 |
برای مقابله با این دو نقیصه، فعالیت‌هایی گسترده در زمینه استفاده از الیاف گیاهی همچون کنف و چتایی در ساخت قطعات کامپوزیتی صورت گرفته است. این فعالیت‌ها طی دهه گذشته به نحوی چشمگیرافزایش یافته و از سوی کشورهای توسعه یافته و درحال توسعه همچون امریکا، هند و غیره دنبال می‌شود. الیاف گیاهی بسیار سبک بوده و فوق‌العاده ارزان‌تر از الیاف شیشه هستند. آنها خواص مکانیکی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهند و بسادگی در انواع فرایندهای شکل‌دهی کامپوزیت‌ها نظیر پالتروژن یا قالبگیری فشاری، قابل استفاده هستند. برخلاف آنچه که از الیاف گیاهی انتظار می‌رود، سرعت اشتعال کامپوزیتهای الیاف گیاهی (WPC) بسیار پایین‌تر از حد تصور است. این الیاف از نظر مقاومت و قیمت، حد واسط پلاستیک‌ها و کامپوزیتهای الیاف شیشه محسوب می‌شوند. بنابراین در ساخت قطعات تزئینی و سایر قطعاتی که نیازمند مقاومت فوق‌العاده نیستند (اصطلاحاً سازه‌های غیرباربر) رقبای مناسبی برای پلاستیک‌ها، فایبرگلاس و حتی چوب و آهن به‌شمار می‌آیند. در مقام مقایسه نیز کامپوزیتهای الیاف گیاهی (WPC) نسبت به بهترین پلاستیک‌ها تا 30 درصد مقاوم‌تر هستند. مجموع این عوامل باعث شده است تا صنایع ساختمان و خودرو به‌عنوان بزرگ‌ترین صنایع مصرف‌کننده کامپوزیت‌ها، استقبال مناسبی از کامپوزیتهای الیاف گیاهی (WPC) کنند.
WPC چیست؟
در1970 WPC به‌عنوان مفهومی مدرن در ایتالیا ظهوریافت، در اوایل 1990 کاربرد آن در امریکای شمالی معروف شد و با شروع قرن 21، در هند، مالزی، سنگاپور، ژاپن و چین گسترش یافت. WPC را می‌توان یکی از بخش‌های پویای صنعت پلاستیک امروز، با میانگین نرخ رشد سالانه تقریبی 18 درصد در امریکای شمالی و 14 درصد در اروپا دانست. گزارش‌ها نشان می‌دهند که در 1999حدود 460میلیون تن WPC تولید شده و این میزان در سال 2001 تا حدود 700 میلیون تن افزایش یافته است.
صنعت پلاستیک، برای اصلاح کارایی پلاستیک‌ها، به‌صورت سنتی از تالک، کربنات کلسیم، میکا و الیاف کربن و شیشه استفاده می‌کند. صنایع مهم نظیر: هوا فضا، خودرو، سازه‌ها و بسته‌بندی، اشتیاق زیادی برای گسترش کامپوزیتهای نو نشان می‌دهند. شاهدی بر این مدعا، جایگزینی الیاف غیرآلی مانند شیشه یا آرامید با الیاف گیاهی به‌عنوان فیلر است.
به هر کامپوزیتی که شامل الیاف گیاهی (چوب یا غیر چوب) و مواد ترموست یا ترموپلاست باشد WPC گفته می‌شود. ترموست‌ها پلاستیک‌هایی هستند که یک‌بار شبکه‌ای شده و نمی‌توانند دوباره مذاب شوند. این مواد، شامل رزین‌هایی مانند اپوکسی و فنولیک هستند. ترموپلاستیک‌ها را می‌توان به دفعات ذوب کرد. این خصوصیت، به دیگر مواد مانند الیاف چوب اجازه می‌دهد که با پلاستیک‌ها برای تشکیل محصولات کامپوزیتی مخلوط شوند. PP, PE , PVC به‌صورت گسترده برای WPCها استفاده شده و به‌صورت رایج در محصولات ساختمان، سازه‌ها، اسباب و وسایل و خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرند.
WPC عموماً از اختلاط الیاف گیاهی با پلیمر یا با اضافه کردن الیاف چوب به‌عنوان فیلر به ماتریس و فرایند پرسکاری یا قالبگیری تحت دما و فشار بالا به‌دست می‌آید. افزودنی‌هایی مانند رنگدانه‌ها، عوامل اتصال‌دهنده، پایدار کننده‌ها، عوامل پف‌کننده، تقویت‌کننده‌ها و روان‌کننده‌ها برای رسیدن به محصول نهایی استفاده می‌شوند.
الیاف گیاهی
بیشتر تحقیقات دانشگاهی و پیشرفت‌های صنعتی معطوف به یافتن راه‌های جدید خلق مواد شیمیایی سبز و دوستدار محیط‌زیست، برای طیف وسیعی از کاربردها شده است. الیاف را می‌شود به دو گروه اصلی مصنوعی و طبیعی طبقه‌بندی کرد. الیاف طبیعی با پتانسیل ارائه در مقادیر بالاتر، قابلیت تجدید و قیمت پایین‌تر، به‌طور خاص در صنعت خودرو ارائه می‌شوند. عموماً الیاف طبیعی بر پایه خاستگاهشان به زیر گروه‌های گیاهی، حیوانی و معدنی تقسیم می‌شوند. تمام الیاف گیاهی از سلولز تشکیل شده‌اند، اما الیاف حیوانی شامل پروتئین (مو، ابریشم و پشم) هستند. الیاف گیاهی را می‌توان براساس قسمتی از گیاه که به‌دست آمده‌اند نیز کلاسه‌بندی کرد. الیاف گیاهی، شامل لیف درخت (ساقه یا بافت سلولی)، برگ، دانه، علف، پوشال، حبوبات و چوب می‌شوند. تعدادی از الیاف طبیعی مهم در جدول 1 لیست شده‌اند. باقیمانده محصولات کشاورزی مانند پوشال گندم و برنج، تفاله نیشکر و ساق ذرت، گرچه در مقایسه با چوب دارای سلولز کمتری هستند، اما منبع الیاف گیاهی هستند. "برگ مخملی" که در حال حاضر به‌عنوان علفی هرز و مشکل‌آفرین در کشاورزی تلقی می‌شود، می‌تواند به‌عنوان منبعی برای الیاف گیاهی، مورد استفاده قرار بگیرد. الیاف ساقه برگ‌های مخملی، خواصی مشابه با الیاف تهیه شده از پوست لیفی درختان (مانند کنف) دارند. قابلیت استفاده از کیفیت بالای این الیاف و خواص مکانیکی خوب، شرط لازم برای استفاده از این مواد درزمینه تقویت پلاستیک‌هاست.
جدول 1: لیستی از الیاف گیاهی
 |
الیاف گیاهی در مقایسه با الیاف شیشه دارای مزایا و معایبی هستند. خواص بومی، قابلی تخریب توسط عوامل بیولوژیکی، قیمت پایین، طبیعت غیرفرسایشی، استفاده بی‌خطر، مصرف انرژی کم، خواص ویژه بالا، چگالی کم و دامنه وسیعی از انواع الیاف، فاکتورهای مهمی برای قبول این مواد در بازارهایی مانند صنعت خودرو و ساختمان با حجم استفاده بالاست. به‌علاوه، عامه مردم به محصولاتی که از مواد قابل تجدید دوستدار محیط‌زیست ساخته می‌شوند، تمایل بیشتری دارند.
