Современные древесно-полимерные композиты

Проблема создания энерго- и ресурсосберегающих технологий и рационального использования отходов деревоперерабатывающей промышленности особенно актуальна в Российской Федерации, где каждый год образуется 700 - 800 тыс. куб. м отходов древесины. Одним из целесообразных решений данной проблемы является использование древесного наполнителя в производстве многокомпонентных материалов, которыми являются древесно-полимерные композиты (ДПК) [1, 2].

Это особый класс композиционных материалов с содержанием древесного наполнителя более 50 % и сочетающих в себе свойства, как полимера, так и органического наполнителя [3].

Рисунок 1. Основные этапы развития древесно-полимерных композитов

ДПК не является недавним изобретением. Первым индустриальным древесным композитом считается клееная фанера, изготавливаемая машинным способом. Первоначально листы шпона склеивались животными клеями, но, начиная с двадцатых годов XX века, на смену им пришел синтетический (преимущественно фенолоформальдегидный и карбамидоформальдегидный) клей.

После второй мировой войны началось зарождение древесно-стружечных плит (ДСП) на основе формальдегидных смол, которые изготавливались путем плоского горячего прессования из стружек. Кроме опасности для здоровья, данный композит уступал по прочности натуральной древесине, что стало толчком для дальнейшего развития композитов. В итоге, в шестидесятых годах прошлого века на смену ДСП пришел улучшенный материал MDF (medium density fiberboard) – волокнистые плиты средней плотности сухого способа прессования, произведенные из мелких древесных частиц и после свойлачивания и просушивания склеенные в плиты с помощью парафина и лигнина, относительно безвредных для человека. Но наряду с этим материал приобрел значительный минус: необработанные края плит легко впитывали влагу и разбухали, вследствие чего изделие деформировалось.

Чуть позже, в восьмидесятых годах, было организовано производство нового класса древесностружечных плит OSB (oriented strand board) из крупноразмерной древесной стружки специальной формы, которая перед формовкой плиты ориентировалась в определенных направлениях. Плита состояла из трех слоев: во внешних – стружка была направлена в плоскости плиты, в среднем – перпендикулярно внешним слоям в той же плоскости. Благодаря этому композит приобрел высокую прочность наряду с влагостойкостью. В то же время, в произведенных без соблюдения экологических требований плитах наблюдалась высокая эмиссия формальдегида и других токсичных смол, превышающая предельно допустимую концентрацию в воздухе [4].

Длительное время древесно-полимерные композиты развивались на основе термореакивных смол в качестве связующих материалов. Но начиная с девяностых годов, в особенности в США, начинается освоение ДПК на основе термопластичных смол (полиолефинов, ПВХ и других). По мере освоения выяснилось, что данные композиты, помимо экологичности, обладают хорошей устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям – влаге, световому облучению и биологическим повреждениям и лучшими физическими и химическими свойствами, чем используемые ранее древесные многокомпонентные материалы.

В состав термопластичных древесно-полимерных композитов (ДПКТ) входят три основных компонента: древесный наполнитель, органические или синтетические полимеры, набор специальных добавок (или аддитивов), улучшающих технологические характеристики конечного продукта.

Свойства многокомпонентного материала обуславливаются свойствами полимерной матрицы, древесных частиц, характером связей между древесными частицами и полимерной матрицей, структурой полученного композита, в том случае, когда древесины в композите относительно больше.

Древесный наполнитель обладает следующими преимуществами: легкостью переработки, доступностью, невысокой плотностью, экологичностью. Но наряду с тем, при эксплуатации изделий на основе такого наполнителя наблюдаются влажностные деформации, обусловленные высокой гигроскопичностью материала, низкой атмосферостойкостью, приводящие к снижению прочности изделия и возникновению внутренних напряжений, что, в результате, способствует разрушению структурной цельности конструкции материала [1].

Самым распространенным наполнителем для изделий из древесно-полимерных композитных материалов является древесная мука – порошкообразная древесина, полученная путем измельчения на мельницах отходов обработки древесины, что объясняется ее низкой стоимостью, общедоступностью, легкостью помола, большими запасами, высокой дисперсностью и нетоксичностью [3]. В качестве наполнителя композита используется мука с размером частиц от 40 - 300 мкм. Использование дополнительно измельченной древесной муки позволяет вдвое увеличить физико-механические свойства материала при той же степени наполнения. При этом также увеличивается производительность и снижается водопоглощение [5].

