فرصت سازی تامین کنندگان الیاف طبیعی در آمیزه های نوین

الیاف طبیعی برای دهه­های متمادی در گرمانرم­ها به­کار می­روند. چوب، رایج­ترین ماده مصرفی در چندسازه ­های (کامپوزیت) چوب-پلاستیک (WPCs) است که در کاربردهایی مانند کف­پوش (decking) و محصولات ساختمانی دیگر به جای چوب واقعی استفاده می­شود. با این حال، روش­های مرتبط با الیاف طبیعی رشدی سریع داشته و انواع مختلف مواد افزودنی بر پایه الیاف طبیعی به دلایل مختلف برای استفاده در گرمانرم ­ها در حال ساخت و اصلاح است. گاهی به منظور استفاده به جای الیاف شیشه یا الیاف معدنی و گاهی به خاطر ویژگی که دارند، به­کار می­روند. در هر صورت، موجب توسعه بازار می­­گردد.

از آن­جایی­که صنعت، به ویژه در اروپا، به سمت اقتصاد مدور (circular economy) حرکت می­کند، توجه خاصی به الیاف چوب معطوف شده است، ولی نه الیاف چوبی که امروزه می­شناسیم. طبق اظهارات موسسه تحقیقات نروژی RISE PFI، آمیزه­کاری فرایند اصلی در تولید زیست­ چندسازه­ها (biocomposites) از بقایای صنعت کشاورزی است. این موسسه در زمینه فرایندها و تولید محصولات بر پایه لیگنوسلولز (ترکیبی از لیگنین (Lignin) و سلولز) فعالیت می­کند (شکل 1).

[EasyDNNGallery|26203|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1: دانه­ ها و نوار آزمون کشش ساخته شده از زیست­ پلاستیک و الیاف لیگنوسلولز در موسسه تحقیقاتی RISE FBI

موسسه RISE اخیرا به شدت درگیر پروژه مشترک اروپا/آمریکای لاتین با نام ValBio-3D شده است. ارزش­ گذاری بقایای صنعتی کشاورزی، حوزه پژوهشی مهمی در پروژه ValBio-3D است که با هدف گسترش فناوری­های کارامد برای تولید زیست­آمیزه ­های ماندگار (sustainable) می­باشد.

پروژه ValBio-3D از طریق همکاری نزدیک بین موسسات پژوهشی و صنعت در اروپا و آمریکای لاتین که شامل موسسه IMAM مواد در Misiones آرژانتین، دانشگاه UFRO در La Frontera شیلی، مرکز پژوهشی فنی VTT فنلاند، موسسه آلمانی WKI Fraunhofer برای تحقیقات در زمینه چوب و دانشگاه PUCP Catholic در پرو و موسسه RISE PFI می­باشد، انجام می­شود.

این پروژه پیرو دو هدف اصلی است: تولید نانوسلولز برای کاربردهای زیست پزشکی و تولید چندسازه ­های 100 درصد زیستی عمدتا بر پایه گرمانرم­های پایه زیستی و الیاف سلولز. زیست­چندسازه­ها از طریق فرایندهای آمیزه­کاری و پلی­استری شدن درجا (in-situ-polyesterification) که در آن بسپار مستقیما بر سطح الیاف بسپارش می­شود، تولید می­شود. طبق اظهارات موسسه WKI Fraunhofer، نوآوری مهم این روش این است که پیوند شیمیایی بین الیاف تقویت­کننده و زیست­پلاستیک نیاز به عامل اتصالی ندارد و سبب استحکام مواد می­شود.

