کاهش زمان پرس در فرایند تولید چند سازه‏های چوب-پلاستیک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناس ارشد گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران

2 استاد گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران

3 استادیار دانشکده منابع جنگلی، دانشگاه مین، امریکا

4 استادیار علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش، کاهش زمان پرس با استفاده از پرکننده‌هایی با ضریب هدایت حرارتی بالا و همچنین تاثیر این پرکننده‌ها بر خواص فیزیکی و مکانیکی چندسازه‌های به دست آمده بررسی شده‌است. عامل‌های متغیر در این تیمارها، نوع و میزان پرکننده و زمان پرس بودند و دیگر عامل‌ها از جمله میزان آرد چوب، چگالی(دانسیته) تخته و دیگر شرایط پرس ثابت بودند. مواد مورد استفاده آرد چوب راش، پلی‌پروپیلن، سازگارکنندة MAPP و پرکننده هادی حرارت بودند. انواع پرکننده‌ها شامل گرافیت پولکی و پودری (پرکننده‌های کربنی) و آلومینا (پرکنندة سرامیکی) می‌باشد. پرکننده‌ها به میزان 5 و 10% در زمان‌های پرس 15 و 20 دقیقه ساخته شدند. در حین ساخت تخته در پرس گرم از ترموکوپل برای اندازه‌گیری دمای مغز تخته و بررسی زمان رسیدن دمای پرس به مغز تخته استفاده شد. آزمون‌های مکانیکی کشش، خمش، ضربه و سختی و آزمون‌های فیزیکی جذب آب و واکشیدگی ضخامت و همچنین اندازه‌گیری ضریب هدایت حرارتی انجام شد. نتایج نشان داد که پرکننده‌ها به میزان 2 تا 4 دقیقه زمان پرس را کاهش دادند. به‌غیر از گرافیت پولکی هیچ‌یک از پرکننده‌ها محدودیتی در خواص مکانیکی ایجاد نکردند. همچنین به‌لحاظ خواص فیزیکی جذب آب و واکشیدگی ضخامت نیز هیچ‌گونه محدودیتی در استفاده از پرکننده‌ها برای کاهش زمان پرس دیده نشد. هدایت حرارتی تخته‌های به دست آمده از پرکننده‌های هادی، افزایش یافته؛ در نمونه‌های دارای گرافیت پولکی و پودری افزایش بیشتری نسبت به نمونه های دارای آلومینا دیده شد

کلیدواژه‌ها


 

 

