ДРЕВЕСНО-КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ
WOOD COMPOSITE

Настоящее изобретение относится к древесно-композитному материалу, пригодному для изготовления несущих элементов, а также к способу его изготовления.
В несущих элементах, которые подвергаются изгибу, важным параметром материала является его собственный вес. Материалы с малой плотностью и, несмотря на это, с достаточно высокими прочностью и модулем упругости, благодаря возникновению меньших прогибов под действием собственного веса, имеют преимущества перед материалами с такими же механическими свойствами, но с более высокой плотностью.
Уменьшение плотности и связанное с этим снижение веса материала - при одновременном сохранении упругости и прочности - дает много преимуществ в области эргономики и логистики. Связанные с меньшим весом преимущества и экономия средств проявляются, начиная с первой обработки (например, при использовании людьми, в конструктивных решениях и в области энергопотребления транспортными и подъемными средствами), и присутствуют на каждом этапе использования или дальнейшей обработки вплоть до этапа конечного применения (например, монтажа конструктивных элементов), при необходимости даже до этапа утилизации.
В последние годы предпринимались многочисленные усилия по уменьшению плотности древесных материалов. Основная идея осуществления практически всех облегченных древесных материалов состоит в использовании многослойной сэндвичной конструкции (многослойной составной конструкции с заполнителем). При этом прочные, упругие материалы или массивные деревянные элементы в краевых областях принимают на себя усилия давления и растягивающие усилия, в то время как на средний слой передается воздействие, главным образом, усилий сдвига и нормальных усилий.
Так, например, находящиеся на рынке уже несколько десятилетий плиты с бумажным наполнителем, благодаря новым разработкам и оптимизации процесса изготовления, переживают в настоящее время второе рождение в индустрии древесных материалов. Эти материалы характеризуются хотя и очень малыми плотностями, но из-за своих механических свойств и недостаточной водостойкости эти материалы, тем не менее, не могут быть использованы для выполнения несущих элементов.
Лучшие свойства могут быть получены при использовании облегченных материалов с сэндвичной конструкцией и пенопластовой сердцевиной. Из-за высоких сдвиговых нагрузок среднего слоя с малой плотностью недостаточная прочность на сдвиг при изгибающих нагрузках приводит, тем не менее, к значительным деформациям. Кроме того, в большинстве случаев прочностные свойства являются недостаточными для использования в качестве несущих элементов.
В настоящее время при изготовлении древесно-композитных материалов, которые выполнены из макроволокон и связующего, стружка, частицы или волокна со связующим подаются и затем уплотняются посредством сжимающего процесса прессования, причем под воздействием высокой температуры поддонов пресса связующее затвердевает. В частности, на поверхностях, граничащих с поддонами пресса, эта процедура приводит к значительному уплотнению. Традиционные плитные материалы, такие как древесностружечная плита, древесно-волокнистая плита, ориентированно-стружечная плита (ОСП) и т.д., а также специальные древесные материалы, такие как сминающийся древесный материал, скримбер, материалы, выполненные по технологии TimTek, Scrimtec, столярная плита с основой из тонких реек и т.д., имеют поэтому более или менее четкий профиль плотности по толщине плиты. В том случае, если профиль плотности в значительной степени отсутствует, материал в целом сильно сжимается, либо речь идет о плитных материалах с очень малой плотностью (например, о легкой плите из древесной шерсти, волокнистых плитах с малой плотностью и т.д.), которые из-за своих небольших показателей прочности не могут сравниться с материалами для изготовления несущих элементов.
Как отмечено выше, древесные компоненты традиционных плитных материалов, а также специальных древесных материалов, таких как сминающийся древесный материал, скримбер, материалы, выполненные по технологии TimTek, Scrimtec, столярная плита с основой из тонких реек и т.д., существенно уплотняются при их изготовлении. Помимо увеличения плотности, этот процесс прессования сопровождается уплотнением клеточной структуры древесины (сжатием клетки). При поглощении воды такая деформация может из-за сильной гигроскопичности древесины и набухания клеточных стенок стать частично обратимой. Таким образом, происходит сильное набухание сжатых частей и, таким образом, всего плитного материала в целом.
