عبدالملکی

فناوری جدید برای تقویت مواد مرکب چوب پلاستیک

فناوری جدید برای تقویت مواد مرکب چوب پلاستیک

سابقه صنعتی

 مواد مرکب چوب پلاستیک(WPC) ترکیبی از الیاف چوب، ضایعات ارد چوب و چسبهای گرما نرم نظیر پلی اتیلن با وزن مخصوص زیاد یا پلی پرو پیلن می باشد. درصد وزنی پلیمر بطور کلی 40 تا 50 درصد می‌باشد.

WPC با استفاده از قالبهای گوناگون بوسیله پرس تزریقی پیوسته درصنعت ساختمان سازی بعنوان جایگزین چوب ماسیو ونیزچوب تیمار شده قالب ریزی می‌شوند.

مصرف کنندگان WPC را علی رغم گرانی ان به چوب ماسیو، به این جهت که به مراقبت کمتری نیاز داشته و ظاهربهتری دارد، نیازی به رنگ کاری نداشته و در مقابل پیچیدگی وتاب حمله موریانه مقاوم است ترجیح می‌دهند. WPC بطور کلی به مشکلات ناشی از رطوبت نظیر کسترش پوسیدگی مقاومتر است.

صنعت WPC از صنایع پلاستیکی دیگر سریعتر رشد کرده است هر چند که ظهور آن در اواخر 1980 بود بخشی از بازار که به رشد 25 درصدی خود از سال 1998 ادامه داده است، عمدتا لمبه کوبی و نرده می باشد.  

بطورکلی، درامد سالیانه اخیر ناشی از تولید WPC در امریکای شمالی از یک میلیارد پوند فراتر رفته است.

در صنعت لمبه کوبی سهم  WPCدر مقابل چوب تیمار شده 20 درصد براورد شده است. هرچند توسعه چند جانبه صنعت ساختمان سازی در رشد مداوم صنعت WPCموثربود ولی تحلیل دیوارهای خیابانی یک چشم انداز روشن برای این صنعت با وجود کمتر شدن میزان ساخت‌وساز پیشبینی می‌کند. پیشبینی، افزایش 20 درصدی WPC در مقایسه با چوب تیمار شده می‌باشد. این رشد مداوم به علت چندین فاکتور اصلی نظیر دسترسی راحتر و اسانتر به این محصولات به وسیله خرده فروشان و پیمانکاران و توزیع کننده ها ونیز نیازهای رو به افزایش مشتریان بویژه برای مصارف بیرون ساختمان می باشد.

علی رغم چشم انداز روشن، ناظران و تحلیل گران صنعت یک مرحله تحکیم که ممکن است با 2-3 بازیگردان اصلی و 5-10 بازیگردان فرعی انجام شود پییش بینی کرده‌اند. کلید موفقیت در طی این دوره ممکن است شامل مواردی نظیر توزیع، سرما یه اولیه، ارم شرکت و نو اوری های محصول و فرایند باشد .

مسلماً شرکتهای نظیرPlygem ،Universal Forest Product، CertainTeed، Louisiana-Pacificو دیگر شرکتهای ساختمانی بزرگ از نظر توزیع و سرمایه مشکلی ندارند و عاقلانه است اگربگوییم که پیشرفتهای رو به افزایش انها در فرایند در گرو به کار گیری تکنولوژی برتر توسط این شرکتها به انضمام شهرت و اوازه نامشان ونیز گستردگی و دسترسی بیشتر محصولاتشان است.

بعلاوه صنعت با یک چالش جدی درزمینه رشد روزافزون دربازار برای مصارفی نظیر نرده و حفاظ و زهوارهای در و پنجره روبرو شده است . برای اینکه برای این مصارف مناسب باشد اصلاح‌سازی‌ها و استحکامات قابل تو جهی مورد نیاز است.

بنابراین هر تولید کننده WPC در این بره از زمان فرصت دارد تا به یک بازیگردانی اصلی در نبرد فرایند و نو اوری محصول تبدیل شود.

مشکلاتی که بایستی حل شود :

با وجود پیشرفتهای مداوم صنعت WPC در مدت 10-15 سال اخیر در زمینه عملکرد و ویژگیهای ظاهری، هنوز کمبود های ان مانع اصلی رشد روز افزون ان می‌باشد. کمبود های اساسی ان شامل تبیت رنگ  و حفظ ظاهر بر اثرگذشت زمان، مقاومت به خراش و خط خوردگی و قابلیت رنگ شدن توسط مشتری می باشد.

