Сырьевые материалы для производства древесно-полимерных композитов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сырьевые материалы для производства древесно-полимерных композитов

Шевцова Т.И.,

Марсакова Е.В.

Проблема создания энерго- и ресурсосберегающих технологий и рационального использования отходов деревоперерабатыватывающей промышленности особенно актуальна в Российской Федерации, где каждый год образуется 700-800 тыс. куб. м отходов древесины. Одним из целесообразных решений данной проблемы является использование древесного наполнителя в производстве новых композитных материалов, которыми являются древесно-полимерные композиты [1, 2].

В данной статье рассматривается сырье для производства полимерных многокомпонентных материалов, состоящих из древесного наполнителя - наномодифицированной древесной муки, соединенных полимерной матрицей, включающие и другие химические добавки.

Древесно-полимерные композиты (ДПК) - это особый класс композиционных материалов с содержанием древесного наполнителя более 50% и сочетающих в себе свойства обоих компонентов, как термопластичного полимера, так и органического наполнителя [3].

Когда древесины в композите относительно больше, то свойства древесно-полимерного композита определяются свойствами: полимерной матрицы, древесных частиц, характером связей между древесными частицами и полимерной матрицей, структурой полученного композита.

Древесный наполнитель имеет такие положительные качества, как легкость переработки, доступность, невысокая плотность, экологичность. Однако при эксплуатации изделий на основе древесного наполнителя наблюдаются влажностные деформации, обусловленные высокой гигроскопичностью материала, низкой атмосферостойкостью, приводящие к снижению прочности изделия и возникновению внутренних напряжений, что, в конечном счете, способствует разрушению структурной цельности конструкции материала [1]. ресурсосберегающий сырье древесный

Самым распространенным наполнителем для изделий из древесно-полимерных композитных материалов является древесная мука и мелкая фракция древесных опилок.

Выбор древесной муки в качестве наполнителя объясняется низкой стоимостью, общедоступностью, легкостью помола, большими запасами, высокой дисперсностью и не токсичностью [3]. Древесная мука - порошкообразная древесина, полученная путем измельчения на мельницах отходов обработки древесины. С точки зрения экономии проще использовать крупные частицы муки, поскольку меньше затрачивается усилий на измельчение, а с точки зрения окончательных свойств ДПК, наиболее оптимальный комплекс свойств имеют изделия из мелкой дисперсной древесной муки. В качестве наполнителя ДПК используется мука с размером частиц от 40-300 мкм. Размер частиц оказывает существенное влияние на свойства. Использование дополнительно измельченной древесной муки позволяет вдвое увеличить физико-механические свойства ДПК при той же степени наполнения. При этом также увеличивается производительность и снижается водопоглощение [4].

Частицы древесного наполнителя, в естественных условиях содержат от 5 до 12 % влаги. Содержание влаги варьируется от времени года в зависимости от климатических условий. Жидкость, находящаяся в волокнах целлюлозы, при высокой температуре превращается в пар, вспенивая расплав композита. В результате этого, пар и выделяемые летучие неорганические соединения образуют поры в структуре материала, что, безусловно, сказывается на уменьшении плотности конечного изделия. Вместе с тем влага, находящаяся в композите, является естественным пластификатором и улучшает литьевые свойства материала. При переработке влажного материала значительно падает нагрузка на шнеке литьевой машины, давление впрыска. При незначительной влажности никаких дефектов литья при этом не происходит. Остаточная влага в материале способствует образованию воздушных пор, дефектов поверхности изделия, гидролиза в процессе расплава. При содержании влажности менее 5 % вероятность такого эффекта снижается [1].

Порода древесины существенного влияния на эксплуатационные и технологические характеристики наполненного материала не оказывает, так как элементарный химический состав древесной муки всех пород практически одинаков, однако содержание основных компонентов (целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина) в древесной муке хвойных и лиственных пород отличается [3].

В ДПК с относительно низким содержанием древесного наполнителя свойства композита характеризуются свойствами связующего вещества, в качестве которого применяются термопластичные полимеры, наиболее распространенными из которых являются полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) и поливинилхлорид (ПВХ) [1].

