CC BY
38УДК 676. 022
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-773-8-54-59
A.А. АСКАДСКИЙ1 2, д-р хим. наук ([email protected]); Т.А. МАЦЕЕВИЧ2, д-р физ.-мат. наук ([email protected]);
B.И. КОНДРАЩЕНКО3, д-р техн. наук ([email protected])
1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
2 Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (119991, г. Москва, ул. Вавилова, 28)
3 Российский университет транспорта (127994, г. Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9)
Модификация материалов ДПК
путем введения пластификатора диоктилфталата
Изучены свойства материалов древесно-полимерных композитов (ДПК), модифицированных минеральным наполнителем и пластификатором. Материалы, модифицированные минеральным наполнителем, обладают очень низким водопоглощением -0,013% по сравнению с 1,25% для обычного материала на основе ДПК. Исследована релаксация напряжений модифицированного материала и было обнаружено, что обобщенная кривая релаксации модифицированного образца находится в диапазоне напряжений от 900 до 1300 МПа, что выше, чем для стандартного образца. Термическое расширение образцов, содержащих пластификатор диоктилфталат (ДОФ), находится в диапазоне 26-68 10-6 K-1; тот же диапазон характерен и для контрольного образца без минерального наполнителя. Водопоглощение образцов, пластифицированных ДОФ, составляет 0,013%, что также находится на уровне образцов, содержащих минеральный наполнитель, и значительно меньше, чем водопоглощение контрольного образца. Удельная ударная вязкость составляет 5,8 кДж/м2, прочность при изгибе - 32 МПа.
Ключевые слова: древесно-полимерные композиты, террасные доски, пластификация, диоктилфталат, механические свойства, термические свойства.
Для цитирования: Аскадский А.А., Мацеевич Т.А., Кондращенко В.И. Модификация материалов ДПК путем введения пластификатора диоктилфталата // Строительные материалы. 2019. № 8. С. 54-59. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-773-8-54-59
A.A. ASKADSKII1, 2, Doctor of Sciences (Chemistry) ([email protected]);
T.A. MATSEEVICH2, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), ([email protected]);
V.I. KONDRASHCHENKO3, Doctor of Sciences (Engineering), ([email protected])
1 National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
2 A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences (INEOS RAS) (28, Vavilova Street, Moscow, 119991, Russian Federation)
3 Russian University of Transport (9, Build. 9, Obraztsova Street, Moscow, 127994, Russian Federation)
Modification Of WPC Materials By Introduction Of Dioctylphthalate Plasticizer
The properties of materials of wood-polymer composites (WPC), modified with mineral filler and plasticizer were studied. The modified materials modified with mineral filler possess very low water absorption of 0.013% compared with 1.25% for ordinary material based on the WPC. The stress relaxation of a modified material was investigated and it was found that the master relaxation curve of the modified sample is located in the stress range from 900 to 1300 MPa, which is higher than for the standard sample. Thermal expansion of samples containing the dioctylphthalate plasticizer (DOP) is in the range from 26 to 68 10-6 K-1; the same range is characteristic and for the control sample free of mineral filler. The water absorption of the samples plasticized with DOP is 0.013% that is also at the level of the samples containing the mineral filler, and significantly less than the water absorption of the control sample. Specific impact toughness is 5.8 kJ/m2, bending strength is 32 MPa.
Keywords: wood-polymer composites, terrace boards, plasticization, dioctilphthalate, mechanical properties, thermal properties.
For citation: Askadskii A.A., Matseevich T.A., Kondrashchenko V.I. Modification of WPC materials by introduction of dioctylphthalate plasticizer. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 8, pp. 54-59. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-773-8-54-59
Из древесно-полимерных композитов (ДПК) успешно изготавливают изделия строительного назначения — полы террасных помещений, сайдинг, декоративные ограждения, заборные системы, ступени, универсальные профили, различные аксессуары и комплектующие. В качестве матричного полимера в ДПК наиболее эффективен поливинилхлорид (ПВХ), а в качестве наполнителя до последнего времени используется древесная мука. Исследование свойств этих материалов проводится совместно с Институтом элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН.
