В настоящее время древесные композиционные материалы являются одними из самых распространенных и востребованных. Наиболее перспективными в данной группе материалов являются композиты на основе полимерных связующих, которые характеризуются большим ассортиментом продукции и наиболее распространены как отделочные и теплоизоляционные изделия, а также широко применяются в производстве корпусной мебели, дверных и оконных блоков, подоконников, террасных досок и сайдинга [1–3]. Наиболее прочные разновидности данных материалов используются в машиностроении и авиации.
В последние годы активно развиваются технологии производства полимерных композитов с древесными наполнителями. Основными тенденциями этого развития являются:
− расширение ассортимента продукции по размерам и форме, цветовой гамме и фактуре;
− модификация основных эксплуатационных свойств, в первую очередь повышение прочности и водостойкости, снижение горючести, а также снижение теплопроводности для теплоизоляционных материалов;
− снижение энергоемкости и себестоимости производства при сохранении качества материалов и изделий за счет оптимизации технологических параметров и использования альтернативных источников и видов сырья.
Наиболее актуальными альтернативными источниками и видами сырья в данном случае являются отходы производства и потребления, так как в данном случае существует возможность использования древесных отходов в качестве наполнителей и полимерных отходов в качестве связующего, т.е. возможность создания композиционного материала из вторичного сырья. Такая возможность, с одной стороны, снижает техногенную нагрузку на окружающую среду, а с другой – существенно снижает стоимость композиционных материалов, которая в большинстве случаев является достаточно высокой и ограничивает масштабы использования композиционных материалов в строительной индустрии и при проведении строительных работ.
Целью данной работы является обзор основных видов полимерных композиционных материалов с древесными наполнителями, рассмотрение их характеристик и оценка возможности использования вторичных ресурсов при их производстве.
Древесно-полимерные композиционные материалы и их характеристика
Полимерные композиционные материалы с древесными наполнителями отличаются большим количеством разновидностей, которые могут существенно различаться по свойствам и областям применения. Как и в случае с другими композиционными материалами, классификационным признаком, учитывающим особенности этих разновидностей, является тип наполнителя, от которого, наряду с количественным соотношением между наполнителем и связующим, в первую очередь зависят свойства композиционного материала.
В соответствии с типом древесного наполнителя можно выделить три группы материалов: древесно-наполненные полимеры (ДНП) и древесно-полимерные композиты (ДПК), композиты с наполнителями в виде древесных стружек и волокон, а также древесно-слоистые пластики (ДСП).
К ДНП и ДПК относятся материалы, в которых наполнителем являются древесная мука или мелкая щепа в количестве до 50 % для ДНП и от 50 до 85 % для ДПК [1]. В качестве связующих для этой группы композитов применяют термопластичные полимеры, в основном полипропилен, полиэтилен и поливинилхлорид, несколько реже полистирол и акрилонитрилбутадиенстирол [3–5]. При этом с увеличением доли наполнителя получаемый композиционный материал по своим свойствам всё больше соответствует древесине, т.е. ДНП в большей степени соответствуют полимерным материалам, а ДПК – древесине. Материалы этой группы характеризуются легкостью механической обработки, прочностью удержания крепежных элементов (шурупов, гвоздей и т.д.), малой плотностью, низким водопоглощением и атмосферостойкостью [6, 7].
Композиты с наполнителем в виде древесной стружки выпускаются в форме древесно-стружечных плит (ДСтП). Существует несколько разновидностей ДСтП, среди которых наиболее распространены ориентированно-стружечные плиты (ОСП), в которых стружка наружных слоев ориентирована параллельно длине и ширине плиты, а стружка внутренних слоев ориентирована перпендикулярно наружным слоям или расположена произвольно [8, 9]. Также существуют ДСтП, в которых наружные слои делают из измельченного древесного волокна (волокнисто-стружечная плита) или из древесной пыли.
