چوب پلاست چیست؟ تعریف، انواع،کاربردها و مقایسه‌ی آن با ترمووود

مقدمه

کامپوزیت چوب پلاستیک (Wood-Plastic Composite, WPC) یک ماده‌ی ترکیبی است که در سال‌های اخیر به دلیل ترکیب منحصر به فردی از خواص، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این ماده از الیاف یا آرد چوب ترکیب شده با پلیمرهای ترموپلاستیک تشکیل شده است که منجر به ایجاد یک ماده‌ی بسیار پرمصرف می‌شود که زیبایی طبیعی چوب را همراه با دوام و کارایی پلاستیک از خود به نمایش می‌گذارد. در این مقاله یک ارائه‌ی کلی از کامپوزیت چوب پلاستیک شامل معرفی، خواص کلیدی، انواع، کاربردها و مقایسه با ترمووود ارائه شده است.

کلیدواژه: کامپوزیت چوب پلاستیک، WPC، مواد هیبریدی، الیاف چوب، پلیمرهای ترموپلاستیک، ترمووود.

معرفی

کامپوزیت چوب پلاستیک (WPC) یک ماده نسبتاً جدید است که به عنوان یک جایگزین سازگار با محیط زیست برای مصالح ساختمانی سنتی ظهور کرده است. ترکیب الیاف چوب و پلیمرهای ترموپلاستیک در کامپوزیت‌های چوب پلاستیک، منجر به تولید ماده‌ای می‌شود که دارای ویژگی‌های مفید هر دو جزء سازنده‌ی اصلی آن است. این ترکیب منحصربه‌فرد به دلیل ویژگی‌های مکانیکی استثنایی، پایداری محیطی و جذابیت از نظر زیبایی‌شناختی، توجهات زیادی را از سوی صنایع مختلف، از جمله ساخت‌وساز، خودروسازی، مبلمان و غیره به سمت خود جلب کرده است.

تعریف و انواع کامپوزیت‌های چوب پلاستیک

کامپوزیت‌های چوب پلاستیک معمولاً از مخلوطی از الیاف یا آرد چوب مشتق شده از منابع مختلف از جمله خاک اره، خرده‌های چوب حاصل از برش تنه‌ی درختان و بقایای کشاورزی تشکیل شده است. این الیاف طبیعی با پلیمرهای ترموپلاستیکی از جمله پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پی وی سی و غیره ترکیب می‌شوند که این مواد به عنوان ماده ماتریکس عمل کرده و الیاف چوب را در کنار هم نگه می‌دارند (شکل 1). مواد افزودنی مانند عوامل جفت‌کننده، تثبیت کننده‌های نوری، رنگ‌ها و روان کننده‌ها اغلب در طول فرآیند ترکیب به منظور بهبود عملکرد کلی و طول عمر محصول نهایی، به مواد اولیه افزوده می‌شوند. روش‌های تهیه‌ی پلیمرهای چوب پلاستیک را می‌توان به دو دسته‌ی کلی طبقه‌بندی کرد: فرایند اکستروژن و فرایند قالب‌گیری تزریقی. از فرایند اکستروژن به طور معمول در کاربردهایی نظیر حصارکشی، عرشه‌بندی و کاربردهای فضای باز استفاده می‌شود؛ این در حالی است که از فرایند قالب‌گیری تزریقی معمولا برای تهیه‌ی محصولات پیچیده‌تر از جمله مصارف خودرو، مبلمان و سایر موارد استفاده می‌شود.

انواع کامپوزیت‌های چوب پلاستیک را می‌توان بر اساس نوع چوب و نوع پلیمر مورد استفاده طبقه‌بندی کرد. رایج‌ترین انواع آن عبارتند از:

چوب پلاست برپایه‌ی پلی اتیلن

این مواد معمولاً از ترکیب الیاف و یا آرد چوب که می‌تواند از انواع منابع مختلف چوبی تهیه شود و پلی‌اتیلن که یک پلیمر گرمانرم و پرکاربرد است، تشکیل می‌شود. الیاف چوب منجر به زیبایی طبیعی و تقویت محصول نهایی شده، در حالی که پلی‌اتیلن به عنوان یک اتصال‌دهنده عمل می‌کند و خواصی از جمله استحکام و دوام را به کامپوزیت نهایی می‌بخشد. تولید چوب پلاست بر پایه‌ی پلی‌اتیلن شامل یک فرآیند ترکیبی است که در آن الیاف چوب و پلی اتیلن از طریق روش‌های اکستروژن یا قالب‌گیری تزریقی ترکیب و پردازش می‌شوند. در طول فرآیند تولید، افزودنی‌هایی مانند عوامل جفت کننده، تثبیت کننده‌های نور یووی و رنگ‌ها ممکن است برای افزایش ویژگی‌های خاص و بهبود عملکرد کلی کامپوزیت نهایی به مواد اولیه افزوده شوند. فرآیند تولید کامپوزیت‌های چوب پلاست شامل یک مرحله‌ی ترکیب است که در آن الیاف چوب و پلیمرهای ترموپلاستیک مخلوط می‌شوند و پس از آن یک مرحله‌ی شکل‌دهی را خواهیم داشت که در آن مخلوط از طریق اکستروژن و یا قالب‌گیری تزریقی پردازش می‌شوند. در طی این فرآیندها، مواد کامپوزیت را می‌توان به اشکال و ابعاد مختلف قالب‌گیری کرد که آن را برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب می‌کند (شکل 2).

خواص چوب پلاست برپایه‌ی پلی‌اتیلن

چوب پلاست پایه‌ی پلی‌اتیلن طیف وسیعی از خواص مطلوب را از خود به نمایش می‌گذارد که آن را به جایگزینی عالی برای چوب‌های سنتی و سایر مواد تبدیل می‌کند:

مقاومت در برابر آب و هوا

چوب پلاست پایه‌ی پلی‌اتیلن در برابر عوامل محیطی مانند رطوبت، تابش نور یووی و تغییرات دما بسیار مقاوم است. این ویژگی حداقل تخریب و پایداری ابعادی عالی را تضمین کرده و آن را برای کاربردهای خارج از منزل ایده‌آل می‌کند (شکل 3).

دوام

ترکیب الیاف چوب و پلی‌اتیلن سبب ایجاد یک ماده‌ی کامپوزیتی می‌شود که در مقایسه با چوب طبیعی دوام و ماندگاری بیشتری از خود نشان می‌دهد. این محصول در برابر پوسیدگی و آسیب حشرات مقاوم است و طول عمر طولانی محصول نهایی را تضمین می‌کند.

کارایی

چوب پلاست بر پایه‌ی پلی‌اتیلن را می‌توان به راحتی در طول فرآیند تولید، قالب‌گیری کرد و شکل داد که این امر امکان ایجاد طرح‌ها و پروفیل‌های پیچیده را برای کاربردهای مختلف فراهم می‌کند.

تعمیر و نگهداری کم

برخلاف چوب معمولی، چوب پلاست بر پایه پلی‌اتیلن به حداقل تعمیر و نگهداری نیاز دارد. همچنین برای حفظ ظاهر و عملکرد خوب خود نیازی به آب‌بندی، لکه‌گیری یا رنگ‌آمیزی منظم ندارد.

دوست‌دار محیط زیست

با استفاده از الیاف چوب بازیافتی یا تجدیدپذیر و یک ترموپلاستیک قابل بازیافت، چوب پلاست برپایه‌ی پلی‌اتیلن نسبت به موادی که صرفاً به منابع تجدیدناپذیر متکی هستند، سازگارتر با محیط زیست است (شکل4).

چوب پلاست بر پایه پلی‌پروپیلن

چوب پلاست ساخته شده از پلی‌پروپیلن، سفتی و مقاومت حرارتی بهتری را در مقایسه با چوب پلاست بر پایه پلی‌اتیلن ارائه می‌دهد. کامپوزیت چوب پلاستیک بر پایه‌ی پلی‌پروپیلن، نوع دیگری از کامپوزیت‌های چوب پلاست است که از پلی‌پروپیلن به عنوان جزء پلیمری ترموپلاستیک استفاده می‌کند. مانند سایر انواع کامپوزیت‌های چوب پلاستیکی، این دسته نیز به دلیل خواص و مزایای منحصر به فرد در صنایع مختلف، محبوبیت زیادی پیدا کرده است. ترکیب پلی‌پروپیلن با الیاف یا آرد چوب منجر به ایجاد یک ماده کامپوزیتی می‌شود که سفتی، مقاومت در برابر حرارت و سایر ویژگی‌های ارزشمند را ارائه داده و آن را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مناسب می‌کند. فرآیند تولید چوب پلاست بر پایه پلی‌پروپیلن مشابه سایر انواع کامپوزیت‌های چوب پلاست است. این پروسه شامل یک فرآیند ترکیبی است که در آن الیاف چوب و پلی‌پروپیلن از طریق روش‌های اکستروژن یا قالب‌گیری تزریقی به ترتیب، ترکیب و پردازش می‌شوند. در طول فرآیند تولید، افزودنی‌ها ممکن است برای افزایش ویژگی‌های خاص و بهبود عملکرد کلی ماده‌ی کامپوزیتی ترکیب شوند (شکل 5).

