کامپوزیت های چوب – پلاستیک، مواد سبز برای صنایع خودرو

۱ مقدمه

در دهه‌های گذشته گروه‌های مختلف اعم از گروه‌های حافظ محیط‌زیست و NGOها در کشورهای مختلف، درباره‌ی اثر مواد شیمیایی بر محیط‌زیست بحث‌های گوناگون داشته‌اند و تلاش‌های زیادی را جهت کاهش تولید مواد شیمیایی خطرناک انجام داده‌اند، به گونه‌ای که این موضوع به یک چالش جهانی تبدیل شده است و از آن به عنوان یک مشکل جهانی یاد می‌شود که موجب شده است دولت‌ها برای کاستن از این مشکل قوانین سخت‌گیرانه‌ای را وضع و اجرا کنند تا بلکه بتوانند از محیط زیست حفاظت بهتری داشته باشند. برای حل این مشکل به صورت ریشه‌ای و اساسی لازم است که کارخانجات فرآیندهای شیمیایی خود را بهبود بخشیده یا واکنش‌های شیمیایی بی‌خطر برای محیط‌زیست طراحی کنند که “شیمی سبز” (Green Chemistry) برخی از راه‌کارها را برای نیل به این هدف پیشنهاد کرده است. درواقع شیمی سبز تولیدات و فرآیندهای شیمیایی است که باعث کاهش استفاده و تولید مواد خطرناک می‌شود و تولید مواد زائد و اتلافی را به حداقل می‌رساند. بدین‌منظور صنایع کامپوزیتی در تلاش‌اند تا از موادی بهره ببرند که به محیط‌زیست آسیب نزند. کامپوزیت های چوب پلاستیک (WPC) که در آنها از الیاف طبیعی و تجدیدپذیر استفاده می‌شود، یکی از این مواد می باشد.

۲ WPC چیست؟

WPC مخفف عبارت Wood Plastic Composite یا کامپوزیت چوب پلاستیک بوده و به عنوان یک مفهوم جدید در دهه ۱۹۷۰ در ایتالیا معرفی شد و در اوایل دهه ۱۹۹۰ در آمریکای شمالی مورد توجه قرار گرفت و همزمان با شروع قرن ۲۱ در کشورهایی مانند هند، سنگاپور، مالزی، ژاپن و چین نیز نفوذ کرد. WPC را می‌توان به عنوان یکی از بخش‌های پویای صنعت پلاستیک معرفی کرد که از رشد سالانه ۱۸٪ در آمریکای شمالی و ۱۲٪ در اروپا برخوردار است. براساس آمارها در سال ۱۹۹۹ به میزان ۴۶۰ میلیون پوند WPC در جهان تولید شده است که میزان تولید آن در سال ۲۰۰۱ به ۷۰۰ میلیون پوند افزایش یافته است.

صنایع پلاستیک به صورت سنتی از تالک، کلسیم کربنات، میکا و الیاف کربن و شیشه به‌منظور بهبود خواص پلاستیک‌ها استفاده می‌کنند. اصطلاح WPC اشاره به هر نوع کامپوزیت ترموپلاستیک یا ترموستی دارد که شامل الیاف گیاهی باشد. ترموپلاستیک‌ها موادی‌اند که می‌توانند ذوب شوند که این خاصیت به آن‌ها اجازه می‌دهد بتوانند با سایر الیاف مانند الیاف چوب ترکیب شوند. PP، PE و PVC ترموپلاستیک‌هایی هستند که به‌‌طور عمده به عنوان ماتریس در WPC مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما ترموست‌ها موادی‌اند که ذوب نمی‌شوند که شامل رزین‌هایی مانند اپوکسی و فنولیک می‌باشند.

۳ الیاف گیاهی

تحقیقات گوناگونی برای یافتن راه‌های جدید برای تولید مواد شیمیایی کم‌خطر صورت گرفته است. الیاف را می‌توان به‌طور عمده به دو گروه طبیعی و مصنوعی تقسیم بندی نمود. الیاف طبیعی به دلیل توانایی بیشتری که دارند مورد توجه قرار گرفته‌اند. الیاف طبیعی برمبنای منبع و منشأ اصلی خود دسته‌بندی می‌شوند که می‌توانند گیاهی، حیوانی یا معدنی باشند. همه‌ی الیاف گیاهی از ترکیب سلولز به‌دست می‌آیند. در حالیکه الیاف حیوانی شامل پروتئین می‌باشند. الیاف گیاهی را می‌توان بر این اساس که از کدام قسمت گیاه گرفته شده است دسته‌بندی کرد. الیاف گیاهی شامل پوست لیفی درختان (ساقه)، برگ، بذر، میوه، ریشه، غله، کاه و چوب می باشد که به برخی از آن‌ها در جدول ۱ اشاره شده است. پس‌ماندهای کشاورزی مانند کاه گندم، کاه برنج، تفاله نیشکر و ساقه غله نیز به عنوان منبع الیاف گیاهی شناخته می‌شوند، اما درصد سلولز کمتری دارند، به‌گونه‌ای که قابل مقایسه با الیاف چوب نیستند. در یک تحقیق جالب که توسط Reddy and Yang انجام شد معلوم شد که برگ‌های مخملی که به‌عنوان علف هرز به‌شمار می‌روند و از مشکلات صنعت کشاورزی می‌باشد، می‌تواند به عنوان منبعی برای الیاف گیاهی که دارای کیفیت بالایی است، به کار رود. خواص فیزیکی و مکانیکی خوبی که این الیاف دارند، می‌تواند باعث استفاده این نوع الیاف در صنایع پلاستیک شود.

جدول 1. الیاف مهم گیاهی

الیاف گیاهی دارای برخی مزایا و معایب نسبت به الیاف مصنوعی می‌باشند. سازگاری با محیط‌زیست، تجدیدپذیری، قابلیت فرآیندپذیری بالا، خواص ویژه بالا، چگالی پایین از ویژگی‌های مثبت الیاف گیاهی به شمار می‌رود. همچنین این الیاف دارای انواع مختلفی می‌باشند که این یک خصوصیت بسیار مهم برای پذیرش و کاربرد در یک بازار با حجم زیاد است.

با این حال معایبی نیز مانند جمع‌شدگی زیاد در طول فرآیند، ظرفیت گرمایی پایین، مقاومت کم در مقابل رطوبت و دارا بودن کیفیت متفاوت در فصول مختلف دارند. درصد جذب بالای رطوبت در الیاف گیاهی باعث ظهور و به‌وجود آمدن حفره در سطح محصول می‌شود که خواص مکانیکی را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. اصلاح الیاف گیاهی با مواد آبگریز مانند مونومرهای وینیلی می‌تواند جذب رطوبت را در آن‌ها بکاهد. یکی دیگر از معایب بزرگ الیاف گیاهی عدم سازگاری آن با ماتریس پلیمری است که باعث پخش غیریکنواخت در ماتریس می‌شود که در نتیجه خواص مکانیکی افت پیدا می‌کند. در واقع می‌توان چوب و پلاستیک را مانند آب و روغن تشبیه کرد. بیشتر پلیمرها به خصوص ترموپلاستیک‌ها غیرقطبی‌اند و با مواد قطبی (الیاف چوب) سازگاری خوبی ندارند.

به‌منظور بهبود خواص چسبندگی بین الیاف و ماتریس ترموپلاستیک از مواد شیمیایی جفت‌کننده یا سازگارکننده استفاده می‌شود. جفت‌کننده‌ها موادی هستند که باعث پیوند زدن سطح پلیمر و مواد دیگر می‌شوند. در واقع این مواد بین زنجیر پلیمری و الیاف آبگریز پیوند شیمیایی برقرار می‌کنند. برخی از ترکیبات مانند سدیم هیدروکسید سیلان، اسید استیک، آکریلیک اسید، پراکساید و پتاسیم پرمنگنات می‌تواند باعث افزایش چسبندگی بین پلیمر و الیاف چوب شوند که مکانیزم کار این عوامل در شکل ۱ نشان داده شده است.

