Wood-Plastic Composite Fabrication/tr

Konum verileri

Harita	Harita yükleniyor... +− Leaflet | © OpenStreetMap katkıda bulunanları
Konum	Kingston , Kanada
Koordinatlar	44° 13' 50.47" K, 76° 28' 52.76" B

Ahşap-plastik kompozit (WPC), toksik kimyasallar içermeden dayanıklı olma özelliği nedeniyle üretilen, çok umut vadeden ve sürdürülebilir bir yeşil malzemedir. ^{[ 2 ]} İlk WPC, 1970'lerde İtalya'da keşfedildi ve o zamandan beri Kuzey Amerika'da popüler hale geldi. WPC'lerin fiziksel ve mekanik özellikleri, malzemenin içindeki bitki ve polimer liflerinin etkileşimine büyük ölçüde bağlıdır. Bu üretim sürecinin enerji verimliliğini artırmak için, WPC üretiminde kullanılan mevcut bileşik oluşturma yöntemi ve şekillendirme süreçleri, her bir sürecin sınırlamalarını hafifletmenin yollarını belirlemek için incelenecektir.

Günümüzde piyasada bulunan kompozitlerin çoğu, ürün ömrünün uzun olmasını sağlamak için yüksek dayanıklılıkla üretilmektedir. ^{[ 3 ]} Ne yazık ki, bu ürünleri üretmek için şirketler geleneksel olarak genellikle yenilenebilir olmayan kaynaklardan elde edilen biyolojik olarak parçalanamayan polimerler ve lifler kullanmıştır. Kompozit uygulamalarının sayısının artmasıyla birlikte, bu kompozitlerin kullanım ömrü sona erdikten sonra nasıl bertaraf edileceği kritik hale gelmektedir. İki farklı malzemeden oluşan tipik bir kompozit, kolayca geri dönüştürülemez veya yeniden kullanılamaz. ^{[ 3 ]} Bu geri dönüşüm yetersizliği, bu kompozitlerin yakılmasına veya bertaraf edilmesine yol açmıştır; bu da çok pahalı olmuş ve kirliliği artırmıştır.

Greenpeace grupları ve STK'lar, kompozit ürünlerin performansını, ağırlığını ve maliyetini iyileştirmek için uzun zamandır "yeşil kompozitlerin" kullanımını araştırıyor ve teşvik ediyor. Bu "yeşil" kompozitlerden biri de ahşap-plastik kompozittir. Ahşap-plastik kompozitlerde, aramidler ve cam gibi inorganik liflerin yerine biyolojik olarak parçalanabilir lifler kullanılır. Ahşap liflerin inorganik lifler yerine kullanılması, ahşap ürünlerinin (ahşap unu, ahşap artıkları, eski mobilyalar, kenevir lifi, bambu vb.) üretimde yeniden kullanılmasına olanak sağladığı için ahşap-plastik kompozitleri daha enerji verimli hale getirir ve bu da bertaraf masraflarını azaltır. Geleneksel kompozitler genellikle kullanıldıktan sonra yakılmak veya çöplüğe atılmak zorundayken, ahşap-plastik kompozitler (içi boş hücresel yapıları nedeniyle) nötr CO2 ile yakılabilir veya akustik veya termal yalıtkan olarak yeniden kullanılabilir. ^{[ 3 ]}

Son zamanlarda, ahşap-plastik kompozitlerin üretiminde kullanılan daha büyük miktarlarda geri dönüştürülmüş malzeme kullanımında önemli gelişmeler yaşandı. Malzemenin yeniden kullanımı ve geri dönüşümü yöntemleri geliştirildi ve pratik kullanıma hazır hale getirildi. Elbette, bir malzemeyi geri almak ve yeni parçalara yeniden şekillendirmek için ekstra enerjiye ihtiyaç duyuluyor, ancak ürünlerin ömrü uzun ve aynı malzemenin yeniden şekillendirilebileceği sayının şu anda alüminyum veya teneke kutularla aynı olduğu varsayılıyor. Yeni ve umut vadeden bir şirket/ürün Polyplank'tır. ^{[ 4 ]} Bu şirket, yalnızca kereste fabrikalarından çıkan atık olan ahşap lifi kullanıyor. Malzemelerinde testereyle kesmenin veya delmenin ahşapta olduğu kadar kolay olduğunu ve aynı aletlerin kullanılabileceğini iddia ediyorlar. Ancak dezavantajı, geri dönüşüm süreçlerini gizli tutmak istemeleri, bu nedenle bunun yalnızca kendi tesislerinde gerçekleşeceği görünüyor (daha sonra süreci başkalarına lisanslamaya karar vermezlerse uzun nakliyelere yol açacaktır). Ancak fabrikayı ısıtmak için kendi atık malzemelerini kullanıyorlar.

