إن النمو المستمر في استخدام المواد المركبة الخشبية البلاستيكية هو اتجاه حتمي

إن النمو المستمر في تطبيق مركب الخشب والبلاستيك المواد اتجاه حتمي

يتزايد الطلب على الأخشاب بسبب التطور الاجتماعي، ولم تعد سرعة نمو الغابات قادرة على تلبية الطلب، مما يجبر صناعة الأخشاب على الابتكار والاستكشاف.

في الآونة الأخيرة، قام فريق البوليمر الحيوي التابع لمعهد نينغبو لتكنولوجيا وهندسة المواد التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (يشار إليه فيما يلي باسم معهد نينغبو للمواد) بإعداد مركبات شبيهة بالخشب باستخدام قش النباتات والألياف المركبة الأخرى. وقال قائد الفريق والباحث في معهد نينغبو للمواد، تشو جين، لصحيفة تشاينا ساينس ديلي: "لقد تعاونّا مع الشركات لتطوير عملية لا تحل مشكلة حرق القش الريفي على نطاق واسع فحسب، بل نأمل أيضًا في تحويل النفايات الزراعية والحرجية إلى كنز".

البحث عن بدائل للخشب

في الوقت الحاضر، تتناقص كمية الخشب المستدير الذي يتم الحصول عليه من خلال إزالة الغابات، مما أدى إلى ظهور الألواح الاصطناعية في صناعة الأخشاب. يُصنع ما يسمى بالألواح الاصطناعية من الأشجار سريعة النمو مثل الحور والأوكالبتوس وغيرها من الأشجار ذات دورات النمو القصيرة، والتي يتم تقطيعها إلى قشرة خشبية أو تحويلها إلى ألياف خشبية من الخشب المكسور كمواد خام. ثم يتم لصقها في ألواح باستخدام مواد لاصقة.

تتسم طريقة تصنيع الألواح الاصطناعية بالمرونة والفعالية من حيث التكلفة، والتي يمكن أن تلبي احتياجات الناس اليومية تقريبًا. ووفقًا لإحصاءات مركز المعلومات التابع للجمعية الصينية لتوزيع الأخشاب والمنتجات الخشبية، أنتجت الصين في عام 2017 أكثر من 300 مليون متر مكعب من الألواح الاصطناعية سنويًا.

ومع ذلك، غالبًا ما تطلق الألواح الاصطناعية الفورمالديهايد بسبب وجود مواد لاصقة عضوية. وفي الوقت الحالي، أصبح التلوث بالفورمالدهايد نقطة محورية للقلق الاجتماعي.

"على الرغم من أن الألواح الاصطناعية تتمتع بمرونة أكبر في المعالجة مقارنة بالخشب المستدير، إلا أن عملية التشكيل تقتصر على إنتاج مكونات بسيطة ولا يمكنها إنتاج مكونات معقدة مثل البلاستيك." واكتشف تشو جين أن علماء البوليمر قد حصلوا في السابق على نوع جديد من المواد المركبة الخشبية البلاستيكية عن طريق ملء البلاستيك بمسحوق الخشب. في السنوات العشرين الماضية، تطورت المواد المركبة الخشبية البلاستيكية بسرعة بسبب مزاياها في معالجة البلاستيك وجمال الخشب.

كما ظهرت مشاكل جديدة. "إن المواد المركبة من الخشب والبلاستيك مملوءة بمسحوق الخشب، بكمية حشو تقل عموماً عن 60%. لا تفي خواصها الميكانيكية بمتطلبات الخشب وهي عرضة لمشاكل خطيرة مثل الاعوجاج والتشوه". وقال تشو جين إن المواد المركبة الخشبية البلاستيكية لا يمكن أن تلبي حقًا احتياجات الخشب وتحقق هدف استبدال الخشب.