Кроме того, при этих способах из-за уплотнения затруднена подача тепла для затвердевания плитного материала во внутреннюю часть плиты. Поэтому в этих способах, как правило, применяется эффект теплового удара для обеспечения достаточной передачи тепла. Для использования эффекта теплового удара макроволокна и/или связующее должны, тем не менее, иметь достаточную (остаточную) влажность. Без использования так называемого эффекта теплового удара технологическое осуществление производства плитных материалов (в частности, при малых плотностях плитных материалов) является возможным лишь с существенными трудностями.
Несмотря на многочисленный попытки, до настоящего времени на рынке нет древесно-композитного материала, который сочетает малую плотность с подходящим для изготовления несущих элементов модулем упругости и при изготовлении которого можно избежать недостатков, возникающих при уплотнении. Поэтому возникает задача, состоящая в том, чтобы предложить такой древесно-композитный материал.
3
Согласно изобретению эта задача решается посредством древесно-композитного материала, который имеет плотность, равную 200-550 кг/м и модуль упругости, измеренный посредством четырехточечного испытания на изгиб по EN 789, равный 4000-12000 МПа, причем древесно-композитный материал содержит макроволокна с коэффициентом формы (отношение длины волокон к их толщине) более 20 и связующее, а связующее имеет пенистую структуру.
3
3
3
Предлагаемый изобретением древесно-композитный материал имеет плотность, равную 200-550 кг/м, предпочтительно 300-550 кг/м. Модуль упругости, измеренный посредством четырехточечного испытания на изгиб по EN 789, составляет 4000-12000 МПа, предпочтительно 5000-12000 МПа, особенно предпочтительно 6000-12000 МПа. В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения древесно-композитный материал имеет плотность, равную 300-550 кг/м, и модуль упругости, равный 6000-12000 МПа.
Предлагаемый изобретением древесно-композитный материал содержит макроволокна из древесины с коэффициентом формы (отношение длины волокон к их толщине) более 20.
Используемые макроволокна предпочтительно имеют длину, равную 100-400 мм, особенно предпочтительно 150-300 мм. При этом для специалистов является ясным, что технологически не может быть исключен тот факт, что всегда известная доля используемых волокон имеет меньшую длину.
Кроме того, предлагаемый изобретением древесно-композитный материал содержит связующее, которое в затвердевшем состоянии имеет пенистую структуру. Связующее предпочтительно имеет преимущественно мелкопористую пенистую структуру. Связующее особенно предпочтительно имеет такую пенистую структуру, что 90-95% пор имеют размер пор, равный 30-500 мкм, предпочтительно 50-300 мкм, измеренный в сечении материала при помощи микроскопа.
3
3
В предпочтительном варианте осуществления изобретения для предлагаемого изобретением древесно-композитного материала используется связующее, которое при свободном вспенивании образует пену с плотностью, равной 30-300 кг/м, предпочтительно 80-200 кг/м.
Для определения плотности при свободном вспенивании еще не прореагировавшее связующее наливается в открытый сверху сосуд. При химической реакции связующее вспенивается и может свободно расширяться, выходя через отверстие сосуда. После затвердевания перелившаяся через край пена аккуратно отделяется. Плотность свободно вспенившегося связующего может быть рассчитана из измеренного объема и собственной массы сосуда и массы заполненного пеной сосуда.
В настоящем изобретении предпочтительно используется связующее, которое образует пенистую структуру с закрытыми порами. Поскольку волокна в предлагаемом изобретением древесно-композитном материале почти полностью покрыты пеной и почти все пустоты между волокнами заполнены пеной, благодаря пенистой структуре с закрытыми порами, проникновение влаги (в материал) уменьшается или даже его удается полностью избежать, что ведет к благоприятному поведению древесно-композитного материала при воздействии влаги, такому, как, например, низкое набухание.
