Экспериментальные исследования древесно-полимерных композитов на основе термомодифицированной древесины

ХИМИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ

УДК 674.04

Т. А. Бодылевская, А. Ф. Гарипова, К. А. Бодылевский, Р. А. Халитов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Ключевые слова: экструзия, древесно-полимерный композит, термомодифицирование, древесина, мука, опилки.

В статье приведены результаты экспериментальных исследований технических свойств экструзионных древесно-полимерных композитов, имеющих в составе полимер, аддитивы и в качестве наполнителя термомодифицированные опилки и древесную муку, обработанные при температурах 160, 180, 200 и 220°С.

Keywords: extrusion, wood-plastic composite, thermomodifying, wood flour, sawdust.

The paper presents the results of experimental studies of technical properties of extruded wood-plastic composites with a polymer composition, additives and as a filler thermomodified sawdust and wood flour treated at temperatures of160, 180, 200 and 220 ° C.

Введение

Производство экструзионных древесно-полимерных композитов является одним из наиболее перспективных направлений для переработки в высококачественные профильные детали для широкого спектра применений (строительство и мебель) отходов деревоперерабатывающих производств,

лесопиления, растительных целлюлозосодержащих отходов, низкосортной древесины и вторичных пластмасс.

Древесно-полимерные композиционные материалы (ДПК) отличаются от древесины атмосферной, механической, химической стойкостью и размеростабильностью, благодаря чему применяются для внутренней и наружной отделки.

ДПК, предназначенные для переработки методом экструзии, состоят из трех основных компонентов:

- частиц измельченной древесины;

- синтетических или органических термопластичных полимеров или их смеси;

- комплекса специальных химических добавок, улучшающих технологические свойства композиции и получаемой продукции, часто называемых также аддитивами [1].

В настоящее время наиболее широко для изготовления ДПК используется древесная мука, которая изготавливается преимущественно из мягких, не смолистых пород древесины (размер древесных частиц в композите находится в пределах от 500 до 50 мкм). Частицы древесной муки могут принимать самые разнообразные формы. У древесного волокна длина зависит от породы древесины: у лиственных пород 1-1,5 мм, у хвойных 3-3,5 мм. Наряду со специально измельченной древесиной в состав ДПК могут входить некрупные опилки и шлифовальная пыль [1].

В качестве связующего в ДПК на первом месте по популярности находится полиэтилен, затем следует ПВХ и полипропилен. В Европе наиболее перспективным считают полипропилен [1]. В частности, немецкая фирма Advanced Extruder Technologies AG (изготовитель оборудования для экструзии ДПК) указывает на следующие оптимальные соотношения наполнение композита древесиной для различных типов базовых смол:

- на основе ПВХ - 60 %;

- на основе полиэтилена - 70 %;

- на основе полипропилен - 80 % и более.

Применение ДПК в помещениях с

повышенной влажностью или на открытом воздухе может привести к образованию микротрещин, гниению, нестабильной геометрии изделий, высокой гигроскопичности и теплопроводности, что способствует к снижению качества материала. В качестве альтернативы предложено использовать органический наполнитель в виде

термомодифицированной измельченной древесины. Подробно технология получения термодревесины представлена в работах Сафина Р.Р., Салимгараевой Р.В., Беляковой Е.А. и др. [2-18]. Результаты исследования свойств ДПК представлены в статьях Сафина Р.Р., Салимгараевой Р.В., Хасаншина Р.Р, и др. [9,10,12,17,18]. В связи с этим были проведены исследования на водопоглощение образцов ДПК, полученных из измельченной древесины термомодифицированной при температурах 160, 180, 200 и 220°С, также была определена насыпная плотность измельченной термодревесины.

Исследование степени разбухания образцов ДПК на основе термомодифицированной древесины

В ходе исследований опилки и древесную муку обрабатывали в течение 8-9 часов при температурах 160°, 180°, 200° и 220°С. Чем выше

температура модифицирования, тем цвет измельченной древесины темнее.

Далее методом экструзии из модифицированной измельченной древесины получили образцы ДПК следующим образом:

- дозирование компонентов (модифицированная измельченная древесина и полипропилен);

- смешивание компонентов;

- прессование и форматирование (экструзия) образцов.

Для исследования зависимости степени разбухания (di/d0) образцов ДПК из древесных опилок (рис. 1) и муки (рис. 2), термомодифицированных соответственно при температурах 160, 180, 200 и 220°С, от времени выдержки в дистиллированной воде измеряли изменения их массы на протяжении 30 суток.

Рис. 1 - Зависимость степени разбухания образцов ДПК из древесных опилок от времени выдержки в дистиллированной воде

Рис. 2 - Зависимость степени разбухания образцов ДПК из древесной муки от времени выдержки в дистиллированной воде

Из представленных на графиках данных можно сделать вывод, что чем выше температура модифицирования древесных частиц, тем меньше способность к разбуханию образцов ДПК, при этом наибольшая скорость увлажнения наблюдается в первые 10 суток эксперимента.

Проведенные исследования также показали,

что:

- с увеличением размера древесных частиц, способность к разбуханию образцов ДПК уменьшается;

- слишком мелкие (мука) и слишком крупные частицы (опилки) ухудшают прочность композита;

- крупные частицы снижают производительность оборудования в силу их малой насыпной плотности;

- ДПК из крупных частиц имеет более зернистую поверхность, подобную поверхности древесно-стружечной плиты и это может требовать шлифования, применения утолщенной облицовки и (или) отделки поверхности изделий;

- очень мелкие частицы имеют большую удельную поверхность и в силу этого требуют использования большего количества смолы для образования полноценной полимерной матрицы.