مقدمه

اصطلاح «چند سازه ­های چوب پلاستیک» (WPCs[1]) به ردۀ جدیدی از مواد مهندسی که در اصل شامل یک ترکیب لیگنوسلولزی و پلاستیک است؛ مربوط می­با­شد [1]. این مواد برای برطرف کردن نیاز به یک ماده بادوام بر پایة چوب به­وجود آمده­اند [2]. یک ماده چندسازه، از اختلاط پلیمرهایی مانند پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن و پلی‌وینیل‌کلراید و... با پرکننده‌های سلولزی شامل آرد و الیاف چوب، کتان، کنف، بامبو، کاه، کلش و... ساخته میشود. مادة پلیمری را می‌توان از مواد دست اول یا بازیافتی تهیه نمود. گسترش کاربرد مواد لیگنوسلولزی در ساخت این محصولات به‌دلیل قیمت کم، تجدیدپذیری، قابلیت تجزیة زیستی (بیولوژیکی)، وزن مخصوص کم و مقاومت و سفتی بالای آن­ها می باشد [3]. این چندسازة جدید در حالی‌که برتری­های چوب، مانند چگالی کم، قیمت پایین و ویژگی های ماشین‌کاری را دارا می‌باشد، جزء ترموپلاستیک آن به‌عنوان لایه‌ای محافظ در برابر نفوذ رطوبت و مخرب‌های زیستی (بیولوژیکی) عمل می‌کند [2]. استفاده از پرس گرم یکی از روشهای متداول برای ساخت چندسازه های چوب پلاستیک می باشد. یکی از نارسایی­های تولید محصول به این روش، طولانی بودن زمان پرس گرم می‌باشد. زمان پرس به لحاظ اقتصادی بسیار دارای اهمیت بوده و تأثیر مستقیم بر روی بازده تولید واحد تولیدی و قیمت تمام شدة محصول دارد. طولانی بودن زمان پرس گرم ناشی از پایین بودن ضریب هدایت حرارتی پرکننده­های لیگنوسلولزی می‌باشد. هدایت حرارتی نمایانگر توانایی مواد برای انتقال گرما است [4]. مدت زمان پرس گرم بستگی شدیدی به سرعت انتقال حرارت در کیک چندسازه دارد. سرعت انتقال حرارت در کیک چند سازه، سرعت ذوب ماتریس ترموپلاستیک را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به‌علت پایین بودن ضریب هدایت حرارتی پرکننده­های لیگنوسلولزی، انتقال گرما از صفحه‏های پرس گرم به مرکز کیک چندسازه به‌کندی صورت می‌گیرد. در نتیجه درحالی‌که ماتریس ترموپلاستیک در سطح کیک چندسازه در حال ذوب شدن می‌باشد، مرکز کیک چندسازه هنوز سرد است. امکان استفاده از دماهای بالاتر برای افزایش سرعت پرس در مورد چندسازه های چوب پلاستیک عملی نمی‌باشد. زیرا استفاده از دماهای بالای پرس موجب تخریب گرمایی پرکننده‌های لیگنوسلولزی خواهد شد. دمای فرآورش چندسازه‌های چوب پلاستیک محدود به °C‌200می‌باشد‎‏ًًٌ‏ْ زیرا تخریب گرمایی ‌موادلیگنوسلولزی در دمای نزدیک به °C230 آغاز می‌شود [5]. یکی از راه‌های افزایش سرعت انتقال گرما به پرس گرم، افزایش ضریب هدایت حرارتی کیک چندسازه با افزودن پرکننده‌های با ضریب هدایت حرارتی بالا می‌باشد. ضریب هدایت حرارتی برای چوب 2/0، کربن سیاه 1، پلی‌اکریلونیتریل کربونیزه‌ (PAN) 10، آلومنیوم 234، مس 400، گرافیت 600 می‌باشد (همه مقادیر به‌Wm-1K-1 می‌باشد) [6]. در دهه‌های گذشته بررسیهای گسترده­ای در ارتباط با کاهش زمان پرس در فرآیند ساخت پانل‌های چوبی (تخته‌خرده چوب، تخته‌لایه، تخته فیبر) صورت گرفته ‌است. از آنجاکه در فرآیند ساخت این پانل‌های چوبی از رزین‌های گرماگیر (ترموست) استفاده می‌شود، بیشتر پژوهش‌ها بر روی افزایش سرعت انعقاد رزین‌های گرماگیر با استفاده از انواع مختلف افزودنی‌ها، کاتالیزور‌ها و فرمولاسیون‌های رزین متمرکز شده‌اند [7-9]. پژوهشگران دیگری نیز تاثیر رطوبت کیک بر روی زمان پرس و تعیین رطوبت بهینه برای کاهش زمان پرس را مورد بررسی قرار دادند [10]. استفاده از پرکننده‌های با ضریب هدایت حرارتی بالا برای افزایش ضریب هدایت حرارتی کیک از دیگر روش‌هایی است که مورد بررسی قرار گرفته است. برای افزایش ضریب هدایت حرارتی کیک تخته‌خرده‌چوب، کربن ‌مصنوعی به مقدار 1% وزنی مورد استفاده قرار گرفت [11].

تاثیر پرکننده‌های با ضریب هدایت حرارتی بالا بر روی خواص فیزیکی تخته‌ویفر توسط Torrey (2001) مورد بررسی قرار گرفت [6]. پرکننده‌های با ضریب هدایت حرارتی بالا (پرکننده‌های کربنی، فلزی و سرامیکی) به طور گسترده­ای در ساخت چندسازه‌های ترموپلاستیک به‌کار گرفته شده‌اند [12-15]. هدف استفاده از این پرکننده‌ها طراحی یک محصول جدید با ضریب هدایت حرارتی بالا، برای کاربرد‌های ویژه مانند اجزای رایانه و ترمز قطار و ... می‌باشد. با وجود بررسی­های گسترده­ای که در این زمینه صورت گرفته است، هیچگونه پیشینه­ای در زمینه استفاده از پرکننده‌های با ضریب هدایت حرارتی بالا برای کاهش زمان پرس درفرآیند ساخت چندسازه‌های ترموپلاستیک یافت نشد.

در این پژوهش سعی شده تاثیرنوع و میزان پرکننده‌های کربنی وسرامیکی بررویزمان پرسگرم در چندسازه‌‌های الیاف - پلی‌پروپیلن مورد بررسی قرار گیرد.

 

مواد و روش‌ها

در این بررسی، خاک‌ارة راش که از کارگاه دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران تهیه شد، به ‌عنوان مادة چوبی مورد استفاده قرار‌گرفت. از الک 40 مش برای جداسازی خاک­اره­ها با ابعاد مشخص استفاده شد. ذرات درشت‌تر که از الک عبور نکردند، جدا و حذف شدند. به ‌منظور حفظ اختلاط وزنی دقیق و حذف وزن رطوبت چوب، خاک‌اره به مدت 24 ساعت در آون با دمای 2±103 درجه سلسیوس قرار‌ گرفت.

برای ساخت تخته‌ها از سه نوع پرکننده شامل دو نوع پرکنندة کربنی (گرافیت پولکی و گرافیت پودری) و یک نوع پرکنندة سرامیکی (آلومینا) استفاده شد.

قالب پرس مورد استفاده دارای ابعاد داخلی 1×25×25 سانتیمتر بود. برای رسیدن به چگالی هدف که g/cm3 8/0 می‌باشد، در هر تخته 500 گرم مخلوط خاک‌اره راش، پلیمر پلی‌پروپیلن (PP)، پرکننده‌های هادی حرارت و سازگار کنندة MAPP، که از شرکت کیمیا جاوید تهیه شد، به نسبت وزنی درج شده در جدول 1 توزین و مخلوط شدند. پلی­پروپیلن مورد استفاده به شکل دانه (گرانول) ریز بوده و به آسانی با پرکننده­های پودری و پولکی ریز به‌صورت مکانیکی اختلاط شد و اختلاط حاصل، همگن و یکدست بود. پلی‌پروپیلن با شاخص جریان مذاب min10g/8 و چگالی g/cm39/0 از شرکت صنایع پتروشیمی بندر امام تهیه شد. مخلوط مواد درون شابلون تحت فشار پرس گرم با دمای °C180 قرار گرفتند.

پیش از آغاز مرحلة تشکیل کیک به‌دلیل نیاز به استفاده از ترموکوپل برای تعیین دمای وسط ضخامت (مغز) تخته در طول زمان پرس، تغییراتی در شابلون ایجاد شد. برای جلوگیری از ایجاد نایکنواختی در ضخامت تخته در اثر حضور سیم‌های ترموکوپل بر روی شابلون، شیارهایی به عرض 4 میلیمتر (برابر با عرض سیم‌های ترموکوپل) و عمق 3 میلیمتر (برابر با قطر سیم‌ها) در شابلون ایجاد شد. فاصلة شیارها از یکدیگر و از لبة شابلون به ‌یک ‌اندازه در ‌نظر گرفته ‌شد.

 

جدول 1- تیمارهای مختلف و ترکیبات آن‌ها

میزان سازگارکننده (%)

میزان پلی‌پروپیلن (%)

میزان پرکننده لیگنوسلولزی (%)

میزان پرکننده هادی (%)

نوع پر کننده هادی

کد

3

1/29

9/67

--

--

Control

3

6/27

4/64

5

آلومینا

Al 5

3

1/26

9/60

10

آلومینا

Al 10

3

6/27

4/64

5

گرافیت پولکی

PG 5

3

1/26

9/60

10

گرافیت پولکی

PG 10

3

6/27

4/64

5

گرافیت خشک

FG 5

3

1/26

9/60

10

گرافیت خشک

FG 10

 

 

 

در طول مدت پرس، ترموکوپل دمای مغز تخته را نشان می‌داد و در هر 30 ثانیه این دما یادداشت می‌شد. به این ترتیب مشخص می‌شد که وسط ضخامت (مغز) هر یک از تخته‌ها شامل تخته‌های شاهد و تخته‌های دارای سه نوع پرکنندة هادی، در چه زمانی به دمای oC180 رسیدند­.