Композиты с наполнителем в виде древесных волокон выпускаются в виде древесноволокнистых плит (ДВП), среди которых различают мягкие ДВП (МДВП) теплоизоляционного назначения, твердые и полутвердые ДВП для отделочных работ, изготовления опалубки и мебели. В свою очередь, твердые ДВП подразделяют на плиты средней плотности (600–850 кг/м3) или МДФ (Medium Density Fiberboard) и плиты высокой плотности (более 850 кг/м3) или ХДФ (High Density Fiberboard). Среди твердых плит также выделяют такие модификации, как сверхтвердые, биостойкие, водостойкие и трудносгораемые, которые получают путем специальной обработки.
Для дополнительного повышения прочности и водостойкости, защиты от внешних воздействий и придания более эстетического внешнего вида лицевые поверхности ДСтП и ДВП в ряде случаев шпонируют, ламинируют и лакируют (окрашивают). Твердые ДВП с защитным лицевым слоем называют оргалитом.
ДСтП и ДВП (кроме МДВП) по сравнению с ДНП и ДПК отличаются более высокими значениями прочности и ударной вязкости, но их сложнее обрабатывать из-за более высоких значений твердости и хрупкости, у них меньшая прочность удержания крепежных элементов, особенно у ДСтП.
ДСП (фанера) представляют собой композиционные материалы с наполнителем из нескольких слоев древесного шпона (листа древесины толщиной от 0,5 до 3 мм), скрепленных полимерным связующим. ДСП выпускают в виде плит, досок и панелей, они являются более прочными, долговечными и водостойкими по сравнению с рассмотренными выше группами композитов.
В качестве связующих для ДСтП, ДВП и ДСП используют реактопласты, преимущественно фенолоформальдегидные, карбамидоформальдегидные, аминоальдегидные и фурановые смолы [3, 8, 10]. Есть разновидности данных материалов с биоразлагаемыми связующими. В случае МДВП связующим веществом являются натуральные смолы, содержащиеся в древесине.
К полимерным композиционным материалам на реактопластичных связующих, в том числе карбамидоформальдегидной, полиэфирной и других смол, с наполнителем в виде стружки или пробки, можно отнести теплоизоляционный и конструкционно-теплоизоляционный полимербетоны строительного назначения, которые отличаются высокими значениями прочности, абразивной стойкости и морозостойкости [11].
В отдельную группу полимерных композитов с древесным наполнителем можно выделить древесно-корьевые плиты (ДКП) и коропласты, в которых в качестве наполнителя используют частицы коры, а в качестве связующих – указанные выше термореактивные смолы [1, 12]. Материалы данной группы композитов уступают уже рассмотренным композитам по прочности, но обладают хорошими теплоизоляционными характеристиками. Они применяются в качестве отделочного материала и утеплителя.
Перспективы применения отходов в производстве древесно-полимерных материалов
Как следует из представленной информации, все рассмотренные разновидности композитов за исключением ДСП могут быть получены с использованием древесных отходов, а ДНП и ДПК позволяют использовать древесные отходы как наполнитель и полимерные отходы как связующее. Существует и возможность частичной или полной замены реактопластичных связующих на термопластичные. Например, известны конструкционный древесно-полимерный материал, где связующим является фенолформальдегидная смола с добавлением полиэтилентерефталата [13], и теплоизоляционный композиционный материал с использованием древесных опилок и отходов пенополистирола, который соответствует МДВП по теплопроводности и полутвердым ДВП по прочности, отличаясь от них меньшим водопоглощением и повышенной водостойкостью [14].
Актуальность использования древесных и полимерных отходов в производстве композиционных материалов связана с большими темпами накопления и объемами образования данных отходов, а также с проблемами их утилизации [14–16].
Проблема образования древесных отходов, с одной стороны, связана с большими запасами лесных ресурсов России и крупнотоннажностью лесопромышленного комплекса, а с другой стороны, с тем, что отходы составляют до 37 % от объемов лесозаготовки и до 52 % от объемов лесопиления и деревообработки [16, 17]. Кроме того, древесные отходы образуются при очистке строительных площадок от деревьев и кустарников, при санитарной рубке в процессе ухода за зелеными насаждениями, при ремонте зданий и помещений с использованием пиломатериалов, а также в результате эксплуатации изделий из древесины.
