Библиографическое описание:

Абилова Г. К., Жаумитова Г. Б. Изучение влагопрочностных свойств древесно-наполненных полимерных композиционных материалов на основе вторичных полимерных отходов // Молодой ученый. — 2016. — №8.2. — С. 58-60.



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:

  1. 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
  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.
  3. 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;
  4. 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.
Основные термины (генерируются автоматически): композиционных материалов, полимерных отходов, получения образцов ДПК, долговечность ДПК, Полученые образцы ДПК, исследования свойств ДПК, основе ДПК, древесная мука, получения полуфабриката ДПК, Достоинством ДПК, силы трения ДПК, древесная мука марки, качестве исходных материалов, состав ДПК, Образцы ДПК, полиэтилен высокого давления, поглощение воды, агрессивным факторам атмосферных, факторам атмосферных воздействий, выше поглощение воды.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle