استفاده از كامپوزيت‌هاي چوب
۱۳۸۹/۰۲/۱۰
عدم امكان بازيافت و قيمت بالا، همواره دو معضل عمده گسترش كامپوزيت‌هاي پليمري در دنيا بوده‌اند، اما امروزه استفاده از الياف گياهي در ساخت كامپوزيت‌ها، نويدبخش افقي روشن براي صنعت كامپوزيت است. اين الياف براحتي به چرخه طبيعت برگشته و از قيمت بسيار پايين‌تري برخوردارند. كامپوزيت‌ها، درواقع تركيبي از الياف تقويت‌كننده با يك رزين پليمري هستند. يك قطعه كامپوزيتي ساخته شده با اليافت شيشه، پس از اتمام عمرخود، در طبيعت باقي مي‌ماند زيرا نمي‌تواند مانند مواد آلي توسط باكتري‌ها تجزيه شود. اين مشكل حتي با سوزاندن قطعه كامپوزيتي به قوت خود باقي است زيرا سوزاندن، تنها قسمت پليمري قطعه را به طبيعت برگشت مي‌دهد و الياف شيشه در حين حرارت ديدن، همچنان بدون تغيير باقي مي‌مانند. حتي اگر بخواهيم اين الياف را مجدداً مورد استفاده قرار دهيم، خواهيم ديد كه بعد از چند با بازيافت، مقاومت مكانيكي خود را از دست مي‌دهند و به‌صورت ضايعات بلا استفاده در خواهند آمد. از سويي، الياف شيشه درمقايسه با آهن معمولي، گران‌تر بوده و همين عامل باعث شده است تا در بسياري موارد، استفاده از آهن بصرفه‌تر از الياف شيشه باشد. علاوه‌بر آهن، آلومينيم نيز به دليل قابليت‌هاي بالايي كه در فرايندهاي شكل‌دهي از خود نشان مي‌دهد و همچنين مقاومت در برابر خوردگي، يكي از رقباي سرسخت كامپوزيت‌ها به‌شمار مي‌آيند. اين دو معضل، باعث كند شدن ميزان استفاده از كامپوزيت‌ها در صنايع ساختمان و خودرو شده است. براي مقابله با اين دو نقيصه، فعاليت‌هايي گسترده در زمينه استفاده از الياف گياهي همچون كنف و چتايي در ساخت قطعات كامپوزيتي صورت گرفته است. اين فعاليت‌ها طي دهه گذشته به نحوي چشمگيرافزايش يافته و از سوي كشورهاي توسعه يافته و درحال توسعه همچون امريكا، هند و غيره دنبال مي‌شود. الياف گياهي بسيار سبك بوده و فوق‌العاده ارزان‌تر از الياف شيشه هستند. آنها خواص مكانيكي بسيار خوبي از خود نشان مي‌دهند و بسادگي در انواع فرايندهاي شكل‌دهي كامپوزيت‌ها نظير پالتروژن يا قالبگيري فشاري، قابل استفاده هستند. برخلاف آنچه كه از الياف گياهي انتظار مي‌رود، سرعت اشتعال كامپوزيت‌هاي الياف گياهي (WPC) بسيار پايين‌تر از حد تصور است. اين الياف از نظر مقاومت و قيمت، حد واسط پلاستيك‌ها و كامپوزيت‌هاي الياف شيشه محسوب مي‌شوند. بنابراين در ساخت قطعات تزئيني و ساير قطعاتي كه نيازمند مقاومت فوق‌العاده نيستند (اصطلاحاً سازه‌هاي غيرباربر) رقباي مناسبي براي پلاستيك‌ها، فايبرگلاس و حتي چوب و آهن به‌شمار مي‌آيند. در مقام مقايسه نيز كامپوزيت‌هاي الياف گياهي (WPC) نسبت به بهترين پلاستيك‌ها تا 30 درصد مقاوم‌تر هستند. مجموع اين عوامل باعث شده است تا صنايع ساختمان و خودرو به‌عنوان بزرگ‌ترين صنايع مصرف‌كننده كامپوزيت‌ها، استقبال مناسبي از كامپوزيت‌هاي الياف گياهي (WPC) كنند.
WPC چيست؟
در1970 WPC به‌عنوان مفهومي مدرن در ايتاليا ظهوريافت، در اوايل 1990 كاربرد آن در امريكاي شمالي معروف شد و با شروع قرن 21، در هند، مالزي، سنگاپور، ژاپن و چين گسترش يافت. WPC را مي‌توان يكي از بخش‌هاي پوياي صنعت پلاستيك امروز، با ميانگين نرخ رشد سالانه تقريبي 18 درصد در امريكاي شمالي و 14 درصد در اروپا دانست. گزارش‌ها نشان مي‌دهند كه در 1999حدود 460ميليون تن WPC توليد شده و اين ميزان در سال 2001 تا حدود 700 ميليون تن افزايش يافته است.
صنعت پلاستيك، براي اصلاح كارايي پلاستيك‌ها، به‌صورت سنتي از تالك، كربنات كلسيم، ميكا و الياف كربن و شيشه استفاده مي‌كند. صنايع مهم نظير: هوا فضا، خودرو، سازه‌ها و بسته‌بندي، اشتياق زيادي براي گسترش كامپوزيت‌هاي نو نشان مي‌دهند. شاهدي بر اين مدعا، جايگزيني الياف غيرآلي مانند شيشه يا آراميد با الياف گياهي به‌عنوان فيلر است.
به هر كامپوزيتي كه شامل الياف گياهي (چوب يا غير چوب) و مواد ترموست يا ترموپلاست باشد WPC گفته مي‌شود. ترموست‌ها پلاستيك‌هايي هستند كه يك‌بار شبكه‌اي شده و نمي‌توانند دوباره مذاب شوند. اين مواد، شامل رزين‌هايي مانند اپوكسي و فنوليك هستند. ترموپلاستيك‌ها را مي‌توان به دفعات ذوب كرد. اين خصوصيت، به ديگر مواد مانند الياف چوب اجازه مي‌دهد كه با پلاستيك‌ها براي تشكيل محصولات كامپوزيتي مخلوط شوند. PP, PE , PVC به‌صورت گسترده براي WPCها استفاده شده و به‌صورت رايج در محصولات ساختمان، سازه‌ها، اسباب و وسايل و خودرو مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
WPC عموماً از اختلاط الياف گياهي با پليمر يا با اضافه كردن الياف چوب به‌عنوان فيلر به ماتريس و فرايند پرسكاري يا قالبگيري تحت دما و فشار بالا به‌دست مي‌آيد. افزودني‌هايي مانند رنگدانه‌ها، عوامل اتصال‌دهنده، پايدار كننده‌ها، عوامل پف‌كننده، تقويت‌كننده‌ها و روان‌كننده‌ها براي رسيدن به محصول نهايي استفاده مي‌شوند.
صنعت پلاستيك، براي اصلاح كارايي پلاستيك‌ها، به‌صورت سنتي از تالك، كربنات كلسيم، ميكا و الياف كربن و شيشه استفاده مي‌كند. صنايع مهم نظير: هوا فضا، خودرو، سازه‌ها و بسته‌بندي، اشتياق زيادي براي گسترش كامپوزيت‌هاي نو نشان مي‌دهند. شاهدي بر اين مدعا، جايگزيني الياف غيرآلي مانند شيشه يا آراميد با الياف گياهي به‌عنوان فيلر است.
به هر كامپوزيتي كه شامل الياف گياهي (چوب يا غير چوب) و مواد ترموست يا ترموپلاست باشد WPC گفته مي‌شود. ترموست‌ها پلاستيك‌هايي هستند كه يك‌بار شبكه‌اي شده و نمي‌توانند دوباره مذاب شوند. اين مواد، شامل رزين‌هايي مانند اپوكسي و فنوليك هستند. ترموپلاستيك‌ها را مي‌توان به دفعات ذوب كرد. اين خصوصيت، به ديگر مواد مانند الياف چوب اجازه مي‌دهد كه با پلاستيك‌ها براي تشكيل محصولات كامپوزيتي مخلوط شوند. PP, PE , PVC به‌صورت گسترده براي WPCها استفاده شده و به‌صورت رايج در محصولات ساختمان، سازه‌ها، اسباب و وسايل و خودرو مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
WPC عموماً از اختلاط الياف گياهي با پليمر يا با اضافه كردن الياف چوب به‌عنوان فيلر به ماتريس و فرايند پرسكاري يا قالبگيري تحت دما و فشار بالا به‌دست مي‌آيد. افزودني‌هايي مانند رنگدانه‌ها، عوامل اتصال‌دهنده، پايدار كننده‌ها، عوامل پف‌كننده، تقويت‌كننده‌ها و روان‌كننده‌ها براي رسيدن به محصول نهايي استفاده مي‌شوند.