شکل 1. مکانیسم عملکرد عامل جفت کننده بین الیاف آبدوست و ماتریس آبگریز

یکی دیگر از مشکلات دمای فرآیند است که باعث می‌شود در انتخاب ماتریس پلیمری دچار محدودیت شویم. کاهش دمای فرآیند باعث می‌شود که خواص طبیعی الیاف مانند بو، رنگ و از همه بدتر خواص فیزیکی مکانیکی‌شان تغییر کند و دچار افت شود و اگر فرآیند در دمای بالا انجام شود باعث تولید گاز، کاهش دانسیته، افت خواص مکانیکی و افزایش تخلخل و حفره در آن می‌شود که برای حل این مشکل می‌توان از یک پوشش استفاده کرد یا آن‌ها را به مونومرها پیوند داد.

۱-۳ مورفولوژی الیاف

برای بهبود خواص مکانیکی پلاستیک‌های ترموپلاستیک الیاف مختلفی در فرآیند تولید آن‌ها استفاده می‌شود. از الیاف مصنوعی معمولی که به‌منظور تقویت خواص به پلاستیک‌ها افزوده می‌شوند، می‌توان به الیاف شیشه و کربن اشاره نمود. اما مشکل دفع ضایعات که امروزه به یک بحث جدی تبدیل شده است باعث شده تا تمایل به استفاده از الیاف طبیعی بیشتر شود؛ چرا که الیاف طبیعی می‌توانند خواص یکسان و حتی بهتری نسبت به الیاف مصنوعی داشته باشند، به‌طوری که قادرند وزن محصول نهایی را تا ۱۵٪ کاهش دهند. همچنین الیاف مصنوعی مانند الیاف شیشه باعث به‌وجود آمدن مشکلات تنفسی می‌شود و در حین کار نیز موجب سوزش دست‌ها می‌گردد که مجموعه این عوامل باعث تمایل بیشتر به استفاده از الیاف طبیعی شده است.

الیاف چوب که در کامپوزیت‌های پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرند، اشکال گوناگونی می‌توانند داشته باشند که هرکدام می‌توانند به‌صورت منفرد و یا ترکیبی مورد استفاده قرار بگیرند. خواص محصول نهایی نیز به شدت به اندازه و شکل و خصوصیات این الیاف وابسته است، خصوصیاتی مانند فعالیت سطحی و نسبت وجهی الیاف. نسبت وجهی به معنی نسبت متوسط طول به قطر در الیاف است که در هر نوع از الیاف یک عدد خاص می‌تواند باشد. به‌طور مثال الیاف چوبی نرم در مقایسه با الیاف چوبی سخت مانند الیاف حاصل از صنوبر، انعطاف‌پذیری بیشتری دارند.

خصوصیات الیاف مانند اندازه الیاف، سختی، دانسیته، درصد وزنی الیاف، درصد وزنی عامل جفت کننده همگی در تعیین خصوصیات نهایی WPC مؤثرند.

۲-۳ مقاومت الیاف

براساس تحقیقات صورت گرفته، الیاف گیاهی به دلیل مقاومت و مدول کششی بالا و دانسیته کمی که دارند، برای تقویت پلاستیک‌ها بسیار مناسب می‌باشند، به‌طوری که خصوصیات الیاف کتان و چوب نرم(kraft) بسیار نزدیک به الیاف شیشه نوع E می‌باشد که در جدول ۲ به خوبی نشان داده شده است.

جدول 2. خواص مکانیکی الیاف در مقایسه با پلیمرهای معمول

یکی از مشکلات بزرگ الیاف طبیعی دامنه وسیع خصوصیات آن‌ها می‌باشد که ناشی از شرایط محیطی در حین رشد آن‌ها می‌باشد. اما در عوض این الیاف از خصوصیات ویژه قیمت کم برخوردار می‌باشند.