مقاومت به جذب اب در اثر گذشت زمان بطور عمده به تخریب مواد WPC در اثر مرور زمان مربوط می شود. تخریب به طور ویژه تغییر رنگ ظاهری و گسترش پوسیدگی و نیز تا حدی کاهش در خواص فیزیکی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. با وجود عمر چند ساله WPC در مصارف بیرونی ساختمان، چندین گزارش مبنی بر لکه شدن و دیگر مشکلات مربوط به حفظ و نگهداری انها ارائه شده است. امروزه مشخص شده است که رنگ محصولات مواجه با محیط بیرون بعد از گذشت 60-90 روز از تاریخ نصب انها شروع به کمرنگ شدن می‌کند. بعنوان یک ترفند بازاری، بسیاری از تولید کنندگان WPC  در وب سایتهای خود ادعا میکنند که این پدیده(تغییر رنگ ظاهری) موجب زیبا و شبیه به چوب ماسیو شدن می‌شود که از مزایای این محصولات می باشد. چندین کار اصلاحی –تقویتی  برای این مشکلات صورت گرفته است که از جمله انها اضافه کردن مواد افزودنی برای بهبود چسبندگی بین ساختمان ملکولی پلیمر و چوب می باشد.که ثابت شده است که این عمل منجر به کاهش جذب اب، منتهی برای مدت کوتاهی می‌شود . مشکلاتی که از اضافه شدن مواد افزودنی بوجود می اید شامل عکس العمل های نا مطلوب که به علت ترکیب بی‌ارزش این مواد ایجاد می‌شود است. تهیه کنندگان رنگ دانه ها در تلاش برای فراهم کردن نسل جدید رنگ دانه هایی که در مقابل تغییر رنگ مقاوم باشد هستند، هرچند از زمان ظهور محصولاتWPC ، مصرف کنندگان نشان داده اند که انها در مورد محصولات مصنوعی بسیار مشکل پسند بوده و بابت مبلغی که در مقابل جنس پرداخت میکنند انتظار یک محصول بدون عیب، بدون نیاز به مراقبت و نگهداری  با ویژگی حفظ ظاهر برای حدا قل 5 سال بعد از نصب را دارند . دوباره از این موضوع می‌توان فهمید که فروش خوب در گرو براورده کردن هر چه بیشتر نیازهای مشتریان می باشد.که این براورده کردن هنوز راه تکامل را طی می‌کند. یکی از کمبود‌های اساسی  WPCعدم پوشش پذیر بودن ان می‌باشد.

چشم‌انداز فن‌اوری: این گزارش یک راه‌کار برای حل کمبود اساسی WPCکه در بالا ذکرشد، تشریع می‌کند.

اساساً فن‌اوری یعنی اجرای یک اصلاح‌سازی بر روی WPC و سپس اعمال یک پوشش با عملکرد بالا نظیر پلی‌اورتان‌الیفاتیک، مورد کاربرد برای اتومبیل می‌باشد، که در این صورت می‌توان ان را رنگ کرده و به دوام مفید سال  رساند. پوشش مناسب می‌تواند موجب ایجاد مقاومت به خراش و خط ‌خوردگی و نیز موجب ایجاد سطحی که به اسانی قابل تمیزکردن باشد ‌شود. پوشش مناسب می‌تواند WPC را در مقابل جذب اب،رشد قارچ(کپک) و کاهش مقاومت فیزیکی بیمه(مقاوم) کند. همچنین استفاده از فرایند پوشش‌کاری، امکان رنگ کردن برای هماهنگ شدن با محیط خانه،فراهم می‌کند.

اصلاح‌سازی سطح: پوشش دادن الوارهای WPC کار ساده‌ای به نظر می‌رسد، اما درواقع این طور نیست. بعد از اینکه WPC تزریق شد،نیرو‌های ترمودینامیکی موجب بالا امدن چسب‌های ترموپلاستیک به سطح خارجی ان  می‌شوند این لایه گرما نرم دارای انرژی سطحی پایین می‌باشد ، که موجب می‌شود که سطح محصول به سختی خیس شده یا رنگ و پوشش دیگری به خود بگیرد ونیز موجب اتصال ضعیف می‌شود. این چنین پدیده‌ای موجب کاهش قدرت چسبندگی و شاید هم مانع چسبندگی می‌شود.