الياف گياهي
بيشتر تحقيقات دانشگاهي و پيشرفت‌هاي صنعتي معطوف به يافتن راه‌هاي جديد خلق مواد شيميايي سبز و دوستدار محيط‌زيست، براي طيف وسيعي از كاربردها شده است. الياف را مي‌شود به دو گروه اصلي مصنوعي و طبيعي طبقه‌بندي كرد. الياف طبيعي با پتانسيل ارائه در مقادير بالاتر، قابليت تجديد و قيمت پايين‌تر، به‌طور خاص در صنعت خودرو ارائه مي‌شوند. عموماً الياف طبيعي بر پايه خاستگاهشان به زير گروه‌هاي گياهي، حيواني و معدني تقسيم مي‌شوند. تمام الياف گياهي از سلولز تشكيل شده‌اند، اما الياف حيواني شامل پروتئين (مو، ابريشم و پشم) هستند. الياف گياهي را مي‌توان براساس قسمتي از گياه كه به‌دست آمده‌اند نيز كلاسه‌بندي كرد. الياف گياهي، شامل ليف درخت (ساقه يا بافت سلولي)، برگ، دانه، علف، پوشال، حبوبات و چوب مي‌شوند. تعدادي از الياف طبيعي مهم در جدول 1 ليست شده‌اند. باقيمانده محصولات كشاورزي مانند پوشال گندم و برنج، تفاله نيشكر و ساق ذرت، گرچه در مقايسه با چوب داراي سلولز كمتري هستند، اما منبع الياف گياهي هستند. "برگ مخملي" كه در حال حاضر به‌عنوان علفي هرز و مشكل‌آفرين در كشاورزي تلقي مي‌شود، مي‌تواند به‌عنوان منبعي براي الياف گياهي، مورد استفاده قرار بگيرد. الياف ساقه برگ‌هاي مخملي، خواصي مشابه با الياف تهيه شده از پوست ليفي درختان (مانند كنف) دارند. قابليت استفاده از كيفيت بالاي اين الياف و خواص مكانيكي خوب، شرط لازم براي استفاده از اين مواد درزمينه تقويت پلاستيك‌هاست.
بيشتر تحقيقات دانشگاهي و پيشرفت‌هاي صنعتي معطوف به يافتن راه‌هاي جديد خلق مواد شيميايي سبز و دوستدار محيط‌زيست، براي طيف وسيعي از كاربردها شده است. الياف را مي‌شود به دو گروه اصلي مصنوعي و طبيعي طبقه‌بندي كرد. الياف طبيعي با پتانسيل ارائه در مقادير بالاتر، قابليت تجديد و قيمت پايين‌تر، به‌طور خاص در صنعت خودرو ارائه مي‌شوند. عموماً الياف طبيعي بر پايه خاستگاهشان به زير گروه‌هاي گياهي، حيواني و معدني تقسيم مي‌شوند. تمام الياف گياهي از سلولز تشكيل شده‌اند، اما الياف حيواني شامل پروتئين (مو، ابريشم و پشم) هستند. الياف گياهي را مي‌توان براساس قسمتي از گياه كه به‌دست آمده‌اند نيز كلاسه‌بندي كرد. الياف گياهي، شامل ليف درخت (ساقه يا بافت سلولي)، برگ، دانه، علف، پوشال، حبوبات و چوب مي‌شوند. تعدادي از الياف طبيعي مهم در جدول 1 ليست شده‌اند. باقيمانده محصولات كشاورزي مانند پوشال گندم و برنج، تفاله نيشكر و ساق ذرت، گرچه در مقايسه با چوب داراي سلولز كمتري هستند، اما منبع الياف گياهي هستند. "برگ مخملي" كه در حال حاضر به‌عنوان علفي هرز و مشكل‌آفرين در كشاورزي تلقي مي‌شود، مي‌تواند به‌عنوان منبعي براي الياف گياهي، مورد استفاده قرار بگيرد. الياف ساقه برگ‌هاي مخملي، خواصي مشابه با الياف تهيه شده از پوست ليفي درختان (مانند كنف) دارند. قابليت استفاده از كيفيت بالاي اين الياف و خواص مكانيكي خوب، شرط لازم براي استفاده از اين مواد درزمينه تقويت پلاستيك‌هاست.
