Экспериментальные исследования биостойкости древесно-полимерных композитов

УДК 674.04

Т. А. Бодылевская, К. А. Бодылевский, Ф. В. Назипова, С. В. Ахмадиева

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОСТОЙКОСТИ ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ

Ключевые слова: биостойкость, древесно-полимерный композит, термомодифицирование.

В статье приведены результаты исследования биостойкости древесно-полимерных композитов, имеющих в составе в качестве наполнителя опилки необработанные и термомодифицированные при температурах 160, 180, 200, и 220 С, или муку необработанную и термомодифицированную при температурах 160, 180, 200, и 220 С, в качестве связующего полипропилен или полиэтилен с различным процентным содержанием 40 или 70 %.

Keywords: biostability, wood-polymer composite termomodifying.

The results of the study of biological stability of wood-polymer composites having a composition as a filler raw sawdust and thermomodified at temperatures of 160, 180, 200, and 220 C or untreated flour and thermomodified at temperatures of 160, 180, 200, and 220 C as a binder polypropylene or polyethylene having different percentages of 40 or 70%.

Введение

Древесно-полимерные композиционные материалы (ДПК) представляют перспективный материал на основе натурального сырья, отличающийся от древесины атмосферной, механической и химической влаго-, водостойкостью, и размероста-бильностью. Благодаря чему ДПК широко применяют для отделки помещений с повышенной влажностью и для наружного оформления - террасы, причалы и т. Д. Древесно-полимерные композиционные материалы состоят из трех основных компонентов: частиц измельченной древесины; синтетических или органических термопластичных полимеров; комплекса специальных химических добавок (модификаторов), улучшающих технологические и другие свойства композиции и получаемой продукции, часто называемых аддитивами [1].

В настоящее время наиболее широко для изготовления ДПК используется древесная мука. Наряду со специально измельченной древесиной в состав ДПК могут входить некрупные опилки и шлифовальная пыль. Перспективным является использование в ДПК древесных волокон (например, картонных и бумажных отходов) [1].

Древесная мука изготавливается преимущественно из мягких, не смолистых, пород древесины. В большинстве случаев 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.

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.

Применяемые в ДПК синтетические полимеры обладают довольно большой устойчивостью к биоповреждениям. Это подтверждено многими десятилетиями эксплуатации пластиковых изделий в сложных условиях (машины, бытовые изделия, трубы, опалубка, строительные элементы и т.п.) [2].

Применение ДПК в помещениях с повышенной влажностью или на открытом воздухе может привести к образованию микротрещин, что способствует снижению биостойкости материала. Для ее повышения используют различные антисептические средства, которые могут в свою очередь снижать экологичность материала. В качестве альтернативы предложено использовать органический наполнитель в виде термомодифицированной измельченной древесины. Подробно технология получения термодревесины представлена в статьях Са-фина Р.Р., Салимгараевой Р.В., Беляковой Е.А. и др. [3-13]. Результаты исследования свойств ДПК представлены в работах Сафина Р.Р., Салимгараевой Р.В., Хасаншина Р.Р, и др. [14-18].

В связи с этим были проведены исследования биостойкости образцов древесно-полимерных композитов. Испытания проводились в 2 этапа. Исследованию подверглись образцы древесно-полимерных композитов различного состава, разного процентного содержания полимерного связующего и измельченной древесины. Все образцы ДПК изготовлены из древесины березы.

Для исследования биостойкости древесно-полимерного композита было проведено два эксперимента:

1. Исследование стойкости к биоразрушению в грунте образцов ДПК;

2. Исследование стойкости к плесневелым грибам образцов ДПК.

1. Исследование стойкости образцов ДПК к биоразрушению в грунте

В ходе проведения экспериментов были использованы образцы древесно-полимерных компо-

зитов, имеющие в составе в качестве наполнителя опилки необработанные и термомодифицированные при температурах 160, 180, 200, и 220°С, или муку необработанную и термомодифицированную при температурах 160, 180, 200, и 220°С, в качестве связующего полипропилен или полиэтилен с различным процентным содержанием 40 или 70 %.

Методика проведения эксперимента:

1. образцы ДПК погружают в воду на 24 часа для выравнивания влажности различных образцов и создания благоприятных начальных условий для гнилостных грибов;

2. затем образцы взвешивают и заглубляют во влажный грунт, содержащий грибы, характерные для местности использования древесных изделий (рис. 1);

3. после выдержки 10 суток в грунте, образцы снова взвешивают и определяют скорость влаго-поглощения, как отношение разности масс ко времени выдержки, а образцы снова заглубляют в грунт;

4. по истечении 60 суток, образцы взвешивают и сушат естественным образом в течение 10 суток, после чего определяют скорость сушки как отношение разности масс к продолжительности сушки и скорость влагопоглощения.

4. чем выше температура обработки древесного сырья, тем выше стойкость ДПК к биоразрушениям.

II ГШ 60*40 ПЭ 60*40

10 20 30 40 50 60 х, сут

а

Ш130*70 ПЭ 30*70

10 20 30 40 50 60

х, сут

б

Рис. 2 - Изменение массы образцов ДПК, содержащих полипропилена (ПП) и полиэтилена (ПЭ): а) 40%; б) 70%

Таблица 1 - Изменение массы образцов ДПК, имеющих в составе термообработанные при температурах 160, 200 и 220°С опилки

Рис. 1 - Исследование стойкости образцов ДПК к биоразрушению в грунте

На основании проведенного эксперимента были получены следующие данные, представленные на рис. 2 и в табл. 1. Оценка эффективности термообработки заключалась в сравнении потери массы обработанных и не обработанных образцов ДПК после выдержки в среде в течение 2 месяцев. Степень разрушения структуры измельченной древесины грибами прямо пропорциональна скорости вла-гопоглощения.

Результаты эксперимента показали:

1. наилучшими показателями при исследовании биостойкости образцов ДПК в грунте обладают образцы, в состав которых входит термопластичный полимер - полипропилен, вне зависимости от процента содержания его в образцах;

2. чем больше содержание связующего (полимера), тем больше стойкость образца к влагопог-лощению;

3. чем меньше размеры древесных частиц, тем больше биостойкость;

Древесный Время выдержки образцов ДПК в грунте,

наполни- сут

тель 10 20 30 40 50 60

О160 19,42 29,13 29,13 29,61 32,04 34,47

М160 13,94 19,39 23,64 30,91 31,52 34,55

О200 17,59 25,63 28,14 28,20 31,20 33,21

М200 12,91 18,22 22,09 28,02 29,47 31,40

О220 13,64 18,42 20,00 21,05 25,26 27,89

М220 8,91 13,22 15,8 20,40 22,26 22,70

2. Испытание образцов ДПК на стойкость к плесневелым грибам

В ходе проведения экспериментов были использованы образцы древесно-полимерных композитов, имеющие в составе в качестве наполнителя опилки необработанные и термомодифицированные при температурах 160, 180, 200, и 220°С, или муку необработанную и термомодифицированную при температурах 160, 180, 200, и 220°С, в качестве связующего полипропилен или полиэтилен с различным процентным содержанием 40 или 70 %

Суть метода заключается в выдерживании образцов ДПК в условиях, оптимальных для развития грибов в присутствии дополнительного источ-

ника питания. Грибостойкость оценивали по шести бальной шкале (от 0 до 5), в соответствии с ГОСТ 9.048-89 (метод 4). Для испытания изделий применяют следующий вид грибов - Trichoderma.

Методика проведения эксперимента на стойкость к плесневым грибам. Готовят посуду, среды (Чапека-Докса с агаром), чашки Петри в соответствии с приложениями 2, 3, 5 ГОСТа 9.048-89 [19]. Среду Чапека-Докса с агаром разливают по чашкам Петри. Готовят суспензию спор грибов в воде и одновременно проводят контроль жизнеспособности спор грибов.

В чашки Петри с застывшей питательной средой размещают по два образца, затем образцы заражают водной суспензией спор грибов. Суспензию наносят равномерно с помощью пульверизатора, не допуская слияния капель.

Чашки с образцами помещают в эксикатор. Испытания проводят при температуре (29 ± 2) °С и относительной влажности более 90 %. За начало испытаний принимают время получения заданного режима. Продолжительность испытаний 28 сут.