من الناحية الهيكلية، فإن البنية المجهرية للخشب هي نوع من المواد المركبة من الألياف. يمكن إرجاع تاريخ المواد المركبة الليفية في بلدنا إلى العصور القديمة. فقد كان القدماء يستخدمون قش الأرز أو قش القمح لتقوية الطين لصنع المنازل، وهو ما يعد استخدامًا لمواد الألياف المركبة. قال تشو جين: "من الصعب جمع قش الأرز أو قش القمح ومعالجته، وهو عرضة للتلف والاحتراق وامتصاص الماء، لذلك من الصعب أن نرى وجودهما مرة أخرى في المواد المركبة الحديثة".

"استنادًا إلى بنية نسيج الخشب، هل يمكننا تطوير نوع جديد من المواد المركبة الشبيهة بالخشب والتي يمكن أن تحل محل الخشب حقًا؟ قاد تشو جين فريقاً من البوليمر الحيوي لبدء محاولة جديدة.

التغلب على تحديات التكنولوجيا المادية

كل من اللوح الاصطناعي و مركب الخشب والبلاستيك تتطلب الخشب كمادة خام. "في عام 2017، وصل اعتماد الصين على واردات الخشب إلى أكثر من 601 تيرابايت 5 تيرابايت". توصل فريق تشو جين إلى فكرة استخدام الألياف النباتية العشبية السنوية، مثل ألياف القنب وألياف الخيزران وغيرها، كهياكل من الألياف لدمجها مع البلاستيك لإنشاء مواد مركبة تشبه الخشب مع هياكل الألياف. "سيحل ذلك مشكلة اعتماد البشرية على الخشب بشكل كامل."

"نظرًا لانخفاض أسعار الألياف النباتية المختلفة مقارنةً براتنجات البوليمر، فإن تكلفة هذه المواد المركبة ستكون أقل أيضًا من تكلفة الراتنجات البلاستيكية الحالية. ومع ذلك، فقد وجدت أبحاث تشو جين أنه من أجل تطوير واستخدام مواد الألياف النباتية على نطاق واسع، من الضروري التغلب على تحديات تكنولوجيا المواد طبقة تلو الأخرى."

ونظرًا لقوة قابلية الألياف النباتية للماء، فإن توافقها مع راتنجات البوليمر الكارهة للماء يكون ضعيفًا، مما يؤدي إلى أن تظهر المادة المركبة النهائية هشاشة كبيرة.

تتمثل خطة استجابة فريق البوليمر الحيوي في استخدام إضافات متوافقة. ويمكنهم تحسين التوافق بين الألياف النباتية المحبة للماء وراتنجات البوليمر الكارهة للماء بشكل فعال من خلال اختيار إضافات متوافقة، وفي النهاية إعداد مركبات البوليمر المقواة بالألياف النباتية ذات القوة العالية والمعامل العالي.

ومع ذلك، مع زيادة محتوى الألياف النباتية، تتشكل عيوب مختلفة بسهولة على سطح مركبات البوليمر المصنوعة من الألياف النباتية. على سبيل المثال، في إنتاج البثق، إذا كانت السيولة ضعيفة، فقد تحدث مشاكل مثل عدم القدرة على البثق المستمر والشكل غير المستقر بعد البثق. ويتمثل الحل الذي توصل إليه فريق تشو جين في استخدام نظام تشحيم مركب من "التشحيم الداخلي" و"التشحيم الخارجي" لإعداد أجزاء السيارات ذات المظهر المعقد ومتطلبات السيولة العالية بشكل خاص، وكذلك تحقيق البثق المستمر للصفائح المعدنية بنجاح.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن كلاً من الألياف النباتية والمواد البلاستيكية الشائعة هي مواد قابلة للاشتعال، كما أن مشكلة مثبطات اللهب الحالية للمواد المركبة من الألياف النباتية تمثل تحديًا كبيرًا.

