کامپوزیت چوب پلاستیک نکات فرایندی

[M@hdi42]

کامپوزیت چوب پلاستیک نکات فرایندی

گسترش سریع کامپوزیت های چوب پلاستیک در سال های ابتدایی دهه ی 90 میلادی شروع شد و کاربری اصلی آن برای تولید الوارهای مقاوم به عوامل جوی بود. این محصول اکنون در انواع محصولات اکستروژنی مانند ریل ها، حصار، زوارها تزیینات داخل خودرو به کار میرود.
افزودن چوب به پلاستک باعث کاهش قیمت فرمول، افزایش مدول الاستیسیته (صلبیت) و کاهش ضریب انبساط گرمایی میشود. همه ی این مزایا، یک هزینه دارد و آن مشکل بودن و پیچیدگی اکستروژن این مواد است.
چوب تنها الیاف طبیعی مورد استفاده در پلاستک ها نیست ولی پر مصرف ترین است. چوب مورد استفاده در این آمیزه ها ابتدا آسیاب، الک و سپس خشک میشود. برای الوار و کاربردهایی که در کف استفاده میشوند، بافت سطحی قابل قبول و حتی لازم است. برای این کاربردها الک کردن پودر چوب با توری مش 40 تا 60، علاوه بر ایجاد ظاهر مناسب، جریان پذیری خوبی به آمیزه میدهد. برای پروفیل هایی که ظاهر صاف تری لازم دارند، چوب با توری 80 تا 100 الک میشود. ذرات ریزی که از الک 120 میگذرند مطلوب نیستند زیرا جریان پذیری مواد را ضعیف میکنند و اختلاط آنها با پلاستیک نیز مشکل تر است. الیاف چوب وقتی خوب مخلوط نشوند، به صورت نقاط "چوبی" در آمیزه دیده میشوند که هرگاه ذرات ریز آمیزه بیش تر شود و یا اکسترودر توانایی اختلاط کافی نداشته باشد، بروز میکند. پودر چوب بسته به رطوبت محیط، با جذب 8 تا 12 درصد رطوبت به تعادل میرسد. آب باقیمانده در آمیزه، بعد از خروج از قالب، تبخیر شده و باعث باد کردن پروفیل میشود، پس لازم است تا قبل ار خروج آمیزه از اکسترودر، میزان رطوبت چوب را کاهش داد. اکسترودرها میتوانند با داشتن گازگیر عادی یا تحت خلا، بخشی از رطوبت مواد را خارج کنند ولی میزان خروج رطوبت از آمیزه بیش تر توسط نفوذ رطوبت از داخل مواد مذاب به بیرون کنترل میشود. برای اکسترودرهای ناهسوگرد (counter .rotating) بیش ترین سرعت تولید در رطوبت یک درصد و کمتر به دست می آید. در اکسترودرهای همسوگرد، سرعت عوض شدن سطح مذاب در داخل اکسترودر بیشتر است و به همین دلیل رطوبت مواد اولیه را بهتر تحمل میکنند. بهترین میزان رطوبت الیاف چوب در این اکسترودرها 2 تا 4 درصد است. کم کردن رطوبت مواد ورودی به پایین تر از 2 درصد، در عمل باعث افت سرعت تولید میشود زیرا تبخیر آب از سطح پروفیل، خود باعث خنک شدن پروفیل میشود. اکسترودر های ناهمسو گرد و همسو گرد به ترتیب میتوانند مواد با رطوبت بالاتر از 1 و 4 درصد را نیز فرایند کنند ولی سرعت تولید آنها کم میشود. کم کردن سرعت تولید باعث افزایش زمان اقامت مواد در اکسترودر میشود و میزان آلی که میتوان از آمیزه خارج کرد افزایش میباید. اگر میزان رطوبت مواد دو برابر میزان توصیه باشد- یعنی حدود 2 درصد برای ناهمسو گرد و 8 درصد برای همسو گرد- حداکثر حجم تولید نصف میشود. پرو فیل هایی که درصد رطوبت آنها بالا است، دچار حباب های موضعی میشوند و یا در زیر سطح پروفیل، تاول ایجاد میشود. اگر میران رطوبت خیلی زیاد باشد، پوسته ی پروفیل به طور کامل از پروفیل جدا میشود. چوب ترکیب پیچیده ای دارد و اجزای اصلی آن سلولز و لیگنین است. اهمیت دانستن ترکیب چوب از آن جهت است که هر دوی این مواد در دماهای بالای 190 درجه ی سانتیگراد، تخریب میشوند. شکل 1 نتیجه ی آنالیز گرمایی وزنی (TGA) الیاف چوب را نشان میدهد. در این منحنی وزن باقیمانده ی مواد با افزایش دما رسم میشود. افت وزن نمونه یا به دلیل خروج مواد فرار (مانند آب) است یا به دلیل تخریب ماده و تولید مواد فرار که از ماده خارج شده و باعث افت وزن میشود.

در نمودار TGA دو مرحله افت وزن دیده میشود: تخریب آب در دمای 25 تا 125 درجه که حدود 6 درصد وزن نمونه است و تخریب سلولز و لیگنین در درمای 190 تا 400 درجه که 74 درصد وزن نمونه را تشکیل میدهد. شکل 2 دامنه ی دمایی مناسب برای خشک کردن چوب، تخریب آهسته و تخریب سریع سلولز و لیگنین را نشان میدهد. مشکلات فرایند چوب در دماهای فرایند پلاستیک با درنظر گرفتن رفتار این ماده در دماهای بالا، قابل توجه است- با توجه به این که دمای مواد مذاب بیشتر پلاستیک هایی که برای چوب پلاستیک ها استفاده میشود بیشتر از 190 درجه ی سانتیگردا است، مشکلات این فرایند بیش از پیش آشکار میشود.

دمای فرایندی بیشتر پلاستیک را اگر رو منحنی شکل 2 منطبق کنیم، میبینیم که در ناحیه ی تخریب آهسته قرار میگیرند. این به این معنی است که سازنده پروفیل در حال کار با ماده ای است که اجزای اصلی آن قبل از ورود به قالب، در آستانه ی تخریب دارند. جلوگیری از این تخریب و یا در عمل، کنترل آن، سخت ترین کار در اکستروژن چوب پلاستیک است. مشکلات اصلی که در پروفیل به دلیل تخریب بروز میکند، عبارتند از تاب برداشتن پروفیل و تغییرات ابعادی آن به ویژه در لبه های تیز.

شکل 3 منحنی TGA یک تخته ی ام دی اف را نشان میدهد. الیاف چوب مورد استفاده در آن ارزان و در دسترس هستند ولی برای اکستروژن مناسب نیست. دقت کنید که در دمای 150 درجه سانتیگراد، افت وزن زیادی رخ داده است.

منبع: ماهنامه صنایع پلاستیک- شماره 283

کسانی که از صنعت پلاستیک وارد این حیطه شده اند فکر میکنند که "چوب، چوبه دیگه" و کسانی که از صنعت چوب وارد این حیطه شده اند فکر میکنند، "پلاستیک، پلاستیکه دیگه" در حالی که هم چوب و هم پلاستیک، ویژگی های متنوعی دارند که بر اکستروژن بسیار موثر هستند. پی وی سی، پلی اتیلن و پلی پروپیلن، اصلی ترین پلاستیک های مورد مصرف در چوب پلاستیک ها هستند. پی وی سی مناسب کار با اکسترودرهای ناهمسوگرد با دور پایین (کمتر از 50 دور در دقیقه) است زیرا بر اثر تنش زیاد و دماهای بالا تخریب میشود. پلی اتیلن و پلی پروپیلن مناسب اکسترودرهایی همسو گرد هستند زیرا میتوانند تنش ها و دماهای بالاتر از پی وی سی را تحمل کنند. با این مواد میتوان آمیزه های چوب پلاستیک را روی یک اکسترودر 103 میلی متری با سرعت 1360 کیلو گرم در ساعت اکسترود کرد. از آنجا که اکستروژن چوب پلاستیک بیشتر توسط دما محدود میشود، به طور کلی میتوان گفت که سرعت تولید با توان دوم قطر مارپیچ تغییر میکند. به طور مثل اگر یک اکسترودر 73 میلی متری آمیزه ای را با سرعت 720 کیلوگرم بر ساعت تولید میکند. میتوان انتظار داشت که یک اکسترودر 103 میلی متری همان ماده را با سرعت 1450 کیلوگرم در ساعت اکسترود کند. در ایالات متحده پر مصرف ترین ماده برای چوب پلاستیک، پلی اتیلن است. برای چوب پلاستیک از پلی اتیلن سنگین استفاده میشود. چون ویژگی های آن بهتر از پلی اتیلن سبک است. برای مصارف الوار بیشتر از پلی اتیلن با شاخص جریان 3% تا 1 استفاده میشود. پلی اتیلن با شاخص جریان کمتر از 1، ویژگی های مکانیک بهتری نسبت به انواع با شاخص جریان بالاتر دارد ولی برای کم کردن شاخص جریان مذاب هم محدودیت هایی وجود دارد. پلی اتیلن های با شاخص جریان کمتر از 2%، انرژی بیشتری برای اکستروژن لازم دارند. این شرایط باعث بالا رفتن دمای مواد مذاب خروجی میشود، از آنجا که چوب در دماهای بالاتر از 190 درجه تخریب میشود، تولید کننده باید بالاترین شاخص جریان مذابی را انتخاب کند که بتواند ویژگی های فیزیکی مورد نظر را تامین کند. تغییر خوراک پلاستیک پلاستیک ها از نظر شیمیایی موادی ساده هستند ولی از نظر طول زنجیر پلیمر، آرایش زنجیر، توزیع جرم مولکولی بلورینگی و مانند آن پیچیده هستند. این ویژگی ها به ندرت در کارخانه ی اکستروژن چوب پلاستیک اندازه گیری میشوند ولی تاثیر زیادی در تولید محصول دارند. بیشتر پلاستیک مورد استفاده در چوب پلاستیک ها از نوع باریافتی است و بخش عمده ای هم از پلاستیک های نو ولی با ویژگی های خارج از دامنه ی مجاز تامین میشود. از آنجا که ویژگی های این مواد ورودی خیلی کنترل نمیشود، در طول زمان امکان تغییر فرایند اکستروژن وجود دارد. این تغییرات خوارک میتواند بر سرعت تولید، بازده و میزان ضایعات موثر باشد. تغییر سرعت تولید در حد 15 درصد، ظرف چند روز، در این صنعت دور از انتظار نیست. تواتر بروز چنین تغییراتی اغلب با تواتر ورود مواد جدید به کارخانه برابر است. اندازه گیری شاخص جریان مذاب مواد ورودی، روشی ناقص ولی همچنان مفید برای بررسی رفتار فرایندی مواد است. در بسیاری از کارگاه ها حتی همین آزمون نیز انجام نمیشود. در تولید چوب پلاستیک از مواد روان ساز بسیار استفاده میشود. مواد روانساز در این آمیزه ها دو نقش اصلی دارند. یکی کم کردن گرمای ناشی از تنش برشی تا دمای مذاب نهایی کمتر باشد. کار دوم این افزودنی ها کم کردن اصطلاک مواد مذاب با قالب و تامین یک سطح صاف و سالم است. افزودنی که وظیفه ی اول را بر عهده دارد، روان ساز داخلی و افزودنی که کار دوم را انجام میدهد، روان ساز خارجی نام دارد. میزان مصرف روانساز برای آمیزه های بر پایه ی پلی اتیلن 3 تا 5 درصد برای آمیزه های بر پایه ی پلی پروپیلن، 1 تا 3 درصد است. در بیشتر کاربردهای چوب پلاستیک ها، ویژگی که در درجه ی اول اهمیت قرار دارد صلبیت است (مدول الاستیسیته) که هر چه بیشتر باشد باعث میشود تا بتوان ضخامت پروفیل را کمتر کرد و هم زمان احساس کیفیت در محصول ایجاد کرد (به طور مثال خم نشدن و حرکت نکردن در زیر پای افراد). استحکام نهایی یا در نقطه ی شکست این محصولات بیشتر از نظر ایمنی و دوام طولانی مدت اهمیت دارد. در مقایسه با چوب، آمیزه های چوب پلاستیک مدول کمتر و استحکام خمشی کمتری دارند. مواد سازگار کننده ی زیادی برای بهبود ویژگی های مکانیکی این مواد در دسترس است. رایج ترین این مواد پلی الفین های عامل دار شده با انیدریدمالئیک است ک باعث بهیود چسبندگی چوب به مواد پلاستیک میشوند. در کنار مزایای این افزودنی ها باید افزایش قیمت فرمول، مصرف بالاتر برق اکسترودر و کاهش کارایی مواد روان ساز خارجی را در نظر گرفت. استفاده از یک لایه ی سطحی با فرمول متفاوت در سطح پروفیل های چوب پلاستیک، کارایی آن را از جهات مختلف بهبود می بخشد چوب پلاستیک های بر پایه پلی اتیلن و پلی پروپیلن نرم هستند و مقاومت کمی در برابر خراش دارند. چوب موجود در چوب پلاستیک در معرض حمله ی قارچ قرار دارد. مواد رنگی، آنتی اکسیدان ها و مواد ضد فرابنفش، افزودنی هایی گرانی، هستند که لازم نیست در کل توده ی محصول پخش شوند. یک لایه ی سطحی از یک پلیمر سخت تر که تمام این افزودنی ها را در خود داشته باشد، راهی اقتصادی تر برای بهبود ویژگی های چوب- پلاستیک و حفاظت از آن است. بخشی از این مزایا و کاهش هزینه ها به دلیل افزایش قیمت قالب و ماشین آلات خنثی میشود.