Таким образом, предлагаемый изобретением древесно-композитный материал, по сравнению с традиционными древесными материалами, обладает малым набуханием при воздействии влаги. Это свойственно цельной древесине или даже выходит за рамки этой области, в то время как традиционные древесные материалы, как правило, имеют значительно большее набухание, по сравнению с набуханием используемой сырьевой древесины. Например, при использовании макроволокон из еловой древесины величина набухания по толщине по DIN 52364 может достигать величины от 2,7% до 6%, по EN 317 - от 1,5% до 5%. Для сравнения, величина набухания для цельной древесины ели по DIN 52364 составляет также приблизительно от 4% до 6%. Напротив, соответствующие древесно-стружечные плиты или ОСП имеют величины набухания от 7% до 30%.
Для еще большего уменьшения набухания древесно-композитного материала используемые макроволокна перед дальнейшей обработкой могут быть модифицированы при помощи надлежащих процедур. Такими процедурами являются, например, ацетилирование или пропитывание подходящими смолами или химическими добавками, такими, как, например, меламиновая смола или диметилдигидроксилэтиленовая мочевина (DMDHEU), температурные преобразования или другие известные процедуры, улучшающие свойства в отношении набухания. Благодаря этому набухание волокон при поглощении влаги снижается, и общее набухание древесно-композитного материала становится особенно малым. Таким образом, могут быть достигнуты величины набухания менее 2-4%. Из-за их малых толщин пропитка используемых в предлагаемом изобретением древесно-композитном материале макроволокон могут быть осуществлена очень просто. Напротив, модификация цельной древесины во многих случаях не удается из-за недостаточной пропитываемости древесины.
Кроме того, при химических способах после пропитывания древесины зачастую требуется еще одна термическая обработка. При этом малые размеры используемых, согласно изобретению, макроволокон также являются преимуществом по отношению к цельной древесине, поскольку, благодаря этому, тепло быстрее охватывает всю древесину целиком. Требуемая для такой модификации термическая обработка может быть выгодным образом частично или даже полностью интегрирована в последующий процесс изготовления предлагаемого изобретением древесно-композитного материала.
Согласно изобретению в качестве связующего предпочтительно используется связующее на базе полимерного вещества. Например, могут использоваться пеноматериалы на базе эпоксидной смолы, изоцианата (в том числе полиуретана), меламина, мочевины, фенольной смолы или их смеси. Особенно предпочтительным является использование полиуретановой системы, например одно- или многокомпонентной полиуретановой системы, в частности двухкомпонентной полиуретановой системы. Также могут использоваться термопластичные пеноматериалы, такие как полистирол (например, EPS или EPX).
В следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемый изобретением древесно-композитный материал содержит, кроме того, частицы, которые могут быть возбуждены посредством полей, например частицы окиси железа. При включении (использовании) таких частиц процесс вспенивания и затвердевания связующего может быть инициирован (запущен) и/или ускорен посредством приложения полей (например, посредством индукции, микроволн, высокочастотного поля, излучения и т.д.). Частицы могут быть целесообразно введены в связующее перед изготовлением древесно-композитного материала, но могут также быть введены отдельно.
Альтернативно для инициирования или ускорения процесса вспенивания и затвердевания связующего могут быть также использованы теплота, горячий воздух или пар.
Кроме того, предлагаемый изобретением древесно-композитный материал может содержать надлежащие добавки, например пенообразующее вещество, заполнители, красящие вещества (пигменты), усиливающие волокна (нано-, микро- или макроволокна), зажигательные средства или защитные средства для древесины, а также средства для улучшения свойств в отношении набухания и т.д. Эти добавки могут быть либо добавлены к связующему, либо отдельно введены в материал. Такие добавки могут известным специалисту образом придавать древесно-композитному материалу особенные свойства, такие как повышенная твердость или прочность при скалывании, долговечность, влагонепроницаемость и т.д.
