ساختار کامپوزیت های چوب پلاست

انواع مواد افزودنی به چندسازه‌هاي چوب پلاستيك

افزودنی ها را می توان به سه دسته کلی تقسیم بندی نمود:

1. دسته ای که جهت بهبود فرایند پذیری به کار می روند. این دسته شامل انواع روان سازها (Lubrications ) و کمک فرایندها (Processing aids) می باشد.

2. دسته ای که جهت پایداری حین فرایند و بهبود و افزایش طول عمر سرویس دهی به کامپوزیت چوب پلاست اضافه می شوند این گروه شامل انواع پایدار کنند های حرارتی (Heat stabilizers) پایدار کنندهای نوری (Light stabilizers)، ضد قارچها و آنتی میکروبیکال ها(Biocides) و تاخیر اندازهای شعله (Flame retardant) می باشند.

3. دسته ای سوم شامل انواعی هستند که جهت بهبود خواص مکانیکی به کار می روند : این گروه شامل عوامل سازگار کننده (Coupling agents)، بهبود دهنده های مقاومت ضربه (Impact modifiers) ونرم کنندها (Plasticizers) می باشند.

البته برخی انواع افزودنی‌ها ممکن است به دو یا سه دسته متعلق باشند. مثلا در حین اینکه خواص مکانیکی را بهبود می بخشند، اثر مثبت بر فرایند پذیری و اختلاط مناسب و یا روندگی خوب داخل اکسترودر گردند و کارکرد مداوم قطعه را نیز بهبود بخشند .

مهمترین مواد افزودنی به کامپوزیت‌های WPC عبارتند از :

• پایدار کننده های حرارتی
• پایدار کننده های نوری
• عوامل ضد میکروب و قارچ
• رادیکال سازها (آغازگرها) و ….
• جفت کننده ها
• آنتی اکسیدان ها
• فوم کننده ها
• اصلاح کننده‌های ضربه
• عوامل کند ساز
• کمک فرایند ها
• عوامل رنگی ساز
• تاخیر انداز شعله

1- جفت کننده ها:

مهمترین گروه از ترکیبات افزودنی به کامپوزیت های چوب پلاست بر پایه PP, PE عوامل جفت کننده می باشد از آنجایی که چوب طبیعی دارای خواص قطبی هستند و در طرف دیگر پلاستیک ها عمدتا موادی غیر قطبی آب گریزند و به دلیل ساختار مولکولی بین چوب طبیعی وپلیمر هیچگونه پیوند شیمیایی ایجاد نمی شود فلذا برای ایجاد اتصال قوی بین چوب و پلیمر از Coupling agents یا همان عوامل جفت کننده برپایه همان پلیمر PP ,PE استفاده می کنند.

عوامل جفت کننده را بر اساس نوع عملکرد به سه دسته كلي تقسیم می‌شوند :

1-1 اتصال دهنده ها

2-1 سازگار کننده ها

3-1 پراکنده سازها

1-1 اتصال دهنده ها: همانطور که ذکر شد بین چوب و پلیمر هیچگونه اتصال شیمیائی نمی توان برقرار کرد و لذا وقتی صحبت از اتصال بین پلیمر و چوب می شود منظور اتصالات ايجاد شده در سطح مشترک بین پلیمر و جفت کننده از یک سو و بین جفت کننده و چوب طبیعی از طرف دیگر می باشد و برای این منظور ترکیبات بسیاری (تا 50 نوع ترکیب ) مورد استفاده قرار می گیرد. اتصال دهنده ها عوامل شیمیائی هستند که با مکانیزم هائی مثل پیوند کوالانسی و درگیری مکانیکی وبرهم کنشهای ثانویه پیوند هیدروژنی، بین پلیمر ها و چوب طبیعی پل ایجاد می کند معروفترین ترکیب مورد استفاده برای این منظور مالئیک انیدرید و مشتقات آن  می باشد، که دارای یک سر قطبی و یک سر هیدرو کربنی غیر قطبی می باشد، که از سر هیدروکربنی با  اتصال غیر قطبی و گره فیزیکی بین زنجیره ای با ماتریس پلیمر درگیر شده و از سمت دیگر توسط گروه های کربوکسیلات با گروه های هیدروکسیلی چوب پیوند استری ایجاد می کند .

