Изучение возможности применения древесной пыли для получения древесно-полимерных композитов

ХИМИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ

УДК 674.04

В. В. Глухих, Н. М. Мухин, А. Е. Шкуро, М. А. Наронская, Е. С. Синегубова, И. Г. Григоров, О. В. Стоянов

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДРЕВЕСНОЙ ПЫЛИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ

ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ

Ключевые слова: древесно-полимерные композиты, наполнители, шлифовальная пъть фанеры, шлифовальная пъть древесностружечных плит, реология, свойства.

В настоящем исследовании рассматривалась возможность использования шлифовальной пыли в качестве наполнителя для древесно-полимерных композитов (ДПКт). Быгли получены и изучены образцы композитов со шлифовальной пылью фанеры и древесно-стружечных плит. Для них быгли определены реологические свойства древесно-полимерных смесей и показатели следующих свойств: контактный модуль упругости, плотность, предел прочности при растяжении, относительное удлинение при растяжении, ударная вязкость и твердость по Бринеллю. Полученные данные показывают возможность применения древесной пыгли в качестве наполнителей для ДПКт.

Keywords: wood plastic composites, polyethylene, filler, plywood sanding dust, particleboards sanding dust, rheology, properties.

The possibility of using sanding dust as a filler for wood-plastic composites (WPC) was examined in the present study. Samples of composites with sanding dust ofplywood and particleboards were obtained and studied. For these samples were determined rheological properties of wood-polymer mixtures and such properties as: contact modulus of elasticity, density, tensile strength, tensile elongation at break, impact strength and Brinell hardness. Obtained data show the possibility of using wood dust as a filler for WPC.

Введение

Основным видом наполнителя при производстве древесно-полимерных композитов с термопластичными связующими (ДПКт) является древесная мука различных пород древесины [1]. Большое число исследований посвящено изучению возможности замены древесной муки на более дешевые наполнители растительного происхождения и различного вида отходы.

Одним из крупнотоннажных видов древесных отходов, является древесный опил, образующиеся при лесопилении и деревообработке, который используется в производстве ДПКт [1]. Большой цикл исследований был выполнен В.П. Ставровым с коллегами по изучению реологических свойств древес-но-полимерных смесей (ДПС) с содержанием в них древесного опила до 60 % мас. Так, например, в работах [2,3] исследовались реологические свойства расплавов полипропилена, наполненных сосновым опилом. В этих исследованиях рассмотрено влияние размеров древесных частиц (2-5 мм), содержания (60-70%) и влажности опила (8-10%) на реологические свойства ДПС при температурах 1800-240°С и 20С1-140° С.

В патенте США [4] заявлен способ получения ДПКт из композиции термопластичных полимеров (полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида), содержащей 60-95 % мас. термопласта и 20-30 % мас. волокна, полученного из древесного опила. Древесно-полимерные смеси получали методом вальцевания, а затем их экструдировали с получением листов ДПКт. Полученные таким способом ДПКт рекомендуется использовать для внутреннего и наружного применения и в производстве мебели.

Р.Г. Сафин с коллегами [5], изучая влияние состава ДПКт с полиэтиленовой (ПЭ) и полипропиленовой (IIII) матрицами установили, что увеличение содержания древесного опила в композите от 60 до 80 % незначительно влияет на его водопоглоще-ние. Вид связующего играет существенную роль: у образцов, на основе ПП наблюдается меньшее водо-поглощение за 24 ч, чем у образцов на основе ПЭ.

В производстве различных древесных материалов и изделий при их шлифовании образуются существенные количества шлифовальной пыли, например, при изготовлении древесностружечных и древесноволокнистых плит, фанеры. В литературе отсутствуют сведения о применении древесной шлифовальной пыли при получении ДПКт.

Целью данной работы является изучение возможности получения и свойств ДПКт с полиэтиленовой матрицей при использовании в качестве наполнителя древесной пыли, образующейся при шлифовании фанеры.

Экспериментальная часть

В качестве полимерной матрицы ДПКт использовались полиэтилен низкого давления марки 273-83 (ГОСТ 16338-85) производства ОАО «Ка-заньоргсинтез» (ПЭНД). В качестве наполнителя применялась древесная мука хвойных пород марки 180 (ГОСТ 16361-87), производитель ООО «Юнайт» (ДМ), древесная пыль, собранная при шлифовании лицевой поверхности берёзовой фанеры в ЗАО «Фанком» (ШПф) и древесностружечных плит в ООО «Первая лесопромышленная компа-ния»(ШПдп). Краткая характеристика наполнителей приведена в таблице 1.