Предлагаемый изобретением древесно-композитный материал может быть изготовлен посредством способа, который содержит следующие этапы:
a) изготовление макроволокон;
b) ориентация макроволокон;
c) нанесение связующего;
d) замыкание пресса; и
e) вспенивание связующего.
В предлагаемом изобретением способе связующее наносится на ориентированные макроволокна (последовательность шагов: a, b, c, d и e). Альтернативно связующее может быть нанесено перед ориентацией макроволокон (последовательность шагов: a, c, b, d и e).
Способ может выгодным образом осуществляться непрерывно, например, при помощи ленточного пресса.
Для изготовления предлагаемого изобретением древесно-композитного материала макроволокна высушиваются и помещаются на поддоны пресса или пресс-формы с ориентацией в значительной степени вдоль одной оси (т.е. параллельно). Связующее наносится между и/или на ориентированные макроволокна. Нанесение связующего может быть осуществлено посредством установленного в деревообрабатывающей промышленности способа, например, распыления, или посредством клеенаносящих установок или смесителей.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретением способа время вспенивания связующего настроено таким образом, что процесс вспенивания начинается преимущественно лишь после замыкания пресса. То есть система связующего химически настроена так, что время начала вспенивания задерживается таким образом, что замыкание пресса или пресс-формы может быть осуществлено до того, как начнется существенное пенообразование.
При замыкании пресса или пресс-формы макроволокна предпочтительно лишь минимально уплотняются, так что плотность изготовленного древесно-композитного материала несущественно отличается от плотности используемой древесины. Поскольку в предлагаемом изобретением способе макроволокна уплотняются лишь несущественно, то при последующем контакте с водой или при хранении в воде возникающее набухание может быть минимизировано или его можно избежать. Таким образом, могут быть достигнуты величины набухания, которые лежат в области величин набухания используемой древесины или даже меньше этих величин. Это является существенным преимуществом по сравнению с традиционными древесными материалами, которые обычно имеют высокую степень уплотнения древесины и потому при контакте с водой имеют значительно большую величину набухания, по сравнению с используемой древесиной.
В закрытой (замкнутой) пресс-форме или прессе воздействует, с одной стороны, внешнее давление пресса, а с другой - увеличивающееся, возникающее в процессе вспенивания связующего давление изнутри, так что связующее по существу полностью проходит сквозь сеть макроволокон и в значительной степени полностью пропитывает их на поверхности. Таким образом, макроволокна оказываются окруженными матрицей связующего и, благодаря этому, хорошо защищены от впитывания влаги.
Поскольку связующее, благодаря своему расширению, проникает в сеть макроволокон, образуется большой очень однородный материал с равномерной плотностью, в котором почти все пустоты заполнены пенистой структурой, а волокна почти полностью окружены (окутаны) пеной.
Кроме того, предлагаемый изобретением способ, в частности, при использовании в качестве связующего двухкомпонентной полиуретановой системы, имеет преимущество, состоящее в том, что только необходимо подвести лишь несущественное количество тепла, чтобы инициировать процесс затвердевания. Необходимое тепло может быть обеспечено посредством небольшого подогрева макроволокон (например, до 30-90°С, предпочтительно до 50°С).
Поскольку связующее соединяется с макроволокнами лишь непосредственно перед своим затвердеванием, по существу 100% связующего оказываются использованными для склеивания и «окутывания» стружки.
Если удается так отрегулировать систему связующего, что она полностью затвердевает в прессе, то тогда пресс может быть тотчас же снова открыт. Даже при неполном затвердевании плит предлагаемого изобретением древесно-композитного материала, они, тем не менее, в противоположность традиционным плитам из древесных материалов, не разрушается из-за расслоения. Возможное последующее затвердевание в случае предлагаемого изобретением древесно-композитного материала приводит лишь к последующему набуханию.
