Древесно-полимерные композиты

Одной из основных причин растущего интереса к ДПК является прежде всего низкая стоимость сырья. И если на начальной стадии развития ДПК их качество соответствовало их сравнительно низкой цене, то в последние годы наблюдается все более отчетливая тенденция к созданию высококачественной продукции из ДПК. Эти материалы находят все более широкое применение не только в качестве «заменителей» дре­весины или традиционных ПМ, но и как самостоя­тельный класс материалов со своими достоинствами и недостатками.

Современные ДПК в целом отвечают требованиям переработчиков в отношении прочности, долговеч­ности и цветостойкости, но их большим недостатком все еще остается невысокая ударная вязкость. По прочности и модулю упругости при изгибе ДПК усту­пают чистой древесине и сравнимы с материалами ориентированно-стружечных плит но превосходят их по существенно меньше­му влагопоглощению, благодаря чему имеют более высокую размерную стабильность и пригодны к использованию на открытом воздухе.

Плотность древесно-полимерного композита выше, чем, наeпример, у ОСП или МДФ, что объясняется более высокими давлениями формования изделий, при которых происходит уплот­нение частиц древесного наполнителя, уменьшение пористости и монолитизация компаунда. При очень больших давлениях формования плотность ДПК может достигать 1,4 г/см³.

Большим преимуществом ДПК перед ОСП, МДФ и чистой древесиной является более высокая стойкость к действию факторов окружающей среды. Так, например, стойкость ДПК к УФ-излучению, характеризуемая из­менением цвета образцов, заметно выше, чем у чистой древесины, но уступает, конечно, чистому ПВХ. То же справедливо и в отношении размерной стабиль­ности изделий из ДПК в атмосферных условиях.

Факторы, влияющие на свойства древесно-полимерного композита 

Свойства ДПК сильно изменяются в зависимости от рецептуры ДПК, метода и технологических параме­тров переработки. Наиболее существенно на свойства ДПК влияют следующие факторы:

- содержание древесного наполнителя,

-  тип древесины,

- геометрия частиц древесного наполнителя,

-  тип термопластичной матрицы,

- добавки,

- влага,

- технология переработки.

Влияние содержания древесного наполнителя

Свойства ДПК сильно зависят от содержания древесного наполнителя, волокнистая структура кото­рого дает эффект армирования. Так, с увеличением древесного наполнителя увеличиваются и прочность, и модуль упругости древесно-полимерного композита, но даже при небольших значениях древесного наполнителя происходит резкое снижение ударной вязкости.

При эксплуатации изделий из древесных мате­риалов в условиях окружающей среды важнейшим фактором становится их влагопоглощение, с которым тесно связаны размерная стабильность изделий и их стойкость к разрушающему воздействию грибковых структур. Для древесно-полимерного композита, как и для чистой древесины, ха­рактерны явления разбухания при абсорбции влаги и усадки - при ее десорбции. При этом величина влагопоглощения зависит главным образом от содержания дре­весного наполнителя, так как типы термопластичных ПМ, используемых в качестве матрицы ДПК (ПП, ПЭ и ПВХ), негидрофильны, хотя обладают сравнительно высокой водопроницаемостью.

Из экономических соображений более предпочти­тельны повышенные значения наполнителя что связано, однако, с ростом влагопоглощения, опасностью грибкового воздействия и снижением стойкости к УФ-излучению. Поэтому на практике максимальные значения, напри­мер, у экструзионных изделий из ДПК не превышают 60 % масс., хотя можно добиться и более высокого со­держания древесного наполнителя.

Влияние типа древесины

Механические свойства ДПК зависят также от типа древесного наполнителя.

Так, например, при использо­вании для этих целей более твердых, лиственных пород деревьев (например, клена или дуба) при прочих равных условиях достигаются более высокие значения упруго-прочностных свойств и ударной вязкости древесно-полимерного композита, чем в случае более мягких пород (например, сосны). С другой стороны, последние более доступны, а их переработка более проста и проходит с меньшей эмиссией побочных веществ. Именно по этим причинам в Европе исполь­зуются в первую очередь мягкие породы деревьев для производства древесного наполнителя.

Влияние геометрии частиц древесного наполнителя

Анализ влияния формы и размеров частиц дре­весных наполнителей на механические свойства древесно-полимерного композита довольно сложен, а иногда и противоречив. Возникает вопрос о том, какой геометрический параметр частиц имеет определяющее значение - толщина, длина или их соотношение (так называемая анизометрия). Иссле­дователи варьировали размер частиц в пределах от 0,08 до 0,5 мм и устано­вили, что с увеличением их размера заметно возрас­тает ударная вязкость ДПК, но упруго-прочностные свойства изменяются очень незначительно. Напротив, исследуя 4 различ­ные фракции частиц древесного наполнителя размером от 0,05 до 0,6 мм, констатировали увеличение ударной вязкости ДПК с уменьшением размера частиц. Кроме того, было отмечено, что наличие в составе ДПК частиц размером до 0,25 мм практически не сказывается на прочности и модуле упругости, а при более грубых фракциях частиц (0,45 - 0,60 мм) значения этих по­казателей заметно падают.

