Вторичная переработка является одним из приоритетных направлений утилизации отходов полимерных упаковочных материалов с экономической и экологической точек зрения. Используют различные способы утилизации полимерных отходов: рециклинг, сжигание, пиролиз, захоронение. Получение композиционных материалов различного назначения на основе вторичного полимерного сырья является одним из видов рециклинга [1–3, 6, 8, 10]. К таким композитам можно отнести древесно-наполненные полимерные композиционные материалы (ДПК), которые производятся на основе отходов полимерной и деревообрабатывающей промышленностей. ДПК предназначены для замены экологически небезопасных древесностружечных плит (ДСП), содержащих в качестве связующего фенолформальдегидные смолы. В России довольно часто производители выпускают низкосортные дешевые плиты, выделение токсичного для человека формальдегида из которых значительно превышает ПДК (до 40 раз).
Достоинствами ДПК являются: экологичность; внешний вид, напоминающий натуральную древесину; низкое водопоглощение; высокая прочность при растяжении, сжатии и изгибе; огнестойкость; высокое сопротивление микробному воздействию; а также возможность вторичной переработки [7].
Цель исследования: изучение возможности использования древесно-наполненных полимерных композиционных материалов для замены экологически небезопасных древесностружечных плит.
Материалы и методы исследования
В качестве исходных материалов для производства ДПК использовались следующие вторичные полимеры: полиэтилен высокого давления (ПЭВД), полиэтилен низкого давления (ПЭНД), полипропилен (ПП), полиэтилентерефталат (ПЭТФ). В качестве древесного наполнителя применялась хвойная целлюлоза фракций 2 и 3 мм. 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 [9]. Исследования проводились по методикам в соответствии с ГОСТ10632-2007 «Плиты древесностружечные. Технические условия» и ГОСТ 10634-88 «Плиты древесностружечные. Методы определения физических свойств» [4, 5].
Результаты исследования и их обсуждение
Для изготовления опытных образцов ДПК использовалась нагревательная печь, представляющая собой вертикальную цилиндрическую шахту, и специально изготовленная пресс-форма с камерой для исследуемого материала. Спекание образцов в печи производилось при температуре 240 0С. Все образцы, полученные с использованием в качестве связующего ПЭВД, ПЭНД, ПП, имели гладкую, ровную поверхность и размеры 100×100,8 мм. При изготовлении образцов с ПЭТФ установлено, что при температуре до 240 °С ПЭТФ не обладает связующими свойствами по отношению к хвойной целлюлозе, а при более высокой температуре происходит обугливание целлюлозы. Поэтому образцы с ПЭТФ в дальнейших исследованиях не использовались. Для сравнения физико-механических свойств ДПК и ДСП в ходе эксперимента использовались образцы ДСП марок П-А и П-Б.
Состав исследованных образцов: 1 – ПЭВД + хвойная целлюлоза фракции 3 мм; 2 – ПП + хвойная целлюлоза фракции 3 мм; 3 – ПЭНД + хвойная целлюлоза фракции 3 мм; 4 – ПЭВД + хвойная целлюлоза фракции 2 мм; 5 – ПП + хвойная целлюлоза фракции 2 мм; 6 – ПЭНД + хвойная целлюлоза фракции 2 мм; 7 – ДСП марки П-А; 8 – ДСП марки П-Б. Результаты определения физических свойств образцов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Физические свойства образцов
|
№ образца |
Влажность, % |
Водопоглощение, % |
Плотность, кг/м³ |
|
1 |
2,04 |
7,94 |
1283 |
|
2 |
2,33 |
6,01 |
1265 |
|
3 |
0,73 |
10,08 |
1407 |
|
4 |
2,02 |
8,68 |
1350 |
|
5 |
1,03 |
3,85 |
1306 |
|
6 |
0,51 |
4,17 |
1295 |
|
7 |
5,08 |
11,55 |
753 |
|
8 |
5,12 |
12,61 |
714 |
Полученные образцы ДПК по физическим свойствам не уступают образцам ДСП. Их влажность не превышает 2,33 %; водопоглощение – 10,08 %, что значительно ниже допустимых по ГОСТ 10632-2007 значений (влажность – 5–13 %, водопоглощение – не более 12 %) [5]. Плотность образцов ДПК – 1265–1407 кг/м³, образцов ДСП – 753 и 714 кг/м³ (550–820 кг/м³ по ГОСТ 10632-2007). Влажность, водопоглощение и плотность композиционных материалов обусловлены их пористостью. Чем выше пористость, тем ниже плотность материала и тем выше поглощение воды. Поры в ДСП, образованные за счет пространственной структуры фенолформальдегидной смолы, обычно открытые и образуют каналы, пронизывающие всю матрицу. Вода проникает внутрь матрицы ДСП, обусловливая высокое водопоглощение и разбухание. Замена фенолформальдегидной смолы полиэтиленом высокого давления, полиэтиленом низкого давления, полипропиленом приводит к уменьшению пористости образцов и, как следствие, к увеличению плотности, уменьшению водопоглощения. Водопоглощение образцов ДПК ниже в 1,15–3,00 раза, чем у образцов ДСП. Следовательно, полученный материал может применяться для изготовления опалубки, мебели, упаковки, стеллажей, ограждений, разборных конструкций и т.д. [7].