Свойства террасных досок изучены в работах [1—6]. Рассмотрены механические свойства — модуль
упругости, прочность при растяжении, сжатии и изгибе, стойкость к растрескиванию, твердость и удельная ударная вязкость. В ряде работ исследовали ДПК на основе ПВХ [7—11], а способы изготовления ДПК изложены в работах [12—14]. Свойства в широком интервале температуры приведены в работе [15], а термические свойства, водопоглощение, твердость, истираемость, устойчивость к климатическим воздействиям, использование вторичных полимеров изучены в работе [16].
В последнее время серьезное внимание уделяется модификации состава компонентов террасных досок. В качестве модификаторов используется минеральный наполнитель, который частично заменяет
54
август 2019
древесный наполнитель. В работе [17] представлены исследования свойств террасных досок, в которых в качестве наполнителя использовалась смесь мела и древесной муки. Такой наполнитель приводит к заметному снижению набухания от 1,25 до 0,01%. Что касается механических свойств, то они изменяются менее заметно при такой модификации: модуль упругости возрастает от 2260 до 2880 МПа, а прочность при растяжении изменяется от 30,5 до 16,7—32 МПа. Следовательно, замена части древесного наполните-
ля на минеральный основное влияние оказывает на снижение степени набухания.
Известно, что во многих случаях поливинилхло-рид (ПВХ) используется в пластифицированном виде. В работе изучено влияние небольшого содержания пластификатора диоктилфталата в концентрации 0,5 % от общей смеси полимера, наполнителей и всех добавок. Материал содержал 40% ПВХ, 35% древесной муки, 25% СаСО3 и 0,5% ДОФ. Изначально предполагалось, что введение такого небольшого
Таблица 1
Результаты измерения теплового расширения образца ДПК, модифицированного ДОФ
Измерения по длине*
V мм loc, мм lp, мм lc, мм Alp, мм Alc, мм ОЫ0"6, К-1 а.,-10-6, К-1 ао6щ-10-6, К-1 (ДОФ) амод-10-6, К-1 для составов (СаСО3/мука) аконф-ю-6, К-1
105,54 111,08 106,49 112,05 0,95 0,97 30 29,11 29,55 24,48 (80/20) 31,9 29,08 (40/60) 28,05 (двукр. перер.) 30,65 (70/30) 25,94 (30/70) 26,4
Измерения по ширине
- 106,33 - 107,83 - 1,5 - - 47,02 37,28 (80/20) 42,85 45,59 (40/60) 50,27 (двукр. перер.) 46,55 (70/30) 52,03 (30/70) 47,74
Измерения по толщине
- 4,58 - 4,67 - 0,09 - - 65,5 60,93 (80/20) 65,54 68,93 (40/60) 61,12 (двукр. перер.) 62,14 (70/30) 70,62 (30/70) 68,33
* В таблице введены следующие обозначения: 10р - начальная величина размера на ребре террасной доски; 10с - начальная величина размера на середине террасной доски.
Таблица 2
Состав исследуемых образцов
Номер образца Доля мела, % Доля древесной муки, % Температура 1-го перехода, оС Температура 2-го перехода, оС Температура 3-го перехода, оС
1 80 20 80 225 560
2 - - 81 202 -
3 40 60 78 230 -
4 (двукр. перер.) 40 60 78 217 -
5 70 30 78 210 -
6 30 70 79 216 -
* Для исследования взяты образцы ДПК компании Savewood. Образец № 2 произведен в другой отечественной компании. Он также содержит ПВХ в качестве матричного полимера.
количества пластификатора не существенно скажется на свойствах строительных изделий, но даст возможность в результате снижения вязкости экструдируемой композиции заметно снизить расход электроэнергии при их производстве.
Свойства материала, модифицированного ДОФ, детально изучили и сравнили со свойствами материалов, модифицированных только минеральным наполнителем (мелом). Проведено также сравнение со свойствами стандартного образца, содержащего обычный органический древесный наполнитель без добавок. Исследовали механические свойства, тепловое расширение и водопогло-щение.