Доказано, что улучшения упруго-прочностных свойств древесно-полимерного композита можно добиться при использовании тонкоизмельченного волокнистого древесного на­полнителя с высоким коэффициентом анизометрии. Существующими, однако, в настоящее время ограни­чениями для использования подобного волокнистого наполнителя является его очень малая насыпная плотность и недостаточная смачиваемость расплавом термопластичного связующего, что вызывает проблемы при его дозировании и подаче в шнековые машины.

Влияние типа термопластичной матрицы

В качестве термопластичной матрицы древесно-полимерного композита, как было сказано ранее, используются преимущественно ПЭ, ПП и ПВХ. Влияние матрицы на свойства древесно-полимерного композита определяется не только типом выбранного термо­пласта, но и его модификацией. Так, ударная вязкость ДПК на основе модифицированного ударопрочного ПП заметно выше по сравнению с обычным гомополипропиленом. Упруго-прочностные свойства ДПК, как и вязкость расплава, сильно зависят и от средней молекулярной массы выбранного полимера, которая влияет также и на режимы переработки.

Как правило, прочность и модуль упругости поли­пропиленовых древесно-полимерного композита выше, чем полиэтиленовых. ДПК на основе ПВХ имеют примерно такие же значения прочности, как и на основе ПП, но заметно больший модуль упругости. Более высокая, чем у полиолефинов, стойкость ПВХ к атмосферным воздействиям отража­ется подобным образом и на соответствующих ДПК. В меньшей степени тип термопластичной матрицы влияет на влагопоглощение ДПК.

Влияние добавок

Свойства ДПК могут направленно регулировать­ся путем использования всевозможных известных добавок. Вместе с тем созданы и специально предна­значенные для ДПК добавки, например совместители, УФ-стабилизаторы, красители, вспениватели или смазки. Так, совместители повышают главным образом прочность и ударную вязкость древесно-полимерного композита. Однако результаты последних исследований показывают, что совместители за счет улучшения смачиваемости частиц древесного наполнителя термопластичной матрицей могут замет­но уменьшить влагопоглощение ДПК. Водостойкость ДПК можно также повысить путем обработки древес­ных волокон ангидридом малеиновой кислоты, едким натром или ацетилирования, что приводит к химиче­ской модификации гидроксильных групп древесного наполнителя и снижению его полярности.

При переработке древесно-полимерного композита применяются также самые разнообразные внутренние или внешние смазки, чтобы улучшить соответственно текучесть расплава компа­унда или извлечение готовых изделий из формы. За счет применения газообразователей физического или химического принципов вспенивания можно почти на 50 % уменьшить плотность ДПК.

Ударная вязкость ДПК заметно повышается при введении в состав материала малеинизированных стирол-этилен/бутилен-стирол-триблоксополимера (MA-SEBS) или этилен/пропилен/диен-терполимера. В зависимости от назначения ДПК в их состав вводят также красители, УФ- и термостабили­заторы, огнезащитные добавки и др.

Влияние влаги

ДПК поглощают влагу из окружающей среды го­раздо в меньшей степени, чем чистая древесина или другие древесные материалы. Но пренебрегать этим негативным явлением нельзя. Результаты проведенных исследований показали, что с увеличением длитель­ности экспозиции древесно-полимерного композита в воде заметно уменьшаются их механические свойства.

Другим недостатком высокого влагопоглощения является изменение цвета ДПК. Из этих соображений одной из главных проблем для производителей ДПК и изделий из них считается управление процессом абсорбции влаги.

Влияние технологии переработки

Методы и режимы получения полуфабрикатов ДПК и их последующей переработки в изделия определяю­щим образом влияют на свойства ДПК, которые зави­сят от качества диспергирования дискретных частиц древесины в компаунде и его гомогенности, техноло­гического термического воздействия, уплотнения ча­стиц наполнителя и состояния поверхности отформо­ванных изделий. Результаты исследований показывают, что, например, прочность образцов ДПК, полученных экструзией, может на 55-65% быть меньше, чем у литьевых образцов. Та же зако­номерность справедлива и для модуля упругости при растяжении, и ударной вязкости. Кроме того, и влагопоглощение у экструдированных образцов ДПК поч­ти на 46 % выше, чем у образцов, полученных литьем под давлением.