Рассмотрена возможность применения полимерных отходов для получения древесно-полимерного композита. В качестве исходных материалов для получения образцов ДПК использовались вторичный полиэтилен высокого давления (ПЭВД), вторичный полипропилен (ПП) и древесная мука марки 180.Соотношение наполнителя и связующего вещества – 1:1. Полученые образцы ДПК были исследованы на водопоглощение, характеризующее долговечность ДПК, поскольку позволяет оценить стойкость материала к агрессивным факторам атмосферных воздействий.
Ключевые слова: композиционные материалы, полимерные отходы, полиэтилен, полипропилен, древесная мука, экструдер, водопоглощение.
Повышение уровня конкурентоспособности казахстанских товаров и само инновационное развитие практически всех отраслей промышленности невозможно без использования термопластичных полимерных материалов.
Синтетические полимерные материалы используются в качестве конструкционных, электроизоляционных, строительных, упаковочных и прочих материалов.
Мировое производство термопластичных полимеров в 2015 г составило около 245 млн т/год [1].
К числу наиболее востребованных полимеров относится полиэтилен (38% потребления) и полипропилен (14%).
Данные материалы применяют в различных отраслях. Так, на упаковку приходится до 40% всех термопластов, на стройматериалы – до 25%, около 10% - автомобилестроение и 8% - на электротехнику [1].
Самым крупнотоннажным полимером является полиэтилен, который используется преимущественно для упаковки. Цикл обращения полимерных упаковочных материалов невелик, и спустя короткое время после производства, все эти материалы оказываются на свалках и захоронениях. В силу своего химического строения синтетические полимеры практически не разлагаются в естественных условиях, что пагубно влияет на экологию.
Полимерные отходы занимают одно из первых мест в составе твердых бытовых отходов. Высокая стойкость полимерных отходов к внешней среде и постоянно уменьшающиеся ресурсы традиционного сырья, в частности, снижение запасов нефти и газа вынуждают к повторному использованию полимерных отходов.
Таким образом, вторичная переработкаявляется одним из приоритетных направлений утилизации отходов полимерныхупаковочных материалов с экономической и экологической точек зрения.Используются различные способы утилизации полимерных отходов: рециклинг, сжигание, пиролиз, захоронение.
Получение композиционных материалов различного назначения на основе вторичного полимерного сырья является одним из видов рециклинга [2].
К таким композитам можно отнести древесно-наполненные полимерные композиционные материалы (ДПК), которые производятся на основе отходов полимерной и деревообрабатывающей промышленностей.
Древесно-полимерный композитный материал (ДПКМ) или древесно-полимерный композит (ДПК) – относительно новая, но отлично зарекомендовавшая себя разработка в области строительных материалов. ДПК сочетает в себе лучшие стороны древесины и пластика и при этом практически не имеет их недостатков.
По внешнему виду древесно-полимерный композитный профиль с высоким содержанием древесины более всего напоминает твердую ДВП, а с малым ее количеством - пластмассу.
Изделия на основе ДПК завоевывают рынок довольно быстро.
Движущими силами в развитии композиционных материалов является:
1) Потребность мирового хозяйства в разнообразной гамме материалов и изделий, производимых с учетом их целесообразного применения;
2) Технический прогресс в химии полимеров;
3) Экологические факторы.
Достоинством ДПК является: экологичность (не имеет вредных примесей и добавок), внешний эстетичный вид, напоминающий натуральную древесину; низкое водопоглощение; высокая прочность при растяжении, сжатии и изгибе; огнестойкость; высокое сопротивление микробному воздействию; возможность вторичной переработки [2].
ДПК пригодно к повторному использованию в тех же процессах и материал не теряет своих свойств в течение 3-4 циклов переработки.
Изделия из ДПК служат заменой древесины в домостроении, садовой архитектуре, изготовлении профиля для оконных и дверных конструкций, отделки интерьеров, полотен дверей, столов, подоконников и даже мебели.
Основные составляющие ДПК – измельченная древесина и термопластичный полимер. Содержание древесины в ДПК может быть различным - чем ее больше, тем свойства такого материала ближе к натуральному дереву. Кроме того, в состав ДПК входят различного рода добавки для улучшения свойств композита.
В древесно-полимерных композитах применимы только такие термопласты, которые могут перерабатываться при температурах ниже 200°С. Это ограничение обусловлено невысокой термостойкостью древесины, что до некоторой степени сужает выбор полимеров, но и не является абсолютным.
Полиэтилен имеет относительно низкую температуру плавления (обычно между 106 и 130 °С, в зависимости от плотности/разветвленности ПЭ) и может производиться с очень широким диапазоном вязкостей расплава. Расплавы хорошо смешиваются с наполнителями, а низкая температура плавления позволяет использовать целлюлозное волокно в качестве наполнителя без большого риска значительнойтермодеструкции.
Для получения и исследования свойств ДПК были получены образцы композитов в нанолаборатории на базе Актюбинского регионального государственного университета им. К. Жубанова (г.Актобе).