Проблема образования полимерных отходов также связана с большими объемами производства и потребления изделий из пластмасс, которые характеризуются длительными сроками разложения и токсичностью продуктов горения, что затрудняет их переработку [13, 18, 19]. Трудности утилизации данных отходов заключаются в преобладании объемов их образования над объемами их переработки, а также в низкой востребованности низкосортных древесных (мелкокусковые мягкие сорта хвойных и лиственных пород) и полимерных (отходы с неполимерными включениями и частичной деструкцией) отходов [19, 20].
Таким образом, расширение возможностей по утилизации данных отходов является перспективной и актуальной задачей. При этом особое внимание следует уделять возможностям использования термопластичных связующих. С одной стороны, это позволит использовать вторичное полимерное сырье, а с другой – является альтернативой термореактивным смолам, которые отличаются токсичностью продуктов миграции и горения, особенно в случае фенолоформальдегидных смол.
Также стоит учитывать более высокую производительность процессов переработки материалов с термопластичными связующими в изделия, что связано с возможностью использования таких непрерывных процессов, как экструзия, широко применяемая для переработки ДПК и ДНП, и тем, что охлаждение термопласта происходит быстрее, чем отверждение реактопласта.
При этом стоит учитывать, что использование реактопластов в качестве связующих позволяет получить более прочные и водостойкие композиционные материалы, поэтому для эффективного использования термопластичных связующих, как и для синтетических смол, необходимо применение дополнительных добавок, а также использование полиматричных связующих, сочетающих несколько полимерных материалов, и гибридных наполнителей, в которых наряду с древесными используются другие материалы [21–23]: стеклянные, углеродные или полимерные волокна, кварцевый песок и т.д. В случае дополнительных добавок, которые могут применяться для модификации как древесного наполнителя, так и полимерного связующего, используются стабилизаторы, биоциды, антипирены, пенообразователи, гидрофобизаторы и добавки, повышающие адгезию между древесным наполнителем и связующим [5, 24, 25]. Эти добавки позволяют улучшить перерабатываемость композиций, повысить прочность и твердость изделий.
Заключение
На основании представленной информации можно сделать вывод о том, что полимерные композиционные материалы с древесными наполнителями являются альтернативной заменой натуральной древесине, выгодно отличаясь от нее стойкостью к гниению, долговечностью и водостойкостью. При этом большое разнообразие наполнителей, связующих, добавок и соотношений между ними, а также технологий производства рассматриваемых композитов позволяет получать изделия высокого качества и варьировать значения основных эксплуатационных свойств в широких пределах с получением изделий различного назначения. При этом наиболее перспективными и разноплановыми материалами являются ДНП и ДПК, характеризующиеся легкостью обработки, широким ассортиментом и большими возможностями по повышению прочности и водопоглощения за счет модификаций.
Большое значение имеет возможность производства полимерных композитов с древесными наполнителями с применением отходов – это позволяет расширить сырьевую базу для производства строительных материалов низкой стоимости и позволяет уменьшить степень загрязнения окружающей среды. В данном случае ДНП и ДПК также являются наиболее актуальными материалами, так как могут быть получены только на основе вторичных ресурсов. Интерес для комплексной утилизации отходов представляет и возможность замены термореактивных связующих на термопластичные при использовании в качестве наполнителей щепы, стружки, коры и других древесных отходов.
Преимущества и перспективы развития полимерных композитов с древесными наполнителями способствуют дальнейшему развитию технологий их получения, расширению объемов производства и применения.
Библиографическая ссылка
Тихомирова В.В., Смирнова П.С. ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ДРЕВЕСНЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ПРИ ИХ ПРОИЗВОДСТВЕ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2022. – № 12. – С. 98-102;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13491 (дата обращения: 25.04.2024).