خواص چوب پلاست بر پایه پلی پروپیلن

چوب پلاست بر پایه‌ی پلی‌پروپیلن طیف وسیعی از خواص ارزشمند را ارائه می‌دهد که آن را به انتخابی ارجح برای کاربردهای مختلف تبدیل می‌کند برخی از این خواص عبارتند از:

سختی و استحکام

پلی‌پروپیلن به دلیل سفتی بالاتر در مقایسه با سایر پلیمرهای ترموپلاستیک مورد استفاده در کامپوزیت‌های چوب پلاستیک، یک ماده کامپوزیتی با استحکام و ظرفیت تحمل بار بالاتری را ارائه می‌دهد.

مقاومت در برابر حرارت

چوب پلاست بر پایه‌ی پلی‌پروپیلن در مقایسه با برخی دیگر از انواع چوب پلاست مقاومت حرارتی بهتری از خود نشان می‌دهد که آن را برای کاربرد در آب و هوای گرم و آفتابی مناسب می‌کند.

پایداری ابعادی

ترکیب پلی‌پروپیلن با الیاف چوب، پایداری ابعادی را بهبود بخشیده و خطر تاب برداشتن یا اعوجاج در طول زمان را کاهش می‌دهد.

مقاومت شیمیایی

چوب پلاست بر پایه پلی‌پروپیلن در برابر مواد شیمیایی و حلال‌های مختلف مقاوم بوده و به دوام و مناسب بودن برای کاربردهای بیرونی و صنعتی شناخته می‌شود.

جذب کم آب

ماتریکس پلی‌پروپیلن موجود در کامپوزیت به جذب آب کم کامپوزیت حاصل کمک کرده و در نتیجه کمتر در برابر مسائل مربوط به رطوبت مانند تورم یا پوسیدگی مستعد است.

چوب پلاست بر پایه پی وی سی (PVC)

چوب پلاست بر پایه پی‌وی‌سی از الیاف یا آرد چوب مخلوط شده با پلی وینیل‌کلراید (PVC) تشکیل شده‌ است که یک پلیمر گرمانرم و پرکاربرد بوده و به دلیل مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی سخت و مقاومت شیمیایی عالی شناخته شده است. الیاف چوب، زیبایی و تقویت طبیعی را ارائه می‌دهد، در حالی که PVC به عنوان ماده ماتریکس عمل کرده و چقرمگی و عملکرد طولانی مدت را به کامپوزیت می‌بخشد. چوب پلاست بر پایه‌ی پی وی سی طیف وسیعی از خواص مفید را ارائه داده که آن را به انتخابی محبوب برای کاربردهای داخلی و خارجی در صنایع مختلف تبدیل می‌کند (شکل6).

خواص چوب پلاست بر پایه پی‌ وی سی

چوب پلاست بر پایه‌ی پی وی سی مجموعه‌ای از ویژگی‌های سودمند را ارائه می‌دهند که آن را به انتخابی مناسب برای کاربردهای مختلف تبدیل می‌کند، از جمله‌ی این خواص می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

مقاومت در برابر آب و هوا: پی وی سی ذاتاً در برابر آب و هوا مقاوم است که این امر کامپوزیت‌های چوب پلاستیک بر پایه پی وی سی را بسیار بادوام و مناسب برای کاربردهای خارج از منزل می‌کند. این محصول می‌تواند در برابر نور خورشید، باران و شرایط سخت محیطی بدون تخریب قابل توجه مقاومت کند.

مقاومت شیمیایی: چوب پلاست بر پایه‌ی پی وی سی در برابر طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی از جمله اسیدها، بازها و آب شور مقاوم است و آن را برای کاربردهای دریایی و صنعتی مناسب می‌کند.

جذب کم آب: وجود پی وی سی در کامپوزیت به جذب کم آب کمک کرده و در هنگام قرار گرفتن در معرض رطوبت حداقل تورم یا پوسیدگی را از خود نشان می‌دهد.