Ahşap-plastik kompozit üretiminin ilk adımı olan karıştırma işleminde, organik bitki lifleri inorganik bir termoplastik ile harmanlanır. Bu işlem adımında kullanılan ahşap lifi yüzdesi, üretilen ürünün çekme dayanımını ve Young modülünü doğrudan etkilediği için çok önemlidir. Grafik 1 ve Grafik 2, ahşap lifi miktarı değiştirildiğinde üretilen ahşap-plastik kompozitin bağıl çekme dayanımının ve bağıl çekme modülünün nasıl değiştiğini sırasıyla göstermektedir.
Not: Her iki grafikteki her bir trend çizgisi, farklı kimyasal bileşime sahip termoplastik matrisler üzerinde farklı ahşap lifi yüzdelerinin etkisini göstermektedir.

Grafik 1: Termoplastik Matriste Ahşap Elyaf Yüzdesine Karşı WPC'nin Bağıl Çekme Mukavemeti. [ 5 ]	Grafik 2: Termoplastik Matriste WPC'nin Bağıl Çekme Modülü ile Ahşap Elyaf Yüzdesi Arasındaki İlişki. [ 5 ]

Ahşap-plastik kompozitlerde kullanılan ahşap miktarının mekanik özellikler üzerindeki etkisi bilindiğine göre, artık karıştırma işleminin nasıl gerçekleştiği analiz edilebilir. Bu işlem sırasında, ahşap lifi ve bir termoplastik, yeni kompozitte her birinin eşit dağılımını sağlamak için yoğun bir kesme karıştırıcısında erime sıcaklıklarına kadar ısıtılır. Yeni oluşan kompozit yeterince karıştırıldıktan sonra soğutulur ve üç şekillendirme işleminden birinde kullanılmak üzere pelet haline getirilir. Karıştırma işlemi geleneksel olarak çok enerji verimsiz olmuştur, çünkü eşit dağılımı sağlamak için malzemeler içinde yüksek kesme kuvvetleri oluşturmak büyük bir enerji girdisi gerektirir.

Karıştırma işlemi sırasında enerji verimliliğini artırmaya çalışırken karşılaşılan en büyük sınırlama, bitki liflerinin termoplastik matrisle olan zayıf uyumluluğudur. Bu zayıf uyumluluk, hidrofilik bitki liflerinin hidrofobik bir polimerle birleştirilmeye çalışılmasından kaynaklanmaktadır. Bu liflerin hidrofilik yapısı, karıştırma sırasında ahşabın şişmesine ve katılaşma sırasında büzülmesine neden olarak, ilgili matrislerdebüyük agregatlar ve boşluklar oluşmasına yol açar.

^{Şekil 2'de gösterilen bu agregatların ve boşlukların oluşumu, hem bitki lifinin hidrofilik doğası hem de moleküler difüzyon W} ile doğrudan ilişkilendirilebilir . Fick'in birinci difüzyon yasasını ve difüzyon katsayısını temsil eden aşağıdaki denklemler, enerji verimliliğini artırmak için herhangi bir işlem özelliğinin değiştirilip değiştirilemeyeceğini belirlemek için incelenebilir.

Yukarıdaki denklemlerde, parçacıkların bir malzeme içindeki difüzyonunun/akısının sıcaklığa bağlı olduğu görülebilir . Şişmiş odun liflerinin büyük boyutu ve nispeten düşük işlem sıcaklığı (normalde yaklaşık 160°C) nedeniyle, odun liflerinin difüzyon için yeterli enerjiye sahip olmaması muhtemeldir; bu nedenle büyük agregatlar oluşur. Bu parçacıklara sağlanan enerjiyi artırmak için, karıştırma işleminin sıcaklığının artırılması önerilebilir. Ancak, bitki lifleri aşırı yüksek sıcaklıklara dayanamadığı için bu mümkün değildir.