"حققت فرق بحثية أخرى مثبطات اللهب من خلال معالجة الألياف بالمذيبات العضوية أو المحاليل القلوية. ومع ذلك، فإن هذا المسار لا يستغرق وقتًا طويلاً ويتطلب عمالة كثيفة من حيث المعالجة البيئية فحسب، بل يضيف أيضًا الكثير من التكاليف الإضافية". وعرضت تشو جين مخطط مثبطات اللهب خطوة بخطوة الذي وضعه فريق البوليمر الحيوي الخاص بهم باستخدام الألياف النباتية ومصفوفة الراتنج: تتم معالجة مثبطات اللهب بشكل منفصل لكليهما. ومن خلال التقييم العلمي لمثبطات اللهب، حققت المواد المركبة من الألياف النباتية عالية الحشو قدرة مثبطات اللهب من المستوى V0.

معالجة المواد الشبيهة بالخشب وتحضيرها

كما تواجه عملية التحضير والمعالجة الحالية للألياف النباتية ثلاثة تحديات، وهي كيفية جمعها مركزيًا، وكيفية سحقها بكفاءة، وكيفية خلطها بالتساوي مع مصفوفة الراتنج. وبأخذ القش كمثال، قال تشو جين إن تكلفة جمع القش مرتفعة، وهناك العديد من الشوائب، كما أن الاستخدام النهائي الشامل صعب نسبيًا. يمكن للآلات والمعدات الزراعية أن تسحق هذا النوع من القش بشكل مبدئي، ولكن لا تزال رقة القش بعيدة كل البعد عن إعداد المواد المركبة.

وجد الفريق بقيادة تشو جين من خلال البحث أنه لحل المشاكل المذكورة أعلاه، هناك حاجة إلى معدات مصغرة أولاً، والتي يمكن إنتاجها في مواقع متعددة ضمن نطاق جغرافي معين لتحقيق معالجة الألياف وحتى تحضير المواد المركبة؛ ثانيًا، يجب أن تكون هناك طريقة تكسير ألياف فعالة لفصل الألياف الدقيقة في ألياف القش أو ألياف القنب عن الساق الرئيسية من خلال عملية التكسير؛ وأخيرًا، تتطلب المعدات عزم دوران قوي جدًا للمزج والتحريك لمزج الألياف النباتية ذات المحتوى العالي من الألياف النباتية مع الراتنجات البلاستيكية بشكل كامل.

ولتحقيق هذه الغاية، تعاون معهد نينغبو للمواد مع شركة Weifang Yunding New Materials Technology Co. Ltd. لتطوير معدات مزج عالية السرعة يمكنها حل المشاكل المذكورة أعلاه في خطوة عملية واحدة. وقال تشو جين: "يمكن لهذه المعدات أن تنجح في تحضير مواد مركبة من اللدائن الحرارية بمحتوى تعبئة يصل إلى 801 تيرابايت 5 تيرابايت من الألياف النباتية. يمكن إنتاج جزيئات المواد المركبة التي يتم تشكيلها عن طريق خلط المواد الخام والقطع الأوتوماتيكي من خلال عمليات صب البلاستيك التقليدية."

ويضمن المحتوى العالي من الألياف النباتية قوة عالية للمواد المركبة، والتي تشبه الخشب. ولذلك، تُعرف مواد البوليمر ذات المحتوى العالي من الألياف النباتية أيضًا بالمواد المركبة الشبيهة بالخشب. ويتميز هذا النوع من المواد المركبة الشبيهة بالخشب بأداء شامل أفضل من الخشب والألواح الاصطناعية والبلاستيك المفرد والبلاستيك الخشبي التقليدي.

وذكر تشو جين أنه مع تعميق البحث والتسويق، ستدخل منتجات الخشب المقلد إلى السوق قريبًا وتدخل آلاف الأسر. وبهذه الطريقة، يكون تطور الخشب قد حقق حقبة من جذوع الأشجار إلى الألواح الاصطناعية، ثم إلى النباتات العشبية السنوية المقلدة للخشب، مما يحرر البشرية من الاعتماد على الخشب ويحقق التنمية المستدامة للخشب.