جدول 1: ليستي از الياف گياهي
 |
الياف گياهي در مقايسه با الياف شيشه داراي مزايا و معايبي هستند. خواص بومي، قابلي تخريب توسط عوامل بيولوژيكي، قيمت پايين، طبيعت غيرفرسايشي، استفاده بي‌خطر، مصرف انرژي كم، خواص ويژه بالا، چگالي كم و دامنه وسيعي از انواع الياف، فاكتورهاي مهمي براي قبول اين مواد در بازارهايي مانند صنعت خودرو و ساختمان با حجم استفاده بالاست. به‌علاوه، عامه مردم به محصولاتي كه از مواد قابل تجديد دوستدار محيط‌زيست ساخته مي‌شوند، تمايل بيشتري دارند.
درهرحال اشكالاتي مانند تمايل به تشكيل توده طي فرايند، پايداري حرارتي پايين، مقاومت كم به رطوبت و تغييرات كيفي در فصول مختلف (حتي بين يك گونه گياهي در شرايط كشت يكسان)، به‌صورت جدي پتانسيل استفاده از الياف گياهي را به‌عنوان تقويت‌كننده پليمرها كاهش داده است. جذب رطوبت بالاي الياف گياهي منجر به تورم و وجود حفره در سطح مي‌شو كه به افت خواص مكانيكي و كاهش پايداري ابعادي كامپوزيت‌ها مي‌انجامد. اصلاح سطحي الياف گياهي مانند استفاده از مواد شيميايي آبگريز (مانند PPgMA) يا اصلاح با مونوموهاي وينيلي مي‌تواند جذب رطوبت آنها را كاهش دهد. يكي از معايب عمده الياف گياهي، سازگاري كم آنها با ماتريس‌هاي پليمري است كه منجر به ديسپرسيون غير يكنواخت و خواص مكانيكي ضعيف مي‌شود. چوب و پلاستيك، شبيه آب و روغن هستند و خوب مخلوط نمي‌شوند. بيشتر پليمرها بويژه ترموپلاستيك‌ها، موادي غيرقطبي هستند كه با مواد قطبي نظير الياف چوب، سازگار نبوده و در WPC منجر به چسبندگي ضعيف بين پليمر و الياف مي‌شوند. به منظور بهبود پيوستگي و چسبندگي بين الياف و ماتريس‌هاي ترموپلاستيك، ازاتصال‌دهنده‌هاي شيميايي يا عوامل سازگار كننده استفاده مي‌شود. بعضي تركيبات مانند هيدروكسيد سديم، سيلان، اسيد استيك، ايزوسيانات، پرمنگنات پتاسيم، پروكسايد و غيره به‌عنوان مواد افزايش‌دهنده چسبندگي شناخته شده‌اند. مكانيسم عوامل سازگار كننده در شكل 1 نشان داده شده ست. عوامل اتصال‌دهنده با الياف آبدوست به‌صورت شيميايي و با زنجير پليمر از طريق خيس كردن اتصال برقرار مي‌كنند.
درهرحال اشكالاتي مانند تمايل به تشكيل توده طي فرايند، پايداري حرارتي پايين، مقاومت كم به رطوبت و تغييرات كيفي در فصول مختلف (حتي بين يك گونه گياهي در شرايط كشت يكسان)، به‌صورت جدي پتانسيل استفاده از الياف گياهي را به‌عنوان تقويت‌كننده پليمرها كاهش داده است. جذب رطوبت بالاي الياف گياهي منجر به تورم و وجود حفره در سطح مي‌شو كه به افت خواص مكانيكي و كاهش پايداري ابعادي كامپوزيت‌ها مي‌انجامد. اصلاح سطحي الياف گياهي مانند استفاده از مواد شيميايي آبگريز (مانند PPgMA) يا اصلاح با مونوموهاي وينيلي مي‌تواند جذب رطوبت آنها را كاهش دهد. يكي از معايب عمده الياف گياهي، سازگاري كم آنها با ماتريس‌هاي پليمري است كه منجر به ديسپرسيون غير يكنواخت و خواص مكانيكي ضعيف مي‌شود. چوب و پلاستيك، شبيه آب و روغن هستند و خوب مخلوط نمي‌شوند. بيشتر پليمرها بويژه ترموپلاستيك‌ها، موادي غيرقطبي هستند كه با مواد قطبي نظير الياف چوب، سازگار نبوده و در WPC منجر به چسبندگي ضعيف بين پليمر و الياف مي‌شوند. به منظور بهبود پيوستگي و چسبندگي بين الياف و ماتريس‌هاي ترموپلاستيك، ازاتصال‌دهنده‌هاي شيميايي يا عوامل سازگار كننده استفاده مي‌شود. بعضي تركيبات مانند هيدروكسيد سديم، سيلان، اسيد استيك، ايزوسيانات، پرمنگنات پتاسيم، پروكسايد و غيره به‌عنوان مواد افزايش‌دهنده چسبندگي شناخته شده‌اند. مكانيسم عوامل سازگار كننده در شكل 1 نشان داده شده ست. عوامل اتصال‌دهنده با الياف آبدوست به‌صورت شيميايي و با زنجير پليمر از طريق خيس كردن اتصال برقرار مي‌كنند.
