Композиционные материалы на основе древесных частиц и полимеров

Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №19 УДК 691-419, 691.115

Р. Г. Сафин, З. Г. Саттарова, И. М. Галлиев, В. А. Салдаев

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ ЧАСТИЦ И ПОЛИМЕРОВ

Ключевые слова: древесная мука, полимер, полипропилен, полиэтилен, древесные частицы, модификатор.

В статье рассматривается состав и свойства композиционного материала на основе древесных частиц и полимерных связующих. Проведены исследования по изучению влияния размера древесных частиц и их концентрации на свойства композиционного материала.

Keywords: wood powder, resin, polypropylene, polyethylene, wood particles modifier.

The article discusses the structure and properties of the composite material on the basis of wood particles and polymer materials. Conducted research to study the effects of wood particle size and concentration on the properties of composite material.

Введение

Эффективным направлением в переработке древесных отходов является создание новых композиционных материалов строительного назначения, на основе различных древесных наполнителей и термопластичных полимеров. Одним из таких материалов является напольный настил, популярный и широко используемый в нашей стране [1-3].

Основными компонентами при изготовлении многослойного напольного настила являются древесная мука, полипропилен, опилки, вторичный полиэтилен и модификатор.

Материалы и методы исследования

Для формирования поверхностного слоя в качестве древесного наполнителя используется древесная мука марки 180 (ГОСТ 16361-87) и древесные частицы размерами 2-5 мм, а в роли связующего вещества используется полипропилен марки 1500 I и полиэтилен марки 4223 Т.

В роли модификатора в данном композите используется полибутадиен [-СИ2СИ=СИСИ2-]и -синтетический полимер, продукт полимеризации бутадиена, используется для придания таких качеств как атмосферостойкость и повышает ударную прочность поверхностного слоя изделий. Схожесть параметров отверждения полибутадиена с термопластичными полимерами обуславливает ее полезность при изготовлении изделий из древесно-полимерных композитов.

В качестве связующего агента для внутреннего слоя используется некондиционный и вторичный полимер тех же марок, которые используются при формировании поверхностного слоя [4].

К древесному наполнителю для внутреннего слоя материала предъявлялись следующие требования: количество коры в измельченной древесине не более 10% от общей сухой массы наполнителя; используемые древесные частицы не должны иметь плесень, грибки и инородные включения; размеры от 2 до 10 мм, которые получают измельчением кусковых отходов деревообработки и лесопиления в две ступени: на

первой ступени измельчают рубительной машиной, на второй ступени измельчение осуществляют в молотковой дробилке. В результате получают опилки волокнистого вида. Влажность наполнителя не должна превышать 6%.

Фракционирование опилок производилось ситовым методом, с отверстиями сит 2, 6 и 10 мм. На рисунке 1 представлено фракционное распределение древесных опилок на ситах, используемых для внутреннего слоя изделия.

ю

диаметр отверстий сит, мм

Рис. 1 - Фракционное распределение опилок на ситах

Количество опилок на сите с отверстиями диаметром 2 мм составляет 24,8 -^25,5%; на сите с отверстиями диаметром 6 мм составляет 32,2 ^ 34,0% ; на сите с отверстиями диаметром 10 мм составляет 34,8 ^ 36,4%.

Опилки, прошедшие через сито с отверстиями диаметром 2 мм (4,1^8,2%) целесообразно использовать в производстве древесной муки.

Для проведения экспериментальных

исследований были использованы фракции измельченной древесины с сит отверстиями диаметром 2 и 6 мм, с соответствующими размерами частиц 2-10 мм.

Для полного понимания и представления проходящих межфазных взаимодействий при формировании напольного настила, состоящего из древесного наполнителя, полимерного связующего

и целевых добавок разработана физическая картина процесса [5,6].

Древесные частицы в составе древесно-композиционного материала выступают в роли армирующего агента. В системе наблюдается возникновение адгезионных связей между древесным наполнителем и связующим агентом. Уникальность композитов заключается в том, что физико-механические показатели полученного материала достигаются за счет оптимизации межфазных и физических взаимодействий, и отличаются от показателей отдельно взятого компонента, входящего в его состав, наделяя композит новыми качествами.