Кроме того, для образцов ДПК были определены стойкость по отношению к кислотам (20 % раствор Н2SO4) и щелочам (20 % раствор КОН), воспламеняемость и влияние на изменение рН среды. У всех образцов, выдержанных в кислоте и щелочи, в течение 2 часов не изменялись размеры, жесткость и цвет. Набухание не превышало 7,6 %. В тех же условиях у образцов ДСП набухание составило 15,4 %, наблюдались покоробленность и увеличение шероховатости поверхности. Таким образом, полученные образцы ДПК по сравнению с образцами ДСП имеют хорошую устойчивость к агрессивным средам.
Воспламеняемость полученных образцов ДПК определяли их выдерживанием над открытым пламенем спиртовки (800 °C) до воспламенения образцов. Среднее значение этого показателя для всех образцов составило 25 с, в то время как образцы ДСП воспламеняются уже при температуре 270 °С.
рН водной среды после двухчасовой выдержки образцов ДПК в ней устанавливали с помощью иономера АНИОН 4100. Изменения рН не наблюдалось.
Результаты определения показателей механических свойств образцов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Показатели механических свойств образцов
|
№ образца |
Удельное сопротивление выдергиванию шурупов, Н/мм |
Предел прочности при растяжении, МПа |
Твердость по Виккерсу, МПа |
|
1 |
54,75 |
0,51 |
20,00 |
|
2 |
186,75 |
1,26 |
46,50 |
|
3 |
133,51 |
1,02 |
50,67 |
|
4 |
62,25 |
0,50 |
21,57 |
|
5 |
161,25 |
1,30 |
70,64 |
|
6 |
180,25 |
0,90 |
44,33 |
|
7 |
60,00 |
0,35 |
27,18 |
|
8 |
55,30 |
0,30 |
29,66 |
У образцов ДПК удельное сопротивление выдергиванию шурупов находится в пределах 54,75–186,75 Н/мм. Наименьшие значения данного показателя характерны для образцов с ПЭВД, которые примерно равны удельному сопротивлению образцов ДСП.
Предел прочности при растяжении – 0,5–1,3 МПа; твердость – 20–70,64 МПа. По физико-механическим свойствам полученные опытные образцы ДПК всех составов соответствуют техническим требованиям и требованиям безопасности ГОСТ 10632-2007. Однако образцы ДПК, в состав которых входит ПЭВД, по техническим характеристикам уступают образцам с ПП и ПЭНД. Так, композиты с ПЭВД по значениям механических характеристик уступают композитам с ПЭНД больше чем в два раза, что, возможно, обусловлено более высокой кристалличностью и размерами кристаллов полиэтилена низкого давления.
Дальнейшие исследования по улучшению свойств древесно-наполненных полимерных композиционных материалов проводились в направлении комбинирования компонентного состава связующего ДПК. Были исследованы ДПК, в состав связующего которых входили два полимера (например, ПЭНД и ПП, ПП и ПЭТФ, ПЭНД и ПЭТФ) и три полимера (ПП, ПЭНД и ПЭТФ). Наилучшие механические и физические свойства показали четырехкомпонентные образцы ПП, ПЭНД и ПЭТФ с массовым соотношением 1:1:1 и использованием в качестве наполнителя хвойной целлюлозы фракции 3 мм. Результаты по определению показателей полученного ДПК представлены в табл. 3.
Таблица 3
Показатели физико-механических свойств образца состава ПЭНД – ПП – ПЭТФ – хвойная целлюлоза фракции 3 мм
|
Влажность, % |
Водопоглощение, % |
Плотность, кг/м³ |
Удельное сопротивление выдергиванию шурупов, Н/мм |
Предел прочности при растяжении, МПа |
Твердость по Виккерсу, МПа |
|
0,38 |
10,91 |
1852 |
126,75 |
1,05 |
44,3 |
Данные табл. 3 свидетельствуют о том, что четырехкомпонентный образец ДПК, в состав связующего которого входят отходы ПЭ, ПП, ПЭТФ в массовом соотношении 1:1:1, по физико-механическим показателям удовлетворяет всем требованиям ГОСТ 10632-2007, практически не уступает двухкомпонентным образцам, по многим показателям превосходит ДСП.
Заключение
Проведенные исследования физико-механических показателей ДПК позволили установить, что вторичные полимеры (полиэтилен высокого давления, полиэтилен низкого давления, полипропилен) могут быть использованы в качестве связующего в композитах с наполнителем хвойной целлюлозой фракций 2 и 3 мм. Соотношение наполнителя и связующего вещества – 1:1.
В качестве связующего ДПК возможно использование отходов двух и трех полимеров, а также некоторых сополимеров. Наилучшие результаты получены с использованием смеси ПЭ, ПП, ПЭТФ в массовом соотношении 1:1:1.
Производство ДПК позволит найти пути рационального применения полимерных отходов и неликвидных отходов деревообработки. ДПК предназначены для замены древесностружечных плит (ДСП), связующее которых при эксплуатации выделяет токсичный формальдегид.