 |
شكل 1: مكانيسم اتصال بين الياف آبدوست و ماتريس پليمري آبگريز
مسئله بعدي، دماي فرايند است كه انتخاب ماتريس‌ها را محدود مي‌كند. الياف گياهي، متشكل از موادآلي مختلفي هستند و اصلاح حرارتي آنها منجر به تنوعي از تغييرات فيزيكي و شيميايي مي‌شود. تخريب دمايي اين الياف، منجر به خواص ارگانولپتيك ضعيفي مانند بو، رنگ و زوال خواص مكانيكي آنها مي‌شود. همچنين، اين پديده منجر به توليد محصولات گازي مي‌شوند. هنگامي كه فرايند در دماي بالاي 200 درجه سانتي‌گراد انجام شود، ممكن است باعث افزايش تخلخل و كاهش چگالي و خواص مكانيكي شود، لذا براي بهبود پايداري حرارتي، از پوشش دادن يا پيوند زدن با مونومرها استفاده مي‌شود.
براي بهبود خواص مكانيكي ترموپلاستيك‌ها، از موادي مختلف مانند الياف كربن و شيشه استفاده مي‌شود كه مي‌توان آنها را با الياف گياهي جايگزين كرد، به‌صورتي كه از كارايي برابر يا بهتر از مواد مذكور برخوردار شوند. اين مواد، وزن محصولات را تا حدود 15 درصد كاهش داده و شيمي سطح بسيار فعالي دارند. الياف شيشه، باعث بروز مشكلات پوستي و تنفسي مي‌شوند، اين عيب را مي‌توان با استفاده از الياف گياهي، كاهش داد.
الياف گياهي مورد استفاده در پليمرها اشكال گوناگوني دارند، لذا خواص محصول نهايي با استفاده از اندازه، شكل و خواص الياف گياهي تعيين مي‌شوند. فاكتورهاي ديگر مانند اندازه الياف، مورفولوژي، تركيب شيميايي، چگالي، ضخامت، درصد الياف و مقدار عوامل اتصال‌دهنده، بر خواص استحكامي WPC مؤثر است.
كاربرد كامپوزيت‌هاي سبز در صنايع خودرو
توليدكنندگان و مهندسان، همواره در حال پايش مواد جديد و فرايندهاي بهبود يافته براي استفاده در توليد محصولات بهتر و بنابراين نگهداري حاشيه رقابتي و افزايش حاشيه سود خود هستند. از WPCها درموارد متعددي براي كاربردهاي خودرويي، سازه‌اي، دريايي، الكترونيكي و هوا فضا استفاده مي‌شود (شكل2).
در حال حاضر، بازار WPCها بازاري چند ميليون دلاري است. بزرگ‌ترين بازار شناخته شده براي WPCهاي سبز، جايگزيني فولاد و الياف شيشه در قطعات خودرو است. از اين مواد در ساخت قطعات تريم داشبورد، پنل‌هاي درب، طاقچه عقب، كفي صندلي، پشت سري صندلي و پوشش داخل كابين استفاده مي‌شود. الياف گياهي به‌صورتي گسترده در عايق‌هاي صوتي ـ حرارتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. استفاده از الياف كتان در ديسك ترمز با هدف جايگزيني با الياف آزبست، يكي از ديگر مثال‌هاست. تعداد كمي از قطعات بيروني نيز با استفاده از كامپوزيت‌هاي حاوي الياف گياهي ساخته مي‌شوند.