 آزمون کشش استاتیک مطابق با آیین نامة 638D- استاندارد ASTM انجام گرفت. سرعت بارگذاری دستگاه 5 میلی­متر بر دقیقه بود. مقاومت کششی و مدول الاستیسیته نمونه ها تعیین شد. دست کم 5 نمونه از هر تیمار تحت آزمون کشش قرار گرفتند. نمونه‌های خمشی نیز توسط دستگاه اینسترون مورد آزمایش قرار گرفتند. آزمون خمش استاتیک مطابق با آیین‌نامة 7031D- استاندارد ASTM انجام گرفت. شاخص­های اندازه‌گیری شده در این آزمون، شامل مدول گسیختگی (MOR) و مدول الاستیسیته (MOE) بود. 8 نمونه از هر تیمار تحت آزمون خمش قرار گرفتند. در آزمون ضربه از دستگاه ضربة پاندولی استفاده شد. آزمون ضربه مطابق با آیین‌نامة 256D- استاندارد ASTM انجام شد و مقاومت به ضربة نمونه‌ها بر حسب J/m2 محاسبه شد. در آزمون سختی از نمونه‌های شکسته شده در آزمون ضربه استفاده شد. هر یک از نمونه‌ها در سه ناحیة متفاوت، مطابق با آیین‌نامة 2240D- استاندارد ASTMآزمایش شدند و میانگین آن‌ها به‌منظور تعیین سختی نمونه‌ها محاسبه شد.

در این تحقیق، آزمون‌های فیزیکی جذب آب و واکشیدگی ضخامت مطابق با آیین‌نامه 570-D استاندارد ASTM بر روی نمونه‌ها انجام گرفت. پس از قرار گرفتن نمونه‌ها در آون با دمای oC2±103، ضخامت مرکز و 4 نقطه از لبه‌ها و وزن به طور کامل خشک آن‌ها اندازه‌گیری شد. نمونه‌ها در آب مقطر قرار گرفتند به طوری که با یکدیگر و با کناره و کف ظرف و سطح آب تماس نداشته باشند؛ و پس از گذشت دوره‌های 2، 4، 6 ،24، 48 و 72 ساعت و 1، 2، 3، 4 و 5 هفته قرار گیری نمونه‌ها در آب مقطر، هر بار وزن نمونه‌ها برای محاسبه جذب آب، و ضخامت مرکز و کناره‌ها برای تعیین واکشیدگی ضخامت نمونه‌ها اندازه گرفته شد. جذب آب و واکشیدگی ضخامت در پایان هفتة پنجم متوقف شد. برای اندازه‌گیری وزن از ترازوی دیجیتالی با دقت 01/0 گرم و برای اندازه گیری ضخامت از ریزسنج با دقت 01/0 میلیمتر استفاده شد.

میزان جذب آب و واکشیدگی ضخامت نمونه‌ها به‌ترتیب با فرمول‌های 1و 2 محاسبه شد.

معادله 1-                       

WA: میزان جذب آب (%)

Mx: وزن مرطوب آزمونه‌ها (g)

Mo: وزن کاملا خشک آزمونه‌ها (g)

معادله 2-                       

TS: میزان واکشیدگی ضخامت (%)

Tx: ضخامت آزمونه‌ها در هر یک از دوره­های زمانی(mm)

To: ضخامت اولیة آزمونه‌ها (mm)