В качестве исходных материалов для получения образцов ДПК использовались следующие вторичные полимеры: полиэтилен высокого давления (ПЭВД), полипропилен (ПП). В качестве древесного наполнителя применялась древесная мука марки 180. Соотношение наполнителя и связующего вещества во всех образцах одинаково – 1:1.
Содержание древесного наполнителя в количестве 50% необходимо и достаточно для сохранения механических свойств композиционного материала.
На первом этапе проводилась подготовка древесного заполнителя, заключающаяся в его измельчении до размеров древесной муки и сушке в термошкафу в течении 2 ч до влажности менее 1%. Затем осуществлялось вальцевание с целью получения полуфабриката ДПК, который подавали в загрузочное устройство экструдера. Затем цилиндр нагревают до заданной температуры и приводят в движение шнек. Продвижение материала осуществляется вследствие разности значений силы трения ДПК о внутреннюю поверхность корпуса цилиндра и о поверхность шнека.
Продвигаясь дальше, происходит подплавление смеси, примыкающей к поверхности цилиндра. Расплав постепенно накапливается и воздействует на убывающую по ширине пробку. Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера.
Композиционные материалы получили в смесительной камере экструдера.
Образцы ДПК были получены на лабораторной установке, состоящей из двухшнекового вертикального экструдера фирмы XPLORE.
В процессе получения пластин температура по зонам составляла около 1700С.
Водопоглощение является одним из основных показателей эксплуатационных свойств исследуемых композиций, который характеризуют долговечность ДПК, поскольку позволяет оценить стойкость материала к агрессивным факторам атмосферных воздействий.
Состав композиций представлен в таблице 1.
Таблица 1
Состав древесно-полимерных композиций
|
Состав композиций |
Состав образца |
|
|
Полимер |
Древесина |
|
|
Композиция 1 |
Полиэтилен высокой плотности 50 % |
Сосновая мука 50 % |
|
Композиция 2 |
Полипропилен50 % |
Сосновая мука 50 % |
|
Композиция 3 |
100 % |
|
|
Композиция 4 |
Полиэтилен высокой плотности 100 % |
|
|
Композиция 5 |
Полипропилен 100 % |
|
Испытание образцов ДПК проводилось по ГОСТ 4650-80 «Пластмассы. Методы определения водопоглощения».
Результаты эксперимента показали, что ДПК обладает достаточно низким водопоглощением, что является преимуществом по сравнению с древесиной.
Результаты эксперимента представлены в таблице 2.
Таблица 2
Сравнительная характеристика водопоглощения ДПК, полимера и древесины
|
Время под водой, сутки |
Поглощение воды, % |
||||
|
ДПК |
Полимер |
Сосна |
|||
|
ПЭВП 50% - сосновая мука 50 % |
ПП 50 % - сосновая мука 50 % |
ПЭВП |
ПП |
||
|
1 (24 ч) |
8,6 |
2,8 |
0,01 |
0,03 |
33 |
Поглощение воды композиционными материалами зависит от пористости, количества целлюлозного волокна и доступности внешней воды.
Композитные материалы обычно пористые и степень их пористости определяется влажностью сырьевого материала и условиями переработки (в первую очередь, локальным перегревом), которые определяют плотность (удельный вес) конечного изделия.
Поры в композитных материалах обычно открытые и образуют цепи, пронизывающие всю матрицу. Древесные волокна обнажаются этими порами. Отсюда более высокая или более низкая степень поглощения воды. Вода проникает внутрь композитной матрицы очень медленно. В древесине проникновение происходит гораздо быстрее, и высокий уровень влаги может быть достаточно глубоко в матрице. Минеральные наполнители, как правило, не поглощают воду (или поглощают очень незначительно), так что они снижают поглощение воды.
Поглощение воды в основном имеет место в наружных слоях композиционных материалов, и оно последовательно снижается при продвижении вглубь матрицы. Поэтому цифры относятся только к суммарному увеличению веса материала, но никак не характеризуют распределение воды в объеме материала [3,4].
Чем больше содержание влаги в исходном сырье, тем выше количество летучих продуктов, образующихся при переработке; чем выше пористость, тем ниже плотность материала и тем выше поглощение воды.
Что касается полимера, то чем ниже его содержание, тем выше поглощение воды при том же самом составе, поэтому увеличение содержания полимера в композите ведет к уменьшению поглощения воды.
Литература:
- Пантюхов П.В., Монахова Т.В., Попов А.А. Композиционные материалы на основе полиэтилена и лигноцеллюлозных наполнителей структура и свойства // Башкирский химический журнал, 2012 г. Том 19 № 2
- Бодьян Л.А., Варламова И. А., Гиревая Х. Я., Калугина Н. Л., Гиревой Т. А. «Исследование композиционных материалов на основе вторичного полимерного сырья»// Современные наукоемкие технологии №2, 2015 г.
- Ершова О.В., Мельниченко М.А., Муллина Э.Р. Влияние компонентного состава наполнителя на свойства древесно-полимерного композита // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 10. – С. 29-31;
- Ершова О.В., Чупрова Л.В., Муллина Э.Р., Мишурина О.А. Исследование зависимости свойств древесно-полимерных композитов от химического состава матрицы // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2.
