УДК 678.742.2.029.5:674,817:691.223
Калашников В.И., Будников И.В., Парамонова О.А.
Пензенская государственная архитектурно-строительная академия
В настоящее время широкое распространение получило производство древесностружечных плит ДСП на основе дисперсной древесины и термореактивных связующих — фенолоформальдегидных, карбамидных и других органоминеральных смол.
Доступность и дешевизна исходного сырья, относительная простота технологического оформления процесса получения ДСП, удовлетворительный уровень их деформационно-прочностных свойств, возможность различных модификаций их состава предопределили создание громадных масштабов производства ДСП во всем мире.
Однако в последние годы проблемы экологической безопасности производства ДСП и изделий на их основе стали более значимы для мирового сообщества, чем их технологические и экономические преимущества. Из-за возрастания количества химически стимулированных аллергических и онкологических заболеваний мировое сообщество рекомендует полностью приостановить производство и использование фенолоформальдегидных смол, их аналогов и включающих эти смолы продуктов.
Осознание этой проблемы производителями и потребителями способствовало расширению исследований и разработок, направленных на создание древеснонаполненных; композиционных материалов с улучшенными экологическими свойствами.
Целью проведенных исследований являлось устранение токсичности, расширение ассортимента компонентов композиций, в том числе за счет утилизации отходов различных производств для повышения водостойкости и деформационно-прочностных свойств древеснополимерных композитов и полученных на их основе изделий при снижении содержания в них связующих.
Уже в середине 90-х годов прошлого столетия стало ясно, что создать экологически чистое производство и полностью исключить токсичность ДСП возможно лишь при использовании термопластичных углеводородных экологически чистых связующих. Но оказалось, что из композиций, содержащих 10-20 мас.% полиолефинового связующего, себестоимость изделий из которых сопоставима с себестоимостью изделий из ДСП, получаются композитные материалы и изделия с относительно невысоким уровнем деформационно-прочностных свойств и низкой водостойкостью. В ходе исследований было установлено, что снижение прочностных характеристик рассматриваемых композиций обусловлено, главным образом, отсутствием сродства между полимерным связующим и компонентами древесно-растительных наполнителей и пониженной адгезией полимера к наполнителю. Понимание сущности этого явления предопределило направление дальнейших исследований, которые были направлены на повышение адгезионного взаимодействия между термопластом и наполнителем.
Для повышения адгезионного взаимодействия рассмотрены два метода получения промежуточного аппретного слоя на поверхности наполнителеи: традиционный смесевой и полимеризационный. Полмеризационный метод нанесения аппрета производился двумя способами:
-суспензионным, когда полимеризация этилена инициируется комплексным металлоорганическим катализатором (КМК) на поверхности частиц наполнителя, модифицированной в свою очередь алюминийорганическим соединением (АОС)
-плазмополиконденсационным, когда под действием высокочастотного разряда на пары углеводородов происходит их полимеризация
При исследовании свойств древеснополимерных (ДП) композиций на основе, ПЭ ставилась задача выбора оптимальных фракций дисперсной древесины и степени наполнения ими ДП, а также проведение сравнения физико-технических свойств композиций, содержащих натуральную и аппретированную методом поликонденсации сверхвысокомолекулярным ПЭ дисперсную древесину.
Проведенные микроструктурные исследования показали, что аппретирующий слой полиэтилена заполняет полости клеток частиц древесины и обволакивает тонким слоем стенки макрокаппиляров, которые при баротермоформовании заполняются полимером. Это способствует увеличению прочностных характеристик древопластов.
Отмечено, что у древопластов с аппретированным наполнителем максимальные значения прочностных характеристик наблюдаются при наполнении на 10-20% больше, чем натуральным. Это можно объяснить меньшей локализацией связующего в системе и более равномерным распределением наполнителя в объеме. Таким образом, аппретирование наполнителя способствует не только улучшению технологических свойств композиций древопластов, но и повышает их физико-технические свойства.
Химическое взаимодействие и механическое сцепление на границе раздела фаз оказывает положительное влияние на ударную вязкость, твердость и антифрикционные свойства древопластов. С увеличением количества наполнителя и повышением среднего размера его частиц в древопласте понижается гибкость полимерных цепей, система приобретает жесткость, твердость увеличивается, а, ударная вязкость и антифрикционные свойства уменьшаются.
Полученные древопласты имеют высокие физико-механические характеристики, в 1,5-2 раза превышающие подобные характеристики ДСП однако имеют относительно невысокие параметры износостойкости. Для повышения данного показателя было предложено вводить в систему минеральный сонаполнитель.
В качестве наполнителя в предложенных древесно-минерально-полимерных композициях (ДМПК) использовалась дисперсная древесина со средним диаметром частиц 1 мм, а в качестве минерального сонаполнителя — кварцевый песок с модулем крупности в пределах 1,32 и удельной поверхностью 90 кв. м/г. Плазмополиконденсационным способом наполнители аппретированы сверхвысокомолекулярным ПЭ с молекулярной массой 1-2,5 млн. у.е. слоем, толщиной 50-100 А.
Оптимальное содержание компонентов ДМПК устанавливалось опытным путем по наибольшим показателям предела прочности при статическом изгибе и наименьшим значениям водопоглащения.
Максимальные значения предела прочности 50 МПа и модуля упругости 4.6-5.4 10-3 МПа при статическом изгибе, а также предела прочности композита 1.2-1.3*10-3 кг/куб.м и при содержании минерального сонаполнителя 30 мас.%.
Снижение водопоглащения и, особенно, разбухания ДМПК по толщине может быть объяснено тем, что ПЭ-аппрет перекрывает значительную часть гидрофильных центров наполнителя, а также тем, что переходный слой в полимере образуется с меньшим количеством дефектов.
Получены опытные данные, свидетельствующие о возможности получения высоконаполненных. ДМПК на основе вторичного ПЭ и, как перспектива, на других термопластах.
Необходимо учесть, что ДМПК представляет сложную смесь полимеров, состоящую из высокомолекулярного ПЭ-матрицы, сверхвысокомолекулярного ПЭ-аппрета и древесины, представляющей комплекс природных полимеров: целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина.
Роль привитого ПЭ- аппрета как высокомолекулярного пластификатора была бы не полностью освещена, если не связать пластификационный эффект с адгезией полимеров. В случае прививки не совмещающегося с целлюлозой древесины ПЭ-аппрета эффект адгезионного взаимодействия обеспечивается не столько адгезией ПЭ к целлюлозе, а в основном адгезией его к привитым сополимерам древесных компонентов за счет органофилизации поверхности древесных волокон и хорошей смачиваемости их ПЭ-матрицей. В этом случае вследствие наличия химической связи ПЭ-аппрета с компонентами древесины и интенсивного межмолекулярного взаимодействия между цепями ПЭ-аппрета и ПЭ-матрицы микрорасслаивание исключено. ПЭ-аппрет, равномерно распределенный в массе вещества наполнителя, обеспечивает стабильность и долговечность изделия.
Следует отметить и еще одно обстоятельство. С точки зрения механической прочности, древопласты ДМПК из аппретированной древесной массы не должны отличаться большими преимуществами перед механическими смесями измельченной древесины с порошкообразными виниловыми полимерами. Однако эффект простого смешения если даже и сравним с эффектом химического аппретирования, то введению полимера в структуру древесины по последнему способу все же надо отдать предпочтение.
Проведенные теоретические, включая симплексный метод оптимизации технологических параметров, и экспериментальные исследования составили технологическую основу для разработки ДМПК с промежуточным аппретным слоем между фазами, обладающими специальными свойствами (табл.).
Технико-экономическим расчетом доказано, что экономический эффект от внедрения ДМПК взамен ДСП составит 141.34 руб. на кубический метр готовой продукции.
Результаты испытаний опытной партии ДМПК в натурных условиях в течение 3-х лет подтвердили их высокие физико-техни-ческие и архитектурно-декоративные свойства.
Библиографический список
- Будников И.В., Бобрышев А.А. Модификация поверхности частиц УВДМ методом поликонденсации различных субстратов в плазме ВЧ разряда низкой плотности // Композиционные строительные материалы. Теория и практика.- Пенза, 2000.-С.32-35.
- Будников И.В. и др. Целлюлозно-силикатные композиты // IV академические чтения РААСН. — Пенза, 1998.-С.182
- Будников И.В. Древопласты-композиты на основе дисперсной древесины и термопластов // ХХХ НТК. Пенза, 1999. –С. 22-23
- Будников И.В. и др. Древесно-минерально-полимерные композиты // МНПК. – Белгород, 2000.
- Будников И.В., Калашников В.И. Экологически чистые водостойкие древесно-минерально полимерные композиции // 6-е академические чтения РААСН.- Иваново, 2000.-С. 89-93.
