مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت چوب – پلاستیک پس از بخاردهی و افزودن پلیمر بازیافتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات تهران
2 استاد گروه صنایع چوب و کاغذ . دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران
10.22034/ijwp.2025.2067804.1720
چکیده
بیان مساله و اهداف: چندسازه‌های چوب‌پلاستیک به دلیل استفاده از ضایعات چوبی و پلیمری، جایگزینی مناسب برای کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی و مدیریت پسماند هستند. در حالی که استفاده از الیاف سلولزی خام به دلیل قطبی بودن و وجود گروه‌های هیدروکسیل، باعث کاهش سازگاری با ماتریس‌های پلیمری غیرقطبی و افت خواص مکانیکی می‌شود، بهره‌گیری از روش‌های اصلاحی همچون تیمار حرارتی (بخاردهی) می‌تواند چالش‌های موجود را مرتفع سازد. این تحقیق به دنبال بهره‌گیری از تیمار بخاردهی بر روی آرد چوب صنوبر و استفاده از پلی‌پروپیلن بازیافتی است که در منابع مختلف به وفور یافت می‌شود. هدف اصلی این پژوهش بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی چندسازه‌های چوب‌پلاستیک است، به‌طوری‌که با کاهش هزینه‌های تولید و استفاده از ضایعات، محصولی با کیفیت قابل قبول برای مصارف صنعتی تولید گردد.
مواد و روش‌ها: برای این منظور، آرد چوب صنوبر تبریزی تهیه و تحت تیمار بخاردهی در دمای ۱۸۰ درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت قرار گرفت. برای ساخت کامپوزیت، از پلی‌پروپیلن بکر و بازیافتی به همراه مالئیک انیدریک به عنوان عامل سازگارکننده استفاده شد. مواد بر اساس نسبت وزنی مشخص (۴۰ درصد آرد چوب و ۶۰ درصد پلیمر) در دستگاه مخلوط‌کن داخلی ترکیب و نمونه‌ها با استفاده از قالب‌گیری تزریقی ساخته شدند. قبل از انجام آزمون‌ها، نمونه‌ها در شرایط محیطی استاندارد (دمای ۲۳ درجه سلسیوس و رطوبت نسبی ۵۰ درصد) قرار گرفتند. برای تعیین ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی، آزمون‌های جذب آب، واکشیدگی ضخامت، کشش، خمش و ضربه و برای بررسی ساختاری، از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، طیف‌سنجی مادون قرمز (FTIR) و پراش اشعه ایکس (XRD) استفاده شد.
نتایج: در مورد خواص فیزیکی، کمترین میزان جذب آب و واکشیدگی ضخامت مربوط به نمونه‌های حاوی الیاف بخاردهی شده و پلیمر بکر بود. این نتایج نشان‌دهنده حذف بخشی از همی‌سلولزها و کاهش گروه‌های هیدروکسیل در اثر بخاردهی است که منجر به افزایش آب‌گریزی شده است. از نظر خواص مکانیکی، بالاترین مقاومت‌های کششی، خمشی و ضربه‌ای در نمونه‌های ساخته شده از آرد چوب بخاردهی شده و پلی‌پروپیلن بکر مشاهده شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی نشان‌دهنده توزیع بهتر و همپوشانی مناسب‌تر بین الیاف بخاردهی شده و ماتریس پلیمری بود. نتایج FTIR حاکی از کاهش شدت پیک‌های مربوط به گروه‌های هیدروکسیل و تخریب همی‌سلولزها بود. در حالی که استفاده از پلیمر بازیافتی باعث کاهش اندک خواص شد، اما این اختلاف از نظر آماری معنی‌دار نبود.
نتیجه­ گیری: نتایج نشان داد که بخاردهی باعث کاهش جذب آب و واکشیدگی ضخامت و افزایش خواص مکانیکی گردید. مهم‌ترین یافته، بهبود چسبندگی بین فاز الیاف و پلیمر در اثر حذف همی‌سلولزها بود. علاوه بر بهبود خواص فیزیکی، ترکیب آرد چوب بخاردهی شده با پلی‌پروپیلن بکر باعث افزایش مقاومت‌های مکانیکی شد. همچنین استفاده از پلیمر بازیافتی اگرچه کمی کاهش خواص را به همراه داشت، اما به دلیل مزایای زیست‌محیطی و کاهش هزینه‌ها، به لحاظ صنعتی و اقتصادی حائز اهمیت است و می‌تواند به عنوان جایگزینی مناسب در ترکیب با پلیمر بکر مورد استفاده قرار گیرد.

تیمار حرارتی به‌طور گسترده‌ای برای بهبود خواص مواد لیگنوسلولزی به صورت چوب و یا محصولات چندسازه چوبی استفاده می‌شود. تیمار حرارتی باعث افزایش ثبات ابعادی، مقاومت به پوسیدگی و کاهش جذب آب و رطوبت تعادل چوب می‌شود و همچنین به سازگاری بهترمواد لیگنو سلولزی با ماتریس پلیمری به دلیل تخریب همی سلولز‌ها و کاهش قطبیت چوب می‌شود. جهت تهیه پلیمر بازیافتی، از دستگاه اکسترودر استفاده شد و پلی‌پروپیلن بازیافتی تهیه گردید. پس از تهیه مواد اولیه، فرآیند اختلاط مواد با نسبت وزنی مورد نظر توسط یک مخلوط‌کن داخلی، با دمای 180درجه سانتیگراد و با سرعت 60 دور در دقیقه انجام گردید و در کلیه ترکیبات، ماده سازگار کننده مالئیک انیدرید به میزان سه در صد به کار برده شد. سپس با استفاده از قالبگیری تزریقی، نمونه‌ها تهیه شدند.
خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه‌ها ارزیابی شد و برای بررسی سازگاری بین ماتریس و الیاف سلولزی، تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی(SEM) از سطوح شکست نمونه‌های کامپوزیتی تهیه شد و آزمون تفرق اشعه ایکس (XRD) ، به منظور بررسی ساختار کریستالینیته الیاف چوب انجام گرفت. همچنین به منظور بررسی اثر بخاردهی بروی الیاف چوبی، طیف سنجی مادون قرمز(FTIR) انجام گرفت. نتایج نشان داد که بخاردهی تاثیر قابل توجهی برروی مقاومت کامپوزیت‌ها داشته است. به‌طوری که ترکیبات شامل الیاف بخاردهی شده و پلیمر خالص بیشترین مقاومت مکانیکی و پایداری ابعاد و کمترین جذب آب را از خود نشان دادند. نتایج حاصل از تصاویر میکروسکوپ الکترونی نشان داد که با افزایش میزان الیاف چوبی بخاردهی شده، سطح اتصال بین ماده سلولزی و ماتریس زمینه افزایش پیدا کرده است. آزمون طیف سنجی نشان از کاهش گروه‌های هیدروکسیل به دلیل استخراج همی سلولز‌ها بر اثربخار‌دهی داشت.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Kinoshita, Y., Yamada, T., Gupta, S.M., Ishigaki, A. and Inoue, M. (2020) “Decision support model of environmentally friendly and economical material strategy for life cycle cost and recyclable weight”, International Journal of Production Economics, 224(C), p. 107545. Doi: 10.1016/j.ijpe.2019.107545.
[2] Lopez, Y.M., Paes, J.B., Gustave, D., Gonçalves, F.G., Méndez, F.C. and Nantet, A.C.T. (2020) “Production wood-plastic composites using cedrela odorata sawdust waste and recycled thermoplastics mixture from post-consumer products-A sustainable approach for cleaner production in Cuba”, Journal of Cleaner Production, 244(2), p. 118723. Doi: 10.1016/j.jclepro.2019.118723.
[3] Iakovlev, M., Survase, S., Segers, P., Sideri, S., Rouzinou, S., Pylkkanen, V. and Retsina, T. (2020) “Sulfur dioxide-ethanol-water fractionation platform for conversion of recycled wood to sugars, lignin and lignosulfonates”, Bioresource Technology, 300, p. 122652. Doi: 10.1016/j.biortech.2019.122652.
[4] Altuntaş, E., Yilmaz, E., Salan, T. and Alma, M.H. (2017) “Combined effect of zinc borate and coupling agent against brown and white rot fungi in wood-plastic composites”, BioResources, 12(4), pp. 7056-7068.
[5] Lopez, M.D.M.C., Pernas, A.I.A., Lopez, M.J.A., Latorre, A.L., Vilariño, J.L. and Rodríguez, M.V.G. (2014) “Assessing changes on poly (ethylene terephthalate) properties after recycling: Mechanical recycling in laboratory versus postconsumer recycled material”, Materials Chemistry and Physics, 147(3), pp. 884-894. Doi: 10.1016/j.matchemphys.2014.06.003.
[6] Bal, B. (2022) “Mechanical properties of wood-plastic composites produced with recycled polyethylene, used Tetra Pak® boxes, and wood flour”, BioResources, 17(4), pp. 6569-6577. doi:10.15376/biores.17.4.6569-6577.
[7] Krause, K.C., Sauerbier, P., Koddenberg, T. and Krause, A. (2018) “Utilization of recycled material sources for wood-polypropylene composites: Effect on internal composite structure, particle characteristics and physico-mechanical properties”, Fibers, 6(4), p. 86. Doi:10.3390/fib6040086.
[8] Jamekhorshid, A., Sadrameli, S.M., Barzin, R. and Farid, M.M. (2017) “Composite of wood-plastic and micro-encapsulated phase change material (MEPCM) used for thermal energy storage”, Applied Thermal Engineering, 112, pp. 82-88. Doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.10.041.
[9] Dairi, B., Djidjelli, H., Boukerrou, A., Migneault, S. and Koubaa, A. (2017) “Morphological, mechanical, and physical properties of composites made with wood flour‐reinforced polypropylene/recycled poly (ethylene terephthalate) blends”, Polymer Composites, 38(8), pp. 1749-1755. Doi:10.1002/pc.23741.
[10] Bouhamed, N., Souissi, S., Marechal, P., Amar, M.B., Lenoir, O., Leger, R. and Bergeret, A. (2020) “Ultrasound evaluation of the mechanical properties as an investigation tool for the wood-polymer composites including olive wood flour”, Mechanics of Materials, 148, p. 103445. Doi: 10.1016/j.mechmat.2020.103445.
[11] Moreno, D.D.P. and Saron, C. (2017) “Low-density polyethylene waste/recycled wood composites”, Composite Structures, 176, pp. 1152-1157. Doi: 10.1016/j.compstruct.2017.06.025.
[12] Li, X., Lei, B., Lin, Z., Huang, L., Tan, S. and Cai, X. (2014) “The utilization of bamboo charcoal enhances wood plastic composites with excellent mechanical and thermal properties”, Materials & Design, 53, pp. 419-424. Doi: 10.1016/j.matdes.2013.07.040.
[13] Khan, A., Mishra, A., Thakur, V. and Pappu, A. (2025) “Towards sustainable wood plastic composites: polymer types, properties, processing and future prospects”, RSC Sustainability, pp. 2833-2862.
[14] Guo, X., Fu, Y., Zhang, F., Li, X. and Liu, N. (2021) “Change of structural features and relocalization of chemical components in the autohydrolyzed poplar wood chips enhance the accessibility of remaining components”, Industrial Crops and Products, 167, p. 113508. Doi: 10.1016/j.indcrop.2021.113508.
[15] Brodowsky, H. and Mäder, E. (2018) “Investigation of transcrystalline interphases in polypropylene/glass fiber composites using micromechanical tests”, Fibers, 6(1), p. 16. Doi:10.3390/fib6010016.
[16] Friedrich, D. (2024) “Branding of wood-plastic composites under generic name “Biobased-Plastic” or specifically as “Wood-Plastic Composite”? A consumer study under compolytics approach”, Journal of Cleaner Production, 470, p. 143276. Doi: 10.1016/j.jclepro.2024.143276.
[17] Voltz, L., Guiseppe, I., Geng, S. and Oksman, K. (2020) “The effect of recycling on wood-fiber thermoplastic composites”, Polymers, 12(8), p. 1750. Doi:10.3390/polym12081750.
[18] Toscano, G., Maceratesi, V., Leoni, E., Stipa, P., Laudadio, E. and Sabbatini, S. (2022) “FTIR spectroscopy for determination of the raw materials used in wood pellet production”, Fuel, 313, p. 123017. Doi: 10.1016/j.fuel.2021.123017.
[19] Chaudhary, V., Ram, K. and Ahmad, F. (2019) Reinforced Polymer Composites. 1st edn. New Delhi: Wiley-VCH.
[20] Lazrak, C., Kabouchi, B., Hammi, M., Famiri, A. and Ziani, M. (2019) “Structural study of maritime pine wood and recycled high-density polyethylene (HDPEr) plastic composite using Infrared-ATR spectroscopy, X-ray diffraction, SEM and contact angle measurements”, Case Studies in Construction Materials, 10, e00227. Doi: 10.1016/j.cscm. 2019.e00227.
[21] Mertens, O., Krause, K.C. and Krause, A. (2018) “Evaluation of wood fiber composites based on a novel simultaneous defibration and compounding process”, Journal of Applied Polymer Science, 135(7), p. 45859. Doi:10.1002/app.45859.
[22] Hojaholeslami, Z., Bagherzadeh, E. and Zebarjad, M. (2020) “Making high-density polyethylene wood-plastic composite of poplar wood and investigating its mechanical, thermal and morphological properties”. In: 9th International conference on
materials engineering and metallurgy. Tehran, 10-11 November. [In Persian].
[23] Bashardoust, Z., Hedjazi, S. and Hamzeh, Y. (2025) “Production of Chemical Pulp Using Carbonate Process from Wheat Straw”, Iranian Journal of Wood and Paper Industry, 16(1), pp. 1-14. Doi:10.22034/ijwpi.2025. [In Persian].
[24] Gholami, M., Mansori, H. and Nosrati, B. (2015) “Investigation of the Physical Properties of Wood Plastic Composite made from recycled materials”. In: Collected Papers of the First National Symposium on Wood and Lignocellulosic products. [In Persian].