В ДПКТ с относительно низким содержанием древесного наполнителя свойства композита характеризуются свойствами связующего вещества, в качестве которого применяются термопластичные полимеры, наиболее распространенными из которых являются полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) и поливинилхлорид (ПВХ) [1].

ПЭ является продуктом полимеризации этилена, обладает высокой прочностью при изгибе и растяжении, сочетает в себе данные показатели наряду с эластичностью. Полиэтилен химически стоек, безвреден для организма человека, хорошо текуч, легко обрабатывается. Синтезируемый при высоком давлении полиэтилен (ПЭВД) сочетает в себе невысокую стоимость с высокими показателями диэлектрических свойств, стабильными в различных температурно-влажностных условиях эксплуатации, обладает высокой стойкостью к растрескиванию, эластичен при низких температурах. Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), получаемый при среднем и низком давлении, более устойчив к воздействию растворителей, жидких и газообразных агрессивных веществ. За счёт своей высокой теплостойкости, твердости, жесткости и морозостойкости материалоемкость изделий на его основе ниже в 1,2 - 1,4 раза [6].

ПП синтезируется путем полимеризации пропилена, в присутствии металлокомплексных катализаторов, устойчив ко многим химически агрессивным средам и высоким температурам, обладает высокой ударной прочностью, твердостью и стойкостью к многократным изгибам, имеет низкую газопроницаемость и большой модуль упругости. К недостаткам данного полимера можно отнести чувствительность к свету и низкую морозоустойчивость, которые устраняются путем введения в полимер стабилизатора.

ПВХ – продукт полимеризации винилхлорида, высоко устойчив к горению, к воздействию влаги, газов, щелочей, минеральных масел, большинства растворителей и кислот. С точки зрения производства изделий из термопластичного древесно-полимерного композита к недостаткам данного полимера относится сложность переработки композита в связи с высокой вязкостью расплава, и температура перехода ПВХ в текучее состояние, которая близка к значению температуры термического разложения древесины.

На сегодняшний день остро стоит вопрос вторичной переработки отходов из полимеров в связи с ростом производства данной продукции. Из твердых полимерных отходов получают дробленку, гранулят и прочее сырье, которое является более экономичным и экологичным и в то же время сохраняет основные характеристики первичного сырья [1].

Для улучшения свойств в состав древесно-полимерных композитов вводят специальные добавки-модификаторы. Антимикробные агенты – биоциды (соединения бора, оксибисфеноарсин, изотиазолин и пр.), противодействуют развитию микроорганизмов и грибков как на поверхности, так и внутри композита. Стабилизаторные агенты обеспечивают сохранность полимеров при переработке и при эксплуатации: антиокислители препятствуют окислению материалов композита в ходе технологического процесса, температурные стабилизаторы – деструкции смолы, светостабилизаторы – старению материала. Связующие аддитивы способствуют обеспечению лучших связей между элементами композита. Противоударные средства повышают ударную прочность изделий. Смазочные и технологические добавки (процессинговые добавки) снижают трение в процессе переработки (в литьевой машине, экструдере, компаундере, фильере), повышают производительность системы. Огнезащитные добавки – антипирены (тригидрат алюминия, оксид сурьмы, гидрооксид магния, фосфаты эфиров, борат цинка и т.д.), улучшают эксплуатационную огнестойкость изделий. Вспенивающие агенты обеспечивают вспенивание смолы для снижения плотности композита. Красители и пигменты придают композиту определенный внешний вид и стойкость под воздействием УФ-излучения. Антистатические добавки препятствуют образованию статического электричества и снижают его потенциал за счет понижения поверхностного электрического сопротивления материала.

Благодаря использованию аддитивов возможно улучшение свойств материала, в то же время добавки воздействуют на свойства по-разному, улучшая одни характеристики, ухудшаются другие, таким образом, при изготовлении композиционных материалов невозможно привнести в изделие всех качественных свойств, поэтому акцент необходимо делать на приоритетные показатели [7].

К основным способам производства ДПКТ изделий относится литье под давлением и экструзия. Литье под давлением реализуется при помощи специальных литьевых машин ˗ термопласт-автоматов, куда подается разогретый компаунд посредством поршня или шнекового нагнетателя, создающего достаточно высокое давление. Использование литья как метода производства лимитируется параметрами пресс-форм и мощностью литьевой машины. Этим методом перерабатывается порядка 15 % термопластичных древесно-полимерных композитов. Экструзия представляет собой прохождение расплава через фильеру с формированием сечения готового изделия и последующим охлаждением. Компоненты материала подаются в экструзионное оборудование и смешиваются в процессе вращения шнеков. Данный метод широко применяются при выработке полимерных листов и пленок, труб и профильных деталей [8].

