استفاده از کامپوزیت های چوب-پلاستیک در سالیان اخیر گسترش پیدا کرده است. این کامپوزیت ها از پلاستیک های بازیافتی (و در برخی مصارف غیربازیافتی) و ضایعات چوب تولید می شوند. از کاربرهای این کامپوزیت ها می توان به کف پوش، چارچوب های در و پنجره، سقف کاذب و نما، صنعت خودروسازی و … اشاره کرد.
افزودنی های صنعت چوب-پلاستیک
استفاده از کامپوزیت های چوب-پلاستیک در سالیان اخیر گسترش پیدا کرده است. این کامپوزیت ها از پلاستیک های بازیافتی (و در برخی مصارف غیربازیافتی) و ضایعات چوب تولید می شوند. از کاربرهای این کامپوزیت ها می توان به کف پوش، چارچوب های در و پنجره، سقف کاذب و نما، صنعت خودروسازی و … اشاره کرد.
برای بهبود خواص نهایی محصول، سهولت شرایط فرآیند و … از افزودنی های متعددی در این صنعت استفاده می گردد که برخی از آنها عبارتند از:
1. روانکننده و کنترل کننده رئولوژی
2. جفت کننده (سازگارکننده)
3. پایدارکننده
4. پرکننده
5. افزودنی کاهنده چگالی
6. ضدآفت
7. به تاخیراندازنده شعله
و …
در ادامه به معرفی برخی از این افزودنی‌ها خواهیم پرداخت.
1-روان کننده و کنترل کننده رئولوژی
روان کننده یک اصطلاح عمومی است که به تعداد زیادی از مواد شیمیایی اطلاق می شود که روی رفتار رئولوژیکی مذاب های ترموپلاستیک اثرگذارند؛ خواه این مواد حاوی الیاف باشند یا نباشند. برای توصیف دقیق تر روان کننده ها از اصطلاحاتی مانند واکس، کمک فرآیند، عامل ضد چسبندگی، عامل رهاکننده، اصلاح کننده جریان و … استفاده می شود.
بیشتر این اصطلاحات عملکرد را توصیف می کنند در حالی که واکس با صرف نظر از ساختار شیمیایی آن، توصیف ظاهر تعداد زیادی از روان کننده هاست.
استفاده از عبارات روان-کننده «داخلی» و «خارجی» نیز متداول است که به صورت زیر تعریف می‌شوند:
• روان کننده های داخلی بر ویسکوزیته و جریان اثرگذارند زیرا این افزودنی ها با رزین و مذاب سازگارند و کمک می کنند که زنجیرها راحت تر روی هم سر بخورند.
• روان کننده های خارجی که عامل ضد چسبندگی هستند. این دسته از روان کننده ها با مذاب پلیمری ناسازگار هستند و به سطح مهاجرت کرده و سبب روان کنندگی بین مذاب و تجهیزات فلزی فرآیند می گردند.
واکس ها گروهی از محصولات با ساختار شیمیایی گوناگون هستند. بیشتر این دسته از محصولات، بر پایه نفت یا روغن هستند.
واکس های بر پایه روغن از تری گلیسیریدهای طبیعی (چربی ها و روغن ها) استخراج می-شوند. واکس های بر پایه نفت شامل پارافین، واکس میکروکریستالی و واکس پلیمری می باشد.
واکس های پلیمری از لحاظ ساختار شیمیایی مشابه تعداد زیادی از ترموپلاستیک ها هستند اما به دلیل وزن مولکولی پایین، رفتاری مشابه واکس ها دارند.
انتخاب روان کننده ها بسته به پلیمر و (تا حدودی) الیاف مورد استفاده متفاوت است. متداول ترین روان کننده ها برای کامپوزیت های چوب-پلاستیک بر پایه پلی الفین ها، استئارات فلزی، آمیدها و استرها هستند.
استئارات ها روان کننده هایی با قیمت مناسب هستند که روان کنندگی خارجی را فراهم می کنند و خواص جریان نیز معمولا با واکس های آمیدی به تعادل می رسد. پرکاربردترین استئارات فلزی در کامپوزیت های چوب-پلاستیک بر پایه پلی الفین ها استئارات روی است.
نکته حائز اهمیت در تهیه فرمولاسیون، در نظر گرفتن احتمال واکنش بین استئارات فلزی و جفت کننده های مالئیکه است که در صورت استفاده از این نوع جفت کننده، باید به سراغ انواع دیگر روان کننده رفت. واکس های آمیدی نیز به دو گروه مونو آمیدها و بیس آمیدها تقسیم بندی می شوند که استفاده از بیس آمیدها به عنوان روان کننده در کامپوزیت ها متداول تر است. پرکاربردترین بیس-آمید، EBS (اتیلن بیس استیرآمید) است.
استفاده از پی وی سی به دلیل خواص و قیمت مناسبی که دارد، در صنعت کامپوزیت متداول تر شده است. برای فراورش پی وی سی نسبت به سایر ترموپلاستیک ها نیاز به افزودنی های بیشتری است و یکی از این افزودنی ها، روان کننده است.
روان کننده های مورد استفاده در مورد کامپوزیت های پی وی سی، استئارات کلسیم و پارافین به همراه روان کننده های استری و یا واکس پلی اتیلن اکسیده شده است.
یک اشتباه که برخی ممکن است برای بهبود جریان پی وی سی مرتکب شوند، استفاده از نرم کننده به جای روان کننده است.
اگرچه هم روان کننده های داخلی و هم نرم کننده ها سبب بهبود جریان پذیری مذاب پی وی سی می شوند، اما نرم کننده ها سبب انعطاف پذیری محصول نهایی می گردند، در حالی که روان کننده ها چنین اثری ندارند.
2 – جفت کننده (سازگارکننده)
جفت کننده ها که سازگارکننده نیز نامیده می شوند، افزودنی هایی هستند که سبب بهبود یکنواختی آمیزه های ناهمسان یا ناسازگار می شوند. آمیزه غیریکنواخت، دستیابی به خواص رضایت بخش برای محصول نهایی را مشکل می کند و به همین دلیل، استفاده از سازگارکننده ها در کامپوزیت های چوب -پلاستیک، امری ضروری است.
سازگارکننده ها همچنین سبب کاهش جذب آب توسط الیاف در محصول نهایی می گردند.
سازگارکنندگی یک پدیده مرتبط با سطح است. مولکول های تشکیل دهنده سطح مواد مختلف، می توانند قطبیت های مختلفی داشته باشند؛ از غیرقطبی تا قطبی.
وقتی قطبیت دو جزئی که می خواهند اختلاط شوند زیاد باشد، عدم سازگاری مشکل ایجاد می کند و حضور مولکول هایی که بین دو سطح پل بزنند و سبب سازگاری اجزای آمیزه شوند، ضروری است.
پلی الفین ها بر خلاف چوب ها، غیرقطبی هستند. سازگارکننده ها حاوی مولکول هایی هستند که بخش های مختلف آن از قطبیت متفاوتی برخوردار است که سبب ایجاد سازگاری بین ماتریس پلیمری غیر قطبی و الیاف قطبی می گردد.
پلی الفین های مالئیکه، متداول ترین سازگارکننده برای کامپوزیت هایی با ماتریس پلی الفین هستند. این مواد از طریق شاخه ای کردن زنجیر پلی اتیلن یا پلی پروپیلن با مالئیک انیدرید تهیه می شوند.
درحالی که شاخه های مالئیکه سازگاری با الیاف چوب را بر عهده دارند، زنجیر اصلی، با پلی الفین ها سازگار است.
3 – پایدارکننده
نقش پایدار کننده ها ممانعت یا حداقل کردن واکنش های زیان آور شیمیایی است که سبب تخریب اجزای کامپوزیت می گردند.
از آنجایی که واکنش های شیمیایی متفاوتی است که باید از آن ها جلوگیری شود، از پایدارکننده های مختلف که هر کدام عملکرد متفاوتی دارند در این زمینه استفاده می گردد. در این جا به آنتی اکسیدان ها، پایدارکننده در برابر اشعه فرابنفش و پایدارکننده حرارتی برای پی وی سی پرداخته می شود.
الف) آنتی اکسیدان
آنتی اکسیدان ها دو گونه عملکرد دارند: در طول فرآیند تولید ماده و هنگام مصرف محصول نهایی. در طول فرآیند تولید ترموپلاستیک ها تخریب رخ می دهد که با انتخاب درست نوع و میزان پایدارکننده تا حد زیادی می توان این تخریب را کنترل کرد.
و از آنجایی که تخریب محصول نهایی در حین مصرف، از زنجیرهای تخریب شده در هنگام تولید نیز ممکن است ادامه یابد، استفاده از آنتی اکسیدان مرحله تولید از اهمیت بالایی برخوردار است.
بیشتر پلیمرها هنگامی که تحت حرارت قرار می گیرند، به آرامی شروع به تخریب می کنند، به جز PVC که به سرعت با حرارت تخریب می گردد.
به همین دلیل برای پایداری اکثر پلیمرها از آنتی اکسیدان استفاده می شود و برای PVC از پایدارکننده حرارتی. آنتی اکسیدان ها عموما ترکیباتی از خانواده فنولیک ها، فسفات ها و تیواسترها هستند.
زیرمجموعه دیگری از افزودنی ها که باید به آن ها در اینجا اشاره شود، رباینده های اسید هستند که برخی در کامپوزیت های چوب – پلاستیک از آن ها استفاده می کنند. دو گروه که به عنوان رباینده اسید مورد استفاده قرار می گیرند استئارات های فلزی و هیدروتالکیت ها هستند.
استئارات های فلزی نسبت به هیدروتالکیت ها از قیمت پایین تری برخوردارند و به صرفه تر هستند اما همان طور که در بخش های قبل گفته شد، در صورت استفاده از سازگارکننده های شاخه دار شده با انیدرید مالئیک، استفاده از استئارات های فلزی به دلیل احتمال واکنش، توصیه نمی شود.
ب) پایدارکننده در برابر اشعه فرابنفش
انرژی پرتوفرابنفش در مورد کامپوزیت هایی که مصرف در محیط خارجی دارند و در معرض پرتو خورشید هستند، سبب شروع واکنش های شیمیایی میشود. در برابر تخریب ناشی از اشعه فرابنفش، می‌توان از سه استراتژی بهره برد:
سد/غربال کردن انرژی اشعه فرابنفش، جذب انرژی آن و در نهایت پایدارسازی که به دام انداختن رادیکال های به وجود آمده است که منجر به تخریب می شوند.
سد/ غربال کردن به کمک موادی با کدری بالا مانند تیتانیم دی اکسید، دوده و برخی پیگمنت ها انجام می شود. جذب اشعه فرابنفش توسط موادی از خانواده بنزوفنون ها و بنزوتریازول ها صورت می گیرد. پایدارسازی در برابر اشعه فرابنفش نیز توسط HALS (آمین ممانعت شده پایدارکننده نوری) انجام می شود.
در WPC ها، درصد بالای الیاف می توانند نقش سدکننده اشعه فرابنفش را ایفا کنند، و پرتو صرفا تا زیر سطح ماده نفوذ می کند و ماتریس موجود در توده ماده در امان است.
به همین دلیل تعداد زیادی از تولیدکننده های کامپوزیت های چوب-پلاستیک، صرفا حضور پیگمنت هایی که به جهت زیبایی به محصول اضافه می شوند، به همراه الیاف را برای پایداری در برابر اشعه فرابنفش راضی کننده می دانند.
ج) پایدارکننده حرارتی PVC
پایدارکننده های حرارتی PVC، اکثرا یون های فلزی به همراه لیگاندهای آلی هستند. PVC سخت، به کمک سرب پایدار می شد که به دلیل مشکلات محیط زیستی، ترکیبات کلسیم-روی (به خصوص استئارات کلسیم یا استئارات روی) جایگزین آن شده اند. ترکیبات بر پایه کلسیم-روی به هر دو صورت مایع و جامد در دسترس هستند.
در کنار پایدارکننده های حرارتی اولیه، راه های مختلفی برای بهبود پایداری PVC به کمک موادی که به عنوان کمک پایدارکننده عمل می کنند، وجود دارد.
این مواد در میزان پایین و در کنار پایدارکننده های اولیه، سبب بهبود پایداری حرارتی سیستم می شوند اما به تنهایی و به عنوان پایدارکننده اولیه عملکرد مناسبی ندارند. روغن ها و رزین های اپوکسید شده متداول ترین ترکیبات این گروه هستند.
4 -ضدآفت ها
نقش افزودنی های ضدآفت، جلوگیری از تغذیه انواع میکروب ها از چوب های موجود در کامپوزیت است. از حضور دو گونه از میکروب ها باید جلوگیری شود:
آنهایی که روی سطح کامپوزیت به صورت کپک ظهور پیدا می کنند
آن هایی که در زیر سطح ظاهر می شوند-که بیشتر قارچ ها هستند-.
کپک های روی سطح سبب بدنما شدن کامپوزیت می شوند اما قارچ هایی که در زیر سطح هستند، با تغذیه از چوب ها، سبب تخریب کامپوزیت می گردند.
رشد میکروب ها به رطوبت و زمان نیاز دارد، بنابراین استفاده از افزودنی های ضدمیکروبی برای محصولاتی که برای سرویس دهی در زمان محدود تهیه شدند و آن هایی که به واسطه حضور عوامل جفت کننده در برابر جذب آب مقاوم هستند، لزومی ندارد.
از این افزودنی ها برای محصولاتی با زمان سرویس دهی طولانی و در معرض رطوبت باید استفاده کرد. یکی از این افزودنی ها روی برات (zinc borate) است و به میزان حداکثر 2 درصد در سامانه از آن استفاده می گردد.
5- به تاخیر اندازنده شعله
بسته به نوع کارکرد محصول، نوع پلیمر و میزان پرکننده های غیرآلی باید سیستم به تاخیراندازنده شعله را متناسب انتخاب کرد. افزودنی های به تاخیراندازنده شعله عموما از ترکیباتی حاوی هالوژن ها، فسفات و هیدروکسیدهای فلزی هستند. ترکیبات حاوی برم و کلر از لحاظ قیمت نسبت به بقیه گزینه ها به صرفه تر هستند.