Массовое соотношение между наполнителем и полимерной матрицей составляло 50:50. Смешение компонентов ДПКт производилось на лабораторном экструдере марки ЛЭРМ-1 при температуре 180 - 190 оС. Полученная после экструдирования древесно-полимерная смесь охлаждалась до комнатной температуры, а затем нарезалась на гранулы. После этого методом горячего прессования из ДПС при температуре 190 оС и давлении 15 МПа получали композиты в форме дисков диаметром 90 и толщиной 5 мм или пластин размером 150*100*5 мм.

Из полученных композитов изготавливались образцы (не менее трёх для каждого состава) для испытаний физико-механических свойств полученных ДПКт.

Показатель текучести расплава (ГОСТ 11645-73) используемых в работе ПЭНД и полученных ДПС определялся на приборе ИИРТ-А (ГОСТ 11645-73) при внутреннем диаметре капилляра 2,095 и 4 мм.

Твердость по Бринеллю (НВ) и контактный модуль упругости (КМУ) образцов определяли на твердомере модели БТШПСП У42 по вдавливанию шарика диаметром 5 мм при нагрузке 132 Н.

Для определения ударной вязкости ДПКт (а) готовились образцы размером 15*10 мм. Для определения ударной вязкости с надрезом (ан) поперек образца композита полотном для резки металлов наносился надрез шириной 0,7 мм на глубину 1,5 мм. Испытания проводились на приборе "Динстат-Дис".

Для определения показателя прочности при изгибе (ст„) готовились образцы с длиной и шириной 15*10 мм. Испытания проводились на приборе "Дин-стат-Дис" при консольном закреплении образца.

Определение относительного удлинения при растяжении (Е) и предела прочности при разрыве (ор) образцов производилось на разрывной машине для испытания пластмасс модели 2166 Р-5 (точность измерения усилия 0,1 Н, скорость нагружения 50 мм/мин). Образцы ДПКт готовили в виде лопаточек с длиной 100 мм и шириной рабочей части 6 мм.

Для изучения линейных размеров древесных наполнителей методом скандирующей электронной микроскопии (СЭМ) использовался растровый электронный микроскоп марки 18Ы-6390ЬЛ (ШОЬ, Япония), дополнительно снабженный приставкой ББЛХ (энергодисперсионный анализатор характеристического рентгеновского излучения).

Результаты и обсуждение

Для определения характеристик шлифовальной пыли были использованы методики ГОСТ 16361-87, а также данные о длине и ширине древесных частиц, полученные из фотографий электронной сканирующей микроскопии (рис.1).

Результаты анализа наполнителей приведены в таблице 1.

Данные табл. 1 показывают, что в ряду исследованных наполнителей наименьшие размеры имеют частицы ШПф, а коэффициент их формы больше, чем у древесной муки и меньше по сравнению с ШПдп.

с

Рис. 1 - Фотографии СЭМ древесных наполнителей (х100): а - ДМ; Ь - ШПф; с - ШПдп

Таблица 1 - Характеристика древесных наполнителей

Параметр ДМ ШПф ШПдп

Породный состав Сосна Берёза Смесь

древесины (массо- (> 95 (100 лист-

вая доля основной %) %) венных

породы) и хвой-

ных

пород

Цвет Свет- Белый Свет-

ло- ло-

корич- корич-

невый невый

Абсолютная влаж- 8,0 6,4 5,0

ность, %

Массовая доля ос-

татка, %, на сетке:

025 0 74,2 51,4

018 1,1 23,6 31,6

0125 15,0 0,1 11,3

Массовая доля зо- 0,60 0,42 1,05

лы, %

Средние арифмети-

ческие значения

(п = 50) линейных

размеров древесных

частиц, мкм:

длина 211 152 386

ширина 52 33 59

Коэффициент фор- 4,1 4,6 6,6

мы [1]

Фотографии наполнителей (рис. 1) свидетельствуют о различии поверхности древесных частиц наполнителей. Среди частиц ШПдп значительно меньше доля частиц разделяющихся на волокна, по сравнению с ДМ и ШПф.