صنعت پلاستیک چندین راهکار مناسب برای اصلاح‌سازی انرژی سطح پایین پلاستیک‌هاو نیز بهبود چسبندگی  WPCارائه کرده است.از جمله این راهکار‌ها، اکسید کردن سطح WPC است که منجربه افزایش انرژی سطح می‌شود. از جمله فرایند‌های اصلاح سازی ، اغشته سازی با محلول Corona، اصلاح سازی حرارتی و پلاسما می‌باشد. ولیکن این روشها برای WPC قابل اجرا نمی‌باشد.که دلیل ان این است که لیگنین موجود در ارد چوب یک انتی‌اکسیدان موثر است که مانع از عمل شیمیایی اکسید شدن سطح، می‌شود. به منظور مرتفع کردن این مشکل بایستی شیوه‌های جدید‌تر به خدمت گرفته شود.

فرایند Flouro-Sealیک روش تیمار گازی واکنشی می‌باشد که به سرعت و به طور موثر سطح را اکسید و پوشش کاری را راحترمی‌کند و موجب چسبندگی کششی می‌شود.این فرایند از عنصر فلئور() به عنوان عنصر اولیه برای اکسید کردن کامل سطح صفحات استفاده می‌کند .عکس‌العمل پوسته بیرونی(روکش) با عنصر فلئور(و اکسیژن ) به اکسیداسیون فلئوری یا اکسیژنی و یا اکسیژنی- فلئوری معروف است.

 مکانیسم واکنش برای اکسیداسیون فلئوری پلیمر‌هایی نظیر پلی‌افین‌ها، با جذب شدن اتم‌های هیدروژن توسط اتم فلئور از زنجیره کربن برای ایجاد بنیان کربن همراه است. همین که کربن رادیکال شکل گرفت اکسیژن به طور ازادانه با ان واکنش می‌دهد تا ایجاد یک بنیان پروکسی کند. بنیان پروکسی چندین واکنش انجام می‌دهد تا تشکیل  هیدروکسیل، کربوکسیل و دیگر عامل‌های قطبی دهد.

 شکل1 شیمی اکسیداسیون فلئوری را تشریح می‌کند. به دلیل پتانسیل بالای و حضور لیگنین، سلولز و همی‌سلوز کمترین تاثیر بر روی واکنش داشتند.

 عکس العمل گروههای تابعه قطبی در مدت اکسید اسیون فلئوری برای راحتی مرطوب کردن سطحWPC با پوششهای مایع حائز اهمیت است. خیس پذیری بهبود یافته به این دلیل مهم است که مایعات را قادر به نفوذ کامل کرده و دسترسی به سطح را برای انها راحت می‌کند.

 همانند انچه که در شکل 2 نشان داده شده است انرژی سطحی با لا یعنی کنش و واکنش زیاد بین مایع پوشش دهنده و سطح روکش.

 جدول 1 تغییر در زاویه تماس اب و انرژی سطح که به واسطه اکسید اسیون فلئوری بر روی یک نمونهWPC اتفاق افتاده است را به نمایش گذاشته است. حضور گروههای قطبی بر رو سطح نیز مهم است برای اینکه انها امکان ایجاد اتصال قوی پوشش دهنده سطح از طریق یک سری مکانسیم‌های اتصال که از اتصال هیدروژن به اتصال کووالانسی متغییر است می‌کنند.

ازمایشات ما نشان داد که اکسید اسیون فلئوری منجر به اتصال محکم بسیاری از رنگهای معمولی و مقاوم به UV می‌شود.

 ازمون پوشش دهی استاندارد برای چسبندگی پوشش دهنده‌ها در صنعت          ASTM D 3359است. در این ازمون سطح پوشش با استفاده از وسیله برنده دارای تیغ برای ایجاد یک سری علامات برش عرضی بریده می‌شود و سپس یک تکه نوار استاندارد به داخل قسمت بریده شده هدایت  شده و سپس بیرون کشیده می‌شود. بسته به مقدار و پخش رنگ چسبیده بر رو نوار، درجه تعیین می‌شود.

 اختلاف بین شرایط تیمار ملایم و تسریع شده در این جا این بود که غلظت فلورین در تیمار تسریع شده دو برابر بود.

 جدول 2 نتایج را به صورت خلاصه ذکر کرده است.

 شکل 2 نتایج را بیان کرده و مقدار باقیماندن رنگ بر روی نوار بعد از ازمون نوار را نشان می‌دهد. چندین ویژگی دیگر فرایند اکسید اسیون فلور وجود دارد که موجب مناسب بودن ان برای این کاربرد می‌شود که اصلی ترین ان اصلاح سازی دائمی است.

 مقدار کمی اتصال دهنده عرضی در سطح وجود دارد که گروههای اکسید کننده را با عمل چرخش به داخل اولین لایه های مولکولی تثبیت میکند در حالی که تیمار معمولی  بعد از چند روز یا چند هفته از بین می‌روند. ویژگی دیگر شیمی این فرایند سرعت عمل ان است. از انجایی که اکسید اسیون در کمتر از یک ثانیه اتفاق میافتد لذا فرایند به راحتی می‌تواند در فرایند خطی یا غیر خطی صورت گیرد.