2-1 سازگار کننده ها

ساز گار کننده ها ترکیباتی هستند که از طریق کاهش کشش در سطح مشترک چوب طبیعی و پلاستیک ها سازگاری ایجاد می کنند. این مواد به دلیل اینکه انرژی سطحی پایین تری نسبت به چوب  دارند آنها را غیر قطبی و به زمینه پلاستیکی شان شبیه می کنند .
مهمترین ترکیبات این گروه عبارتند از استیک انیدرید و متیل ایزو سیانات .

3-1 پراکنده سازها

این ترکیبات نیز انرژی سطح مشترک ماتریس ( پلیمر ) و چوب را کاهش داده و ازاین طریق به توزیع یکنواخت تر چوب طبیعی در ماتریس پلیمری کمک می کند. از جمله این ترکیبات می توان به استالیک اسید و نمکهای فلزی آن اشاره کرد.

از نظر ساختار شیمیایی نيز عوامل جفت کننده را می توان به سه گروه تقسیم کرد :

1- عوامل جفت کننده با ساختار شیمیایی آلی
2- عوامل جفت کننده با ساختار شیمیایی معدنی
3- عوامل جفت کننده با ساختار شیمیایی معدنی- آلی ( هیبرید )

جفت کننده های آلی:

به طور کلی این نوع جفت کننده‌ها در ساختار مولکولی خود حاوی گروه‌های عاملی مثل گروه‌های NCO در ایزوسیاناتها یا کلر در ترکیبات کلر دارهستند واز طریق این گروه‌های عاملی با گروه‌های هیدروکسیل موجود در چوب ایجاد پیوند کووالانس می نمایند البته ممکن است كه، این پیوند اتری باشد یا استری یا سایر پیوندها از طرف دیگر جفت کننده‌های آلی می توانند در طی فرایند کوپلیمرشدن پیوندی به ماتریسپلیمری پیوند خورده و این ماده پیوندی، در حد یک تا سه درصد به عنوان ماده جفت کننده مصرف شود .

انواع تركيبات جفت کننده با منشاء آلی

عوامل جفت کننده با منشا ترکیبات آلی را به هفت گروه زیر می توان تقسیم کرد:

انیدریدها – ایزوسیانات‌ها – ترکیبات کلرو دی‌ازیل – اسیدهای آلی – جفت کننده های آلی مونومری – پلیمرها وکوپلیمرها – رزینهای ترموست.

1-1 انیدریدها (استیک انیدرید – مالئیک انیدرید و… )

این ترکیبات ساختار حلقوی و واکنش پذیری بالایی با چوب طبیعی دارند ولی از طرف دیگر در مقایسه با زنجیرهای پلیمر طبیعی چوب و زنجیره مولكولي پلاستیک مولکولي بسیار کوچک هستند بنابراين امکان تشکیل اتصال بین این دو مولکول ضعیف به نظر می رسد لذا امروزه به دلیل وجود پیوند دوگانه کربن – کربن درساختار پلیمر، ابتدا آنها (مثلا مالئیک انیدرید) را به زمینه پلي پروپيلن (PP) یا پلی اتیلن پیوند کرده واین محصولات پیوند شده را به عنوان جفت کننده مورد استفاده قرار می دهند.

1-2 ایزوسیاناتها

(اتیل ایزوسیانات – متیلن پروپیلن ایزوسیانات – هگزو متیل ایزوسیانات ) این ترکیبات به طور کلی از نظر مکانیزم عمل مشابه موارد قبلی هستند.

