Среди современных проблем, стоящих перед мировым сообществом, наиболее актуальной является проблема ухудшения качества среды обитания человека. Она носит глобальный характер и связана с устойчивым ростом промышленного производства, который сопровождается увеличением количества твердых бытовых и промышленных отходов.
Полимерные отходы занимают одно из первых мест в составе твердых бытовых отходов. Высокая стойкость полимерных отходов к внешней среде и постоянно уменьшающиеся ресурсы традиционного сырья, в частности, снижение запасов и повышение стоимости нефти и газа вынуждают к повторному использованию полимерных отходов. Одним из направлений переработки является создание композиционных материалов на основе вторичных полимеров [11, 12].
В настоящее время широкое распространение на мировом рынке получили древесно-наполненные композиционные материалы (ДПК), в состав которых входят: термопластичные полимеры, древесная мука, минеральные и органические наполнители, а также аппретирующие вещества [2].
Древесно-полимерный композит (ДПК) – материал, содержащий полимер (химического или натурального происхождения) и древесный наполнитель, модифицированный, как правило, химическими добавками. Другие используемые названия древесно-полимерных композитов: «жидкое дерево», дерево-пластиковый композит, древесно-пластиковый композит, древопласт, поливуд, древотермопласт, wpс, wood polymer composite, wood plastic composite, ЭДНП (экологически чистые древеснонаполненные пластмассы), ДНПП (древеснонаполненный полипропилен) [3].
Древесно-полимерные композиты – это материалы, где древесина смешивается с полимерами, которые затем полимеризуются вместе с древесиной для приобретения требуемых свойств [6].
В древесно-полимерных композитах могут использоваться только такие термопласты, которые могут перерабатываться при температурах не ниже 200 °С. Это ограничение обусловлено невысокой термостойкостью древесины, что до некоторой степени сужает выбор полимеров, но и не является абсолютным, поскольку в ДПК может использоваться делигнифицированная целлюлоза, а лигнин является наиболее чувствительной к температуре фракцией древесных материалов; целлюлозные волокна могут быть частично теплоизолированы путем смешения их с минералами; и время пребывания целлюлозных материалов в высокоскоростных смесителях и экструдерах может быть значительно уменьшено при увеличении скорости переработки и другими способами, снижающими время контакта целлюлозы с горячим расплавом. Поэтому полимеры с высокой температурой переработки могут использоваться для получения ДПК с повышенными характеристиками [7].
Несмотря на то, что в России накоплен незначительный опыт эксплуатации изделий из древесно-полимерных композитных материалов, можно сделать вывод о значительных преимуществах использования ДПК. Более того, можно сказать, что данный продукт за последние десятилетия значительно усовершенствован в технологии производства, состав адаптирован для достижения максимально высоких технических, эксплуатационных и эстетических характеристик в любых условиях эксплуатации.
У изделий из ДПК есть специфический набор позитивных свойств: родство с деревом, натуральный внешний вид, сравнительно небольшая плотность, высокая прочность, отличные влаго- атмосферостойкость, при необходимости – и водостойкость, отсутствие усадки и коробления, легкость обработки, простота и легкость монтажа, экологичность, низкие эксплуатационные затраты [10, 13]. Однако необходимо заметить, что данный материал в настоящее время практически не используется в упаковочной индустрии, и только в Китае начинают использовать композит в качестве материала для изготовления поддонов.
В России поддоны изготавливают из чистой древесины либо из полимеров, но материалы, используемые для этих целей, имеют существенные недостатки: высокая стоимость полимерного сырья и короткий срок эксплуатации поддонов, изготовленных из массивной древесины, которые к тому же должны проходить химическую и санитарную обработку, что повышает стоимость такой тары. В то же время изготовление поддонов из древесно-наполненных композитов, кроме хороших физико-механических свойств материала имеет экологическую направленность, так как для изготовления ДПК можно использовать только промышленные отходы, в том числе и древесные отходы, утилизация которых наносит значительный вред окружающей среде, а также позволяет сохранить от вырубки леса [8, 9]. Все эти факторы позволяют предположить, что использование древесно-полимерных композитов для изготовления тары является выгодным. Одним из основных свойств транспортной тары является влагопрочность, что определяется показателем водопоглощения.
Цель работы: исследовать влияние компонентного состава наполнителя на влагопрочностные свойства древесно-полимерного композита.
Для исследования свойств ДПК были получены образцы композитов, содержащих различные наполнители. Состав композиций представлен в табл. 1.
Испытание образцов ДПК проводилось по ГОСТ 4650-80 «Пластмассы. Методы определения водопоглощения».
Процедуры поглощения воды погруженными в нее образцами подразделяются на кратковременные (2 ч и 24 ч) и долговременное погружение. Все тесты проводились в дистиллированной воде [1] при температуре окружающей среды. Двухчасовое погружение рекомендуется для образцов с достаточно высокой скоростью поглощения воды и для тонких образцов. В конце периода погружения образцы должны извлекаться из воды поочередно, все поверхности были протерты от воды, после чего производилось взвешивание. При долговременном погружении образцы извлекали из воды, взвешивали и вновь помещали в воду через 24 ч, через 7 суток, а затем через каждые 2 недели вплоть до окончания испытания [14].
Сначала измерили толщину образца микрометром. Затем взвесили образец до набухания на аналитических весах, после чего поместили образец в бюкс с растворителем (бензин, ацетон, дистиллированная вода), в котором он набухает, засекли время. По истечению 5, 10, 20, 30 мин, часа и т.д. взвешивали образец, предварительно промокнув фильтровальной бумагой.
Водопоглощение определяли весовым методом, который заключался во взвешивании образца и в вычислении водопоглощения по формуле
,
где М0 – масса исходного образца; М – масса набухшего образца.
Таблица 1
Cостав древесно-полимерных композиций
|
Состав композиций. Образцы |
Состав образца |
||
|
Полимер |
Древесина |
Наполнитель |
|
|
Композиция 1 |
Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) 33 % |
Сосновая мука 52 % |
Тальк 15 % |
|
Композиция 2 |
Полипропилен (ПП) 40 % |
Сосновая мука 50 % |
Тальк 10 % |
Таблица 2
Сравнительная характеристика водопоглощения ДПК и древесины
|
Время под водой, сутки |
Поглощение воды, % |
||
|
ДПК |
Натуральная древесина |
||
|
ПП 40 %, древесная мука 50 %, тальк 10 % |
ПЭВП 33 %, древесная мука 52 %, тальк 15 % |
||
|
1 |
3,0 |
7,25 |
30–200 % |
Результаты эксперимента представлены в табл. 2.
Результаты эксперимента показали, что ДПК обладает достаточно низким водопоглощением, что является преимуществом по сравнению с древесиной. Поглощение воды композиционными материалами зависит от пористости, количества целлюлозного волокна и доступности внешней воды. Композитные материалы обычно пористые и степень их пористости определяется влажностью сырьевого материала и условиями переработки (в первую очередь, локальным перегревом), которые определяют плотность (удельный вес) конечного изделия. Поры в композитных материалах обычно открытые и образуют цепи, пронизывающие всю матрицу. Древесные волокна обнажаются этими порами. Отсюда более высокая или более низкая степень поглощения воды. Вода проникает внутрь композитной матрицы очень медленно. В древесине проникновение происходит гораздо быстрее, и высокий уровень влаги может быть достаточно глубоко в матрице. Минеральные наполнители, как правило, не поглощают воду (или поглощают очень незначительно), так что они снижают поглощение воды.
В условиях лаборатории были проведены исследования реологических и физико-механических свойств полученных композитов, результаты исследований уже описывались авторами в работах [4, 5].
Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что полимерные материалы и древесина при изготовлении поддонов могут быть заменены на композитный материал. Производство тары из ДПК позволит найти пути рационального использования отходов деревообработки и отходов, образующихся при производстве и потреблении пластмасс.