Авторы: Касперович О.М., Яценко В.В., Лосик Е.С.
Источник: Химия, технология органических веществ и биотехнология. Труды БГТУ. 2012.
Касперович О.М., Яценко В.В., Лосик Е.С. – Разработка технологии производства высоконаполненных древесно–полимерных композитов Данное исследование направлено на разработку наиболее эффективной технологии получения высоконаполненных древесно-полимерных композитов на основе полиолефинов. В работе представлены композиции на основе полиэтилена и полипропилена с различным массовым содержанием древесного наполнителя, определена зависимость ударной вязкости и прочности при статическом изгибе от типа полимера и содержания древесного наполнителя. В результате было выбрано оптимальное содержание наполнителя в композите.
К настоящему времени на территории постсоветского пространства были распространены методы получения древеснополимерных композиций на основе реактопластов методом прессования. Изделия, полученные данным способом, имеют довольно хорошие физико-химические свойства. Такой метод является малопроизводительным и трудоемким, что снижает конкурентоспособность товара. Но главной причиной, по которой такой способ получения изделий и их продажа не получили развития в странах зарубежья, было выделение свободного фенола в процессе их производства и его наличие в готовых продуктах, что было очень токсично [1].
Современная тенденция производства новых материалов – заменителей дерева в Республики Беларусь связана с созданием высокотехнологичного наукоемкого производства экологически чистого материала – термопластичного древесно–полимерного композита (ДПК).
Материалы из древесно-полимерного композита сегодня широко применяются в Америке, европейских странах, Японии. По внешнему виду они схожи с древесиной и вместе с тем не подвержены гниению и плесени, не впитывают влагу, не имеют дефектов поверхности, высокотехнологичны в получении, и, наконец, преимущество такой продукции – ее экологичность. Кроме того, разработка технологии производства ДПК позволяет не только получать инновационную конкурентоспособную продукцию, но и решать вопросы переработки полимерных отходов [2].
Целью исследований являлось получение древесно-полимерных композитов из термопласта и древесной муки и определение предпочтительного содержания древесного наполнителя в композите
Определение предпочтительного содержания наполнителя производилось по таким физико-механическим характеристикам, как ударная вязкость и прочность при статическом изгибе.
ДПК – это материалы, в которых древесный наполнитель введен в состав полимерной матрицы
В качестве древесного наполнителя может быть использована не только древесина хвойных пород, как этого требуется при изготовлении ДСП, но практически любой вид древесины, а также различные отходы (рейка, обрезки, шпон, стружки, опилки) лесопильных и деревообрабатывающих производств и невостребованная древесина санитарных рубок в лесах. Кроме того, дополнительным сырьевым ресурсом является целлюлозосодержащие отходы сельскохозяйственного производства (костра льна, рапс, рисовая шелуха и др.), а также самовозобновляемые растения: камыш, тростник и др. В Беларуси большим спросом пользуются именно лиственные породы, так как значительная площадь лесов республики представлена лиственными древесными породами.
Несмотря на то что древесина не является технологичным материалом, требований к растительным наполнителям немного – добившись однородности по составу и структуре, становится возможным обеспечить бесперебойность технологического процесса производства ДПК. Для получения наполнителя требуемого качества используют молотковые и ножевые дробилки, мельницы тонкого помола, валковые установки и т. д. Размер частиц древесной муки может быть различным – от 0,001 до 1,000 мм, и чем крупнее частицы наполнителя, тем дешевле конечное изделие [3]. Крупные фракции имеют ограничения в использовании, поскольку размер частиц наполнителя тесно связан с прочностью и качеством поверхности получаемого материала.
Определяющими характеристиками древесной муки являются размеры древесных частиц и их влажность. Установлено, что оптимальная влажность древесной муки при использовании ее в производстве термопластичных ДПК должна быть менее 1%, так как высокое содержание влаги в наполнителе приводит к образованию пара в процессе изготовления изделия, что может привести к высокой пористости конечного продукта. Это, в свою очередь, уменьшает его прочность и жесткость и увеличивает скорость окисления в течение срока службы; следовательно, снижается долговечность изделия. Размер частиц должен быть менее 0,17 мм, что связано с прочность изделия. Слишком мелкие (пыль) и слишком крупные частицы ухудшают прочность композита. Крупные частицы снижают производительность оборудования в силу их малой насыпной плотности, в то время как очень мелкие пылевидные частицы имеют большую удельную поверхность, из-за чего требуется использование большого количества смолы для образования полноценной полимерной матрицы. Количество наполнителя может достигать 80% [3].