درهرحال اشکالاتی مانند تمایل به تشکیل توده طی فرایند، پایداری حرارتی پایین، مقاومت کم به رطوبت و تغییرات کیفی در فصول مختلف (حتی بین یک گونه گیاهی در شرایط کشت یکسان)، به‌صورت جدی پتانسیل استفاده از الیاف گیاهی را به‌عنوان تقویت‌کننده پلیمرها کاهش داده است. جذب رطوبت بالای الیاف گیاهی منجر به تورم و وجود حفره در سطح می‌شو که به افت خواص مکانیکی و کاهش پایداری ابعادی کامپوزیت‌ها می‌انجامد. اصلاح سطحی الیاف گیاهی مانند استفاده از مواد شیمیایی آبگریز (مانند PPgMA) یا اصلاح با مونوموهای وینیلی می‌تواند جذب رطوبت آنها را کاهش دهد. یکی از معایب عمده الیاف گیاهی، سازگاری کم آنها با ماتریس‌های پلیمری است که منجر به دیسپرسیون غیر یکنواخت و خواص مکانیکی ضعیف می‌شود. چوب و پلاستیک، شبیه آب و روغن هستند و خوب مخلوط نمی‌شوند. بیشتر پلیمرها بویژه ترموپلاستیک‌ها، موادی غیرقطبی هستند که با مواد قطبی نظیر الیاف چوب، سازگار نبوده و در WPC منجر به چسبندگی ضعیف بین پلیمر و الیاف می‌شوند. به منظور بهبود پیوستگی و چسبندگی بین الیاف و ماتریس‌های ترموپلاستیک، ازاتصال‌دهنده‌های شیمیایی یا عوامل سازگار کننده استفاده می‌شود. بعضی ترکیبات مانند هیدروکسید سدیم، سیلان، اسید استیک، ایزوسیانات، پرمنگنات پتاسیم، پروکساید و غیره به‌عنوان مواد افزایش‌دهنده چسبندگی شناخته شده‌اند. مکانیسم عوامل سازگار کننده در شکل 1 نشان داده شده ست. عوامل اتصال‌دهنده با الیاف آبدوست به‌صورت شیمیایی و با زنجیر پلیمر از طریق خیس کردن اتصال برقرار می‌کنند.
 |
شکل 1: مکانیسم اتصال بین الیاف آبدوست و ماتریس پلیمری آبگریز
مسئله بعدی، دمای فرایند است که انتخاب ماتریس‌ها را محدود می‌کند. الیاف گیاهی، متشکل از موادآلی مختلفی هستند و اصلاح حرارتی آنها منجر به تنوعی از تغییرات فیزیکی و شیمیایی می‌شود. تخریب دمایی این الیاف، منجر به خواص ارگانولپتیک ضعیفی مانند بو، رنگ و زوال خواص مکانیکی آنها می‌شود. همچنین، این پدیده منجر به تولید محصولات گازی می‌شوند. هنگامی که فرایند در دمای بالای 200 درجه سانتی‌گراد انجام شود، ممکن است باعث افزایش تخلخل و کاهش چگالی و خواص مکانیکی شود، لذا برای بهبود پایداری حرارتی، از پوشش دادن یا پیوند زدن با مونومرها استفاده می‌شود.
برای بهبود خواص مکانیکی ترموپلاستیک‌ها، از موادی مختلف مانند الیاف کربن و شیشه استفاده می‌شود که می‌توان آنها را با الیاف گیاهی جایگزین کرد، به‌صورتی که از کارایی برابر یا بهتر از مواد مذکور برخوردار شوند. این مواد، وزن محصولات را تا حدود 15 درصد کاهش داده و شیمی سطح بسیار فعالی دارند. الیاف شیشه، باعث بروز مشکلات پوستی و تنفسی می‌شوند، این عیب را می‌توان با استفاده از الیاف گیاهی، کاهش داد.
الیاف گیاهی مورد استفاده در پلیمرها اشکال گوناگونی دارند، لذا خواص محصول نهایی با استفاده از اندازه، شکل و خواص الیاف گیاهی تعیین می‌شوند. فاکتورهای دیگر مانند اندازه الیاف، مورفولوژی، ترکیب شیمیایی، چگالی، ضخامت، درصد الیاف و مقدار عوامل اتصال‌دهنده، بر خواص استحکامی WPC مؤثر است.