ПЭ - это продукт полимеризации этилена, являющийся самым потребляемым и одним из самых доступных представителей пластмасс, обладает высокой прочностью при изгибе и растяжении, сочетая эти показатели с эластичностью. Полиэтилен химически стоек, безвреден для организма человека, хорошо текуч, легко обрабатывается. Полиэтилен, синтезируемый при высоком давлении (ПЭВД), называют полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП), а получаемый при среднем и низком давлении - полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП).

ПЭВД представляет собой материал, сочетающий невысокую стоимость с высокими показателями диэлектрических свойств, стабильными в различных температурно-влажностных условиях эксплуатации и широком частотном диапазоне, достаточно высокими физико-механическими показателями. Прочностные показатели ПЭВД в 1,5 раза ниже, чем у полиэтилена высокой плотности. По сравнению с полиэтиленами низкого давления ПЭВД обладает более высокой стойкостью к растрескиванию, эластичен при низких температурах. К недостаткам ПЭВД относятся невысокая верхняя температура применения, ползучесть под действием статических нагрузок, горючесть, а также способность электризоваться, накапливая статическое электричество.

Полиэтилен низкого давления (ПЭВП) более устойчив к воздействию растворителей, жидких и газообразных агрессивных веществ, чем ПЭВД, его используют как конструкционный материал общетехнического назначения с гораздо более высокими теплостойкостью, твердостью, жесткостью, морозостойкостью, поэтому материалоемкость изделий на его основе в 1,2-1,4 раза ниже [5].

ПП также является весьма распространенным полимером, синтезируется путем полимеризации пропилена, в присутствии металлокомплексных катализаторов. Устойчив ко многим химически агрессивным средам и высоким температурам, обладает высокой ударной прочностью и стойкостью к многократным изгибам, твердостью, имеет низкую газопроницаемость и большой модуль упругости. К недостаткам данного полимера можно отнести чувствительность к свету и низкую морозоустойчивость, которые устраняются путем введения в ПП стабилизатора.

ПВХ - продукт полимеризации винилхлорида, обладающий высокой стойкостью к горению, к воздействию влаги, газов, устойчивостью по отношению к щелочам, минеральным маслам, ко многим растворителям и кислотам. К недостаткам поливинилхлорида с точки зрения производства изделий из ДПК можно отнести высокую вязкость расплава и температуру перехода ПВХ в текучее состояние, которая близка к значению температуры термического разложения древесины, что усложняет переработку композита.

Объем потребления полимерных продуктов с каждым годом увеличивается, поэтому является актуальной проблема переработки полимерных отходов, которые тоже можно использовать в композитах. Актуальна вторичная переработка особенно термопластичных полимеров, обладающих способностью сохранять свойства после переработки. Из твердых полимерных отходов получают дробленку, гранулят и другое сырье для производства полимерных изделий. Полученный полуфабрикат является экологически чистым, его производство не наносит вреда окружающей среде, при этом сохраняются основные характеристики исходного сырья и стоимость вторичного полимера гораздо ниже [1].

Для улучшения свойств в состав древесно-полимерных композитов вводят специальные добавки-модификаторы.

Антимикробные агенты - биоциды, противодействуют развитию микроорганизмов и грибков на поверхности и внутри композита. Существует большое количество биоцидных препаратов, рекомендуемых для термопластичных ДПК, например, соединения бора, оксибисфеноарсин, изотиазолин и другие.

Стабилизаторы обеспечивают сохранность полимеров при переработке и при эксплуатации, к ним относятся антиокислители, препятствующие окислению материалов композита в ходе технологического процесса и при эксплуатации; температурные стабилизаторы, предотвращающие деструкцию смолы в ходе технологического процесса под действием высоких температур; светостабилизаторы, которые увеличивают стабильность материала при эксплуатации вне помещения под действием ультрафиолетового излучения, повышают устойчивость материала к старению.

Связующие агенты способствуют обеспечению лучших связей между элементами композита, в первую очередь между частицами древесины и полимерной матрицей.

Противоударные модификаторы повышают ударную прочность изделий.

Смазочные и технологические средства (процессинговые добавки) снижают трение в процессе переработки (в экструдере, фильере, компаундере, литьевой машине), повышают производительность системы. Различают внешние и внутренние смазки. Внешние смазки уменьшают трение композиции об рабочие поверхности экструдера и фильеры, внутренние - уменьшают трение частиц композиции друг об друга.