1-3 کلروتری آزیل ها و مشتقاتشان :

این ترکیبات هم حاوی گروه‌های کلر هستند و هم حاوی گروه‌های نیتروژن، از طریق گروه‌های آمینو و نیتروژن (که یک عنصر الکترو نگاتیو است ) با گروه‌های هیدروکسیل چوب  می توانند پیوند هیدروژنی ایجاد کنند و نیز از طریق گروه‌های کلرخود با اتصال اتری به چوب  متصل شوند.

3-2 اسیدهای آلی (آبتیک اسید – لینولیک اسید )

که حاوی گروه‌های DN و گروه‌های کربوکسیلیک هستند که می توانند موجب برهم کنش مناسب بین سطح پلاستیک و چوب طبیعی شوند.

3-3 جفت کننده های آلی مونومری

گروهی از جفت کننده های آلی به صورت مونومری مصرف می شوند که معمولا به داخل چوب  تزریق می‌شوند و توسط منابع انرژی حرارتی – تابشی مثل بتا و گاما عمل پیوند خوردن این مونومرها با چوب  امکان پذیر می شوند .

3-4 پلیمرها و کوپلیمرها (مالئیک انیدرید پیوند شده به PP )

این ترکیبات نیز مشابه موارد قبلی باعث ایجاد پیوند استری و هیدروژنی و درگیری مکانیکی می شوند.

3-5 رزینهای ترموست

استفاده از رزینهای ترموست به میزان اندکی گزارش شده که از طریق اتصال متیلنی (اتصال عرضی چوب با متیلن) پیوند ایجاد می کند. در بین رزینهای ترموست در مورد ملامین فرم آلدئید و فنل فرم آلدئید به جرات می توان گفت که هیچ گونه واکنش شیمیایی بین آنها و ماتریس پلاستیکی امکان پذیر نیست و صرفا درگیری مکانیکی می تواند سبب بهبود چسبندگی در سطح مشترک شود.

2- جفت کننده های معدنی :

از ترکیبات معدنی درموارد بسیار معدودي به عنوان جفت کننده استفاده می شود، مهمترین ترکیب این گروه سیلیکات سدیم است که بعنوان سازگار کننده، قطبیت چوب طبیعی را کاهش داده و بین پلاستیک و چوب طبیعی سازگاری ایجاد می کند.

3-جفت کننده های آلی- معدنی (هیبرید):

این گروه از ترکیبات شامل دو دسته زیر می باشند :

1- سیلان ها

2- تیتالات ها

مکانیزم واکنش بین سیلان ها و چوب طبیعی :

سیلان ها در حضور آب و رطوبت هدرولیز شده و به سیلانول تبدیل می شوند و چوب طبیعی که در ساختار طبیعی خود داراي سلولز، همی سلولز و لیگنین مي باشند كه شامل گروه‌های OH هستند با سیلانول وارد واکنش شیمیائی شده و اتصال اتری ایجاد می‌کنند و این در حالی است که امکان ایجاد اتصال هیدروژنی نیز به قوت خود باقی است.
رادیکال ساز ها یا آغاز گرها : رادیکال سازها یا آغاز گرها پر اکسید هائی هستند که توانائی ساخت رادیکال را دارند. در عمل مالئیک دار کردن حتما باید ابتدا زمینه پلاستیکی را رادیکالی کنیم که برای این منظور از پراکسیدهای آلی استفاده می کنیم. میزان مصرف جفت کننده ها درحد 1% تا 3% وزن کل کامپوزیت است و مصرف بیشتر باعث کاهش مقاومتهای مکانیکی می شود که از دلائل آن به تشکیل فر آورده های جانبی  افزایش غلظت جفت کننده های غیر واکنشی و تداخل با واکنش جفت شدن می توان اشاره کرد.