В макро масштабе большинство древесных композитов имеют однородную структуру, но при более подробном их рассмотрении видно, что они являются неоднородными: основа состоит из древесного наполнителя и пространства, заполненного связующим агентом. Это явление оказывает отрицательное влияние на качество производимого продукта, увеличивая

неоднородность материала, обоснованную применением разнородных компонентов.

Одним из условий получения изделий с устойчивыми показателями является стабилизация объема древесного наполнителя, которая положительно влияет на процесс

структурообразования. В идеальной модели расположение древесных частиц в связующем агенте ровное, ориентированное по длине изделия, расстояние между ними одинаковое и связующее должно полностью заполнять пустоты (рис. 2) [7, 8].

Равномерность распределения древесных частиц в связующем агенте или в так называемой «матрице» достигается путем качественного смешивания компонентов.

1 2 3

Рис. 2 - Модель композиционного материала из наполнителя и полимерного связующего: 1 - древесные частицы; 2 - полимерное связующее; 3 - граничный слой

Матрица в композиции обеспечивает монолитность материала - это основной фактор, от которого зависят качественные показатели проектируемого изделия. Расположение древесного наполнителя в изделии является важным показателем, так как при разрыве поперек волокон, вне зависимости от породы, предел прочности намного выше, чем в радиальном направлении.

В производстве композиционных материалов на основе древесного наполнителя и полимерного

связующего нужно уделить особое внимание происходящим физико-химическим процессам ввиду наличия в составе химически разнородных тел. Они являются основополагающими при формировании межфазных связей, влияющих на эксплуатационные характеристики материала. Взаимодействие полимерного агента и древесных частиц создает неоднородную систему, в которой слой связующего взаимодействуя с поверхностью древесных частиц, образует граничный слой, предопределяющий новые, не характерные для исходных компонентов свойства. В связи с этим немаловажным является коэффициент отношения толщины граничного слоя к общему слою связующего [7].

а

а б

1 2 3

Рис. 3 - Схема расположения структурных компонентов в композиционных материалах: 1 - древесный наполнитель; 2 - граничный слой; 3 - связующий агент

На рисунке 3 схематически показано расположения древесных частиц и полимерной матрицы в композиционных материалах:

а) граничные слои взаимно перекрываются и большая часть композита заполнена древесными частицами - в этом случае наблюдаются максимальные структурные изменения композита;

б) граничные слои частично перекрываются, под двойным воздействием древесного наполнителя находится не весь объем, а только определенная часть связующего, остальная часть испытывает воздействие наполнителя только с одной стороны;

в) граничные слои контактируют только поверхностями, слои не будут испытывать воздействия древесных частиц, и будут находиться в несвязанном состоянии;

г) граничные слои не контактируют, древесные частицы удалены друг от друга, большая часть слоя не подвержена воздействию наполнителя и имеет исходное состояние.

Представленная физическая картина

исследуемого композиционного материала подтверждает сложность его структурного строения. Анализ физической картины показал зависимость качественных характеристик от соотношения количества наполнителя к количеству связующего агента в изделии.

Экспериментальная часть

Для подтверждения вышесказанных выводов, проведены экспериментальные исследования по определению влияния размера и концентрации древесных частиц на плотность получаемого композиционного материала (рис. 4).

б

Рис. 4 - Зависимость плотности от концентрации древесных частиц в поверхностном слое: а) древесная мука марки 180; б) древесные частицы размерами 2-5 мм

Были исследованы 2 вида древесных частиц, это опилки с фракционным составом 2-10 мм и древесная мука марки 180. В качестве полимерной матрицы использовали полипропилен и полиэтилен.

Анализ кривых показывает, что при концентрации древесных частиц 60-80 % наблюдается наибольшая плотность получаемого композиционного материала, что обуславливается наиболее оптимальным соотношением компонентов, при котором полимер полностью обволакивает древесные частицы и образует граничный слой (рис. 3- а, б, в).