В связи с этим для производства ДПК следует выбирать средние древесные частицы.

Дополнительно установили насыпную плотность термомодифицированных древесных частиц (рис. 3,4).

Рис. 3 - Зависимость насыпной плотности древесных частиц (опилки) от температуры модифицирования

Рис. 3 - Зависимость насыпной плотности древесных частиц (муки) от температуры модифицирования

Полученные данные показали, что с повышением температуры модифицирования древесной муки и опилок насыпная плотность значительно уменьшается, что может снизить производительность оборудования.

Заключение

Предложенный способ улучшения свойств древесно-полимерного композита является эффективным. ДПК, полученные из предварительно

модифицированной измельченной древесины, становятся более плотными, прочными, и более устойчивыми к воздействию влаги, так же можно получать композиты разного оттенка путем регулирования температуры обработки древесных частиц, причем цвет будет однороден по всему сечению и вызван не тонировкой, а изменением в самой структуре древесины.

Древесно-полимерный композитный профиль можно обрабатывать механически, окрашивать традиционными красителями и эмалями или облицовывать синтетическими пленками.

Литература

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

2. Ахметова, Д.А. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования древесины / Д.А. Ахметова, Р.В. Салимгараева // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - №4. - С.31-35.

3. Белякова, Е.А. Исследование процесса термомодифицирования древесины в жидкостях / Е.А. Белякова, Т.А. Бодылевская // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - №2. - С.29-32.

4. Белякова, Е.А. Разработка методики классификации термомодифицированной древесины с помощью цветовой гаммы / Е.А. Белякова, Р.Р. Сафин, Т.А. Бодылевская // Деревообрабатывающая промышленность. - 2013. - №1. - С.30-34.

5. Белякова, Е.А. Термомодифицирование твердых пород древесины в жидкостях [Текст]: Дис. канд. техн. наук. / Е.А. Белякова. - Казань, - 2012. - 138 с.

6. Пат 2453425 RU, МПК B27K3/02 Способ термообработки древесины / Р.Р. Сафин и др.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «КГТУ». - № 2011101723/13; заявл. 18.01.2011; опубл. 20.06.2012 Бюл. № 17.

7. Пат 2453426 RU, МПК B27K5/04 Способ морения древесины и устройство для его реализации / Р.Р. Сафин и др.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «КГТУ». - № 2010154564/03; заявл. 30.12.2010; опубл. 20.06.2012 Бюл. № 17.

8. Разумов, Е.Ю. Способ обработки термомодифицированной древесины / Е.Ю. Разумов, Р.В. Данилова // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2011.-№4. - С.74-78.

9. Салимгараева, Р.В. Технология термического модифицирования древесного наполнителя в производстве композиционных материалов [Текст]: Дис. канд. техн. наук. / Р.В.Салимгараева. - Казань, -2013. - 138 с.

10. Сафин, Р.Г. Исследование механических свойств напольных плит и досок из древесно-полимерного композиционного материала / Р.Г. Сафин, Ф.М. Филиппова, И.М. Галиев, А.Р. Хабибуллина // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2014. Т. 17.- №8. - С.164-166.

11. Сафин, Р.Р. Имитация древесины мореного дуба термомодифицированием / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, Е.А. Белякова // Дизайн. Материалы. Технология. - 2010. - №3. - С.95-98.

12. Сафин, Р.Р. Исследование свойств древесно-полимерных композитов на основе термомодифицированного наполнителя / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.В. Данилова, Д.Р. Хазиева // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2013. Т. 16.- №24. - С.53-55.

13. Сафин, Р.Р. Разработка новой технологии получения термодревесины / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Е.Ю. Разумов // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2011. - №1. - С.157-162.

14. Сафин, Р.Р. Разработка технологии и аппаратурного оформления термомодифицирования древесины в жидкостях / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Р.А. Халитов, Е.И. Байгильдеева // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2012. Т. 15.- №3. - С.131-133.

15. Сафин, Р.Р. Усовершенствование технологии термомодифицирования древесины BIKOS-TMT / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2012. Т. 15.- №13. - С.134-136.

16. Сафин, Р.Р. Экспериментальные исследования термомодифицирования древесины в гидрофобных жидкостях / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2011. - №12. - С.241-245.

17. Хасаншин, Р.Р. Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов, созданных на основе термически модифицировано древесины / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, Ф.Г. Валиев, Р.В. Данилова // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2012. Т. 15.- №7. - С.64-66.

18. Хасаншин, Р.Р. Предварительная термическая обработка древесного наполнителя в производстве ДПКМ / Р.Р. Хасаншин, Р.В. Данилова // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2012. Т. 15.- №7. - С.62-63.

© Т. А. Бодылевская - асс. каф. АрД КНИТУ; А. Ф. Гарипова - магистрант той же кафедры; К. А. Бодылевский - магистрант той же кафедры; Р. А. Халитов - проф. каф. ОХЗ КНИТУ, archiwood@mail.ru.

© T. A. Bodilevskaya - Assistant Dep. ARD KNRTU; A. F. Garipova - Master student Dep. ARD KNRTU; K. A. Bodilevsky - Master student Dep. ARD KNRTU; R. A. Halitov - Professor Dep. ECP KNRTU, archiwood@mail.ru.