مسئله حفاظت از محيط‌زيست، اهميتي ويژه براي خودروسازها دارد، شايد به همين دليل است كه روند توليدات، متمايل به محصولات داراي قابليت بازيافت است. برطبق خط‌مشي 2000/53/EG كه توسط كميسيون اروپايي تهيه شده است، مقرر شده بود كه در سال 2005، حدود 85 درصد از وزن خودرو مي‌بايستي با مواد قابل بازيافت ساخته شود. اين درصد تا سال 2015 بايد به 95 درصد افزايش يابد. خودروها بايد از 95 درصد مواد قابل بازيافت تشكيل شوند كه 85 درصد قابليت بازيافت از طريق استفاده مجدد يا بازيافت مكانيكي و 10 درصد از بازيافت انرژي يا بازيافت حرارتي بوده و اين موضوع به‌طور حتم منجر به استفاده از WPCها خواهد شد. با وجود تمامي پيشرفت‌هاي صورت گرفته، هنوز هم بازيافت مواد مصرفي در خودرو، كاري بسيار دشوار است زيرا جنس بيشتر آنها، مواد پليمري مبتني بر پايه نفت بوده كه با ساختارهاي كامپوزيتي تركيب شده‌اند. شركت دايملر/ بنز، ايده جايگزيني الياف شيشه با الياف گياهي در قطعات خودرو را از 1991 گسترش داد. مرسدس در 1996 از الياف كنفي در پنل‌هاي درب بنز كلاس E استفاده كرد. دايملر/ كرايسلر در سپتامبر 2000 از الياف گياهي براي توليد خودروهايش استفاده كرد. الياف تهيه شده از پوست ليفي درختان، به‌دليل خواص استحكامي بالايي كه نشان داده‌اند، به‌صورت ابتدايي در كاربردهاي خودرويي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ديگر مزيت استفاده از الياف درختي در كاربردهاي خودرويي، كاهش وزن بين 10 تا30 درصد و درنتيجه كاهش در هزينه توليد است. در واقع تمام خودروسازان بزرگ آلمان (دايملر/ كرايسلر، بنز، فولكس واگن، گروه آئودي، BMW، فورد و اپل) در حال حاضر از WPCها در كاربردهايي متعدد و مختلف، استفاده مي‌كنند. دايملر/ كرايسلر در قطعات داخلي، مانند داشبورد و پنل‌هاي درب، از كامپوزيت‌هاي PP و الياف گياهي استفاده كرده است. در مدل A2 سال 2000 آئودي، پنل‌هاي تريم درب از پلي اورتان تقويت شده با كتان ساخته شده‌اند. دايملر/ كرايسلر، تحقيقات خود را بر كامپوزيت‌هاي پلي‌استر تقويت شده با الياف گياهي، براي كاربرد آن در قسمت‌هاي خارجي خودرو، متمركز كرده است.
تحقيقات نشان داده‌اند كه استفاده از الياف چوب يا انواع مختلف الياف مشتق شده از زمين، مزاياي فراواني براي استفاده در كاربردهاي خودرويي دارند. اين كامپوزيت‌ها از نقطه نظري تكنيكي، استحكام مكانيكي و خواص آكوستيكي را افزايش مي‌دهند، وزن قطعه، مصرف سوخت، زمان فرايند و هزينه‌هاي توليد را كاهش داده و امنيت مسافر و قابليت تخريب توسط عوامل بيولوژيكي را براي قطعات داخلي خودرو بهبود مي‌بخشند. مثلا، مرسدس كلاس E به كاهش وزن قابل توجه 20 درصد دست‌يافته و خواص مكانيكي آن براي حفاظت مسافرين در تصادفات، بهبود يافته است. از نظر ملي نيز، الياف گياهي قابل نو شدن بوده (هر ساله توليد مي‌شوند)، از قابليت تخريب توسط عوامل بيولوژيكي برخوردار بوده و دوستدار محيط‌زيست هستند.
براي بهبود خواص مكانيكي ترموپلاستيك‌ها، از موادي مختلف مانند الياف كربن و شيشه استفاده مي‌شود كه مي‌توان آنها را با الياف گياهي جايگزين كرد، به‌صورتي كه از كارايي برابر يا بهتر از مواد مذكور برخوردار شوند. اين مواد، وزن محصولات را تا حدود 15 درصد كاهش داده و شيمي سطح بسيار فعالي دارند. الياف شيشه، باعث بروز مشكلات پوستي و تنفسي مي‌شوند، اين عيب را مي‌توان با استفاده از الياف گياهي، كاهش داد.