یکی از پارامترهای مهم و اساسی که بر روی استحکام نهایی WPC تأثیر بسیاری دارد اندازه الیاف است که برای افزایش استحکام بهتر است از الیاف کوتاه استفاده نماییم، چرا که الیاف کوتاه سطح تماس بیشتری دارند و در مقایسه با الیاف بلند از توزیع یکنواخت‌تری برخوردارند و سازش بیشتری نیز بین آن‌ها و ماتریس پلیمری وجود دارد که باعث کاهش جمع‌شدگی و شکست در طول فرآیند می‌شود.

۴ کاربرد کامپوزیت های سبز در صنایع خودرو

تولیدکنندگان و مهندسان همواره به دنبال یافتن مواد جدیدی هستند که بتوانند فرآیند خود را ارتقا دهند و محصول بهتری تولید کنند. به همین دلیل WPC کاربردهای فراوانی در صنابع خودروسازی، هوافضا، دریایی، الکترونیک و ساختمان‌سازی پیدا کرده است (شکل ۲). بازار WPC یک بازار میلیونی می‌باشد که مهمترین بخش این بازار استفاده از WPCها به‌جای استیل و فایبرگلاس در اجزاء اتومبیل می‌باشد و این مواد به صورت یک لایه خارجی در داشبرد، تودری، بالشتک صندلی، پشت سری، و آستر داخل اتاقک به کار می‌روند. الیاف گیاهی به‌طور گسترده‌ای به عنوان عایق صوت و گرما نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. قابل بازیافت بودن محصولات تولیدی جدید نیز یکی از فاکتورهای مهم محصول نهایی می‌باشد که براساس دستورالعمل EG/53/2000 اروپا، ۸۵٪ از اجزای خودرو باید قابل بازیافت و استفاده مجدد باشند که این مقدار تا سال ۲۰۱۵ به ۹۵٪ افزایش خواهد یافت، که این امر نیز باعث شده تا استفاده از WPC گسترش یابد.

شکل 2. میزان مصرف کامپوزیت چوب پلاستیک در سال 2002

Daimler-Benz در سال ۱۹۹۱ طرحی را برای جایگزینی الیاف شیشه با الیاف طبیعی ارائه داد. در سال ۱۹۹۶ مرسدس از تودری های کنفی به جای الیاف شیشه استفاده کرد. در سال ۲۰۰۰ شرکتDaimler Chrysler استفاده از الیاف طبیعی را در محصولات تولیدی خود آغاز کرد. الیاف پوست درختان  به دلیل مقاومت بالا به عنوان اصلی ترین الیاف طبیعی مورد استفاده در خودرو می باشد که باعث کاهش وزن از ۱۰ تا ۳۰ درصد و کاهش قیمت تمام شده نیز می‌شود. در واقع امروزه تمام تولیدکنندگان بزرگ اتومبیل در کشور آلمان در کاربردهای مختلف از WPC استفاده می‌کنند و تحقیقات نشان می‌دهد که استفاده از الیاف چوب در کامپوزیت‌های داخل اتومبیل مزایای فراوانی دارد، چه از نقطه‌نظر فنی که باعث افزایش خواص فیزیکی مکانیکی می‌شود و خواص صوتی محصول را بهبود می بخشد، و چه از نقطه‌نظر محیط‌زیستی که الیاف طبیعی قابل بازیافت می‌باشند.

از شرکت‌های معروف اتومبیل‌سازی که امروزه از الیاف گیاهی در تولیدات خود استفاده می‌کنند، می‌توان  شرکت‌هایی مانند فورد، فیات، اپل، آئودی، ولوو و مرسدس بنز را نام برد. مقدار الیاف گیاهی که در بخش‌های مختلف اتومبیل به‌کار می‌روند، از نقطه‌نظر وزنی به‌صورت زیر می‌باشد:

• تودری در جلو: ۱٫۲ – ۱٫۸ کیلوگرم
• تودری در عقب: ۰٫۸ – ۱٫۵ کیلوگرم
• پارچه کف صندق عقب: ۲٫۵- ۱٫۵ کیلوگرم
• طبقه زیر شیشه عقب: بیش از ۲ کیلوگرم
• کیسه پشت صندلی: ۲ – ۱٫۶ کیلوگرم
• پنجره سقفی (آفتابگیر): بیش از ۴ کیلوگرم
• آستر سقف: به‌طور متوسط ۲٫۵ کیلوگرم