Karıştırma işlemi sırasında karıştırıcının maksimum sıcaklığı, yüksek sıcaklıkların odun lifleri üzerindeki olumsuz etkileri nedeniyle 200°C'nin üzerine çıkamaz. Bitki lifleri 200°C'nin üzerindeki sıcaklıklara maruz kaldığında, liflerde termal bozulma meydana gelir ve bu da hem fiziksel hem de kimyasal değişikliklere yol açar. Bu değişiklikler arasında koku oluşumu, renk değişimi, yüksek gözeneklilik, düşük yoğunluk ve mekanik özelliklerin bozulması yer alır.

Bu nedenle, kompozit oluşturma sürecinin enerji verimliliğini artırmak için, bitki liflerinin düzensiz dağılımı, hidrofilik yapısı ve sıcaklık kısıtlamaları iyileştirilmeli, böylece iyi karışmış bir ahşap-plastik kompozit oluşturmak için daha az enerjiye ihtiyaç duyulmalıdır.

Ahşap-plastik kompozit üretiminin ikinci aşaması, pelet haline getirilmiş bir bileşikten sıkıştırma kalıplama, ekstrüzyon veya enjeksiyon kalıplama yöntemleri kullanılarak yeni kompozitin şekillendirilmesini içerir.

^{Geleneksel olarak, ahşap-plastik kompozitler sıkıştırma kalıplama yöntemi} kullanılarak üretiliyordu . Bu işlemin WPC'lerin üretiminde kullanılmasının dezavantajı, üretilen her parçanın genel bir form almasıdır. Bu, bitmiş bir ürün üretmek için israf ve maliyete yol açan ek üretim süreçlerinin gerekli olduğu anlamına gelir. ^{[ 5 ]} Üretim sırasındaki bu malzeme ve enerji verimsizlikleri nedeniyle, sıkıştırma kalıplama işlemi yaygın olarak kullanılmamaktadır ve bu nedenle bu makalede incelenmeyecektir.

Günümüzde endüstri standardı olarak kullanılan ve ahşap-plastik kompozit şekillendirmede sıkıştırmalı kalıplama işlemine göre bir iyileştirme olan ekstrüzyon ^W işlemi, tek vidalı veya çift vidalı bir ekstrüderde gerçekleştirilebilir.

Ahşap-plastik kompozit şekillendirmede kullanılan orijinal ekstrüder, tek vidalı ekstrüderdi. Tek vidalı ekstrüzyon işlemi sırasında, vida ve namlu yüzeyinde sürtünme oluşur ve bu da malzemenin Şekil 4'te gösterildiği gibi hazneden kalıba doğru akmasını sağlar. Malzemenin namludan aşağı doğru hareket hızı, vidanın ürettiği sürtünme kuvvetiyle, vidanın diş çapı ve dönüş hızıyla doğrudan ilişkilidir. Namludaki sürtünme kuvveti aşağıdaki denklemde gösterilmiştir.

Bu sürtünme kuvveti, malzemenin ekstrüderin namlusundan aşağı doğru hareket etmesi için gerekli olsa da, bu kuvvetin oluşturulması büyük miktarda enerji gerektirir ve parçanın özelliklerini olumsuz etkileyebilir. Ekstrüzyon işleminin malzeme ve enerji verimliliğini artırmak amacıyla, tek vidalı ekstrüderin daha verimli bir alternatifi olarak çift vidalı ekstrüder ele alınacaktır.

Sıkıştırmalı kalıplama ve ekstrüzyon işlemlerine kıyasla, Şekil 5'te gösterilen enjeksiyon kalıplama ^W işlemi, ahşap-plastik kompozit imalatı alanında yenidir. Enjeksiyon kalıplama işleminde, malzeme ısıtılmış bir varile beslenir, karıştırılır ve kalıp boşluğuna zorlanarak soğutulur ve kalıp boşluğunun konfigürasyonuna göre sertleşir. ^{[ 10 ]} Bu işlem kullanılarak WPC üretiminde karşılaşılan iki ana zorluk, tutarsız malzeme özellikleri ve hazneden gelen beslemedir. ^{[ 11 ]} Ne yazık ki, popüler olmaması nedeniyle, enjeksiyon kalıplama işlemi bu makalede ele alınmayacaktır. Bununla birlikte, bu şekillendirme işleminde bulunan birkaç sınırlamanın, bu makalede ele alınacak olan bileşik oluşturma işleminde görülenlere çok benzer olduğu belirtilmelidir.