Огнезащитные добавки - антипирены, улучшают эксплуатационную огнестойкость изделий. В качестве антипиренов могут использоваться тригидрат алюминия, оксид сурьмы, гидрооксид магния, фосфаты эфиров, борат цинка и так далее.

Вспенивающие агенты обеспечивают вспенивание смолы для снижения плотности композита. Красители и пигменты используются для придания композиту определенного внешнего вида и стойкости под воздействием ультрафиолетового излучения. Антистатики предупреждают образование статического электричества и снижают его потенциал за счет понижения поверхностного электрического сопротивления материала.

При введении добавок необходимо учитывать, что она может по-разному воздействовать на свойства материала, улучшая одни характеристики, ухудшить другие. Кроме того существует проблема совместимости некоторых добавок [6].

В конечном счете, качество выпускаемой продукции зависит от качества используемого сырья (наполнителя, полимера и добавок) и рецептуры смеси.

Использование наномодифицированной древесной муки, в качестве древесного наполнителя, позволяет улучшить физико-механические свойства готовой продукции, ввиду того, что с уменьшением размера частиц наполнителя улучшается перерабатываемость композиций, увеличивается производительность экструзионного оборудования и, в дальнейшем, достигается высокая степень наполнения [4].

Выбор полимера определяется индивидуальными преимуществами и недостатками, присущими изделиям на их основе. К достоинству древесно-полимерных композитов на основе полипропилена относится высокая прочность, однако его применение при пониженных температурах повышает хрупкость, тогда как композиты на основе полиэтилена применяются в широком диапазоне температур, но обладают меньшей прочностью. ДПК на основе поливинилхлорида обладают максимальной жесткостью и прочностью, но в то же время требуют введения специальных добавок для снижения токсичности, между тем как ПП и ПЭ являются безопасными для окружающей среды [7].

Использование добавок существенно улучшает свойства материала применительно к конкретным сферам их потребления. Но в производстве необходимо учитывать то, что, несмотря на использование различных модификаторов и химических добавок, при изготовлении композиционных материалов невозможно привнести в изделие всех качественных свойств, поэтому внимание необходимо акцентировать на приоритетные показатели, обусловленные областью их применения.

Таким образом, каждая составляющая композита корректирует определенное свойство, и подбирают состав смеси для производства ДПК исходя из возможных сфер его применения. В России рынок сырьевых материалов для производства древесно-полимерных композитов достаточно широк и стабилен, что является стимулом для новых направлений исследования в этой области.

Список литературы

1. Файзуллин, И.З. Древесно-полимерные композиционные материалы

на основе полипропилена и модифицированного древесного наполнителя: дисс. ... канд. техн. наук: 05.17.06 / И.З. Файзуллин. - Казань, 2015. - 123 с.

2. Галиев, И.М. Создание многослойного напольного настила на основе древесно-полимерных композитов: дисс. ... канд. техн. наук: 05.21.05 / И.М. Галиев. - Казань, 2015. - 117 с.

3. Бурнашев, А.И. Высоконаполненные поливинилхлоридные строительные материалы на основе наномодифицированной древесной муки: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.05 / А.И. Бурнашев. - Казань, 2011. - 159 с.

4. Файзуллин И.З., Влияние размера частиц наполнителя на свойства древесно - полимерных композитов / И.З. Файзуллин, И.Н. Мусин, С.И. Вольфсон // Вестник казанского технологического университета. - 2013. - Т.16. - № 5. -С 103-106.

5. Особенности применения первичных и вторичных полимерных материалов в производстве ДПК [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

https://www.savewood.ru/osobennosti-primeneniya-pervichnyh-i-vtorichnyh-polimernyh-materialov-v-proizvodstve-dpk/ - (дата обращения: 07.12.2017).

6. О добавках и рецептурах ДПК [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.dpk-deck.ru/page/recepturi.html - (дата обращения: 08.12.2017).

7. Мусин И.Н., Влияние полимерного связующего на свойства древесно - полимерных композитов / И.Н. Мусин, И.З. Файзуллин, В.В. Новокшенов, С.И. Вольфсон // Вестник казанского технологического университета. - 2014. - Т.17. - В 14. -С 306-310.

Размещено на Allbest.ru