپن (JIS) برای تخته خرده­ها (1994 – 5908 JISA) ارزیابی شد. چهار نمونه mm 12*25*230 (یا 2 نمونه 12*50*230mm) از هر تخته برای آزمایشات اتصالات استاتیکی در شرایط خشک آماده گردید. آزمایشات اتصالات استاتیکی با استفاده از اتصالات در 3 نقطه صورت گرفت و در یک محدوده موثرmm 180 با سرعتnim/mm 10بود. نمونه های mm 50 *50 که از هرتخته برای آزمایشات اتصالات داخلی و 4 نمونه با سایز یکسان از هر تخته برای واکشیدگی ضخامت و جذب آب بعد از 24 ساعت غوطه وری در آب 20 سانتی­گراد آماده گردید. نظر به خصوصیت اتصالات مرطوب تخته­ها با دانسیته پایین ممکن است نسبتا پایین و تنها 65/0 باشد آزمایشات مطابق با اتصالات مرطوب (آزمایش 5908 JIS) باشد. برای تخته­ها با دانسیته­ای در حدود ³cm/g 4/0 تا 6/0می­باشد. یک آزمایش اتصال مرطوب به وسیله غوطه وری نمونه­ها در آب 20 درجه برای 3 ساعت انجام شد در هر 2 حالت دو نمونه از هر تخته با معیارmm 12*50*230 اندازه­بری شد ابتدا آزمایشات اتصالات نمونه ها قبل و بعد از غوطه ­وری در آب اندازه­گیری شدو انبساط خطی تخته­ها محاسبه شد.

بحث و نتایج:

بعضی از تخته­های بدون چسب دانسیته بالا (6/0<) متورق شدند، جدول 1 این امر نشان داده شده است. تخته­های با دانسیته مشخص³cm/g 4/0 تا 55/0 در آنها اثری از متورق شدن دیده نشد در این حال 50% از تخته­ها با دانسیته³ cm/g 6/0 و بیشتر تخته­ها با دانسیته³ cm/g 6/0 تا 7/0 متورق گردید ( با تنوع اندازه). ممکن است متورق شدن به دلایل زیر باشد:

تخته­ها با دانسیته بالا با سرعتهای بالا فشرده می­شوند ( دانسیته تخته³cm/­g 6/0 با سرعت 3/4) در نتیجه بخار در داخل تخته ها فرصت کافی برای فراگرفتنشان نخواهند داشت به موجب تولید فشار بخار بالا در داخل تخته مقاومت اتصال داخلی تخته بارگذاری می­شود که در نتیجه متورق شدن را سبب می شود. بنابراین یک سیستم خلا که بخار را از خورده­های کیک بعد از تیمار رها می­کند، توصیه می­شود.

جدول1. شرایط ساخت تخته­خرده بدون چسب کنف

در شکل 1 اثر دانسیته تخته بر روی مدول گسیختگی تخته ساخته شده در فشار بخار 1Mpa در طول زمان تیمارمختلف نشان داده شده است. باافزایش دانسیته تخته، مدول الاستیسیته به طور خطی افزایش می­یابد. مدول الاستیسیته برای تخته با دانسیته 35/³0cm/­g ، Mpa 4بوده  با افزایش دانسیته به 65/0 ³cm/­g ، مدول الاستیسیته Mpa 3/17 بوده است[9].

در شکل2 افزایش مدول الاستیسیته با افزایش فشار بخاررا نشان می­دهد. دانسیته اصلی نمونه­ها در حدود 08/0 -02/0 ³cm/­g کمتراز دانسیته تخته تعیین شده بوده است.                        