При концентрации древесных частиц менее 60 % будет наблюдаться снижение плотности композиционного материала, что объясняется увеличением расстояния между древесными частицами и заполнения этого пространства полимерной матрицей (рис. 3 - г). При этом композиционный материал будет все больше приобретать свойства используемого полимера [8].

При увеличении концентрации древесных частиц более 80% наблюдается резкое снижение плотности композиционного материала. При такой высокой концентрации древесных частиц используемый полимер не может полностью обволакивать частицы и материал приобретает пористую структуру, что отрицательно сказывается на его физико-механических показателях.Используемый полимер незначительно изменяет исследуемый параметр композиционного материала, в отличии от размера используемых древесных частиц. Увеличение размеров частиц древесного наполнителя резко понижает плотность получаемого композиционного материала. Объяснить это можно тем, что при использовании частиц более мелких размеров увеличивается площадь поверхности сцеплением наполнителя с матрицей, что повышает адгезию между древесными частицами и полимером. Как следствие получается более однородная композиция.

Заключение

Анализ экспериментальных данных показывает, что для получения композиционного материала на основе древесных частиц и полимерного связующего оптимальная концентрация древесных частиц в изделии составляет 60-80%. При таком составе древесно-полимерный композиционный материал обладает наиболее оптимальными физико-механическими показателями.

Литература

1. Тунцев Д.В. Биопластики на основе лигнина / Д.В. Тунцев, И.Н. Ковернинский, Ф.М. Филиппова, Р.Г. Хисматов, М.Р. Хайруллина, И.Ф. Гараева // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 15. Т17 - С. 192 - 194.

2. Сафин, Р.Г. Современные строительные композиционные материалы на основе древесных отходов [Текст]/ Р.Г. Сафин, В.В. Степанов, Э.Р. Хайруллина, А.А. Гайнуллина, Т.О. Степанова // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - Т. 17. №20. - С. 39-41.

3. Галлиев, И.М. Плиты для пола из древесно-полимерного композита / И. М. Галиев// Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 3-2 (8-2). С. 296-298.

4. Петров, В. И. Влияние состава на качественные показатели древесно-наполненного теплоизоляционного материала [Текст]/ В.И. Петров, В.В. Степанов, М.В. Хузеев, Э.Р. Хайруллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №1. - С. 86-88.

5. Сафин, Р. Г. Исследование высоконаполненных древесно-полимерных композиционных материалов, получаемых экструзионным методом / Р.Г. Сафин, Г.И. Игнатьева, И.М. Галиев // Вестник Казанского

а

технологического университета. 2013. Т. 16. № 2. С. 87-88.

6. Галлиев, И.М. Получение древесно-полимерных композиционных материалов экструзионным способом / И.М. Галиев// Деревообрабатывающая промышленность. 2012. №1. С. 23-25

7. Сафин, Р.Г. Исследование механических свойств напольных древесно-полимерного композиционного материала / Р.Г. Сафин, Ф.М. Филиппова, И.М. Галиев,

А.Р. Хабибуллина // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 8. С. 164-166.

8. Сафин, Р.Г. Исследование высоконаполненных древесно-полимерных композиционных материалов, получаемых экструзионным методом / Р.Г. Сафин, Г.И. Игнатьева, И.М. Галиев // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 16. № 2. С. 87.

© Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, заведующий кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; З. Г. Саттарова - к.т.н., доцент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, sattarova@list.ru; И. М. Галиев -аспирант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, galei1@mail.ru, В. А. Салдаев - аспирант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, c-vova@mail.ru.

© R. G. Safin - doctor of technical sciences, professor, head of chair of processing of wood materials KNRTU, safin@kstu.ru; Z. G. Sattarova - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, sattarova@list.ru; 1 M. Galiev - postgraduate student, Department of wood Processing of materials KNRTU, galei1@mail.ru; V. A. Saldaev -postgraduate student, Department of wood Processing of materials KNRTU, c-vova@mail.ru.