بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تراورسهاي کامپوزیتی راهی براي استفاده مجدد از ضایعات پلاستیکی و مقابله با نابودي جنگلها
چکیده
جنگلها از منابع عظیم خدادادي هستند که نیاز به وجودشان براي ادامه چرخه زیست غیرقابل انکار میباشد. حفظ و نگهداري این منبع عظیم از وظایف بشریت است. انسانها از دیرباز از چوب به عنوان مادهاي چندمنظوره استفاده میکردند.
امروزه استفاده بیرویه از این ثروت، جوامع را بر آن داشته که از جنگلها حفاظت نموده و مانع از قطع بدون ملاحظه درختان گردند. اما نکته مهم براي جلوگیري از کاهش منابع چوب، یافتن جایگزین مناسب براي آنهاست که خود، تولید آلودگی در محیط زیست ننماید.
از طرفی بعد از دستیابی انسان به تکنولوژي ساخت مواد پلاستیکی و تولید فزاینده آنها، در دهههاي اخیر مشکل حذف این مواد از چرخه زیست مطرح شد که به دلیل سخت بودن این امر، استفاده مجدد از آنها و به اصطلاح بازیافت آنها مطرح شد.
یکی از اهداف پروژهاي که انجام شد ایجاد راهکاري براي کاهش این ضایعات پلاستیکی به همراه دادن ارزش افزوده به آنها و تلاش براي جایگزین کردن آنها به جاي چوب در ساخت تراورسهاي خطوط راهآهن بود. در تمام مراحل انجام این پروژه خاص میبایست با تراورسهاي کامپوزیتی به خواص مکانیکی (از جمله استحکام کشش، استحکام ضربه و مدول کششی) حداقل در سطح تراورسهاي چوبی قدیمی رسیده میشد تا این جایگزینی مقرون به صرفه باشد. در نهایت خواصی که با ترکیب مواد پلاستیکی ضایعاتی (که بیشتر آن را پلیاتیلن بادانسیته بالا که از جمله پرمصرفترین مواد پلیمري است و در ساخت ظروف نگهدارنده شویندهها کاربرد دارد، تشکیل میدهد)، الیاف شیشه و لاستیک بازیافتی به آنها رسیده شد نه تنها قابلیت رقابت با چوب را داشت بلکه از آن پیشی نیز گرفت. علاوه بر آن این ترکیب برخلاف چوب در مقابل میکروارگانیسمها و عوامل مخرب جوي بسیار پایدار بوده، زمان عمري در حدود 2 تا 3 برابر چوب دارد و بعد از گذشت زمان مذکور قابل بازیافت نیز میباشد.
کلمات کلیدي: بازیافت، HDPE، تراورس، کامپوزیت، خواص مکانیکی.
-1 مقدمه
استفاده مجدد از ضایعات یکی از سیاستهاي امروز کشورها است تا بدین طریق هم از نظر اقتصادي سود کنند و هم مشکل زباله که در دهههاي اخیر تبدیل به دغدغهاي بزرگ شده است تا حدي حل شود. شاید مشکلسازترین زبالهها آن دسته هستند که قابلیت برگشت مجدد به محیط زیست را ندارند و قسمت عمدهاي از آنها را پلاستیکها تشکیل میدهند. حتی در استفاده و تقویت مواد بازیافتی نیز باید ابتدا این نکته را مد نظر قرار داد که آیا این امر مقرون به صرفه است یا خیر!! ضایعات شهري بیشتر شامل بطري و پاکتهاي نوشیدنی(نوشابه یا شیر) و یا ظروف نگهداري شوینده میباشد. مادهاي که بیشترین کاربرد را در ساخت بطري و پاکت نوشیدنی و ظروف نگهداري شوینده دارد، پلی اتیلن با دانسیته1 بالا میباشد. البته درصد کمی از مواد دیگر نظیر پلی اتیلن با دانسیته پایین2، پلی پروپیلن و پلی اتیلن ترفتالات (PET) نیز در این زبالهها وجود دارد.
در کشورهاي صنعتی، این بستهها از بقیه مواد دورریختی جدا نگهداري میشوند و به همین علت دسترسی به آنها بسیار آسانتر از ایران است. بعد از جداسازي این زبالهها، آنها به شرکتها و کارخانجاتی که قابلیت استفاده از آنها را دارند، تحویل داده میشوند.
عموماً پلیمرها و کامپوزیتهاي پلیمري به خاطر دانسیته کم و استحکام بالایشان در ساخت مواد مهندسی کاربرد بسیار دارند. این مواد قیمت بالایی نیز دارند؛ اما انواع بازیافتی آنها یک منبع ارزان براي ساخت مواد مهندسی میباشد. یکی از مصارف سازه اي این مواد بازیافتی، تراورسهاي خطوط ریلی است. تحقیقات وسیعی براي توسعه و ساخت تراورسهاي کامپوزیتی بر پایه مواد بازیافتی (به ویژه HDPE بازیافتی) مخصوصاً در ایالات متحده و کانادا انجام گرفته است.
-2 تراورسها
تراورسها که در لاتین به آنها Sleeper یا Cross tie نیز گفته میشود براي مهار کردن و بستن ریلها در روسازي خط به کار میروند و از مواد مختلفی مثل چوب، بتون، فولاد و پلاستیک تهیه میشوند.[1] تراورس یکی از المانهاي اساسی در سیستم راهآهن است. نقش اساسی تراورسها ایجاد پایداري جانبی و قائم و توزیع تنش و نیروهاي اعمالی از ریل به سطحی مطمئن در بالاست است.[2]
مهمترین و اولین تراورسی که در دنیا استفاده شد، تراورسهاي چوبی بودند اما در پی بروز مشکلات استفاده از آنها تلاش براي یافتن جایگزین مناسب چوب آغاز شد. به همین سبب انواع فولادي و بتنی وارد بازار شدند که هریک مشکلات خاص خود را داشتند. کشور ما ایران به دلیل محدودیت منابع جنگلی که ناشی از کاهش سطح جنگلهاي تجاري و پایین بودن امکانات بهره برداري، کیفیت جنگلها و سهم سرانه جنگل میباشد، عملاً با کمبود چوب روبرو، تا حد زیادي به واردات چوب وابسته است.
پایین بودن فنآوري و نبود استانداردي معین و مدون براي استفاده از چوب باعث شده که چوبها به مصرف مناسبی نرسند.
به طوري که گونههاي باارزشی چون راش و بلوط که داراي ارزش افزوده بیشتري هستند براي تهیه تراورس مصرف میشوند و بدین طریق از ارزش افزوده آنها به میزان قابل توجهی کاسته میشود.[1] در ایران براي تهیه چوب تراورس از محل طرحهاي جنگلداري لاجیم و سایر طرحهاي جنگلداري استانهاي مازندران و گیلان بهرهبرداري میشود.
آخرین نوع تراورس که تحقیقات زیادي روي آن انجام شد و به نظر میرسد جایگزین مناسبی براي چوب باشد، تراورسهاي کامپوزیتی هستند. حداقل خواصی که براي تراورسها لازم است در جدول((1 آمده است.
-3 روش کار و آزمایشها
در تحقیقات به عمل آمده در ساخت تراورسهاي کامپوزیتی ادعا شده است که با تقویت خواص پلیمرهاي بازیافتی می توان به خواص مکانیکی مناسبی رسید. در بسیاري از تحقیقات انجام شده، ماده نهایی ترکیبی است از چند نوع ماده بازیافتی مثل HDPE، الیاف شیشه پوشش داده شده با PP که از سپرهاي بازیافتی صنایع خودروسازي تأمین میشود، پلیاستایرن بازیافتی، تایرهاي آسیاب شده و سایر افزودنیها که در بیشتر موارد HDPE عمده ترکیب تراورس را به خود اختصاص میدهد.[4-6] علیرغم موفقیت در تولید تراورسهاي کامپوزیتی، اطلاعات علمی دقیقی از فرمولاسیون و ترکیب این مواد در منابع مختلف یافت نمیشود. به طور مثال در تحقیقات نوسکر و همکاران [7] اثر افزودن کامپوزیت PP و الیاف شیشه با %35 وزنی الیاف به HDPE بازیافتی براي رسیدن به ترکیبی مناسب جهت ساخت تراورسها بررسی شد. آنها به این نتیجه رسیدند که با افزایش مقدار فاز تقویتکننده، خواص نیز بهبود میبخشد.
-1-3 تخریب کنترلشده
واضح است که کیفیت کامپوزیت ساخته شده بر پایه مواد بازیافتی، پایینتر از مواد غیربازیافتی است. مواد بازیافتی به خاطر قرارگرفتن در معرض شرایط محیطی مختلف دچار افت خواص میشوند. براي مطالعه تأثیر این تخریب روي خواص مکانیکی، در این پروژه با فرآیند اکستروژن مجدد HDPE اولیه را به صورت کنترلشده تخریب مکانیکی-حرارتی کردیم و پس از آن خواص مکانیکی نمونههاي تخریبشده را ارزیابی نمودیم. شرایط تخریب نیز عبارت بود از دماي 190 C و دور پیچ HDPE .100rpm تخریب نشده، 1بار و 2 بار اکسترود شده به ترتیب با PE(0)، PE(1) و PE(2) نشان داده شدهاند. با افزایش میزان تخریب، MFI نمونهها نیز افزایش مییابد که به دلیل کاهش ویسکوزیته و وزن مولکولی HDPE میباشد که این امر هم به دلیل تنش حرارتی و مکانیکی وارده در اکسترودر، قابل انتظار بود. PE(1) و PE(2) در مقایسه با PE(0) افزایش %30 و %300 در MFI نشان میدهند. مدول کششی نمونه PE(0) در مقایسه با نمونه PE(2) کاهشی در حدود %30 را نشان میدهد. البته روند تغییرات MFI (ماکزیمم (%300 مشابه خواص کششی (ماکزیمم (%85 نیست هرچند که این دو به هم مربوطند. این ارتباط با روابط مختلفی قابل توجیه است. بین جرم مولکولی و ویسکوزیته رابطه((1 برقرار است:[8]
که η ویسکوزیته مذاب، M w وزن مولکولی وزنی متوسط، k ثابتی است که به دما و ساختار پلیمر وابسته است و a ثابتی است مستقل از دما که براي وزن مولکولیهاي بالاي مقدار بحرانی برابر 3/5 میباشد. با فرض رابطه خطی بین دما و ویسکوزیته، میتوان معادله((1 را بر پایه رابطه((1 نوشت:
که اندیسهاي d و v براي نمونه تخریبشده و نشده استفاده شده است. با توجه به معادله((1 و مقادیر MFI میبینیم که PE(2) نسبت به %30 PE(0) کاهش وزن مولکولی نشان میدهد. به عبارت دیگر به خاطر ارتباط استحکام کششی و وزن مولکولی مطابق رابطه((2، انتظار میرود مشابه همین روند کاهشی در استحکام نیز مشاهده شود.[8]