زیبایی طبیعی: کامپوزیت‌های چوب پلاست ظاهر و بافت طبیعی چوب را حفظ کرده و جایگزین زیبایی برای پلاستیک‌های مرسوم است.

تعمیر و نگهداری کم: برخلاف چوب معمولی، کامپوزیت‌های چوب پلاست به حداقل تعمیر و نگهداری نیاز داشته و برای حفظ ظاهر و عملکرد خود نیازی به رنگ‌آمیزی، لکه‌گیری یا آب‌بندی ندارند.

مقاومت در برابر موریانه و پوسیدگی: چوب پلاست بر پایه پی وی سی به طور طبیعی در برابر حملات موریانه و پوسیدگی‌های حاصل از آن مقاوم است و طول عمر محصول را افزایش می‌دهد که این امر نیاز به نگهداری‌های مکرر را کاهش می‌دهد (شکل7).

ثبات رنگ: چوب پلاست بر پایه پی‌وی‌سی ثبات رنگ خود را در طول زمان حفظ کرده و نیاز به رنگ‌آمیزی‌های مکرر ندارد که این مسئله یک مزیت قابل توجه نسبت به چوب‌های معمولی است.

کاربردهای کامپوزیت چوب پلاستیک

تطبیق پذیری کامپوزیت‌های چوب پلاست آن را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مناسب کرده است که از جمله‌ی آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

صنعت ساختمان و ساخت و ساز

چوب پلاست به دلیل مقاومت در برابر شرایط محیطی و نیازهای نگهداری کم، به طور گسترده در ایوان، نرده، حصار و سایر موارد استفاده می‌شود (شکل8).

صنعت مبلمان

از چوب پلاست برای تولید انواع مبلمان از جمله میز، صندلی و کابینت استفاده می‌شود که گزینه‌ای بادوام همراه با زیبایی مناسبی را ارائه می‌دهد.

خودرو

چوب پلاست در اجزای داخلی خودرو به کار می‌رود و به کاهش وزن و افزایش پایداری کمک می‌کند.

بسته‌بندی

چوب پلاست برای ایجاد مواد بسته‌بندی سازگار با محیط زیست و سبک‌وزن استفاده می‌شود و اثرات زیست‌محیطی زباله‌های بسته‌بندی را کاهش می‌دهد.

محوطه‌سازی

چوب پلاست در سازه‌های بیرونی مانند آلاچیق، نیمکت‌ها و گلدان‌ها استفاده می‌شود که راه حلی جذاب و ماندگار ارائه می‌دهد.
شکل 9 برخی از کاربردهای متنوع چوب پلاست، در صنایع مختلف را نشان می‌دهد.

همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد افزودنی‌ها نقشی مهم و حیاتی در ساخت انواع کامپوزیت‌های چوب پلاست ایفا می‌کنند. جدول‌های 1 و 2 برخی از افزودنی‌های مورد استفاده در کامپوزیت‌های چوب پلاست بر پایه پلی‌اولفین‌ها و پی‌وی‌سی را نشان می‌دهد.

جدول1: افزودنی‌های مورد استفاده در کامپوزیت‌های چوب پلاست پایه پلی‌اولفین

جدول2: افزودنی‌های مورد استفاده در کامپوزیت‌های چوب پلاست پایه پی‌وی‌سی

تفاوت بین کامپوزیت‌های چوب پلاستیک و ترمووود

در حالی که هر دو ماده‌ی WPC و Thermowood جایگزین‌های سازگار با محیط زیست را به‌جای چوب‌های معمولی ارائه می‌دهند، اما در ترکیب و خواص با یکدیگر متفاوتند. برای روشن‌تر شدن موضوع بهتر آن است که در ابتدا تعریفی از ترمووود داشته باشیم و در ادامه به کاربردهای این ماده و تفاوت‌های آن با چوب معمولی وWPC بپردازیم.
ترمووود نوعی چوب اصلاح شده است که با قرار دادن چوب نرم طبیعی مانند کاج یا صنوبر تحت فرآیند عملیات حرارتی تولید می‌شود. این فرآیند شامل حرارت دادن چوب در دمای بالا (معمولاً بین 160 درجه سانتیگراد تا 230 درجه سانتیگراد) در غیاب اکسیژن است (فرآیندی که به عنوان اصلاح حرارتی یا عملیات حرارتی شناخته می‌شود). عملیات حرارتی خواص شیمیایی و فیزیکی چوب را تغییر داده و در نتیجه موادی پایدارتر، بادوام‌تر و مقاوم‌تر در برابر پوسیدگی را ایجاد می‌کنند.

موارد استفاده از چوب ترمووود

ترمووود به دلیل خواص افزایش یافته‌ی آن عمدتاً در کاربردهای خارج از منزل استفاده می‌شود (شکل10) همچنین این ماده برای کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرد که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره شده است.
حصارکشی: ترمووود به دلیل بهبود پایداری و مقاومت در برابر پوسیدگی، انتخابی خوب برای حصارکشی است که باعث دوام بیشتر آن در محیط‌های بیرونی نسبت به چوب‌های معمولی می‌شود.
روکش: به دلیل مقاومت در برابر آب و هوا و ظاهر آن، معمولاً به عنوان روکش خارجی و نمای ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مبلمان فضای باز: پایداری و مقاومت ترمووود در برابر پوسیدگی آن را برای ساخت قطعات مبلمان فضای باز مانند میز، صندلی و نیمکت مناسب می‌کند.
سازه‌های باغی: به دلیل مقاومت در برابر عوامل جوی و پوسیدگی در سازه‌های باغی مانند آلاچیق و تراس استفاده می‌شود.

تفاوت‌های کامپوزیت‌های چوب پلاست و ترموود

• ترکیب مواد: چوب پلاست یک ماده ترکیبی است که از الیاف چوب و پلیمرهای ترموپلاستیک ساخته شده است، در حالی که ترمووود چوب طبیعی است که برای افزایش خواص خود تحت یک فرآیند عملیات حرارتی قرار گرفته است.
• زیبایی شناسی: چوب پلاست ظاهر چوب را حفظ می کند، اما ظاهر آن ممکن است شبیه به چوب طبیعی نباشد. چوب ترمووود به عنوان چوب طبیعی، زیبایی شناسی اصلی خود را حفظ می‌کند.
• دوام: چوب پلاست بسیار بادوام، مقاوم در برابر رطوبت، پوسیدگی و هجوم حشرات است. ترمووود، اگرچه بادوام‌تر از چوب‌های معمولی است، اما اگر به درستی نگهداری نشود ممکن است همچنان مستعد پوسیدگی باشد.
• کارایی: چوب پلاست کارایی بهتری را در مقایسه با ترمووود ارائه می‌دهد، زیرا می‌توان آن را به راحتی در طول ساخت به اشکال مختلف قالب‌گیری کرد.

نتیجه‌گیری

کامپوزیت چوب پلاستیک (WPC) یک ماده هیبریدی با خواص استثنایی است که زیبایی طبیعی چوب را با دوام و تطبیق‌پذیری پلیمرهای ترموپلاستیک ترکیب می‌کند. کاربردهای متنوع آن، از ساخت و ساز گرفته تا صنایع خودروسازی، آن را به یک جایگزین دوست‌دار محیط زیست تبدیل کرده است. در حالی که WPC و Thermowood هر دو گزینه‌های پایداری را ارائه می‌دهند، اما در ترکیب و خواص متفاوت هستند و به مصرف‌کنندگان اجازه می‌دهند که مناسب‌ترین ماده را برای نیازهای خاص خود انتخاب کنند. با پیشرفت فناوری و تحقیقات، WPC احتمالاً به گسترش کاربردهای خود و تأثیر مثبت بر صنایع مختلف در سراسر جهان ادامه خواهد داد. شکل11 به طور خلاصه تصویری از تولید تا مصرف و همچنین بازیافت کامپوزیت‌های چوب پلاستیک بر پایه‌ی پلیمرهای ترموپلاستیکی مختلف که در بالا ارائه شد را به نمایش می‌گذارد.

گردآورنده: زهرا دوات‌گری
ویراستار علمی: مهندس علی‌محمد کرمانی، دکتر مهرناز بهادری

منابع

1. Kim, J., Pal, K., & Jung, K. (2018). Recent Advances in the Processing of Wood-Plastic Composites. Composites Part B: Engineering, 142, 75-85.
2.Thermowood Handbook. (2020). Finnish Thermowood Association. Retrieved from http://www.thermowood.fi/en/handbook.

3. Rautkari, L., & Hughes, M. (2019). Wood Modification Technologies: A Review. Construction and Building Materials, 213, 511-526.

4. Clemons, C. (2002). Wood-plastic composites in the United States: The interfacing of two industries. Forest Products Journal, 52(6), 10-18.