برای انجام آزمون هدایت حرارتی از دستگاه اندازه گیری ضریب هدایت حرارتی موجود در دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران استفاده شد. این دستگاه برابر استاندارد ASTM C177 کار می کند و برای استفاده از آن به نمونه­های با ابعاد 20 در 20 سانتی­متر نیاز است. نمونه­ها شامل نمونه شاهد و 5 و 10% از پرکننده­های گرافیت پولکی و پودری و آلومینا با دو تکرار بودند که در زمان پرس 20 دقیقه ساخته شدند. در هر آزمون دو تخته از هر تیمار در دو طرف منبع گرما (هیتر) قرار گرفت. در وسط ضخامت یکی از تخته­ها دو حفره به قطر 5/3 میلیمتر ایجاد شد. مرکز دو حفره از یکدیگر 5 میلیمتر فاصله داشت. حسگر(سنسور)های دماسنج درون سوراخ­ها جای گرفتند تا دمای دو نقطه از وسط ضخامت تخته را به فاصلة 5 میلی­متر از یکدیگر نشان دهند. به طور طبیعی نواحی اطراف حفرة نزدیک­تر به منبع گرما با شتاب بالاتری گرم شده و بسته به میزان هدایت حرارتی نمونه، این گرما با سرعت­های متفاوت به سمت دورتر از منبع گرما منتقل می­شود. پایه اندازه­گیری هدایت حرارتی اختلاف دمای نمونه در محل این دو حفره می­باشد که اطلاعات این دماها توسط دو حسگر به دماسنج­ها منتقل می­شوند. برای افزایش دقت آزمایش، منبع گرما در سه مرحله در ولتاژهای 100، 140 و 180 ولت تنظیم شد. در هر مرحله دمای دو دماسنج زیر نظر بود تا هنگامی­که اختلاف دمای دماسنج­ها ثابت شود. در این زمان دماها یادداشت شده توان ثبت شده و مرحلة بعدی با بالا بردن ولتاژ آغاز شد. هدایت حرارتی نمونه­ها با استفاده از قانون فوریه به کمک فرمول­های زیر محاسبه شد.

معادله 3-                                 

Q: توان (W)

V: ولتاژ (v)

I: شدت جریان (A)

معادله 4-                              

: ضریب هدایت حرارتی (W/m°C)

A: مساحت نمونه (m2)

∆T: اختلاف دمای دو دماسنج (°C)

∆X: فاصلة مرکز دو سوراخ (m)

 

تحلیل آماری

نتایج آزمون‌های فیزیکی و مکانیکی با استفاده از نرم‌افزار SPSS به روش تجزیه واریانس با استفاده از آزمون F تحلیل شد. از آزمون چنددامنه‌ای دانکن برای گروه‌بندی میانگین‌ها استفاده شد. همه مقایسه‌ها در سطح 95% اعتماد انجام شدند.

 

نتایج و بحث

میزان افزایش دمای مغز تخته برای تیمارهای مختلف در مدت زمانی که تحت فشار پرس گرم بودند در شکل 1 نشان داده شده است. بر پایه این نتایج افزودن هر سه نوع پرکننده در نرخ افزایش دما تأثیر مثبت داشته و بیشترین نرخ افزایش دما در نمونه­های دارای 10% گرافیت پولکی دیده شده است. مقدار کاهش زمان پرس با افزودن پرکننده‌های هادی حرارت در شکل 2 نمایان است.

برابر این شکل، مغز کیک چندسازه در تیمار شاهد در مدت 12 دقیقه به دمای نهایی پرس (°C180) رسید. درحالی­که مرکز کیک در دیگر تیمارها در فاصلة 8 تا 10 دقیقه به این دما رسیدند. افزودن پرکننده‌های یاد شده سبب کاهش زمان پرس شد. کمترین کاهش زمان پرس در نمونه­های حاوی 5% آلومینا و بیشترین کاهش در این زمان در نمونه­های دارای 10% گرافیت پولکی و پودری دیده شد که دلیل آن بالاتر بودن ضریب هدایت حرارتی مواد کربنی (گرافیت) نسبت به مواد سرامیکی (آلومینا) می‌باشد. با افزایش ضریب هدایت حرارتی پرکننده‌ها، گرادیان دما بین سطح و مغز تخته کاهش می یابد. نتایج همانندی در دیگر پژوهش‌ها دیده شده است [11و12].