Ahşap-plastik kompozit üretim sürecindeki iki temel verimsizlik, organik bir lifin inorganik bir termoplastikle karışamaması ve ekstrüzyon işlemi için gereken yüksek enerji miktarıdır. Karıştırma ve şekillendirme verimliliğini artırmak için bu sınırlamaların iyileştirilmesi gerekmektedir.

Ahşap liflerinin inorganik termoplastik ile uyumluluğunu artırmak için, bu düşük uyumluluğa neden olan sınırlamaların giderilmesi gerekmektedir.

Termoplastik kompozitlerde ahşap liflerinin kullanımındaki ilk sınırlama, hidrofilik yapılarıdır. Bu sınırlamayı iyileştirmek için, ahşap lifleri PPgMA gibi hidrofobik bir kimyasal madde ile işlenmelidir. Bu işlem, bileşim süreci sırasında ahşap lifleri tarafından emilen su miktarını sınırlayacak ve dolayısıyla malzemede daha az boşluk oluşmasına yol açacaktır. Boşluk sayısındaki bu azalma, ahşap-plastik kompozitin malzeme özelliklerinin en üst düzeye çıkarılmasını sağlayacaktır.

Karıştırma işlemindeki ikinci bir sınırlama, ahşap lifleri ile termoplastik matris arasındaki dağılımın yetersizliğidir. Bu sınırlamayı iyileştirmek için, ahşap ve termoplastik arasındaki bağın kolaylaştırılması amacıyla karıştırma işlemine bir bağlayıcı madde eklenmelidir. Şekil 6'da görülen bir bağlayıcı maddenin eklenmesi, bir WPC'nin çekme dayanımı üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilir. Andrea Wechslera ve Salim Hiziroglu tarafından yapılan bir deney, karıştırma işlemine bir bağlayıcı madde eklendiğinde nihai ürünün çekme dayanımının 2109 MPa'dan 3560 MPa'ya, yani %68 oranında artabileceğini göstermiştir. ^{[ 12 ]}

Üçüncü ve son sınırlama, bileşik oluşturma işleminde izin verilen düşük işlem sıcaklığıdır. Bileşik oluşturma ve şekillendirme işlemlerinde yüksek sıcaklıklara ulaşılamamasının nedeni, bu sıcaklıklarda ahşap liflerinde meydana gelen termal bozulmadır. Bu işlemlerin sıcaklığını artırabilmek için, ahşap lifleri monomerlere aşılanabilir; bu da ahşap liflerinin etrafında koruyucu bir kaplama sağlar ve sıcaklığın mevcut maksimum 200°C'nin üzerine çıkmasına olanak tanır.

Bu üç fikrin uygulanması, karıştırma işlemi sıcaklığının daha yüksek olmasını ve liflere uygulanan kuvvet miktarının eşit veya daha az olmasını sağlarken, aynı zamanda WPC'nin karıştırılması gereken süreyi de azaltacaktır. Karıştırma süresindeki bu azalma, karıştırma işleminin enerji verimliliğini artıracaktır.

WPC şekillendirme işleminde enerji verimliliğini artırmak için kullanılabilecek yeni bir ekstrüder türü, Şekil 7'de gösterilen iç içe geçmiş çift vidalı ekstrüderdir. Bu çift vidalı ekstrüderin tek vidalı ekstrüdere göre en büyük avantajı, şekillendirme sırasında elde edilen artan malzeme ve enerji verimliliğidir.

Eş dönen vidalara sahip iç içe geçmiş ikiz vidalı ekstrüderde, ekstrüde edilen malzeme daha eşit şekilde karıştırılır ve tek vidalı muadiline göre ekstrüzyon namlusunda daha az zaman geçirir. Bu bekleme süresindeki azalma, geri basıncın ortadan kaldırılması sayesinde mümkün olan, malzemenin namlu içindeki hızının artmasından kaynaklanır. ^{[ 5 ]} Tek vidalı ekstrüderlerde, vidanın oluşturduğu sürtünme kuvvetleri nedeniyle geri basınç ^W mevcuttur. Bu iç içe geçmiş ekstrüderde iki vidanın kullanılması, malzemeyi sürtünme yerine vidaların kendilerini kullanarak yer değiştirerek geri basıncı ortadan kaldırır. ^{[ 5 ]} Malzeme hızındaki bu artış, şekillendirme sırasında daha az enerji girdisi ve ekstrüzyon sırasında daha düşük malzeme sıcaklığı artışı sağlar; bu da nihai üründe daha iyi malzeme özellikleri ve artan enerji verimliliği üretir. ^{[ 5 ]} Ayrıca, bu tasarım, bu şekillendirme işlemi kullanıldığında herhangi bir bileşikleme işlemine gerek duyulmadığı için malzeme verimliliğinin artmasına olanak tanır; bu da işlemler arasında malzeme kaybının olmayacağı anlamına gelir.

