مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

ساخت کامپوزیت طبیعی الیاف موز- سیمان و ارزیابی مشخصه‌های فنی آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.
2 دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.
3 دانش‌آموخته دکتری گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.
10.22034/ijwp.2025.2073399.1730
چکیده
بیان مساله و اهداف: کامپوزیت‌های چوبسیمان به‌عنوان نسل نوین مصالح ساختمانی زیست‌پایه، ترکیبی از ویژگی‌های مکانیکی و زیست‌محیطی مطلوب را ارائه می‌دهند، اما ناسازگاری میان فاز آلی و معدنی، ضعف در چسبندگی بین سطحی و پایداری ابعادی، کاربرد آن‌ها را محدود کرده است. از سوی دیگر، ضایعات کشاورزی همچون الیاف موز به دلیل حجم تولید بالا، درصد سلولز مناسب، استحکام کششی قابل توجه و ماهیت تجدید پذیر، گزینه‌ای بالقوه برای جایگزینی بخشی از منابع چوبی محسوب می‌شوند. در ایران نیز با توجه به تولید گسترده موز در استان سیستان و بلوچستان و حجم بالای ضایعات، بهره‌برداری از این منابع می‌تواند علاوه بر کاهش آثار زیست‌محیطی، مسیر توسعه مصالح ساختمانی پایدار را هموار سازد. بر همین اساس، پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر تیمار قلیایی الیاف موز و تعیین درصد بهینه آن در ساخت تخته‌های چوبسیمان، به ارزیابی خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی این کامپوزیت‌ها پرداخته است.
مواد و روشها: الیاف مورد نیاز از ساقه‌های کاذب گیاه موز (Musa sapientum) استخراج و به دو صورت خام و تیمار شده با محلول هیدروکسید سدیم ۵ درصد به کار گرفته شدند. جهت بررسی اثر درصد اختلاط، نسبت‌های وزنی 5 به 95 و 10 به 90 الیاف به سیمان مورد استفاده قرار گرفت. سیمان پرتلند نوع II به‌عنوان ماتریس معدنی اصلی انتخاب شد و از 10 درصد چسب بتن MCP نسبت به مقدار آب مورد استفاده در تهیه ملات سیمان برای بهبود پیوستگی در ساخت پانل­ها بهره گرفته شد. پانل‌های سیمانی فاقد الیاف موز به عنوان نمونه شاهد انتخاب شدند. پانل‌ها با استفاده از پرس سرد ساخته شده و سپس نمونه­های آزمونی جهت تعیین خواص فنی پانل­ها شامل: دانسیته، رطوبت تعادل، جذب آب و واکشیدگی ضخامت (بعد از 2 و 24 ساعت غوطه­وری در آب)، مدول گسیختگی، مدول ­الاستیسیته خمشی، چسبندگی داخلی و مقاومت به آتش (ISO 925-3)، مطابق با استاندارد تهیه و مورد ارزیابی قرار گرفتند. جهت بررسی تأثیر تیمار قلیایی بر ساختار شیمیایی الیاف موز و سازگاری آن‌ها با سیمان از طیف‌سنجی مادون‌قرمز (FTIR) و همچنین برای بررسی ساختار میکروسکوپی کامپوزیت الیاف موز-سیمان، اندازه­گیری ابعاد الیاف، بررسی ماتریس سیمان و الیاف و همچنین برای تشخیص اثر تیمار الیاف در پانل‌های الیاف موز- سیمان، از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) استفاده شد. داده‌ها با استفاده از آزمون ANOVA و آزمون دانکن در سطح اطمینان 95 درصد تحلیل شدند.
نتایج: بررسی طیف FTIR و تصاویر FESEM نشان داد که تیمار قلیایی موجب حذف ناخالصی‌ها، مواد استخراجی و موم‌های سطحی شده، زبری و سطح فعال الیاف را افزایش داد و بدین ترتیب، پیوند شیمیایی و مکانیکی با ماتریس سیمانی تقویت شد. نتایج فیزیکی نشان داد که دانسیته نمونه‌های تیمار شده (به‌ویژه در سطح ۵ درصد الیاف) افزایش یافت و به مقادیر نزدیک نمونه شاهد رسید، در حالی که رطوبت تعادل، جذب آب و واکشیدگی ضخامت کاهش معنی‌داری پیدا کردند. در آزمون‌های مکانیکی، افزودن ۵ درصد الیاف تیمارشده موجب افزایش چشمگیر مدول گسیختگی (MPa 03/ 10) و مدول الاستیسیته خمشی (MPa 1789) نسبت به نمونه شاهد شد، در حالی‌که استفاده از الیاف خام یا درصدهای بالاتر باعث کاهش این ویژگی به‌دلیل افت چسبندگی و افزایش تخلخل گردید. چسبندگی داخلی نیز در نمونه‌های ۵ درصد تیمار شده به حداکثر رسید که ناشی از افزایش تراکم و بهبود پیوند بین سطحی بود. آزمون مقاومت به آتش نشان داد که تمامی نمونه‌ها فاقد دوام شعله و گدازه بودند؛ همچنین بیشترین کاهش وزن مربوط به نمونه شاهد (52/0 درصد) و کمترین مقدار مربوط به نمونه‌های حاوی ۱۰ درصد الیاف خام (21/0 درصد) بود. اگرچه تیمار قلیایی اثر مثبت بر خواص مکانیکی داشت، اما به دلیل حذف نسبی مواد استخراجی، پایداری حرارتی در سطحی پایین‌تر از الیاف خام ثبت شد.