 اهمیت تجارتی این موضوع بعدا بحث خواهد شد و نیز از انجایی که در این فرایند فقط چند لایه مولکولی بیرونی اصلاح میشود لذا تغییر ظاهری مشهودی دیده نمی‌شود، بنابراین طرح برجسته، بدون تغییر باقی می‌ماند.

 نتایج مرحله اول ازمایش شامل سه نتیجه بود:

 شیمی اکسید اسیون فلئور سریع و دامنه فرایند وسیع است، که این بدان معنی است که فرایند قوی و با هزینه عملیات کم می باشد و نیازی به کنترلهای دقیق و پیچیده و نیز نیروی کار خیلی ماهر نمی باشد.

 یک دامنه خیلی وسیع از پوشش دهنده های تجارتی را میتوان برای اکسید اسیون فلئوری استفاده کرد.

 تکنو لوژی ساخته شده با استفاده از دستورالعمل و مواد تشکیل دهنده متفاوت(ارد‌چوب،چسب و... ) بسیار خوب می‌باشد.

 فرایند و مواد پوشش دهنده :رسیدن به اصلاح سازی موثر فقط قسمت کوچکی از نیاز‌های را مرتفع می‌سازد. همچنین بایستی از یک سیستم پوشش دهی مناسب برای براورده کردن نیاز‌های مصارف ویژه استفاده کرد که ازنظر اقتصادی هم مناسب باشد. قابل توجه است که پروفیل های برای مصارف گوناگون ممکن است نیاز به پوششهای متفاوت داشته باشد. برای مثال برای مصارف تزئینی فقط بالا و کناره های صفحات نیاز به پوشش دارند در حالی که برای مصارف دیگر کل صفحه بایستی پوشش کاری شود. برای محصولات لمبه‌کوبی و حفاظ، پوشش کاری کامل هم از نظر دوام و هم از نظر زیبایی بسیار حائز اهمیت است.

 از چندین سیستم پلیمری یا پیوندی می‌توان برای ساختن پوشش دهنده ها استفاده کرد که هر گروه دارای یک سری عملکرد و قابلیت منحصر بفرد می‌باشد بهای پوشش دهنده ها با چند فاکتور از جمله قیمت رزین استفاده شده، غلظت محلول، روشهای اعمال پوشش، بازده پوشش کاری، میزان فضای مورد نیاز، میزان انرژی مورد نیاز برای خشک کردن و سرمایه های اولیه بستگی دارد .

از نظر تولید کنندگان WPC  چندین مزیت در استفاده از یک سیستم برای تیمار چسبندگی و رنگ کاری محصولات WPCوجود دارد. از انجایی که فرایند تزریقی WPC یک فرایند کاماً خطی می باشد، لذا افزودن تیمار اصلاحی اکسیداسیون فلئوری و فرایند پوشش کاری به راحتی امکان پذیر است بسته به نوع پوشش و روش اعمال سرعت فرایند می‌تواند Fpm10 تاFpm100 باشد. از انجایی که میانگین سرعت تزریقWPC 12-8 Fpmاست، لذا ممکن است استفاده از تیمار چسبندگی و فرایند پوشش کاری غیر قابل استفاده باشد، با این وجود راه اندازی فرایند بصورت خطی با پرس تزریقی دارای مزایا می‌باشد . برای مثال چندین خط تزریق موجب بدست امدن منبع واحدی از گازهای واکنشی می‌شود که این امکان را به خطوط میدهد که از چندین نوع پوشش و پوشش کاری استفاده کند.

 روشهای دیگر ممکن است برای عملیات تیمار چسب و فرایندهای غیر خطی پوشش کاری با استفاده از داده ها و خروجی های جانبی و جود داشته باشد. این کار را میتوان در محل پرس تزریقی یا تو سط شرکت دیگری انجام داد. در این روش صفحات یا پرو فیل‌ها بطور مستمر بصورت قطعات بریده شده به درون فرایند هدایت می‌شوند.

 با استفاده از پوشش دهنده ها و رنگهای قدیمی در صورت بکار گیری از خشک کن هایUV سرعت فرایند Fpm50-30 براورد شده است.

 اگر چه رنگهای قدیمی دارای هزینه پایین می باشند، انها دارای محدودیتهای زیادی نیز می باشند که یکی از این محدودیتها این است که امکان بسته بندی و بار گیری سریع بعد از خشک کن وجود ندارد. محدودیت دیگر این است که در صورت استفاده از رنگها و پوشش دهنده های قدیمی نمیتوان صفحات و پروفیل‌ها را در یک مرحله رنگ کاری کرد که این کار برای مصارف لمبه کوبی و حفاظ ضروری است. البته صفحات یا پروفیل‌ها را میتوان برای مصارفی که نیاز به پوشش کاری کل سطح می‌باشد با استفاده از روشهای خشک کردن معمولی پوشش کاری کرد هرچند نیاز به سرمایه و انجام فرایند ممکن است زیاد باشد.

 با استفاده از پوششهای کاملا خشک مقاوم به UV  بدون کوچکترین هدر رفتن در مواد اولیه و بدون هیچ پساب یا گاز متصاعد شونده خطر ناک میتوان به کار ادامه داد.

 بهای پوشش دهنده های مقاوم بهUV در مقیاس گالن در مقایسه با پوشش دهنده های مایع بسیار زیاد می باشد ولی کار خانه های که کار انها تبدیل است پی به مزایا و انعطاف پذیری خوب این روش برده اند.

 تا به امروز بسیاری از تولید کنندگان محصولات چوبی بجای استفاده از پوشش دهنده های حل شونده با حلالهای معمولی از پوشش دهنده های براق                UVاستفاده می‌کنند. همچنین پوششهای شفاف در مصارف بدنه قسمتهای پلاستیکی اتومبیل وبسیاری از بسته بندیهای یک پارچه وقابل انعطاف، سهم بسزای دارد.

 استفاده از رنگ های مقاوم بهUV با کشف ترکیب جدید که امکان نفوذ کامل نورUV را میدهد در حال منسوخ شدن می باشد. پوشش دهنده های کاملا جامد مقاوم بهUV یک راهکار مناسب برای محصولات WPCمی باشد که یک طرح و الگوی خوبی برای این محصولات می باشد. در صنایع ساختمان سازی و محصولات ساختمانی انتقال محصول از منطقهای به منطقه دیگر کاملا مرسوم است.

 حمل محموله حاوی پرو فیل یا صفحات به مناطق دیگر برای انجام عمل رنگ کاری از نظر کار اقتصادی کار به صرفه ای است انجام این عمل مزایای زیادی برای شرکتهای تولید کننده محصولات ساختمانی دارد .

پوشش دهنده های مقاوم دارای مزایای دیگری نیز می باشند که از ان جمله میتوان به رنگ کاری یا پوشش کاری کل صفحه یا پرو فیل در یک مرحله اشاره کرد از مزایا ی مشهود دیگر خشک کردن انی انها می باشد.

ازاهداف اصلی این تحقیق تو سعه یک سری از رنگهای مقاوم به UVوتوصیه فرایند غیر خطی برای پوشش دهی دراز مدت قطعات پهنWPC مخصوصا پروفیلهای لمبه کوبی،کف پوش و حفاظ بود.

 همانطور که در جدول 3 دیده میشود پوشش مقاوم به UVطراحی شده برایWPCموجب سفتی مناسب و مقاومت به هوا دهی و مواد شیمیایی می‌شود. این پوشش برای مصارف بیرون ساختمان و روکش کف می باشد. بخاطر کارایی مناسب در مقابل هوا بینی، قابلیت هماهنگ شدن و رنگ و ظاهرمناسب این پوشش، برای کارهای تزئینی و دکوری مناسب می باشد.

 برای مصارفی نظیر پوشش های داخل خانه ممکن است به مقاومت‌هایی نظیر مقاومت به خط خوردگی و خراشیدگی و مقاومت به سایش  نیاز نبوده و به جای انها مقاومت به تغییر رنگ ویا قابلیت رنگ پذیری مد نظر می باشد. بعلاوه جایگاه پانلهای پوشش دار استری شده که برای رنگ شدن مجدد در محل نسب شان طراحی شده اند در بازار خوب می‌باشد.

 نتیجه گیری:

به منظور استفاده روز افزون و نیز تداوم رشد  WPC و افزایش سهم ان در بازار بایستی بعضی از نقایص و کمبودهای ان مرتفع شود. اجرای اکسید اسیون فلئوری و نیز پوشش کاری مناسب که شرح داده شد برای حل این مشکلات مناسب می باشد. علاوه بر این امروزه مشتریان خواهان محصولی با رنگ دلخواهشان که تغییر رنگ نداشته باشد و نیاز به مراقبت و نگهداری ان حداقل باشد می باشند. وانها برای یک چنین محصولی خواهان پرداخت مبلغ مناسبی می باشند.