Enerji ve malzeme verimliliğindeki iyileşmeye rağmen, çift vidalı ekstrüder, tek vidalı ekstrüdere göre çok pahalı bir yükseltme olduğundan, birçok üretici bu makineyi kullanmaktan çekiniyor. Bu daha verimli makineye geçişte rol oynayan ekonomik faktörler aşağıda ele alınmıştır.

Ahşap-plastik kompozitler genellikle endüstriyel ortamlarda kullanıldığından, ahşap-plastik kompozit malzemelerin halka yönelik fiyatlarının ne olacağı bilinmemektedir. Bununla birlikte, çok genel olarak, ahşap veya geleneksel kompozit malzemeler yerine ahşap-plastik kompozit malzeme kullanmanın maliyetinin yaklaşık 2 ila 3 kat daha pahalı olduğu tespit edilmiştir.

WPC ürün fiyatlarına ek olarak, üretim sürecindeki iyileştirmelerin uygulanmasının maliyeti de analiz edilebilir. Bileşik oluşturma sürecini iyileştirmek için kullanılan ürünlerin ucuz olması nedeniyle, yalnızca ekstrüzyon sürecindeki iyileştirmeler ele alınacaktır. Tek vidalı ekstrüderden çift vidalı ekstrüdere geçişin maliyeti en kolay bulunabilen maliyettir. Yeni bir çift vidalı ekstrüderin maliyeti yaklaşık 200.000 ABD doları iken, yeni bir tek vidalı ekstrüderin maliyeti yaklaşık 8.000 ABD dolarıdır. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Bu fiyatlardaki fark, esas olarak çift vidalı ekstrüderin tek vidalı ekstrüderden daha yeni bir teknoloji olmasından kaynaklanmaktadır. Bu büyük fiyat farkı nedeniyle, birçok üretici tek vidalı ekstrüderde kalmaya ve yalnızca bileşik oluşturma sınırlamalarını iyileştirmeye karar vermiştir.

Tipik olarak, lif takviyeli polimerik kompozitler, metallere kıyasla yüksek özgül mukavemetleri ve modülleri nedeniyle çeşitli yapısal uygulamalar için kullanılmıştır. ^{[ 3 ]} Şekil 8'de gösterilen WPC'lerin mevcut uygulamaları otomotiv, inşaat, denizcilik, elektronik ve havacılık endüstrilerindedir.

Ahşap-plastik kompozitlerin ilk büyük uygulaması, döşeme malzemesi olarak kullanıldığı inşaat sektöründeydi. 1970'lerin sonlarında yapılan deneylerden, WPC'lerin döşeme malzemesi olarak ahşaba göre üstün kılan birçok malzeme özelliğine sahip olduğu belirlendi. Bu özellikler arasında daha düşük nem emme oranı, geliştirilmiş yangın direnci ve daha iyi sertlik ve sıkıştırma özellikleri yer alıyordu. Bu ilk uygulamadan bu yana, WPC'ler bu sektörde korkuluklar, yaylar, bıçaklar ve çeşitli diğer dövüş sanatları silahlarının yapımında kullanılmıştır. ^{[ 16 ]}

WPC'lerin en popüler güncel uygulaması otomotiv ve havacılık endüstrilerinde olmuştur. Bu endüstrilerde WPC'ler, parçaların mekanik dayanıklılığını ve biyolojik olarak parçalanabilirliğini artırmak, aynı zamanda dış gürültüyü, malzeme ağırlığını ve enerji tüketimini azaltmak için kullanılmaktadır. WPC parçalarını kullanan son otomotiv şirketleri arasında Daimler Chrysler, Mercedes-Benz, Volkswagen, Audi, BMW ve Ford bulunmaktadır. ^{[ 17 ]}

Son zamanlarda, ev yapımında, çitlerde ve özellikle zemin seviyesine yakın ve yüzme havuzları/jakuzilerin etrafında yer alan güverte gibi uygulamalarda kimyasal olarak emprenye edilmiş ahşabın yerini alan farklı WPC malzemeleri ilgi görmeye başladı. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Nanjing GIANT Machinery Co., Ltd: http://www.giant-extruder.com/