نتیجه­ گیری: یافته‌ها نشان می‌دهد که استفاده از الیاف موز، به‌ویژه پس از تیمار قلیایی و در درصد بهینه ۵ درصد، می‌تواند خواص مکانیکی، پایداری ابعادی و سازگاری بین سطحی تخته‌های چوبسیمان را بهبود دهد. همچنین نتایج آزمون مقاومت به آتش نشان داد که ترکیب الیاف موز با ماتریس سیمانی، حتی با وجود ماهیت آتش‌گیر الیاف، عملکرد حرارتی ایمن و قابل قبولی دارد؛ بنابراین، الیاف موز تیمار شده به‌عنوان جایگزینی مناسب برای الیاف چوبی در تولید پانل‌های زیست‌پایه مطرح بوده و می‌تواند در راستای توسعه مصالح ساختمانی پایدار و کاهش ضایعات کشاورزی، راهکار مؤثری باشد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Raj, R. G. and Tan, W., 2018. Wood-cement composites: Properties, applications, and future trends. Journal of Composites for Construction, 22(6), 04018050.
[2] Liu, Z., Han, C., Li, Q., Li, X., Zhou, H., Song, X. and Zu, F., 2022. Study on wood chips modification and its application in wood-cement composites. Case Studies in Construction Materials, 17(1), p. 01350.
[3] Chaowana, P., 2013. Bamboo: an alternative raw material for wood and wood-based composites. Journal of Materials Science Research, 2(2), p. 90.
[4] Fernandes, F., Savastano Jr, H. and John, V. M., 2019. Alternative fibers for cement based composites. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, 15, 34–39.
[5] Garcez, M. R., Oliari Garcez, E., Machado, A. O. and Gatto, D. A., 2016. Cement-wood composites: effects of wood species, particle treatments and mix proportion. International journal of composite materials, 6(1), pp. 1-8.
[6] IRNA News Agency, 2025. Statistical report on banana production in Iran. Available at: <https://www.irna.ir/> (Accessed: 15 March 2025). (In Persian).
[7] Monji, A. B., Iranmanesh, Y., Jaafari, A. and Goujani, H. J., 2020. Non-destructive derivation of biomass and carbon stock of wild pistachio (Pistacia atlantica Desf.). Iranian Journal of Forest and Poplar Research, 28(2), pp. 204-215. (In Persian).
[8] Venkateshwaran, N. and Elayaperumal, A., 2010. Banana fiber reinforced polymer composites-a review. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 29(15), 2387-2396.
[9] Rouf, M. A., Alam, M. R., Belal, S. A., Ali, Y. and Rahman, M. Z., 2025. Mechanical and thermal performances of banana fiber–reinforced gypsum composites. International Journal of Polymer Science, 2025(1), 8120082.
[10] Dhivahar, P., 20250. Applications of Banana Fiber - A General Overview. International Journal for Research in Applied Science and Engineering Technology, 13(3), pp. 583-588. DOI: 10.22214/ijraset.2025.67297
[11] Zhu, W. H., Tobias, B. C., Coutts, R. S. P. and Langfors, G., 1994. Air-cured banana-fibre-reinforced cement composites. Cement and concrete composites, 16(1), 3-8.
[12] Elbehiry, A., Elnawawy, O., Kassem, M., Zaher, A. and Mostafa, M., 2021. FEM evaluation of reinforced concrete beams by hybrid and banana fiber bars (BFB). Case Studies in Construction Materials, 14, e00479.
[13] Thanushan, K. and Sathiparan, N., 2022. Mechanical performance and durability of banana fibre and coconut coir reinforced cement stabilized soil blocks. Materialia, 21, 101309.
[14] Wazzan, A. A., 2006. The effect of surface treatment on the strength and adhesion characteristics of phoenix dactylifera-L (date palm) fibers. International Journal of Polymeric Materials, 55(7), 485-499.
[15] Mishra, S. and Chaudhary, V., 2021. Chemical treatment of reinforced fibers used for bio composite: a review. Advances in Engineering Materials: Select Proceedings of FLAME 2020, 137-147.
[16] Siriput, P., Suwan, T., Thongchua, H., Thongchua, G., Thammapradit, Y. and Jitsakulchok, S., 2023. Preliminary study of natural fibers with various treatment processes on properties of fiber-reinforced cement. In BIO Web of Conferences, 62, p. 02003). EDP Sciences.
[17] AL-Zubaidi, A. B., 2018. Effect of natural fibers on mechanical properties of green cement mortar. In AIP Conference Proceedings, 1968(1), p. 020003.
[18] Lukmanova, L. V., Mukhametrakhimov, R. K. and Gilmanshin, I. R., 2019. Investigation of mechanical properties of fiber-cement board reinforced with cellulosic fibers. Conference Series: Materials Science and Engineering, 570(1), p. 012113.
[19] Shandilya, A., Gupta, A. and Verma, D., 2016. Banana fiber reinforcement and application in composites: a review. Green Approaches to Biocomposite Materials Science and Engineering, 201-227.
[20] Damnuirawat, P. and Waedolorh, R., 2023. The Local Wisdom to Innovative Utilization of Banana: Wall Panel Decoration from Banana Tree Fibers to Strengthen the Grassroots Economy of Ramdang Community, Singhanakhon District, Songkhla Province. Asian Journal of Arts and Culture, 23(2), pp. 262434-262434.
[21] Ntsie, O.D., Phiri, R. and Boonyasopon, P., 2025. Advancing sustainable infrastructure: natural fiber-reinforced composites in engineering. Discov Appl Sci, 7, 884. https://doi.org/10.1007/s42452-025-07266-w
[22] Kalia, S., Kaith, B. S. and Kaur, I., 2011. Pretreatments of natural fibers and their application as reinforcing material in polymer composites—A review. Polymer Engineering & Science, 51(12), 2417–2430.
[23] Wei, J. and Meyer, C., 2000. The effects of fiber treatment on the properties of natural fiber reinforced concrete. Cement and Concrete Composites, 22(5), 393–399.
[24] Sedan, D., Pagnoux, C., Smith, A. and Chotard, T., 2008. Mechanical properties of hemp fibre reinforced cement: Influence of the fibre/matrix interaction. Cement and Concrete Composites, 30(7), 539–544.
[25] Rowell, R. M., 2013. Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites. CRC Press.
[26] Bledzki, A. K. and Gassan, J., 1999. Composites reinforced with cellulose based fibres. Progress in Polymer Science, 24(2), 221–274.
[27] Xie, Y., Hill, C. A., Xiao, Z., Militz, H. and Mai, C., 2010. Silane coupling agents used for natural fiber/polymer composites: A review. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 41(7), 806-819
[28] Li, X., Tabil, L. G. and Panigrahi, S., 2007. Chemical treatments of natural fiber for use in natural fiber-reinforced composites: A review. Journal of Polymers and the Environment, 15(1), 25–33.
[29] Savastano Jr, H., Warden, P. G. and Coutts, R. S. P., 2005. Microstructure and mechanical properties of waste fibre–cement composites. Cement and Concrete Composites, 27(5), 583-592.
[30] Marques, M. L., Luzardo, F. H., Velasco, F. G., González, L. N., Silva, E. J. D. and Lima, W. G. D., 2016. Compatibility of vegetable fibers with Portland cement and its relationship with the physical properties. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 20, 466-472.
[31] Carrara, P. and De Lorenzis, L., 2017. Consistent identification of the interfacial transition zone in simulated cement microstructures. Cement and Concrete Composites, 80, 224-234.
[32] Olofin, I., 2025. Nano-Cement Engineered Wood-boards (NCEW)-A review on wood-cement composite, materials, new technologies and future perspectives. Journal of Building Engineering, 99, 111571.
[33] Savastano Jr, H., Warden, P. G. and Coutts, R. S. P., 2003. Microstructure and mechanical properties of waste fibre–cement composites. Cement and Concrete Composites, 25(5), 535–544.
[34] Bederina, M., Laidoudi, B., Goullieux, A., Khenfer, M. M., Bali, A. and Quéneudec, M., 2009. Effect of the addition of wood shavings on the thermal conductivity of sand concretes: Experimental study and modelling. Construction and Building Materials, 23(6), 2119–2126.
[35] Bourbigot, S., and Duquesne, S., 2008. Fire retardant polymers: Recent developments and opportunities. Journal of Materials Chemistry, 18(23), 2751–2765.
[36] John, M. J. and Thomas, S., 2008. Biofibres and biocomposites. Carbohydrate Polymers, 71(3), 343–364.
[37] Kazemi Najafi, S., Tajvidi, M., Hamidinia, E. and Azadfallah, M., 2013. Fire performance of natural fiber–polypropylene composites containing magnesium hydroxide. Journal of Thermoplastic Composite Materials,26(2), 179–194.