کاربرد روزافزون جایگزین­ های طبیعی در صنعت پلیمر

بسپار/ ایران پلیمر در حال حاضر، در طیف وسیعی از کاربردهایی نهایی از الیاف طبیعی گرفته شده از منابع مختلف استفاده می­شود تا تقویت و سایر ویژگی­های عملکردی را ایجاد کند. در این مقاله به برخی از این موارد اشاره شده است.

امروزه آمیزه­سازان برای دستیابی به اهداف زیست محیطی و تقاضای مصرف­کنندگان نهایی برای مواد ماندگارتر (sustainable) و هم­چنین کمک به دستیابی به الزامات نظارتی و اهداف بازیافتی در اقتصاد چرخشی، به طور فزاینده­ای از الیاف طبیعی در فرمول­بندی­ های خود استفاده می­کنند.

تجربه و تخصص برای کنترل و مخلوط کردن الیاف طبیعی به سرعت در حال بهبود است. در نتیجه، بازار چندسازه­ های زیستی (biocomposites)، پلاستیک­های حاوی الیاف طبیعی و یا نانوالیاف به عنوان تقویت­کننده، مدام در حال رشد است.

سازمان تحقیقاتی مستقر در نروژ، RISE PFI، مشاهداتی در زمینه ­های در حال گسترش کاربردهای متنوع، شامل قطعات داخلی خودرو، ساختمان ­سازی و مبلمان را گزارش داد. این آمیزه­ها بیشتر برای قالب­گیری تزریقی ساخته می­شوند، اما پیشرفت­ های قابل توجهی در چاپ سه بعدی به روش لایه­ نشانی رایانشی (fused deposition modelling)، وجود دارد. نمونه­ ای از این توسعه در شکل 1 نشان داده شده است.

چندسازه ­های زیستی تقویت شده با الیاف، مستحک م­تر از پلاستیک­ های تقویت نشده هستند. شاید آن­ها بسته به نوع الیاف مورد استفاده بسیار ارزان­تر باشند و هم­چنین عامل محیط زیستی وجود دارد که نیرو محرکه­ی توسعه­ی آن­ها است. کاهش پلاستیک در محصولات حاوی الیاف طبیعی، می­تواند برای محیط زیست مفید باشد. اگرچه این بسیار وابسته به نوع کاربرد است. برای کاربرد­های طولانی مدت مانند قطعات خودرو، ساخت و ساز و مبلمان، این مواد کاملا گزینه­ای مناسب است. اگرچه بازیافت چندسازه­ های زیستی موضوعی است که هنوز نیاز به توجه بیشتری دارد.

تعدادی از مسائل فنی در مورد فرمول­بندی، وجود دارد که نشان می­دهد سازگاری الیاف با بعضی از بستر­های بسپاری مخصوصا در مورد بعضی از پلاستیک­های زیستی مانند پلی ­لاکتیک اسید (PLA) پوسیدنی (compostable) هنوز چالش­ برانگیز است. به علاوه، سازگاری سطح مشترک بین الیاف و بستر ممکن است جذب آب مواد یا محصولات را تحت تاثیر بگذارد.

الیاف طبیعی تمایل به جذب آب دارند و رطوبت را جذب می­­کنند. برای کاربردهای چندسازه­ های زیستی ساختاردار، این ویژگی یک عیب محسوب می­شود، چون این مواد ممکن است پایداری ابعادی محدودی داشته باشند. هم­چنین جذب آب وابسته به بستر مورد استفاده نیز می­باشد، برای مثال پلی­ اتیلن با چگالی زیاد نسبت به پلی­ لاکتیک اسید و پلی ­پروپیلن (PP) جذب آب کمتری دارد. اصلاح سطحی الیاف طبیعی، برای بستر­های بسپاری خاصی، طراحی می­شوند، برای مثال پلی­ لاکتیک اسید هنوز یک زمینه برای تحقیق و توسعه است. این اصلاح سطحی می­تواند شامل روش­های شیمیایی و زیست فناوری باشد که با توجه به قیمت و عملکرد زیست محیطی تغییر می­کند.