کاربرد کامپوزیتهای سبز در صنایع خودرو
تولیدکنندگان و مهندسان، همواره در حال پایش مواد جدید و فرایندهای بهبود یافته برای استفاده در تولید محصولات بهتر و بنابراین نگهداری حاشیه رقابتی و افزایش حاشیه سود خود هستند. از WPCها درموارد متعددی برای کاربردهای خودرویی، سازه‌ای، دریایی، الکترونیکی و هوا فضا استفاده می‌شود (شکل2).
در حال حاضر، بازار WPCها بازاری چند میلیون دلاری است. بزرگ‌ترین بازار شناخته شده برای WPCهای سبز، جایگزینی فولاد و الیاف شیشه در قطعات خودرو است. از این مواد در ساخت قطعات تریم داشبورد، پنل‌های درب، طاقچه عقب، کفی صندلی، پشت سری صندلی و پوشش داخل کابین استفاده می‌شود. الیاف گیاهی به‌صورتی گسترده در عایق‌های صوتی ـ حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. استفاده از الیاف کتان در دیسک ترمز با هدف جایگزینی با الیاف آزبست، یکی از دیگر مثال‌هاست. تعداد کمی از قطعات بیرونی نیز با استفاده از کامپوزیتهای حاوی الیاف گیاهی ساخته می‌شوند.
مسئله حفاظت از محیط‌زیست، اهمیتی ویژه برای خودروسازها دارد، شاید به همین دلیل است که روند تولیدات، متمایل به محصولات دارای قابلیت بازیافت است. برطبق خط‌مشی 2000/53/EG که توسط کمیسیون اروپایی تهیه شده است، مقرر شده بود که در سال 2005، حدود 85 درصد از وزن خودرو می‌بایستی با مواد قابل بازیافت ساخته شود. این درصد تا سال 2015 باید به 95 درصد افزایش یابد. خودروها باید از 95 درصد مواد قابل بازیافت تشکیل شوند که 85 درصد قابلیت بازیافت از طریق استفاده مجدد یا بازیافت مکانیکی و 10 درصد از بازیافت انرژی یا بازیافت حرارتی بوده و این موضوع به‌طور حتم منجر به استفاده از WPCها خواهد شد. با وجود تمامی پیشرفت‌های صورت گرفته، هنوز هم بازیافت مواد مصرفی در خودرو، کاری بسیار دشوار است زیرا جنس بیشتر آنها، مواد پلیمری مبتنی بر پایه نفت بوده که با ساختارهای کامپوزیتی ترکیب شده‌اند. شرکت دایملر/ بنز، ایده جایگزینی الیاف شیشه با الیاف گیاهی در قطعات خودرو را از 1991 گسترش داد. مرسدس در 1996 از الیاف کنفی در پنل‌های درب بنز کلاس E استفاده کرد. دایملر/ کرایسلر در سپتامبر 2000 از الیاف گیاهی برای تولید خودروهایش استفاده کرد. الیاف تهیه شده از پوست لیفی درختان، به‌دلیل خواص استحکامی بالایی که نشان داده‌اند، به‌صورت ابتدایی در کاربردهای خودرویی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. دیگر مزیت استفاده از الیاف درختی در کاربردهای خودرویی، کاهش وزن بین 10 تا30 درصد و درنتیجه کاهش در هزینه تولید است. در واقع تمام خودروسازان بزرگ آلمان (دایملر/ کرایسلر، بنز، فولکس واگن، گروه آئودی، BMW، فورد و اپل) در حال حاضر از WPCها در کاربردهایی متعدد و مختلف، استفاده می‌کنند. دایملر/ کرایسلر در قطعات داخلی، مانند داشبورد و پنل‌های درب، از کامپوزیتهای PP و الیاف گیاهی استفاده کرده است. در مدل A2 سال 2000 آئودی، پنل‌های تریم درب از پلی اورتان تقویت شده با کتان ساخته شده‌اند. دایملر/ کرایسلر، تحقیقات خود را بر کامپوزیتهای پلی‌استر تقویت شده با الیاف گیاهی، برای کاربرد آن در قسمت‌های خارجی خودرو، متمرکز کرده است.
تحقیقات نشان داده‌اند که استفاده از الیاف چوب یا انواع مختلف الیاف مشتق شده از زمین، مزایای فراوانی برای استفاده در کاربردهای خودرویی دارند. این کامپوزیت‌ها از نقطه نظری تکنیکی، استحکام مکانیکی و خواص آکوستیکی را افزایش می‌دهند، وزن قطعه، مصرف سوخت، زمان فرایند و هزینه‌های تولید را کاهش داده و امنیت مسافر و قابلیت تخریب توسط عوامل بیولوژیکی را برای قطعات داخلی خودرو بهبود می‌بخشند. مثلا، مرسدس کلاس E به کاهش وزن قابل توجه 20 درصد دست‌یافته و خواص مکانیکی آن برای حفاظت مسافرین در تصادفات، بهبود یافته است. از نظر ملی نیز، الیاف گیاهی قابل نو شدن بوده (هر ساله تولید می‌شوند)، از قابلیت تخریب توسط عوامل بیولوژیکی برخوردار بوده و دوستدار محیط‌زیست هستند.
 |
شکل 2: مصرف کامپوزیت چوب- پلاستیک در سال 2003
با توجه به اینکه الیاف گیاهی در حال حاضرتوسط خودروسازانی بزرگ همچون: آئودی، اپل، دایملر/ کرایسلر، فیات، فورد، بنز، پژو، رنو، ولوو، فولکس واگن و BMW مورد استفاده قرار می‌گیرند، میزان مصرف آنها برای کاربردهای مختلف در صنعت خودرو عبارتنداز:
* روکش درب جلو
* روکش درب عقب
* روکش صندوق عقب
* طاقچه عقب
* پشتی صندلی
* کشویی سقف متحرک
* چراغ‌های جلو
افزون بر5 کیلوگرم الیاف گیاهی نیز در دیگر قطعات داخلی خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد. با تولید سالانه حدود 58 میلیون خودرو سبک در دنیا که 30 درصد آن در غرب اروپا تولید می‌شود، تجارت این مواد در 18 میلیون خودرو، سالانه تقریباً معادل 175 تا 350 هزار تن است.
از 1996 تا سال 2003 استفاده سالانه از الیاف گیاهی در کامپوزیتهای صنعت خودروی آلمان، از 4 هزار به 18 هزار تن افزایش یافته است. از 1996 تا سال 2002 افزایشی نسبتاً خطی با نرخ رشد 10تا20 درصد در مقدار مصرف سالانه اروپا مشاهده شده که این مقدار، تقریباً معادل 70 هزار تن مواد حاوی الیاف گیاهی جدید است. این مقدار، تقریباً 2 برابر مقدار کلی تخمین زده شده برای استفاده از WPCها در اروپای غربی است.
مطالعه انجام شده در امریکا نشان می‌دهدکه بازار الیاف گیاهی حدود 45 هزار تن، با نرخ رشدسالانه حدود 15 تا20 درصد است و به نظر می‌رسد که این روند همچنان ادامه یابد. برطبق اظهار نظر سازمان غذایی ارویی سازمان ملل (FAO) و CFC میانگین مصرف 5 تا10 کیلوگرم الیاف گیاهی برای استفاده در خودرو در سال‌های آینده تخمین زده شده است. در حال حاضر، الیاف گیاهی به‌عنوان فیلر و تقویت‌کننده پلیمرها، از بیشترین سرعت رشد درمیان افزودنی‌های پلیمر، برخوردار هستند.
منابع:
1. Alireza Ashori, Wood-plastic composites as promising green- composites for automotive industries! Bioresource Technology 99 (2008) 4661-4667.
2. محمدرضا آبادیان، کامپوزیتهای الیاف طبیعی در صنایع ساختمان و خودرو:
http://woodworking.blogfa.com/post-116.aspx
3. http://nano.itan.ir