 

شکل 1- مقایسه روند افزایش دمای مغز تخته برای تیمارهای مختلف در زمان پرس داغ. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود

 

 

شکل 2- زمان رسیدن دمای مغز تخته برای تیمارهای مختلف به دمای 180 درجه سانتی گراد. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود


آزمون‌های مکانیکی

درکلیهآزمون‌هایمکانیکی تأثیرمتقابل عامل­هایمتغیر باآزمونفاکتوریلبررسیشدودرهیچ‌یکاز آنهامیاننوعپرکننده، میزانپرکنندهوزمانپرساختلافمعنی‌داریدیدهنشد. بنابرایناثرهریکازاین عامل­هابرروی همهخواصبه‌طورمستقلارزیابی شد.

نتایج آزمون تجزیه واریانس نشان داد که نمونة شاهد با هیچ­یک از نمونه‌ها تفاوت معنی‌داری در میزان MOE ندارد؛ با این وجود، چندسازه­های دارای انواع پرکننده مدول الاستیسیتة بیشتری نسبت به شاهد نشان دادند (شکل 3).

شکل 4 مدول گسیختگی تیمارهای مختلف را نشان می‌دهد. در میان پرکننده­ها گرافیت پولکی به دلیل چسبندگی ضعیف بین پلیمر و پرکننده، کاهش معنی‏داری را در میزان MOR نشان داد. زمان پرس نیز تاثیر معنی­داری بر روی مدول گسیختگی داشت؛ به­طوری­که پرس 20 دقیقه­ای مدول گسیختگی بالاتری را نسبت به پرس 15 دقیقه­ای ایجاد کرد.


 

شکل 3- تاثیر تیمارهای مختلف بر مدول الاستیسیته خمشی. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود

 

شکل 4- تاثیر تیمارهای مختلف بر مدول گسیختگی. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود

 

در همه تیمارها، در زمان پرس 20 دقیقه، MOE و MOR بیشتری نسبت به زمان پرس 15 دقیقه دیده می‌شود. احتمال دارد این مساله ناشی از شکل‌گیری بهتر مخلوط مواد در بازه زمانی 20 دقیقه‌ای پرس ­باشد. برابر شکل‌های 3 و 4 نمونه‌های دارای 10% پرکننده رفتار خمشی بهتری نسبت به نمونه‌های دارای 5% پرکننده نشان دادند. این به‌دلیل تأثیر مثبت پرکننده‌های هادی حرارت در خواص خمشی چند سازه ‌ها می‌باشد. تاثیر تیمارهایمختلفبرمدولالاستیسیتهکششی را نشان می‌دهد.

بیشینه مدول الاستیسیتة کششی در نمونه‌های دارای گرافیت پودری دیده می‌شود (شکل 5). کمینه مدول الاستیسیته کششی در نمونه‌های دارای گرافیت پولکی قابل دیدن است. کاهش مدول الاستیسیته کششی در این نمونه‌ها نسبت به نمونه شاهد اختلاف معنی‌داری را در سطح اعتماد 99% نشان نداد. رفتارکششی چندسازه­ها (به ­ویژه تیمار شاهد) در زمان پرس 20 دقیقه نسبت به زمان پرس 15 دقیقه بهبود یافت.در بررسی مقاومت کششی (شکل 6) هیچ یک از نمونه‌ها نسبت به شاهد اختلاف معنی‌داری را در میزان مقاومت کششی نشان ندادند.


 

شکل 5- تاثیر تیمارهای مختلف بر مدول الاستیسیته کششی. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود

 

 

شکل 6- تاثیر تیمارهای مختلف بر مقاومت کششی. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود

 

مقاومت به ضربه توانایی چندسازه را در برابر ایجاد و گسترش ترک نشان می­دهد. افزودن پرکننده­ها به درون ماتریس پلیمر منجر به افزایش نایکنواختی پلیمر و ایجاد شکاف­های ریز در سطح آن می­شود­. در نتیجه مقاومت به ضربه چندسازه به دست آمده در مقایسه با پلیمر خالص کاهش می­یابد. مقاومت به ضربة تیمارهای مختلف در شکل 7 نمایان است.