دیگر زمینه­ های فنی جالب، شامل آمیزه ­سازی به روشی مناسب برای حفظ طول الیاف و بهبود توزیع فضایی الیاف در بستر بسپار است. هم­چنین با کاهش کسر پلاستیک، نقش الیاف برای بهبود خواص مکانیکی محصول نهایی مهم می­شود. الیاف طبیعی مستحکم هستند و برای ایجاد استحکام توسط الیاف در بستر بسپار، ضروری است که الیاف طول و ضریب منظر خود را حفظ کنند. در آمیزه ­سازی با بعضی از رانشگر­ها (اکسترودرها)، طول الیاف به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار می­گیرد و بیش از حد (بیش از 2 میلی­متر تا کمتر از 400 میکرون برای الیاف چوب) کوتاه می­شود. استحکام مکانیکی چندسازه­ های زیستی، وقتی الیاف با فرایند رانشگری کوتاه می­شوند، هنوز زیاد است. اگرچه این می­تواند با حفظ طول الیاف حتی بیشتر نیز باشد. صنعت این محدودیت را درک کرده است و رانشگر­های جدید درصورتی مطلوب تعریف می­شوند که پراکنش خوب الیاف در بستر بسپار را بدون کوتاه کردن یا تخریب الیاف فراهم کنند. این مسئله برای تولیدکنندگان چندسازه­ های زیستی مهم است.

فرایند کردن الیاف

کنترل الیاف طبیعی در فرایند آمیزه ­سازی به شدت به نوع آمیزه ­ساز وابسته است. در مورد الیاف چوب مهم است که الیاف به درستی دانه­ای شوند و الیافی که چگالی دانه خوب دارند به رانشگر خوراک­دهی شوند. اگرچه این موضوع وابسته به نوع سامانه آمیزه­سازی است. برای بعضی آمیزه­ سازان، ممکن است که داشتن دانه ­های الیاف پرزدار (fluffy) مزیت باشد، در حالی که برای دیگر سامانه ­­ها ضروری است که دانه­های الیاف برای داشتن چگالی بیشتر، کاملا فشرده باشند. همین مورد درباره­ی مقدار رطوبت الیاف نیز صدق می­کند که باید به طور متفاوت با آمیزه­ ساز­های مختلف دارای واحد گاززدایی یا بدون واحد گاززدایی کنترل شود. عامل دیگر، روش تجهیزات برای دانه­ سازی آمیزه است.                                                       

شرکتRISE PFI  با همکاری شرکت Norske Skog تولیدکننده الیاف چوب و کاغذ، کار­هایی برای کشف پتانسیل الیاف خمیر چوب مخصوصا خمیر گرمایی- مکانیکی (TMP) انجام داده است که برای فرایند­های آمیزه ­سازی استفاده می­شود. یکی از زمینه­های کلیدی مورد توجه، چسبندگی بین سطحی بین الیاف و پلاستیک و اصلاح الیاف برای کاهش جذب آب است. شرکتRISE PFI  در همکاری با دیگر گروه­ های اروپایی، روشی سازگار و دوست­دار محیط زیست برای اصلاح الیاف خمیر چوب و افزایش چسبندگی بین سطحی با بستر بسپار، برای مثال پلی­ اتیلن و پلی ­لاکتیک اسید و نیز  کاهش جذب آب چندسازه­ های زیستی را توسعه داده است. این، فرایندی با پتانسیل اجرای صنعتی است. این محصولات می­توانند الیاف اصلاح شده برای آمیزه­ سازی یا حتی آمیزه­ های با پتانسیل اقتصادی، باشند.

برگردان : مهندس مهسا امیرشاهرخی

 [email protected]

(ادامه دارد…)

متن کامل این مقاله را در شماره 209 ماهنامه بسپار که در نیمه اسفند ماه منتشر شده است، بخوانید. 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق فیدیبو قابل دسترسی است.