В исследовании в качестве древесной составляющей использовался древесный наполнитель сосны с удельной поверхностью 24 м2/г. Массовое содержание вводимого наполнителя составляло от 10 до 60 мас. %.
В качестве полимерного сырья для изготовления ДПК обычно используются только такие термопласты, которые могут перерабатываться при температурах ниже 200°С. Это ограничение обусловлено невысокой термостойкостью древесины, что до некоторой степени сужает выбор полимеров, но оно не является абсолютным, поскольку в древесно-полимерных композициях может использоваться делигнифицированная целлюлоза (лигнин является наиболее чувствительной к температуре фракцией древесных материалов).
В исследовании был выбран температурный режим переработки композиций в диапазоне 150–190°С.
Основными полимерами, используемыми при изготовлении ДПК, являются полиэтилен, полипропилен и ПВХ. От полимерных составляющих ДПК очень зависят свойства и особенности получения материала. У ДПК из полиэтилена и полипропилена значительно ниже водопоглощение, чем из ПВХ, поэтому композит из ПВХ быстрее подвержен распаду. ДПК из ПВХ и полипропилена довольно прочные и выдерживают значительную нагрузку на изгиб, но в то же время возникают сложности в обработке и монтаже в отличие от изделий из полиэтилена. При работе с полипропиленом и полиэтиленом можно использовать до 100% вторичного материала при условии, что это однородный материал. Использование же вторичного ПВХ может быть очень трудной задачей по причине содержания в нем многих технологических добавок. Полипропилен и полиэтилен не являются токсичными, и они более безопасны для окружающей среды по сравнению с ПВХ, содержащим в своем составе хлор. Учитывая все недостатки и преимущества каждого из материалов, для изготовления древеснополимерных композитов используют преимущественно полиэтилен (83%) и небольшое количество полипропилена и ПВХ [4].
В работе были использованы полиэтилен 277–73 ГОСТ 16338–85 и полипропилен 21130 ГОСТ 26996–86, которые имеют высокие значения показателя текучести расплава (до 35 г/10 мин). Данные марки полиолефинов были выбраны с учетом того, что для изготовления образцов нами была принята технология литья под давлением. Низковязкие полимерные материалы позволяют несколько нивелировать повышение вязкости, обусловленное введением древесной муки, и добиться повышения смачиваемости древесной муки, что приведет, на наш взгляд, к повышению физико-механических характеристик получаемых образцов.
Древесина, в отличие от полимеров, не способна пластифицироваться в экструдере или литьевой машине, и начинает гореть при высоком давлении и температуре (выше 200°С); к тому же она имеет абразивные свойства. Наличие высокопористой структуры у опилок (состоящих главным образом из целлюлозы) также вызывает ряд серьезных проблем:
– абсорбцию газов опилками с последующим их выделением в экструдере;
– пожаро–взрывоопасность получающейся газовой смеси;
– выделение смолистых веществ из хвойных пород древесины при переработке опилок
Для решения этих проблем, в зависимости от рецептуры, применяются различные группы добавок [6].
Как и предполагалось, в результате наполнения полимеров древесным наполнителем ударная вязкость с увеличением массового содержания наполнителя уменьшается, поскольку, как известно, наполнитель влияет на структуру и морфологию полимера, приводит к изменениям в размерах, форме и типе распределения надмолекулярных структур.
Анализ данных, полученных при исследовании ударной вязкости и прочности при изгибе, позволяет сделать вывод о том, что оптимальным содержанием наполнителя является концентрация 40 мас. %, поскольку при наполнении полимера более 40 мас. % значительно увеличивается вязкость композиции, что затрудняет ее переработку при небольшом снижении ударной вязкости и прочности при изгибе, а при повышении температуры, с целью снижения вязкости, происходит деструкция наполнителя, что может приводить к образованию пор.