و بیش از kg 5 نیز در قسمت‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. تولید جهانی خودروهای سبک، سالیانه ۵۸ میلیون می باشد که ۳۰% آن مربوط به اروپای غربی است. بنابراین می توان گفت بازاری معادل ۱۸ میلیون خودرو و تقریباً ۱۷۵,۰۰۰ – ۳۵۰,۰۰۰ تن در سال در اروپای غربی وجود دارد. از سال ۱۹۹۶ تا ۲۰۰۳، استفاده الیاف گیاهی در قطعات کامپوزیتی صنایع خودروی آلمان، از ۴۰۰۰ تن در سال به ۱۸,۰۰۰ تن افزایش یافته است، که سالانه به طور خطی ۱۰ تا ۲۰ درصد رشد داشته است. در کل اروپا میزان مصرف الیاف طبیعی حدود ۷۰,۰۰۰ تن می باشد. در میان افزودنی های پلاستیک ها، در حال حاضر الیاف طبیعی به عنوان پرکننده و تقویت کننده از بیشترین میزان رشد برخوردار می باشند.

۵ جمع بندی

1. WPC موادی بسیار نویدبخش، تجدید پذیر، و زیست سازگار جهت دستیابی به پایداری و استحکام مناسب، بدون استفاده از مواد سمی می باشند.
2. کاربرد فراوان الیاف گیاهی و محصولات آنها به دلیل خواص این الیاف، از قبیل چگالی پایین، مقاومت، مدول و سختی نسبتاً بالا، ماهیت سایش ناپذیری، امکان استفاده در درصدهای زیاد، زیست سازگاری و شرایط کاربرد ایمن، می باشد. از طرف دیگر الیاف طبیعی، مواد خام تجدیدپذیر با منابع اولیه نامحدود می باشد.
3. چنانچه پلاستیک های تقویت شده با الیاف طبیعی، در پایان چرخه عمرشان سوزانده یا دور انداخته شوند، CO₂ حاصل از الیاف معادل دی اکسید کربنی می باشد که هنگام رشد آنها جذب شده است.
4. خواص مکانیکی و فیزیکی الیاف گیاهی بسیار متنوع می باشد. ساختار شیمیایی و فیزیکی الیاف تعیین کننده این خواص می باشد. مورفولوژی الیاف نیز با یکدیگر متفاوت است.
5. میزان  سایندگی الیاف طبیعی بسیار کمتر از الیاف شیشه می باشد. این مزایایی را از لحاظ فنی، بازیافت مواد، و یا فرایند مواد کامپوزیتی به همراه خواد داشت.
6. یکی از مشکلات اساسی الیاف طبیعی، ماهیت به شدت قطبی آنها می باشد که منجر به ناسازگاری با ماتریس می گردد. با اصلاح سطحی الیاف می توان این مشکل را برطرف نمود. اصلاحات شیمیایی می توانند چسبندگی بین سطحی الیاف و ماتریس را افزایش و میزان جذب آب الیاف را کاهش دهند.
7. WPC ها به دلیل برخورداری از نسبت های بالای مقاومت به وزن و سختی به وزن، به طور فزاینده ای در صنایع خودرو به کار می روند.
8. از نقطه نظر فنی، این کامپوزیت های با پایه طبیعی مقاومت مکانیکی و خواص صوتی را بهبود بخشیده، وزن مواد و مصرف سوخت را کاهش داده، هزینه تولید را پایین آورده، ایمنی عابر و شکنندگی تحت تغییر دماهای شدید را بهبود بخشیده، و زیست سازگای قطعات داخلی خودرو را ارتقا می دهند.

منبع:

Ashori, A. 2008. “Wood-Plastic Composites As Promising Green-Composites for Automotive Industries!” Bioresource Technology. 99, no. 11: 4661-4667.