بر این پایه افزودن پرکننده‌ها سبب کاهش مقاومت به ضربه شده ولی این کاهش تنها در نمونه‌های دارای گرافیت پولکی معنی‌دار می‌باشد. همچنین افزایش زمان پرس از 15 به 20 دقیقه، افزایش مقاومت به ضربه را موجب شده است. تأثیر افزودن پرکننده‌ها بر سختی نمونه‌ها در شکل 8 دیده می‌­شود.

 

 

شکل 7- تاثیر تیمارهای مختلف بر مقاومت به ضربه. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود

 

شکل 8- تاثیر تیمارهای مختلف بر سختی. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود

 

نمونه­های دارای پرکنندة گرافیت پولکی با کم‌ترین میزان سختی تفاوت معنی‌داری با نمونة شاهد از خود نشان دادند و دیگر نمونه­ها اختلاف معنی­داری با نمونة شاهد نداشته­اند. در این آزمون افزایش میزان پرکننده سبب کاهش ناچیز سختی نمونه­ها شده ولی زمان پرس اثر معنی­داری بر سختی نمونه­ها ایجاد نکرده است.

نتایج آزمون‌های مکانیکی با نتایج دیگر پژوهش­ها در مورد تأثیر افزودن گرافیت بر ویژگی‌های مکانیکی چندسازه به دست آمده همخوانی دارد [11].


آزمون‏های فیزیکی

خواص فیزیکی جذب آب و واکشیدگی ضخامت نیز مستقل از تأثیر متقابل میان عامل­های متغیر می­باشد. همان‌طور که در شکل‌های 9 و 10 دیده می‌شود، در جذب آب طولانی مدت که دارای اهمیت بسیاری است هیچ­یک از تیمارها با مقادیر مختلف پرکننده تاثیر معنی‏داری بر میزان جذب آب نداشتند.

 

 

شکل 9- مقایسه جذب آب طولانی مدت تیمارهای مختلف. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود

 

شکل 10- مقایسه واکشیدگی ضخامت تیمارهای مختلف. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود

 

در آزمون واکشیدگی ضخامت نیز در درازمدت (پس از 5 هفته)، میان نمونة شاهد با هیچ­یک از نمونه­های دارای پرکننده تفاوت معنی­داری دیده نشد و مقدار پرکننده نیز بر واکشیدگی ضخامت بی­اثر بوده ­است.

هدایت حرارتی نمونه ‌ها در شکل 11 مشهود است. نمونه­های دارای انواع پرکننده، هدایت حرارتی بیشتری نسبت به نمونه شاهد داشتند. با توجه به شکل، نمونه­های دارای آلومینا تأثیرناچیزی بر هدایت حرارتی تخته داشتند و این مقدار در نمونه­های دارای پرکننده­های گرافیت پولکی و پودری بالاتر می­باشد. پرکننده‌های آلومینیومی ضریب هدایت حرارتی پایین­تری نسبت به انواع گرافیت دارند. پژوهش‌های دیگر در رابطه با افزودن پرکننده اکسید آلومینیوم نیز نتایج همانندی را نشان دادند [14].


 

شکل 11- میزان هدایت حرارتی تیمارهای مختلف. برای توضیح کدها به جدول 1 رجوع شود

 