هم­چنین اصلاحات اعمال شده بر الیاف پیش از آمیزه­کاری با زیست­ پلاستیک­ها سبب استحکام پیوند بین این دو فاز می­گردد. این موسسه اخیرا اثبات کرده است که اصلاح الیاف لیگنوسلولز با آمیزه ­های آب­گریز به کمک آنزیم سازگار با محیط زیست، سازگاری الیاف با زیست­بسپار­های آب­گریز را بهبود می­بخشد و در نتیجه جذب آب کاهش می­یابد. این امر چالش اصلی الیاف سلولزی را بیان می­کند: الیاف نم­گیر (hygroscopic) هستند و آب را جذب می­کنند. این ویژگی می­تواند برای فرایندهای آمیزه­کاری و هم­چنین محصول نهایی که در آن پایداری ابعادی الزامی مهم به­ویژه در قطعات خودرو است، چالش­ساز شود.

علاوه­بر زیست ­آمیزه ­ها برای قالب­گیری تزریقی، پروژه ValBio-3D رشته ­های (filament) گرمانرم جدیدی را برای چاپگرهای سه بعدی تولید می­کند. محصولات سه بعدی چاپ شده معمولا ضعیف­تر از محصولات قالب­گیری تزریقی هستند.

زیست ­بسپارهای تقویت شده با الیاف در ساختارهای پیچیده که چاپ سه بعدی شده، خواص مکانیکی مناسبی دارند.

هم­چنین زیست‌آمیزه‌ها سبب کاهش هزینه می‌گردند، چون الیاف لیگنوسلولزی ارزان‌تر از زیست­بسپارها هستند، البته این به استفاده از تجهیزات آمیزه­کاری مناسب بستگی دارد. انتظار می­رود که این چندسازه زیستی در محصولات چوبی تقلیدی (mimic) و نیز در محصولات جدید با ابعاد پیچیده که توسط مصرف­کننده طراحی شده به کار گرفته شود.

الیاف طبیعی به منزله عاملی امیدوارکننده برای رشد تجارت آمیزه‌کاران مواد است و هم‌چنین با بهبود خواص مواد و ایجاد محیطی متفاوت برای بازار و درخواست مشتری، درامد را افزایش می­دهند.

گزینه ­هایی با ساختار نانو

شرکت کانادایی Performance BioFilaments با معرفی لیفچه­های (fibrils) سلولزی با ساختار نانو (NFCs) (شکل 2)، آمیزه­کاران را قادر ساخته تا از مزایای زیست مواد قابل بازیافت (recyclable)، بسیار تجدیدپذیر و زیست­تخریب­پذیر برای بهبود خواص ابعادی، گرمایی، فیزیکی و مکانیکی گرمانرم­های مهندسی بهره­مند شوند.

لیفچه­های NFCs افزایش خواص مواد PP و PA را ثابت کرده و به‌زودی بهبود خواص ABS و دیگر گرمانرم­های مهندسی که در کاربردهایی مانند تجهیزات ورزشی، دریایی، ریل­سازی، خودرو، تجهیزات الکترونیکی شخصی، لوازم خانگی و مصارف تخصصی استفاده می­شوند را نشان خواهد داد.

 [EasyDNNGallery|26200|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 2: لیفچه ­های سلولزی با ساختار نانو

شرکت Attis Innovations که جدیدا وارد بازار شده است سبد محصولی (Portfolio) از بسپارهای پایه زیستی و یازه­(بسط­دهنده­)های بسپاری (extenders resin) و نیز پرکننده‌ها (filler) دارد. این شرکت از شراکت راهبردی با شرکت Genarex خبر داده که عنوان می­کند برای ارایه خدمات به مشتریان از شیوه‌ای بهره می‌گیرد که ضمن دربرگرفتن مواد سبب کاهش هزینه و صرفه جویی در وقت می‌شود. شرکت Genarex پرکننده‌های زیستی با نام Bylox را بر پایه ضایعات تولید ذرت صنعتی تولید کرده است.

محصولات اولیه شرکت Attis Innovations برای مکان پلاستیکی منحصر به‌‌فرد است. لیگنین با مذاب قابل شارش (melt-flowable)، یک افزودنی زیستی است که عملکرد و کاهش هزینه بی­نظیر نسبت به سامانه‌های رزینی رایج دارد. شرکتAttis  فرایند استخراج اختصاصی استفاده می­کند که جداسازی مقرون­به­صرفه لیگنین از هر شکل زیست ­توده‌ای را قادر می‌سازد. هنگامی­که لیگنین استخراج شد، می­تواند با سامانه‌های رزینی رایج یا مواد زیست‌پلاستیک جدید آمیزه ­کاری شود که سبب، کاهش قیمت ترکیب­بندی نهایی، افزایش تداوم ­پذیری (sustainability) و حفظ عملکرد می‌شود.

سازگاری لیگنین Lignin

لیگنین شرکت Attis سازگاری (compatibility) بسیار خوبی با پلی­ الفین­ هایی چون HDPE و  PPدارد (شکل3). محصولات قالب­گیری شده از آمیزه­­ های حاوی 25-15 درصد لیگنین، حفظ (retention) 100 درصد در مدول کششی و استحکام ضربه و 90 درصد در استحکام کششی در مقایسه با بسپار خالص نشان می­دهد. هم­چنین این آمیزه‌ها، قطعاتی بسیار براق (gloss) با سطحی یکنواخت فراهم می­کنند که می‌توانند قطعات با ابعاد پیچیده و دارای طول جریان زیاد را پر کنند.

پرکننده‌های زیستی Bylox، افزودنی‌های زیستی بر پایه لیگنین شرکت Attis را تکمیل می‌نمایند. مجموعه محصولات Bylox تفاوت‌های بسیاری با پرکننده‌های زیستی موجود دارند، زیرا ماده عمدتا بر پایه پروتئین است و از این‌رو ضربه­خواری (ductility) بیشتر و اندازه کوچک‌تری دارد. LT Bylox موفقیت‌های بسیاری در اکثر کاربردهای فیلم نظیر فیلم کودگیاهی کشاورزی و کیسه ­های زباله نشان داده است.

[EasyDNNGallery|26201|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 3: نمودار تاثیر تقویت­کنندگی لیگنین شرکت Attis بر خواص HDPE و PP .

Bylox HT، محصولی با پایداری گرمایی بیشتر است که قادر به فرایندکاری همراه با محصولات با دمای بیشتر بدون ایجاد مشکلات جمع ­شدگی ناهمسانگرد (anisotropic) یا اتلاف قابل توجهی در خواص مکانیکی است.Bylox Clean محصولی برجسته با رنگ و بوی کمتر است و به منظوز کاهش هزینه، توانایی جایگزینی برای برخی نرم­کننده­ های (plasticiser) مصرفی در تولید PVC نرم را دارد.

شرکت Sappi پیشگام جهانی در تولید محصولات الیاف چوب تداوم­پذیر است که اخیرا پروژه‌ای تحت عنوانSappi Symbio برای بررسی استفاده از سلولز به­عنوان تقویت­کننده در پلاستیک‌ها شروع کرده است. در سال گذشته، توجه بازار به پلی­پروپیلن تقویت شده با الیاف سلولزی Sappi Symbio افزایش یافته است. آزمایش­های تجاری فراوانی برای کاربردهای قالب‌گیری تزریقی متنوعی انجام شده است. تمرکز عمدتا در صنعت مبلمان­سازی، لوازم خانگی، لوازم الکترونیکی و خودرو است، اما در بخش­های دیگر نیز آزمایش­هایی صورت گرفته است.

Sappi Symbio خواص کاربردی قابل توجهی دارد، برای مثال در خودروسازی، چگالی کم و صلبیت زیاد مواردی بدیهی است، ولی این موارد تنها مورد و اغلب مهم‌ترین موارد نیستند. این ماده، ظاهر فلزی طبیعی­تر و لمسی گرم و نرم ایجاد می­کند و به ­نظر می­رسد کمتر شبیه پلاستیک باشد که موجب واکنش بسیار مثبت بازار شده است.

 این آمیزه­ها در مقایسه با پلاستیک ­های پرشده با تالک، مقاومت عالی در برابر خراشیدگی (scratch) دارد.