Предлагаемый изобретением древесно-композитный материал пригоден для всех изделий, которые изготавливаются из цельной древесины или древесных материалов, таких как древесно-стружечные плиты или ОСП и т.д. Благодаря малой плотности использование предлагаемого изобретением древесно-композитного материала приводит к малому весу изготовленных таким образом (из него) изделий.
Особенно выгодным является использование предлагаемого изобретением древесно-композитного материала для изделий, для которых, наряду с малым весом, играет роль стабильность размеров при воздействии влаги и сохранение прочности или твердости. Такие изделия, в силу их незащищенного использования на открытом пространстве, включают:
- опалубочные конструкции, такие как опалубочные балки, или их части, такие как пояс балки или стенка балки,
- покрытые или непокрытые опалубочные плиты или их части, такие как средние слои или наружные слои,
- настилы площадок для строительных лесов или защитных ограждений,
- стержневые или плоские одно-, двух- или трехмерные опалубочные изделия для образования или закрепления оболочки опалубки, и
- одноразовые опалубочные конструкции или их части, которые остаются в сооружениях.
К другим изделиям, которые предпочтительно могут быть выполнены из предлагаемого изобретением древесно-композитного материала, относятся:
- деревянные несущие конструкции из массивного материала или с пустотами или их части, такие как пояса балок или стенки балок (преимущества: малый вес, однородные свойства без дефектных мест, таких как сучки в массивной древесине; возможность изготовления профиля: I-профиля или другого оптимизированного профиля сечения, подобных металлическим несущим конструкциям),
- деревянные строительные плиты и мебельные панели (преимущества: свойства, как у фанеры в отношении статических характеристик, набухания, устойчивости к впитыванию влаги при одновременно очень малом весе и экономичном изготовлении),
- части деревянных строительных плит (наружные слои и средние слои),
- средние слои с преимущественно вертикальным направлением ориентации волокон, которые изготавливаются из блоков с параллельной ориентацией волокон путем резания перпендикулярно волокну (преимущества: малый вес, практически отсутствующее набухание по толщине, экономичное изготовление (например, замена дереву бальзы)),
- сэндвичные плиты с особенно легкими средними слоями из макроволокон и несущими наружными слоями из пригодных материалов, таких как фанера, клееная фанера или пластиковые плиты, с вертикальным или горизонтальным средним слоем,
- «толстомерные деревянные плиты» - однородные плитные материалы для стен и перекрытий с толщинами от 5 см до >20 см (преимущества: вес, теплоизоляция, статические характеристики, устойчивость к впитыванию влаги),
- толстомерные деревянные плиты с пустотами (преимущества: см. выше, а также малый вес, экономия материалов),
- профили различных типов из массивного материала или с пустотами для элементов конструкции, окон, дверей и мебели (преимущества: профиль может быть изготовлен без потери материала, статические характеристики, вес),
- плиты, несущие балки и профили для автомобильного производства (преимущества: вес, статические характеристики, устойчивость к впитыванию влаги),
- стержневые или плоские двух- или трехмерные формованные детали для деревянных строений, автомобильного производства, внутренней отделки и мебельного производства (преимущества: возможность изготовления практически любых форм, статические характеристики, вес).
ПРИМЕР
Макроволокна высушивают посредством потока теплого (50°C) воздуха и хранятся в течение нескольких дней в микроклимате помещения при температуре 20°C и относительной влажности 65%, в результате чего влажность древесины увеличивается на 12%. 210 г макроволокон как можно более точно ориентируют параллельно друг другу. 50% волокон помещают в нагретую до 50°C алюминиевую форму (30×12 см) и равномерно пропитывают посредством 60 г двухкомпонентного полиуретана (марка RAMPF № 80 L86/4-1). Затем оставшиеся 50% волокон помещают в форму, и форму закрывают, так что расположенные в ней макроволокна сжимаются до высоты 16 мм. Посредством химической реакции обоих компонентов полиуретана с имеющейся в древесине водой происходит его сильное вспенивание. По прошествии 30 минут пена полностью затвердевает, и древесно-композитный материал может быть извлечен из формы.