 با توجه به نتایج اتصال داخلی تخته­های بدون چسب قابل مقایسه با تخته­های چسب دارمی­باشد. الیاف ناشی از انفجار بخار تخته های بدون چسب یک اتصال داخلی کاملا پایین به میزان 1/0 دارد که دانسیته آن³cm/g 7/0 بود. اتصال داخلی تخته بدون چسب مغز کنف با استفاده از پرس گرم سنتی در حدود 2/0 _ 5/0Mpa و با دانسیته­های³cm/ g 75/0 _ 6/0 بدست آمد[11]. تخته­های بدون چسب ساخته شده به وسیله­ی پرس گرم سنتی اتصال داخلی پایین درحدود09/0Mpa ملاحظه شد که میزان آن Mpa 43/0 برای تخته پرس شده با بخار بود. این میزان حتی بالاتر از تخته­های استفاده شده از چسب ملامین اوره استفاده می­باشد­[7]. تخته ساخته شده با پرس تزریق بخار قهوه­ای تیره، تغییرات شیمیایی مواد لیگنوسلولزی را نشان می­دهد­. بخارپیش تیمار می­تواند به علت هیدرولیز همی­سلولز درپهن برگان و سوزنی برگان باشد­. با افزایش طول تیماراز حدود 4­-1 دقیقه زمان صرف شده برای تنزل کربوهیدراتها به عنوان نتیجه تیمار مشاهده شد. افزایش زمان تیمار بدون محدودیت استفاده از زمان تیمار تولید باعث ثبات ابعادی می­شود. آنالیز تغییرات شیمیایی اجزا تمایل به کاهش همی­سلولز و سلولز را با بالا رفتن فشار بخار و مدت طولانی تیمار نشان داد اما لیگنین سازنده تغییر زیادی را انجام نداد. دراین مطالعه فشار پرس 1 _ 6/0 در نظرگرفته شد وحدس زده می­شود که مغز کنف زمانی که در معرض بخار قرار می­گیرد به علت تجزیه گرمایی و هیدرولیز بخشی از همی­سلولز، تغییر شکل می­یابد و همی­سلولز هیدرولیز می­تواند به عنوان چسب استفاده شود[10].

شکل 8، اثردانسیته تخته و زمان تیمار بخار رابر روی واکشیدگی ضخامت تخته خرده بدون چسب کنف نشان می­دهد. تغییرات قابل توجه­ای بین دانسیته وواکشیدگی ضخامت دیده نمی­شود. اما واکشیدگی ضخامت از زمان تیمار بخار تاثیر می­گیرد­. زمان تیمار کوتاه به یک معنی در میزان واکشیدگی ضخامت و پراکندگی آن موثر است­. نتایج نشان می­دهد که تخته با زمان تیمار طولانی­تر، واکشیدگی ضخامت پایین­تری خواهد داشت. درمقایسه با ساخت تخته به­وسیله پرس گرم سنتی میزان واکشیدگی ضخامت تخته های ساخته شده با پرس بخارتزریق بسیار کمترمی­باشد. واکشیدگی ضخامت پایین ممکن است به روش پرس تزریق بخار نسبت داده می­شود که این امر ثبات ابعادی تخته­ها را تامین می­کند­[13]. تغییر قابل توجه مابین انبساط خطی و دانسیته ملاحظه نشد. انبساط خطی در حدود 5/0%-3/0% برای تمام دانسیته تخته­ها بود. میزان انبساط خطی تخته ­ها در طول زمان­های طولانی تیمار مقداری پایین تر از آنچه که در زمان­های کوتاه­تر مشاهده می­شود­. دانسیته تخته اثرقابل ­ی بر روی جذب آب داشت (شکل10 ). با افزایش دانسیته تخته جذب آب کاهش یافت. تخته­ها دانسیته پایین­، جذب آب بالاتری دارد زیرا ویژگی متخلخل بودن آن در دانسیته پایین می­باشد وآب بیشتری را جذب می­کند سپس تخته متراکم می شود­ .فشار بخار و زمان تیمار اثر کمتری بر روی جذب آب دارد.

  نتیجه گیری :

تخته خرده بدون چسب کنف با استفاده از پرس تزریق بخار ساخته می شود. اثردانسیته تخته­، فشار وزمان تیمار بخار بر روی خصوصیات تخته تحت آزمایش قرار گرفت.نتایج می­تواند به صورت زیر خلاصه گردد:

اجراو ساخت تخته بدون چسب می­تواند خصوصیات مکانیکی بهبود قابل توجهی با افزایش دانسیته یافت، اگرچه لایه لایه شدن گاهی هنگامی اتفاق می­افتد­ که دانسیته تخته³cm/g 6/0 < باشد. زمان تیمار و فشار بخار نیز بر روی تخته­های بدون چسب موثر است­. یک زمان تیمار طولانی در کاهش واکشیدگی ضخامت و ثبات ابعادی بهتر موثر است­. زمان تیمار مناسب در حدود 15 -10 دقیقه در یک فشار بخار1Mpa یافت شد. تخته کنف بدون چسب اتصالات داخلی بالا و مقاومت اتصالات پایینی را نشان داد.

منابع:

1. Cheng Z (2000) Studies on production management indicators ofkenaf (Hibiscus cannabinus( whole stalk for papermaking. Bull Kochi Univ For 27:53–126

2. Ohnishi K, Okudaira Y, Zhang M, Kawai S (2000) Manufactureand properties of oriented medium density fiberboard from nonwoodlignocellulosic fibers. Mokuzai Gakkaishi 46:114–123

3. Kawai S (1999) International conference on effective utilization ofplantation timber. Chi-Tou, Taiwan, pp 109–114

4. Kajita H, Kawasaki T, Kawai S (1998) Proceedings of the 4thPacific Rim Bio-Based omposites Symposium, Bogor, Indonesia,pp 479

5. Sellers T Jr, Miller GD, Fuller MJ (1993) Kenaf core as a board rawmaterial. For Prod J 43(7/8):69–71

6. Laemsak N, Okuma M (2000) Development of boards made from oil palm frond. II. Properties of binderless boards from steamexplodedfibers of oil palm frond. J Wood Sci 46:322–326.

7. Suzuki S, Shintani H, Park S, Saito K, Laemsak N, Okuma M(1998) Preparation of binderless boards from steam explodedpulps of oil palm (Elaeis guneensis Jaxq.): fronds and structural

characteristics of lignin and wall polysaccharides in steam explodedpulps to be discussed for self-binding. Holzforschung 52:417–426.

8. Matsumoto J, Harada S, Kajita H (1999) Proceedings of the technotrend. The AdhesionSociety of Japan, Osaka, pp 30–37.

9. Okamoto H, Sano S, Kawai S, Okamoto T, Sasaki H (1994) Productionof dimensionally stable medium density fiberboard by useof high-pressure steam pressing. Mokuzai Gakkaishi 40:380–389.

10. Hsu HE, Schwald W, Shields JA (1988) Chemical and physicalchanges required for producing dimensionally stable wood-basedcomposites. Wood Sci Technol 22:281–289.

11. Geimer R (1982) Steam injection pressing. In: Proceedings of the16th international particleboard symposium, Washington StateUniversity, Pullman, WA, pp 115–134.

12. Kwon JH, Geimer R (1998) Impact of steam pressing variables onthe dimensional stabilization of flakeboard. For Prod J 48(4):55–61.

13. Thoman B, Pearson RG (1976) Properties of steam-pressedparticleboard. For Prod J 26(11):46–50.

Abstract:

 Binderless particleboards were successfully developedfrom kenaf core using the steam-injection press.The effects of board density, steam pressure, and treatment time on the properties of the board were evaluated. The target board densities were relatively low, ranging from 0.40

to 0.70g/cm3. The properties [i.e., moduli of rupture (MOR)and elasticity (MOE) in both dry and wet conditions, internal bonding strength (IB), and water absorption (WA)] of the boards increased linearly with increasing board density.Steam pressure and treatment time also affected the board properties. The bending strength and IB were improved with increased steam pressure. A long steam treatment time contributed to low thickness swelling (TS) values and thus

better dimensional stability. The appropriate steam pressure was 1.0MPa, and the treatment time was 10–15min.The properties for 0.55g/cm3 density boards under optimum conditions were MOR 12.6MPa, MOE 2.5GPa, IB 0.49MPa, TS 7.5%, and wet MOR 2.4MPa. Compared with

the requirement of JIS 5908, 1994 for particleboard, kenafbinderless boards showed excellent IB strength but relativelypoor