Введение

Композитные материалы из древесных волокон и термопластов

Древесно-пластиковые композиты (ДПК) – это композитные материалы, изготовленные из древесных волокон/древесной муки и термопластов, таких как полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ) или полилактид (ПЛА). Помимо древесных волокон и пластика, ДПК могут также содержать другие лигноцеллюлозные и/или неорганические наполнители. ДПК являются частью более широкой категории материалов, называемых композитами на основе натуральных волокон (NFPC), которые могут включать наполнители, не содержащие целлюлозные волокна, такие как древесная масса, шелуха арахиса, кофейная лузга, бамбук, солома, дигестат и другие. Химические добавки обеспечивают взаимодействие полимера и древесной муки (порошка), а также оптимальные условия переработки.

История

Компанией, изобретшей и запатентовавшей процесс создания WPC, была Covema из Милана в 1960 году, основанная братьями Террагни (Дино и Марко). Covema продавала WPC под торговой маркой Plastic Wood. Спустя несколько лет после изобретения Plastic Wood компания Icma San Giorgio запатентовала первый процесс добавления древесного волокна/древесной муки в термопласты (WPC).

Применение

Также известные как древесно-полимерные композиты (ДПК), эти материалы относительно новы по сравнению с многовековой историей использования натуральной древесины в строительстве. Наиболее широкое применение ДПК в Северной Америке – это настил для террас, но он также используется для перил, заборов, ландшафтных конструкций, облицовки и сайдинга, скамеек для парков, молдингов и отделки, сборных домов под торговой маркой Woodpecker WPC, оконных и дверных рам, а также для внутренней мебели. ДПК впервые появились на рынке террасных досок в начале 1990-х годов. Производители утверждают, что ДПК более экологичны и требуют меньше ухода, чем альтернативные варианты из цельной древесины, обработанной консервантами, или из цельной древесины пород, устойчивых к гниению. Эти материалы могут быть изготовлены с текстурой, имитирующей древесное волокно, или без нее.

Производство

WPC производятся путем тщательного смешивания измельченных частиц древесины и нагретой термопластичной смолы. Наиболее распространенным способом производства является экструзия материала в желаемую форму, хотя также используется литье под давлением. WPC могут быть изготовлены из первичных или переработанных термопластов, включая полиэтилен высокой плотности (HDPE), полиэтилен низкой плотности (LDPE), поливинилхлорид (PVC), полипропилен (PP), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), полистирол (PS) и полилактическую кислоту (PLA). WPC на основе PE являются наиболее распространенными. Добавки, такие как красители, связующие агенты, ультрафиолетовые стабилизаторы, вспенивающие агенты, пенообразователи и смазочные материалы, позволяют адаптировать конечный продукт к конкретной области применения. Экструдированные WPC формируются как в виде цельных, так и полых профилей. Также производится широкий ассортимент деталей, изготовленных литьем под давлением, от автомобильных дверных панелей до крышек для мобильных телефонов. На некоторых производственных предприятиях компоненты смешиваются и обрабатываются в грануляторе-экструдере, который производит гранулы нового материала. Затем гранулы переплавляются и формуются в окончательную форму. Другие производители завершают изготовление детали за один этап смешивания и экструзии. Благодаря добавлению органического материала, WPC обычно обрабатываются при значительно более низких температурах, чем традиционные пластики, при экструзии и литье под давлением. WPC обычно обрабатываются при температурах примерно на ниже, чем аналогичный, неармированный материал. Большинство из них начинают гореть при температурах около . Обработка WPC при чрезмерно высоких температурах увеличивает риск сдвига, или обугливания и изменения цвета, возникающих из-за проталкивания слишком горячего материала через слишком узкое сопло при литье под давлением. Соотношение древесины и пластика в композите в конечном итоге определяет индекс текучести расплава (MFI) WPC, при этом большее количество древесины обычно приводит к более низкому MFI.

Преимущества и недостатки

ДПК не подвержены коррозии и обладают высокой устойчивостью к гниению, разрушению и поражению древоточными морскими организмами, хотя они поглощают воду в древесные волокна, содержащиеся в материале. Водопоглощение более выражено в ДПК с гидрофильной матрицей, такой как PLA, и также приводит к снижению механической жесткости и прочности. Механические характеристики во влажной среде можно улучшить с помощью ацетилирования. ДПК обладают хорошей обрабатываемостью и могут быть обработаны с использованием традиционных столярных инструментов. ДПК часто рассматриваются как экологически устойчивый материал, поскольку их можно изготавливать из переработанного пластика и отходов деревообрабатывающей промышленности. Хотя эти материалы продлевают срок службы использованных и выброшенных материалов, они имеют собственный значительный срок службы; добавленные полимеры и клеи затрудняют повторную переработку ДПК после использования. Однако их можно легко переработать в новый ДПК, подобно бетону. Одним из преимуществ ДПК перед древесиной является возможность придания материалу практически любой желаемой формы. Элемент ДПК можно согнуть и закрепить для создания прочных арочных конструкций. Еще одним важным преимуществом этих материалов является отсутствие необходимости в покраске. Они производятся в различных цветах, но широко доступны в серых и земляных тонах. Несмотря на содержание целлюлозы до 70 процентов (хотя 50/50 встречается чаще), механическое поведение ДПК наиболее близко к поведению чистых полимеров. Чистые полимеры полимеризуются без добавления растворителей. Это означает, что ДПК обладают меньшей прочностью и жесткостью, чем древесина, и демонстрируют зависимость от времени и температуры. Древесные частицы восприимчивы к грибковому поражению, хотя и в меньшей степени, чем цельная древесина, а полимерный компонент уязвим к УФ-деградации. Существует вероятность того, что прочность и жесткость могут снизиться при циклическом замораживании и оттаивании, хотя в этой области все еще проводятся испытания. Некоторые составы ДПК чувствительны к образованию пятен от различных веществ.

Сэндвич-плат из WPC

Доски из ДПК демонстрируют хорошие эксплуатационные характеристики, но монолитные композитные листы относительно тяжелые (чаще всего тяжелее, чем чистый пластик), что ограничивает их применение в тех случаях, когда малый вес не является критичным. ДПК в форме композита с сэндвич-структурой позволяет сочетать преимущества традиционных древесно-полимерных композитов с легкостью технологии сэндвич-панелей. Сэндвич-панели из ДПК состоят из облицовок из древесно-полимерного композита и, как правило, из полимерного сердечника с низкой плотностью, что обеспечивает существенное повышение жесткости панели. Сэндвич-панели из ДПК в основном используются в автомобильной промышленности, транспорте и строительстве, но также разрабатываются решения для производства мебели. Новые эффективные и часто интегрированные в производственную линию процессы позволяют производить более прочные и жесткие сэндвич-панели из ДПК по более низкой цене по сравнению с традиционными пластиковыми листами или монолитными панелями из ДПК.

Влияние на окружающую среду

На воздействие древесно-полимерных композитов на окружающую среду напрямую влияет соотношение возобновляемых и невозобновляемых материалов. Широко используемые полимеры на основе нефти оказывают негативное воздействие на окружающую среду, поскольку зависят от невозобновляемого сырья и не подвергаются биологическому разложению.

Опасность пожара

Типы пластика, обычно используемые в составах ДПК, обладают большей пожарной опасностью, чем древесина сама по себе, поскольку пластик имеет более высокое химическое теплосодержание и может расплавляться. Включение пластика в состав композита повышает потенциальную пожарную опасность ДПК по сравнению с древесиной. Некоторые представители надзорных органов выражают все большую обеспокоенность по поводу огнестойкости ДПК.