الياف گياهي مورد استفاده در پليمرها اشكال گوناگوني دارند، لذا خواص محصول نهايي با استفاده از اندازه، شكل و خواص الياف گياهي تعيين مي‌شوند. فاكتورهاي ديگر مانند اندازه الياف، مورفولوژي، تركيب شيميايي، چگالي، ضخامت، درصد الياف و مقدار عوامل اتصال‌دهنده، بر خواص استحكامي WPC مؤثر است.
كاربرد كامپوزيت‌هاي سبز در صنايع خودرو
توليدكنندگان و مهندسان، همواره در حال پايش مواد جديد و فرايندهاي بهبود يافته براي استفاده در توليد محصولات بهتر و بنابراين نگهداري حاشيه رقابتي و افزايش حاشيه سود خود هستند. از WPCها درموارد متعددي براي كاربردهاي خودرويي، سازه‌اي، دريايي، الكترونيكي و هوا فضا استفاده مي‌شود (شكل2).
در حال حاضر، بازار WPCها بازاري چند ميليون دلاري است. بزرگ‌ترين بازار شناخته شده براي WPCهاي سبز، جايگزيني فولاد و الياف شيشه در قطعات خودرو است. از اين مواد در ساخت قطعات تريم داشبورد، پنل‌هاي درب، طاقچه عقب، كفي صندلي، پشت سري صندلي و پوشش داخل كابين استفاده مي‌شود. الياف گياهي به‌صورتي گسترده در عايق‌هاي صوتي ـ حرارتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. استفاده از الياف كتان در ديسك ترمز با هدف جايگزيني با الياف آزبست، يكي از ديگر مثال‌هاست. تعداد كمي از قطعات بيروني نيز با استفاده از كامپوزيت‌هاي حاوي الياف گياهي ساخته مي‌شوند.
مسئله حفاظت از محيط‌زيست، اهميتي ويژه براي خودروسازها دارد، شايد به همين دليل است كه روند توليدات، متمايل به محصولات داراي قابليت بازيافت است. برطبق خط‌مشي 2000/53/EG كه توسط كميسيون اروپايي تهيه شده است، مقرر شده بود كه در سال 2005، حدود 85 درصد از وزن خودرو مي‌بايستي با مواد قابل بازيافت ساخته شود. اين درصد تا سال 2015 بايد به 95 درصد افزايش يابد. خودروها بايد از 95 درصد مواد قابل بازيافت تشكيل شوند كه 85 درصد قابليت بازيافت از طريق استفاده مجدد يا بازيافت مكانيكي و 10 درصد از بازيافت انرژي يا بازيافت حرارتي بوده و اين موضوع به‌طور حتم منجر به استفاده از WPCها خواهد شد. با وجود تمامي پيشرفت‌هاي صورت گرفته، هنوز هم بازيافت مواد مصرفي در خودرو، كاري بسيار دشوار است زيرا جنس بيشتر آنها، مواد پليمري مبتني بر پايه نفت بوده كه با ساختارهاي كامپوزيتي تركيب شده‌اند. شركت دايملر/ بنز، ايده جايگزيني الياف شيشه با الياف گياهي در قطعات خودرو را از 1991 گسترش داد. مرسدس در 1996 از الياف كنفي در پنل‌هاي درب بنز كلاس E استفاده كرد. دايملر/ كرايسلر در سپتامبر 2000 از الياف گياهي براي توليد خودروهايش استفاده كرد. الياف تهيه شده از پوست ليفي درختان، به‌دليل خواص استحكامي بالايي كه نشان داده‌اند، به‌صورت ابتدايي در كاربردهاي خودرويي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ديگر مزيت استفاده از الياف درختي در كاربردهاي خودرويي، كاهش وزن بين 10 تا30 درصد و درنتيجه كاهش در هزينه توليد است. در واقع تمام خودروسازان بزرگ آلمان (دايملر/ كرايسلر، بنز، فولكس واگن، گروه آئودي، BMW، فورد و اپل) در حال حاضر از WPCها در كاربردهايي متعدد و مختلف، استفاده مي‌كنند. دايملر/ كرايسلر در قطعات داخلي، مانند داشبورد و پنل‌هاي درب، از كامپوزيت‌هاي PP و الياف گياهي استفاده كرده است. در مدل A2 سال 2000 آئودي، پنل‌هاي تريم درب از پلي اورتان تقويت شده با كتان ساخته شده‌اند. دايملر/ كرايسلر، تحقيقات خود را بر كامپوزيت‌هاي پلي‌استر تقويت شده با الياف گياهي، براي كاربرد آن در قسمت‌هاي خارجي خودرو، متمركز كرده است.
تحقيقات نشان داده‌اند كه استفاده از الياف چوب يا انواع مختلف الياف مشتق شده از زمين، مزاياي فراواني براي استفاده در كاربردهاي خودرويي دارند. اين كامپوزيت‌ها از نقطه نظري تكنيكي، استحكام مكانيكي و خواص آكوستيكي را افزايش مي‌دهند، وزن قطعه، مصرف سوخت، زمان فرايند و هزينه‌هاي توليد را كاهش داده و امنيت مسافر و قابليت تخريب توسط عوامل بيولوژيكي را براي قطعات داخلي خودرو بهبود مي‌بخشند. مثلا، مرسدس كلاس E به كاهش وزن قابل توجه 20 درصد دست‌يافته و خواص مكانيكي آن براي حفاظت مسافرين در تصادفات، بهبود يافته است. از نظر ملي نيز، الياف گياهي قابل نو شدن بوده (هر ساله توليد مي‌شوند)، از قابليت تخريب توسط عوامل بيولوژيكي برخوردار بوده و دوستدار محيط‌زيست هستند.
 |
شكل 2: مصرف كامپوزيت چوب- پلاستيك در سال 2003
با توجه به اينكه الياف گياهي در حال حاضرتوسط خودروسازاني بزرگ همچون: آئودي، اپل، دايملر/ كرايسلر، فيات، فورد، بنز، پژو، رنو، ولوو، فولكس واگن و BMW مورد استفاده قرار مي‌گيرند، ميزان مصرف آنها براي كاربردهاي مختلف در صنعت خودرو عبارتنداز:
* روكش درب جلو
* روكش درب عقب
* روكش صندوق عقب
* طاقچه عقب
* پشتي صندلي
* كشويي سقف متحرك
* چراغ‌هاي جلو
افزون بر5 كيلوگرم الياف گياهي نيز در ديگر قطعات داخلي خودرو مورد استفاده قرار مي‌گيرد. با توليد سالانه حدود 58 ميليون خودرو سبك در دنيا كه 30 درصد آن در غرب اروپا توليد مي‌شود، تجارت اين مواد در 18 ميليون خودرو، سالانه تقريباً معادل 175 تا 350 هزار تن است.
از 1996 تا سال 2003 استفاده سالانه از الياف گياهي در كامپوزيت‌هاي صنعت خودروي آلمان، از 4 هزار به 18 هزار تن افزايش يافته است. از 1996 تا سال 2002 افزايشي نسبتاً خطي با نرخ رشد 10تا20 درصد در مقدار مصرف سالانه اروپا مشاهده شده كه اين مقدار، تقريباً معادل 70 هزار تن مواد حاوي الياف گياهي جديد است. اين مقدار، تقريباً 2 برابر مقدار كلي تخمين زده شده براي استفاده از WPCها در اروپاي غربي است.
مطالعه انجام شده در امريكا نشان مي‌دهدكه بازار الياف گياهي حدود 45 هزار تن، با نرخ رشدسالانه حدود 15 تا20 درصد است و به نظر مي‌رسد كه اين روند همچنان ادامه يابد. برطبق اظهار نظر سازمان غذايي ارويي سازمان ملل (FAO) و CFC ميانگين مصرف 5 تا10 كيلوگرم الياف گياهي براي استفاده در خودرو در سال‌هاي آينده تخمين زده شده است. در حال حاضر، الياف گياهي به‌عنوان فيلر و تقويت‌كننده پليمرها، از بيشترين سرعت رشد درميان افزودني‌هاي پليمر، برخوردار هستند.
منابع:1. Alireza Ashori, Wood-plastic composites as promising green- composites for automotive industries! Bioresource Technology 99 (2008) 4661-4667.
2. محمدرضا آباديان، كامپوزيت‌هاي الياف طبيعي در صنايع ساختمان و خودرو:
http://woodworking.blogfa.com/post-116.aspx
3. http://nano.itan.ir
موضوع : کامپوزیت (COMPOSITE) |
0 ارسال نظرات:
ارسال یک نظر
با نظرات خود ما را در هر چه بهتر کردن وبلاگ یاری کنید