В общем случае, технология производства композита включает в себя следующие этапы: измельчение древесного сырья и его дальнейшая сушка; дозирование всех компонентов согласно рецептуре и их смешивание; прессование смеси; грануляция; формование изделия.

Процесс измельчения древесного сырья направлен на уменьшение размера частиц исходного наполнителя для облегчения работы пресса гранулятора. При этом, чем меньший размер имеют частицы древесины, попадающие в камеру прессования внутренней полости вращающейся матрицы, тем меньшее сопротивление приходится на роликовый узел и двигатель – ресурс работы пресса увеличивается. Тонкий помол наполнителя улучшает совместимость с полимерами, способствует образованию реакционно-активных поверхностей.

После мельниц измельченные опилки поступают в бункер, куда доставляется сухая стружка от деревообделочных станков. Из бункера древесное сырье поступает в специальные сушилки барабанного типа, где сушатся во взвешенном состоянии в потоке высокотемпературной газовоздушной смеси до 5 - 8 % влажности.

Перед подачей полимера в экструдер готовится гомогенная смесь из полимера с добавлением специальных добавок, в зависимости от рецептуры изделия. Компоненты дозируются, и после для получения однородной смеси – смешиваются в высокоскоростных смесителях.

Дальнейшая грануляция повышает технологические качества вещества, предотвращает спекания и сыпучесть материала, позволяет использовать материал небольшими порциями, облегчает погрузку и транспортировку. Формование изделий происходит путем подачи гранул в бункер с последующей экструзией при температуре плавления [1].

В основном, производство изделий из термопластичного древесно-полимерного композита, осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит совмещение и равномерное распределение сырьевых материалов в процессе компаундирования. Исходом компаундирования являются ДПК-гранулы, в последующем перерабатываемые в готовые изделия.  В случае производства экструзия с предварительным компаундированием древесный наполнитель измельчается и тщательно высушивается, полимерные гранулы, древесный наполнитель и добавки в заданной пропорции смешиваются в миксере, готовая смесь поступает через бункер в экструдер, в процессе плавления сырье, смешиваясь, поступает по каналам в гранулятор, где ножи обеспечивают отрезания гранул необходимого размера. Гранулы охлаждаются и собираются в накопительную емкость.

Прямая экструзия заключается в непосредственной подаче компонентов в экструдер с помощью систем автоматического дозирования, отличается зоной предварительной пластикации, где происходит плавление полимера, расплав поступает в основной рабочий цилиндр экструдера и продвигается шнеками к экструзионной головке, затем, через отдельное загрузочное отверстие в расплавленный полимер подается древесная мука. Такой способ сокращает время пребывания древесины в экструдере и позволяет избежать ее термодеструкции.

Конкурентоспособность современных древесно-полимерных изделий на рынке предопределена следующими достоинствами, оказывающими положительное влияние на перспективы развития производства и потребления продукции. Древесно-полимерные композиты имеют гладкие поверхности и однородную структуру по всему сечению, в них отсутствуют дефекты, присущие аналогичным строительным изделиям из древесины (сучки, косослой, гниль), имеют повышенную устойчивость к воздействию микроорганизмов и насекомых; хорошо обрабатываются; имеют улучшенный комплекс свойств, в том числе прочностных наряду с относительно дешевой стоимостью исходного сырья; сохраняют свои свойства на протяжении всего периода эксплуатации и не требуют дорогостоящего обслуживания; эффективно комбинируются с металлическими и другими строительными изделиями, что позволяет создавать прочные конструкции.

Самая большая доля выпуска ДПК принадлежит террасным доскам ˗ декингу. Террасная доска дает возможность обустроить прилежащий участок к дому, обыграть территории у водоемов, оформить зоны отдыха. Декинг превосходит обычную древесину по своим характеристикам, и кроме того обладает высокими эксплуатационными качествами.

Остальные характерные области применения композитов представлены на рисунке 2. 

Рисунок 2. Области применения древесно-полимерных композитов

Промышленное производство изделий из древесно-полимерных композитов сегодня распространено во многих странах мира, лидером мирового производства являются США (около 80 %) [9]. В России производство динамично развивается, начиная с 2010 года.  В поддержку развития производств древесно-полимерных композитов в октябре 2013 года Правительством РФ в рамках мер, направленных на развитие строительной индустрии в России, было издано постановление № 972 «Предоставление субсидий из федерального бюджета на поддержку развития производства композиционных материалов (композитов) и изделий из них в рамках реализации российскими организациями комплексных инновационных проектов по созданию высокотехнологичной продукции». Согласно этому документу, к 2020 году объем производства композитных материалов и изделий в РФ вырастет с 16,6 млрд до 120 млрд руб., объем потребления продукции на душу населения достигнет 1,5 кг/год. Кроме того, к 2020 году с 1 до 10 % должна вырасти доля экспорта композитов [10].

Создание нормативной базы качества готовой продукции и системы контроля производства благоприятствует росту рынка термопластичных древесно-полимерных композитов. Однако в Российской Федерации сейчас действует одна аккредитованная организация, проводящая системные исследования по вопросам оценки качества товаров из ДПК – ООО «НИЦ «ДПК». Разработанный основополагающий документ для стандартизации продукции «Руководство по качеству продукции из ДПК» определяет обязательные к использованию методы оценки качества изделий, указывает предельно допустимые значения, устанавливает четкие критерии для отсечения некачественной продукции [11].

В Оренбургской области производство древесно-полимерных композитов нового поколения является перспективным направлением. Стабильный рост потребления будет вызван стойкостью изделий к атмосферным воздействиям внешней среды, низким температурам (характерным для региона) и низкой себестоимостью, обусловленной полной загрузкой производственных сил и минимальными транспортные расходами. Востребованность древесно-полимерных изделий будет обуславливаться широким диапазоном применения изделий: в строительстве, мебельной и автомобильной промышленности, для изготовления садовых конструкций, тары, детских площадок, в судостроении и портовой инфраструктуре. Для конкурентоспособности выпускаемой продукции необходимо лишь создавать изделия с высокими качественно-эксплуатационными показателями, привлекательными в ценовом диапазоне.

Список литературы:

1. Файзуллин И. З. Древесно-полимерные композиционные материалы на основе полипропилена и модифицированного древесного наполнителя : дис. ... канд. техн. наук. — Казань:   КНИТУ, 2015 — 123 с.
2. Галиев И. М. Создание многослойного напольного настила на основе древесно-полимерных композитов : дис. ... канд. техн. наук. — Казань:   КНИТУ, 2015 — 117 с.
3. Бурнашев А. И. Высоконаполненные поливинилхлоридные строительные материалы на основе наномодифицированной древесной муки : дис. ... канд. техн. наук. — Казань: КГАСУ, 2011 — 159 с.
4. Абушенко А. В. Генезис древесно-полимерных композиционных материалов // DPK-DECK: Производство и продажа древесно-полимерного композита. URL:  http://www.dpk-deck.ru/page/recepturi.html (дата обращения 08.05.2019).
5. Файзуллин И. З., Мусин И.Н., Вольфсон С.И. Влияние размера частиц наполнителя на свойства древесно – полимерных композитов // Вестник казанского технологического университета. — 2013. — Т. 16, № 5. — С. 103–106.
6. Особенности применения первичных и вторичных полимерных материалов в производстве ДПК [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.savewood.ru/osobennosti-primeneniya-pervichnyh-i-vtorichnyh-polimernyh-materialov-v-proizvodstve-dpk/ (дата обращения 06.05.2019)
7. Абушенко А. В. О добавках и рецептурах ДПК // DPK-DECK: Производство и продажа древесно-полимерного композита. URL:  http://www.dpk-deck.ru/page/recepturi.html (дата обращения 08.05.2019)
8. Абушенко А. В., Воскобойников И. В., Кондратюк В. А. Производство изделий из ДПК // Дерево.ру: Деловой журнал по деревообработке. — 4-2008. Июль-август. — С. 88–94. URL: http://c-a-m.narod.ru/archive-PDF/Pr_vo_isdel_DPKT_Derevo.Ru_04_08.pdf (дата обращения 10.05.2019)
9. Бурнашев А. И. Высоконаполненные поливинилхлоридные строительные материалы на основе наномодифицированной древесной муки // Полимеры в строительстве: научный Интернет-журнал. — 2016. — № 1 (4). С. 12–37. URL: https://polymer.kgasu.ru/files/N4-4-13.12.2016.pdf (дата обращения 20.05.2019)
10. Щербина Е. Производство древесно-полимерных композитов // ЛесПромИнформ: Журнал профессионалов ЛПК. — 2016. — № 5 (119). С. 129–133. URL: https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=4443 (дата обращения 28.05.2019).
11. Руководство по качеству ДПК // E-PLASTIC: Все о пластиках и полимерах. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://e-plastic.ru/specialistam/composite/rukovodstvo-po-kachestvu-dpk/ (дата обращения 29.05.2019)