نتیجه­گیری

هدف این پژوهش بررسی امکان افزایش کارایی مرحله پرس با افزایش شدت انتقال حرارت از سطح به مغز چندسازه و در پی آن کاهش زمان پرس بود. افزودن هر سه نوع پرکننده در شدت افزایش دما تأثیر مثبت نشان داد. استفاده از پرکننده‌های هادی حرارت، مدت زمان مورد نیاز برای رسیدن دمای مغز تخته به دمای صفحه‏های پرس (oC180) را به میزان 2 تا 4 دقیقه بدون افت چشمگیر خواص مکانیکی و فیزیکی چندسازه کاهش داد.به­غیر از پرکنندة گرافیت پولکی هیچ­یک از پرکننده­ها محدودیتی در خواص مکانیکی یاد شده در بالا ایجاد نکردند. نتایج نشان دادند که با وجود تاثیر پرکننده­ها در تسریع افزایش دمای مغز تخته، برخی از خواص مکانیکی (کشش، خمش و ضربه) در نمونه­های حاصل از پرس 20 دقیقه­ای نسبت به پرس 15 دقیقه­ای بالاتر بودند. احتمال دارد این مساله ناشی از این حقیقت باشد که گرچه نبود پرکننده­های هادی حرارت باعث تاخیر در رسیدن دمای مغز تخته به oC180 شده است؛ ولی پس از رسیدن به این دما، چندسازه­های به دست آمده از پرس 20 دقیقه­ای نسبت به پرس 15 دقیقه­ای مدت زمان بیشتری را برای شکل­گیری بهتر مخلوط مواد در اختیار داشتند. به لحاظ خواص فیزیکی جذب آب و واکشیدگی ضخامت، هیچ‌گونه محدودیتی در استفاده از پرکننده‌ها برای کاهش زمان پرس وجود ندارد.در نهایت پرکننده گرافیت پودری به میزان 10 درصد می‌تواند زمان پرس را بدون کاهش قابل توجه خواص فیزیکی و مکانیکی کاهش دهد و در مصارفی که ممانعتی به جهت هدایت حرارتی فراورده نباشد گرافیت پودری 10 درصد بهترین گزینه در میان پرکننده‌های آزمونی این بررسی می‌باشد



[1] Wood-plastic composites

[1]     Tajvidi, M., Motie, N., Rassam, Gh., Falk, R.H. and Felton, C., 2010. Mechanical performance of hemp fiber polypropylene composites at different operating temperatures, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 29(5):664-674.

[2]     Harper, D. and Wolcott, M., 2004. Interaction between coupling agent and lubricants in wood-polypropylene composites, Composites Part A, 35: 385-394.

[3]     Kazayawoko, M., Balatinecz, J.J. and Matuana, L.M., 1999. Surface modification and adhesion mechanisms in wood fiber-polypropylene composites, Material Science, 34:6189-6199.

[4]     Behzad, T. and Sain, M., 2007. Measurement and prediction of thermal conductivity for hemp fiber reinforced composites, Polymer Engineering and Science, 47(7):977–983.

[5]     Azizi, M.A.S., Alloin, F. and Dufresne, A., 2005. Review of recent research into cellulosic whiskers, their properties and their application in nanocomposite field, Biomacromolecules, 6: 612-626.

[6]     Torrey, K.S., 2001. Influence of thermally conductive fillers on the physical properties of wafer board, M.Sc. Thesis, Michigan Technological University, Houghton, MI, 298 pages.

[7]     Barry, A.O. and Corneau, D., 1999. Volatile organic chemicals emission from OSB as a function of processing parameters, Holzforchung, 53(4):441-446.

[8]     Matuana, L.M. and King, J.A., 2001. Veneer-based product and method of manufacture, U.S. Patent field July 13, 2001. with the U.S. Patent and Trademark Office.

[9]     Matuana, L.M. and King, J.A., 2001. Wood-based composite board and method of manufacture, U.S. Patent field July 13, 2001 with the U.S. Patent and Trademark Office.

[10]     Maloney, T.M., 1993. Modern particleboard and dry-process fiberboard manufacturing, Update edition, Miller Freeman Publication, Inc. San Francisco, CA, 681 p.

[11] Matuana, L.M., 2003. Thermally conductive carbon filler in wood-based composites, Forest Products Journal, 53(3): 40-42.

[12]     Finan, J.M., 2000. Thermally conductive thermoplastics. LNP Engineering Plastics, Inc, Exton, Pennsylvania. Plastics Engineering. www.4spe.org

[13] Heiser, J.A. and King, J.A., 2004. Thermally conductive carbon filler Nylon 6,6,Polymer Composites, 25(2): 186–193.

[14]     Shojaei, A., Fahimian, M. and Derakhshandeh, B., 2007. Thermally conductive rubber-based composite friction materials for railroad brakes–Thermal conduction characteristics, Composites Science and Technology, 67: 2665–2674.

[15]     Zhou, W-Y., Qi, S-H., Zhao, H-Z. and Liu, N-L.,2007. Thermally conductive silicone rubber reinforced with boron nitride particle, Polymer Composites, 28(1): 23–28.