Для оценки технологических свойств ДПС со шлифовальной пылью были изучены её реологические свойства при температуре 190 оС и нагрузках от 19 до 206 Н.

Зависимости десятичных логарифмов сдвиговой вязкости смесей (п, Па-с) от десятичных логарифмов скорости сдвига (у, с-1) при температуре 190 оС хорошо описываются (с коэффициентом аппроксимации R2) следующими линейными уравнениями: log Пдм = 2,2025 - log у (R2 = 1,0) log ЦШПф = 1,3726 - 0,9472 log у (R2 = 0,99) log Пшпоп= 2,2374 - log у R = 0,99) Их этих уравнений следует, что исследованные ДПС следует относить по реологическим свойствам к неньютоновским жидкостям. При этом ДПС с ШПф имеет наименьшее значение сдвиговой вязкости по сравнению со смесями с ДМ и ШПдп.

Средние арифметические результаты измерений свойств полученных ДПКт показали следующее (табл. 2).

Таблица 2 - Физико-механические свойства ДПКт

Показатели Наполнитель

свойств ДМ ШПф ШПдп

Плотность, кг/м3 1062 1104 1047

Предел прочности 11,9 15,2 12,0

при растяжении (ор), МПа

Предел прочности при изгибе (ои), МПа 23,3 35,9 22,3

Контактный мо- 785 538 949

дуль упругости (КМУ), МПа

Относительное 2 3 4

удлинение (Е), %

Твердость по Бринеллю (НБ), МПа 85 56 75

Ударная вязкость, кДж/м2: без надреза (а) с надрезом (ан) 4,8 4,2 6.7 5.8 3,4 3,4

Водопоглощение 5,6 3,8 4,9

за 24 ч, %

композит по показателям прочности при изгибе и растяжении, ударной вязкости, водопоглощению. Учитывая более высокую плотность ДПКт с ШПф и геометрические размеры наполнителя можно предположить, что хорошие свойства этого композита связаны с лучшим распределением наполнителя в полимерной матрице и такими показателями физических свойств древесины берёзы, по сравнению с древесиной сосны и ели, как плотность и предельное водопоглощение [6].

Заключение

Полученные результаты исследований показали, что возможна замена в составе ДПКт с полиэтиленовой матрицей хвойной древесной муки марки 180 на древесную шлифовальную пыль ШПф и ШПдп. При этом не происходит ухудшения большинства показателей свойств композитов. Композит со шлифовальной пылью фанеры по прочностным показателям и водопоглощению за 24 часа превосходит ДПКт с древесной мукой.

Литература

1. А. А. Клёсов, Древесно-полимерные композиты. Научные основы и технологии, СПб, 2010. 736 с.

2. Спиглазов А.В., Ставров В.П. Влияние размеров древесных частиц и степени наполнения на текучесть композиций с термопластичными полимерными матрицами // Пластические массы. 2004. №12. С. 50-52.

3. Stavrov V. P., Spiglazov A. V., Sviridenok A. I. Rheological parameters of molding thermoplastic composites high-filled with wood particles //Int. J. Appl. Mech. and Eng. 2007. V. 12. No 2. Р. 527-536.

4. Пат. 6939496 USA. 2005.

5. Сафин Р.Г., Игнатьева Г.И., Галиев И.М. Исследование высоконаполненных древесно-полимерных композиционных материалов, получаемых экструзионным методом // Вестник Казан. технол. ун-та. 2012. Т. 15. № 17. С. 87-88.

6. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. Лесная пром-ть, М., 1989. 296 с.

Из данных табл. 2 следует, что ДПКт с наполнителем ШПдп не уступает, по большинству свойств известному композиту с хвойной древесной мукой, а ДПКт с ШПф заметно превосходит этот

© В. В. Глухих - д-р техн. наук, проф. каф. технологии переработки пластических масс Уральского госуд. лесотехнического ун-та, vvg@usfeu.ru; Н. М. Мухин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, nik_muchin@mail.ru; А. Е. Шкуро - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; М. А. Наронская - магистрант той же кафедры; Е. С. Синегубова - канд. техн. наук, доц. каф. инновационных технологий, оборудования деревообработки Уральского госуд. лесотехнического ун-та; И. Г. Григоров -канд. хим. наук, вед. науч. сотр. ИХТТ УрО РАН, grigorov@ihim.uran.ru; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ.