کامپوزیت های پلیمر چوب

کامپوزیت های پلیمر چوب

این مقاله نمونۀ آپدیت شده از چندین مقالۀ مروری قبلی در زمینه کامپوزیت های پلیمر چوب (WPC) است. پلیمرهای مهمی من جمله فنل - فرمالدئید (PF)، وینیل های مختلف و الکل فورفوریل در ساخت این نوع کامپوزیت ها استفاده شده اند. فنل - فرمالدئید و مواد شیمیایی مشابه معمولآ به دیواره سلول های چوب وارد می شوند ؛ در حالی که وینیل ها معمولآ لومن سلول را پر می کنند. تیمارهای ترکیبی که هم لومن ها و هم دیواره ها را اصلاح می کنند ، امکان پذیر است. نفوذ و جریان جرم دو روش احتمالی برای ورود ماده شیمیایی به داخل چوب هستند. فرایند پخت را میتوان با استفاده از کاتالیزور و گرما یا تشعشع نافذ انجام داد. نوع تیمار شیمیایی و دانسیته نهایی تعیین کننده اصلی خواص WPC هستند؛ خواص فیزیکی و شیمیایی بطور گسترده مورد بررسی قرار گرفته اند. در مقایسه با چوب های تصفیه نشده، پیشرفت های مهمی در زمینه WPC از لحاظ سختی، قابلیت اتمام و پایداری ابعادی صورت گرفته است. همچنان زمینه های مطالعاتی بسیاری من جمله فرمولاسیون های شیمیایی، تیمار و پخت، چگونگی روابط آنها با تقویت کننده های خواص، قابلیت بازیافت WPC ها و مواد شیمیایی از منابع تجدید پذیر برای ساخت WPC ها باقی مانده است.

کامپوزیت های پلیمر چوب (WPC) ازطریق اشباع چوب با مونومر یا پلیمر قابل انعطاف پذیری و سپس پخت مونومر یا پیش پلیمر در جامد ساخته میشود. برای ساخت این کامپوزیت ها میتوان از چوب جامد (الوار) یا هر نوع کامپوزیت چوبی (مانند تخته ویفر و تخته فیبر با چگالی متوسط) استفاده کرد؛ اگرچه معمولآ از چوب جامد استفاده میشود. این کامپوزیت ها دارای پلیمر در لومن های سلول یا لومن ها و دیواره های سلول هستند. همچنین از خواص فیزیکی تغییر یافته و بهبود یافته زیادی در مقایسه با چوب اصلی برخوردار هستند. علاوه براین، میتوان افزایش سختی سطح، پایداری ابعادی و امکان اتمام خوب بدون پوشش سطح را مشاهده کرد. در طی سال ها، محققان برای تولید WPC چوب را انواع مواد شیمیایی آغشته کرده اند که تعدادی از آنها برای مدت محدودی کاربرد تجاری پیدا کرده اند. در حال حاضر، چندین شرکت تولید کنندۀ WPC عمدتآ بصورت کف پوش وجود دارد. علاوه بر کاربردهای بالقوه بسیاری برای این مواد، چندین مقاله مروری قبلی درمورد فرایندها، خواص و تولیدات مواد کامپوزیت پلیمر چوب نیز وجود دارد. یک فصل از کتاب ای. جی. استام که یکی از پیشگامان در انواع مختلف چوب اصلاح شده است، به فرایندها و تولیدات ارائه شده اختصاص یافته است. علاوه بر بررسی برایانت از چوب های اصلاح شده مانند WPC، ویت نیز WPC وینیل پلیمری شده با اشعه را بررسی کرده است؛ او یک شرکت پیشگام را برای تولید WPC وینیل با اشعه گاما، بطور عمده کفپوش سخت چوب مدیریت می کند. دو پیشگام و کارگر پرکار در چوب های اصلاح شده بنام های ای. اس گلدستین و دبلیو. ایی لوز یک کتاب آموزنده را منتشر کردند. همچنین آتیو و میتنین نیز کارهای اولیه در فنلاند را خلاصه سازی کردند و چاودی و پروکش نیز گزارش کار در اروپای مرکزی را ارائه دادند. روول و کاندل هم از لابراتوار تولیدات چوب ایالات متحده نیز مروری بر تیمارهای تغییر دهندۀ خواص فیزیکی چون همچون WPC را ارائه دادند. این مقاله نمونۀ آپدیت شده و گسترش یافتۀ بررسی های قبلی است.

قابلیت درمان چوب

از سخت چوب ها (گونه های برگریز) عمدتآ در ساخت WPC استفاده میشود؛ دلیل اول اینکه WPC برای محصولات نهایی استفاده میشود که بطور سنتی از سخت چوب ها ساخته میشوند. دوم، درون چوب بسیاری از نرم چوب ها (مخروطیان) به خوبی آغشته نمی شوند. همچنین نرم چوب ها معمولآ دانسیته کمتری نسبت به سخت چوب ها دارند و برای خواص قابل مقایسه نیاز به ماده شیمیایی تصفیه کنندۀ بیشتری دارند. به همین دلیل این مقاله بطور عمده به بررسی سخت چوب ها می پردازد. نیکلاس و سیائو عوامل چوبی را بررسی می کنند که میزان تیمارپذیری آنها را تحت تأثیر قرار می دهد. منافذ سخت چوب ها مسیرهای اصلی طولی مایعات را فراهم می کنند. حفره های بین منافذ و الیاف، لومن های الیاف و اشعه ها نیز در جریان مایع نقش مهمی برعهده دارند؛ اما نقش آنها در توزیع مایعات در درون چوب کمتر شناخته شده است. ساپ وود اکثر گونه ها (سخت چوب ها و نرم چوب ها) به خوبی تیمار میشوند اما با درون چوب های وابسته به گونه ها قابل تیمار نیز هستند. تیمارپذیری در گونه ها و درختان متفاوت است. اغلب مناطقی از تخته های منفرد وجود دارد که تیمار آنها متفاوت تر از مناطق مجاور است. براساس جدول زیر، از چوب های بسیاری حتی موارد حاوی گونه های گرمسیری، برای ساخت WPC استفاده شده است.

جدول 1: بسیاری از گونه های چوب با قابلیت آغشتگی مناسب در تولید WPC

انواع پلیمرهای WPC

برخی از مونومرها و پیش پلیمرهای استفاده شده در تولید WPC در جدول زیر ارائه شده است.

جدول 2: برخی مونومرها و پیش پلیمرهابکار رفته در ساخت WPC و خواص آنها

هزینۀ مواد شیمیایی در تیمار

مونومرها و پیش پلیمرهای اساسی که می توانند برای تولید WPC استفاده شوند، هزینه زیادی به همراه دارند. مونومرهای صنعتی پرکاربرد من جمله استایرن و متیل متاکریلات ارزان ترین مواد شیمیایی پایه در ساخت WPC هستند. هزینه واحد در این نوع مواد شیمیایی براساس کمیّت (مقادیر خریداری شده) قابل تغییر است. عواملی همچون راندمان تبدیل، تبخیر در حین پخت، عمر گلدان، مواد افزودنی، سهولت استفاده، اقدامات ایمنی محیطی و احتراق میتوانند میزان هزینه های این مواد در تولید WPC را تحت تأثیر قرار دهند.

روشهای تولید WPC

دو فرایند اساسی برای انتقال مایعات به داخل چوب در تولید WPC وجود دارد؛ مایعات با غلظت کم و متوسط را میتوان با استفاده از خلأ و فشار وارد چوب کرد. مونومرهای وینیل نمونه هایی از مایعات با ویسکوزیته کم هستند که در چنین فرایند آماده سازی WPC استفاده میشوند. برخی از اپوکسی ها با گرانروی متوسط در تصفیه چوب استفاده شده اند. مایعات با غلظت بالاتر مانند پیش پلیمرهای فنل -فرمالدئید بطور معمول با ترکیبی از جریان و جابجایی - انتشار به داخل چوب حرکت می کنند.

روش انتشار در ساخت WPC

فرایندهای آغشته سازی و فشرده سازی عمدتآ به انتشار برای جابجایی جامدات در محلول رزین فنل -فرمالدئید در روکش چوب متکی هستند. از روکش چوب نیزبه این دلیل استفاده میشود که مایعات بایستی در فواصل کم جابجا شوند. بعد از اینکه ماده شیمیایی در داخل روکش پخش شد، با استفاده از گرما تیمار میشود. روکش های آغشته شده را میتوان به تنهایی تیمار کرد و سپس برای ساخت تخته ، آنها را به هم چسباند. یا حتی ممکن است پرس شده و حرارت داده شوند تا بطور همزمان به هم چسبیده و تیمار شوند. فرایند فشرده سازی از فشار فراتر از فشار لازم برای اتصال به افزایش دانسیتۀ مواد استفاده می کند. ورقه های WPC تولید شده با این فرایندها معمولآ بعنوان محصول ارائه میشوند.

روش فشار-وکیوم در ساخت WPC

آماده سازی WPC ها از چوب جامد یا کامپوزیت های چوبی در دو مرحله انجام میشود: مرحله اول، سلول با فشار کامل همراه با مواد نگه دارنده مایع تیمار میشود؛ با این تفاوت که خلأ نهایی وجود ندارد. مرحله دوم مشابه با پلیمریزاسیون فله مونومرهای مایع یا پیش پلیمرها است. جریان سیال توده ای در چوب تحت گرادیانت های فشار در چندین حجم سریع تر از دانه رخ می دهد؛ بنابراین به استثناء نمونه های بسیار طولانی، محلول تیمار بیشتر ازطریق دانه انتهایی وارد میشود. مایعات با ویسکوزیته پایین با سرعت بیشتری به داخل چوب سرازیر میشوند؛ به این دلیل اغلب از مونومرها برای ساخت WPC استفاده میشود. ویسکوزیته های مایع بکار رفته در فرایند تیمار در دمای اتاق با استفاده از خلأ در چند دامنۀ cP هستند. با فشار بیش از حد، ویسکوزیته ها از 30 تا  130cPقابل استفاده هستند. قبل از مرحله آغشته سازی، آب و هوا بایستی از چوب خارج شود تا فضای لازم برای مایع تیمار فراهم شود. آب با فرایند خشک کردن تخلیه میشود. الوار خشک شده در کوره (تقریبآ 6 درصد MC) یا تخته ویفر یا خرده چوب خشک شده به خوبی تیمار میشوند. پس از خشک شدن، چوب را در یک مخزن تحت فشار قرار داده تا هوا از آن خارج شود؛ اکنون چوب تخلیه شده دارای سلول های خالی برای دریافت مایعات است. چوب همچنان در مخزن فشار باقی می ماند، در حالی که مایع تصفیه شده به داخل مخزن ریخته شده و روی چوب را می پوشاند. با این کار خلأ آزاد میشود. احتباس کافی ممکن است با استفاده از خلأ به دنبال فشار جوّی در زمان مناسب امکان پذیر باشد. در نمونه های بزرگ یا چوب با نفوذپذیری کم، ممکن است از فشار زیادی استفاده شود. حداکثر فشار مجاز به حداکثر مقاومت چوب در برابر خرد شدن بستگی دارد که معمولآ حدود 10 اتمسفر است. در پایان این مرحله، پوب حاوی مایع است؛ قبل از اینکه به WPC تبدیل شود، مایع بایستی به یک پلیمر جامد تبدیل شود. میتوان پلیمریزاسیون مونومرها یا پیش پلیمرهای قابل پلیمریزاسیون را با استفاده از اشعه یونیزان نافذ (الکترون ها، اشعه گاما یا اشعه ایکس) یا کاتالیزور شیمیایی و گرما من جمله گرمایش فرکانس رادیویی آغاز کرد. درمورد وینیل ها، کاتالیزور گرم شده به رادیکال های آزاد تجزیه میشود که میتوانند پلیمریزاسیون را آغاز کنند. فرایند پلیمریزاسیون حرارتی معمولآ در کوره های جدا از دستگاه تصفیه فشار انجام شود. از آنجا که میتوان در این فرایند بخارهای قابل اشتعال تولید کرد، بایستی از دستگاهی استفاده کرد که غلظت بخار پایین را حفظ کرده و یا منبع اشتعال بخار نداشته باشد. روزن جزئیات بیشتری از نحوه تولید کاتالیزور حرارتی، WPC وینیل را در مقیاس کوچک ارائه داده است.

کنترل کیفیت در تولید

در کامپوزیت پلیمر خاص چوب، خواص فیزیکی و مکانیکی معمولآ با چگالی ارتباط نزدیک دارند. بنابراین، با آزمایش خواص در بارهای مختلف با ترکیب خاصی از چوب و پلیمر، اندازه گیری چگالی به تنهایی میتواند یک شاخص خوب باشد. اندازه گیری تراکم نسبتآ آسان است و بنابراین ممکن است یکی از بهترین ابزارهای کنترل کیفیت معمول برای تولیدکنندگان و خریداران باشد. سختی سطح WPC به بارگذاری پلیمر در سطح و سختی پلیمر بستگی دارد. در اینجا، سختی پلیمر میتواند به درجه تیمار و مقدار مونومر باقی مانده مرتبط باشد. سختی همانند چگالی میتواند به عملکرد WPC مرتبط باشد و حتی میتواند یا ارزیابی مفید برای کنترل کیفیت محسوب شود. این کار میتواند با استفاده از ابزار دستی مانند دورسنج ساحلی ساده باشد.

نتایج (توصیه ها)

در فرایندهای نیاز به جریان مایعات ناهمگن به داخل چوب، چوب ممکن است بعنوان یک ستون کروماتوگرافی عمل کرده و اجزای مایع را جدا کند. درک بهتر چنین جداسازی های شیمیایی در حین تولید WPC میتواند در طراحی مایعات تصفیه کننده نیز مفید باشد. حتی اگر گونه های چوب در کلاس های قابل تیمار دسته بندی شده باشند، اما تجربه نشان داده است که تنوع گسترده ای در یک گونه و حتی در قسمت های مختلف یک درخت وجود دارد. درون چوب و ساپوود علیرغم تفاوت ها و شباهت هایی که دارند، از گونه هایی هستند که به راحتی تیمار میشوند. درک دلایل آناتومیک و فراساختاری چوب برای چنین تنوعی و امکان پیش تعیینِ تیمارپذیری در گونه های مختلف چوب مفید خواهد بود. با قرار دادن محلول تصفیه پذیر قابل واکنش در درون چوب، چوب به یک ظرف واکنش تبدیل میشود. تغییراتی همانند اندازه سلول های واحد حاوی سیال واکنش دهنده، محدودیت های جریان سیال همرفتی در اثر جذب یا تولید گرما، خواص عایق بندی چوب، مواد استحصالی چوب و شاید فعالیت شیمیایی سطحی در واکنش های نفوذی ماده چوب نیز در چوب اتفاق می افتد. براساس برخی از شواهد بدست آمده، این کار را میتوان ایزوترم های واکنش متفاوت مشاهده شده از همان ماده شیمیایی پلیمر شده در چوب و فله دانست. درک بهتر واکنش های پلیمریزاسیون در چوب میتواند به فرمولاسیون شیمیایی و طراحی فرایند پخت کمک کند. قابلیت بازیافت در WPC ها در آینده ممکن است مهم باشد. این مواد هنگام تولید از منابع تجدید پذیر، دارای مزیت های زیست محیطی هستند. با اینکه چوب را میتوان در این مجموعه قرار داد اما بیشتر مونومرهای بکار رفته در تولید WPC از پترولیوم (نفت خام) تولید شده اند. استفاده از پلیمرهای مشتق شده از منابع تجدیدپذیر به نفع WPC ها خواهد بود. چنین پلیمرهایی مانند مواردی که از الکل فورفوریل بدست می آیند، در گذشته برای تصفیه چوب مورد استفاده قرار گرفته اند اما ظاهرآ در حال حاضر هیچ یک از آنها کاربرد تجاری ندارند.