روان سازها: گروه دیگری از مواد افزودنی روان سازها هستند که سبب بهبود جریان مذاب و در نتیجه کاهش چسبندگی بین دیواره ماردون و مذاب کامپوزیت و در نتيجه کاهش اصطکاک بین پلیمر و تجهیزات فرآیند می شوند از جمله این ترکیبات می توان به آمید ها، استر ها، اسید های چرب، موم ها و استئارات های فلزی اشاره نمود .
روان سازها از مهمترین دسته افزودنی ها هستند که در کلیه دسته های کامپوزیت های چوب  پلیمر استفاده می کردند.

روان سازها به دو دسته داخلی و خارجی تقسیم می گردند.

روان ساز داخلی: که عمدتا در کامپوزیتهای بر پایه PVC به کار می روند سبب کاهش اصطکاک داخلی بین ذرات پلیمر و فیلر گشته، جریان را تسهیل می کند این نوع روان ساز باید سازگاری مناسبی با آمیزه داشته باشد و درآن حل شود. این دسته شامل انواع الکل های چرب، استرها، واکس اتیلن وینیل استات و … می باشند.

روان ساز خارجی : که در اغلب آمیزه های چوب پلاستیک مورد استفاده قرار می گیرند، در ناحیه سطحی میان فیلر ها به مانند چوب و آمیزه آن قرار گرفته  و سبب کاهش اصطکاک بین سطحی شده و  جریان بهتر می گردد. روان ساز خارجی با پلیمر سازگاری مناسبی نداشته ودر آن نامحلول است. این امر سبب می شود در هنگام فرایند به نواحی سطحی مهاجرت کند. این دسته شامل انواع واکسهای پلی اتیلن، اکسید پلی اتیلن، استئارات های فلزی، استرها، اسیدهای چرب و آمیدها می باشند البته لازم به ذكر است كه روان سازهایی نیز وجود دارند که هم روان ساز داخلی و هم روان ساز خارجی هستند.

به طور کلی استفاده از روان سازها دارای مزایای زیر است:

• بهبود در پراکنش و پخش فیلر
• کاهش پارگی لبه ها و پدیده شکست مذاب
• افزایش دبی خروجی(حتی تا 30 درصد)
• کاهش فشار پشت دای در ماشين اكسترودر
• کاهش گشتاور دستگاه و دمای فرایند
• بهبود کنترل ویسکوزیته
• بهبود جدایی مواد از دای
• بهبود سطح ظاهری محصول
• كاهش زمان اختلاط و مصرف انرژي

میزان مصرف روان ساز در آمیزه‌های پلاستیک عموما کمتر از یک درصد است. اما در کامپوزیت های چوب پلاستیک نیاز به درصد بالاتر روان کننده است. علاوه بر روان سازهای معمول در صنعت پلاستيك، برخی شرکت های تولید کننده مواد افزودنی، روان سازهایی خاص WPC ساخته و عرضه نموده اند.

آنتی اکسیدان‌ها : تخریب اکسایشی زمانی آغاز می شود که توسط عاملی مثل حرارت، اشعه ماوراء بنفش و برش مکانیکی ( shear ) و یا ناخالصی فلزی رادیکال های آزاد ایجاد شوند؛ وظیفه آنتی اکسیدان‌ها جلوگیری از تخریب اکسایشی در هنگام تولید و مصرف محصولات WPC است.

آنتی اکسیدان‌ها را به دو دسته زیر می توان تقسیم کرد :

1- ترکیباتی که عمل جارو کردن رادیکالهای آزاد را انجام می دهند و اکسایش را متوقف می کنند مثل فنل‌ها
2- ترکیباتی که مواد واکنش پذیر را خنثی می کنند مثل تجزیه کننده‌ها و هیدرو پراکسیدها

کندسوز کننده ها : این ترکیبات سوختن کامپوزیت چوب پلاست را به تاخیر می اندازند و بر اساس مکانیزم به سه گروه تقسیم می شوند :