В камере или эксикаторе не допускаются конденсация влаги, принудительная вентиляция воздуха и воздействие прямого естественного или искусственного освещения. В процессе испытаний каждые 7 сут. Крышки эксикаторов приоткрывают на 3 мин для доступа воздуха

Контрольные чашки Петри осматривают через 5 сут. Если на питательной среде не наблюдается развития грибов, то они считаются нежизнеспособными.

После испытаний образцы испытательной и контрольной выборок извлекают из эксикатора и осматривают при освещенности 200 - 300 лк невооруженным глазом, затем под микроскопом при увеличении 56 - 60х и оценивают грибостойкость каждой детали изделия по интенсивности развития грибов. Результаты испытаний приведены на рисунке 3.

Рис. 3 - Образцы ДПК: 4 - опилки 220°С; 5 -мука 160°С; 6 - мука 200°С; 12 - древесная мука необработанная ПЭ 30х70; 13 - необработанные опилки ПП 60х40

Эксперимент показал отсутствие эффективности термообработки для повышения стойкости к плесневым грибам. Уже по истечению 7 дней все образцы были покрыты мицелием плесневых грибов. Это можно объяснить высокой способностью плесневых грибов к существованию на любых поверхностях, содержащих в своем составе целлюлозу и лигнин. Соответственно, для увеличения срока службы изделий, изготовленных из термомодифи-

цированной древесины, как и необработанной, целесообразно применение соответствующих антисептических препаратов.

Заключение

Результаты проведенных исследований бис-тойкости древесно-наполненных композиционных материалов показали следующее:

1. наилучшими показателями при исследовании биостойкости образцов древесно-наполненных композитов в грунте обладают образцы, в состав которых входит термопластичный полимер - полипропилен;

2. увеличение процентного содержания связующего (полимера) способствует улучшению показателя стойкости образца к влагопоглощению;

3. древесно-наполненные композиты с меньшими размерами древесных частиц более биостойки;

4. термомодифицирование незначительно влияет на стойкость древесных материалов к плесневым грибам;

5. с возрастанием температуры обработки древесного сырья повышается стойкость композиционного материала.

Таким образом, древесно-наполненные композиционные материалы не рекомендуется применять в условиях прямого контакта с грунтом, но их можно использовать в производстве сайдинга, эксплуатируемого в среде с часто изменяющейся влажностью.

Литература

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

2. Шулаев, М.В. Исследование стойкости термомодифи-цированной древесины к воздействию плесневелых грибов / С.В. Ахмадиева, П.А. Кайнов // Дерево - обрабатывающая промышленность.- 2012.- №2.- С.29-32.

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

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

5. 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.

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

7. Пат 2453425 Ш, МПК В27К3/02 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.

8. Пат 2453426 Ш, МПК В27К5/04 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Сафин, Р.Р. Усовершенствование технологии термомодифицирования древесины БГКОБ-ТМГ / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вест. казан. гос. техн. унта. - 2012. Т. 15.- №13. - С.134-136.

13. 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.

14. 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.

15. Разумов, Е.Ю. способ обработки термомодифициро-ванной древесины / Е.Ю. Разумов, Р.В. Данилова // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2011.- №4. - С.74-78.

16. Сафин, Р.Р. Исследование свойств древесно-полимерных композитов на основе термомодифици-рованного 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.

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. 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.

19. ГОСТ 9.048-89. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов [Текст]. -Взамен ГОСТ 9.048-75; введ. 01.07.1991. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1989.

© Т. А. Бодылевская - магистрант каф. АрД, КНИТУ, archiwood@mail.ru; К. А. Бодылевский - магистрант каф. АрД, КНИТУ; Ф. В. Назипова - студент каф. АрД, КНИТУ; С. В. Ахмадиева - асп. каф. ХК, КНИТУ.

© T. A. Bodylevskaya - Master student Dep. ARD, KNRTU, archiwood@mail.ru; K .A. Bodylevsky - Master student Dep. ARD, KNRTU; F. V. Nazypova - Master student Dep. ARD, KNRTU; S. V. Ahmadieva - Graduate student Dep. ARD, KNRTU.