1- گروهی که از طریق آزادسازی آب و جذب گرما، جهت تبخیر آب موجب کندی فرآيند اشتعال می شوند. مثل ATH
2- گروهی که یک لایه عایق بر روی محل اشتعال ایجاد می کنند و مانع از رسیدن اکسیژن می شوند. مثل فسفات استرها
3- گروهی که از انجام واکنش های شیمیائی تقویت کننده شعله، جلو گیری می کنند . مثل ترکیبات آروماتیک حاوی برم

اصلاح کننده‌های ضربه : یکی از شایع ترین مشکلات کامپوزیت های چوب پلاستیک مقاومت کم انها به ضربه می باشد که برای اصلاح این نقیصه در صنعت چوب-پلاستيك نیز مثل صنایع پلاستیک از الاستومرها استفاده می شود و درکامپوزیت های ABS – MDA واکریلات ها از ترکیبات اصلاح کننده ضربه استفاده شده و می شود.
پایدار کننده‌های حرارتی : معمولا از فلزاتی همچون سرب، کادمیم، قلع، باریم روی، کلسیم روی و منیزیم روی برای به تاخیر انداختن تخریب حرارتی استفاده می شود. البته سرب وکادمیم به دلیل محدودیت های زیست محیطی و سمی بودن شان تقریبا منسوخ شده اند امروزه بیشتر از ترکیبات مخلوط باریم، کلسیم و منیزیم روی بیشتر استفاده می شود.

پایدار کننده‌های نوریUV : کامپوزیتها در برابر تابش امواج ماوراء بنفش دچار ترکهای سطحی، تغیر رنگ و کاهش خواص مقاومتی می شوند لذا برای جلوگیری از تاثیرات مخرب تابش اشعه ماوراء بنفش از ترکیبات پایدار کننده نوری استفاده می شود تا از تخریب نوری ماتریس پلیمری و چوب طبیعی جلو گیری کند بنزو فنال ها، آمین ها و بنزو تری آدون ها از جمله ترکیبات مهم این گروه مواد افزودنی هستند .

رنگی کننده‌ها : برای تولید محصول چوب پلاست با رنگ دلخواه از مواد رنگی‌کنندة متداول در صنعت پلاستیک (رنگ و رنگدانه) استفاده می‌شود، تفاوت رنگها با رنگدانه ها در این است که رنگها در پلاستیک حل می شوند ولی رنگدانه ها قابلیت حل شدن در پلاستیک را ندارند و در اثر توزیع و پراکنش در محصول رنگ ایجاد می کنند.

عوامل فوم ساز: با توجه به اينكه پلی اتیلن و پلی پروپیلن استحکام مذاب پایینی دارند بنابراين تولید محصول فومی از آنها مشکل است لذا تولید فوم بیشتر در محصولات بر پایه PVC و PS انجام می‌شود.

1- فوم ساز‌هائی که در اثر حرارت تجزیه شده واز خود گاز متصاعد می کنند و این گاز در فرآیند تولید باعث ایجاد فرم اسفنجی در محصول می شود سدیم بیکربنات، هیدرو کربن ها، ایزوپنتال و سیکلوپنتان از این گروه ترکیبات به‌شمار می‌روند.
2- فوم سازهائی که در اثر واکنش شیمیائی گاز آزاد می کنند فنیل تترا زول، آزو دی کربونیل، تولوئن سولفوئید هیدرازید نیز جزو این گروه از ترکیبات به شمار می روند که از بین عوامل فوم ساز ترکیب آزو دی کر بونیل کاربرد وسیعتری دارد .

مزیت استفاده از عوامل فوم ساز: استفاده از این ترکیبات درساخت محصول هم باعث افزایش مقاومت به ضربهمی شود و هم دانسیته بالای محصول را در حد 0/7 گرم بر سانتی متر مکعب کاهش می دهد. (کامپوزیت با 50% الیاف طبیعی دارای دانسیته بالای 1 گرم بر سانتی متر مکعب است )

جدول 1- انواع مواد افزودني و ضرورت استفاده از آن در محصول بر پايه انواع پلاستيك