В первую очередь были проведены измерения теплового расширения модифицированного образца, полученного добавлением ДОФ в композицию. Нагрев проводился до 50оС. Результаты измерений приведены в табл. 1.
В табл. 1 содержатся также данные для террасных досок, модифицированных только минеральным наполнителем (СаСО3). Эти данные нужны для сравнения термического расширения образцов, модифицированных смесью минерального наполнителя и пластификатора, и образцов, модифицированных только минеральным наполнителем. Составы образцов, модифицированных только минеральным наполнителем, и их термические свойства приведены в табл. 2.
Результаты измерения во-допоглощения образца с добавлением ДОФ и образцов, модифицированных только СаСО3, приведены в табл. 3.
Водопоглощение образца при добавлении в рецептуру пластификатора ДОФ находится практически на уровне водопоглощения образцов, содержащих смесь минерального и древесного наполнителя в разных пропорциях.
Таблица 3
Водопоглощение образца ДПК с пластификатором ДОФ
Водопоглощение, набухание в воде 24 ч Водо- поглощение, % Save-wood (контр.) Номер образца Образец, модифицированный ДОФ
1 2 3 4 5 6
1,25 0,08 0,01 0,013 0,005 0,025 0,98 0,09
Набухание по длине, % 0,12 0,02 0,04 0,02 0,004 0,014 0,06 0,07
Набухание по ширине, % 0,165 0,02 0,02 0,02 0,008 0,018 0,12 0,13
Набухание по толщине, % 0,94 0,31 0,55 0,28 0,47 0,11 0,68 0,88
Твердость образца ДПК с пластификатором ДОФ
Таблица 4
Производитель Savewood (без минерального наполнителя) Производитель Savewood (пластифицированный ДОФ) Производитель Terradeck Производитель Twinson
Твердость по Шору D (ср) Твердость по Бриннелю, МПа Твердость по Шору D (ср) Твердость по Бриннелю, МПа Твердость по Бриннелю, МПа Твердость по Бриннелю, МПа
85 580 79,1 550 129 145
Таблица 5
Удельная ударная вязкость образца с пластификатором ДОФ,
кДж/м2
Номер А ^ контр Номер образца Образец с
образца 1 2 3 4 5 6 ДОФ
1 6
2 8,9
3 4,7 3,71 6,25 6,83 7,74 3,23 4,23 5,8
4 4,8
5 4,6
6 5,3
Таблица 6
Усредненная прочность при изгибе СТи,
МПа
Номер образца
Номер образца Стизг контрольного образца 1 2 3 4 5 6 Образец с ДОФ, СТИзГ ср
1 68,9
2 58,3
3 68,8 25 43,7 48,1 64,8 31,8 42,7 32
4 57,5
5 64,1
6 65,7
Твердость образцов измеряли по Шору и по Бриннелю. Табл. 4 содержит результаты измерения твердости исследованных образцов.
Удельную ударную вязкость измеряли на приборе Динстат (Германия). Данные по удельной ударной вязкости приведены в табл. 5, в сравнении с этим показателем для образцов, содержащих только древес-
научно-технический и производственный журнал "56 август 2019 ЙЛГЗгШЛШГ
ный наполнитель. Аср — средняя величина удельной ударной вязкости. Измеряли этот показатель для образцов с разным соотношением минерального и древесного наполнителем (табл. 2)
Удельная ударная вязкость пластифицированного образца примерна такая же, как и для всех других исследованных образцов.
Прочность при изгибе измеряли на приборе Динстат (Германия) консольным методом. Результаты измерений показаны в табл. 6.
Прочность образцов при изгибе пластифицированного материала (32 МПа) достаточна для того, чтобы использовать его в строительных конструкциях.
Прочность, модуль упругости и предельную деформацию при растяжении определяли на приборе LLOYD Instruments LR5K Plus. С этой целью снимали кривые растяжения образцов. В качестве примера такая кривая показана на рисунке.
Прочность при растяжении показана в табл. 7.
Прочность при растяжении пластифицированного образца заметно меньше, чем для образцов, не содержащих пластификатора, что вполне естественно. Однако она близка к прочности образца № 3, который выбран в качестве наилучшего по другим показателям.
Определенные по кривым растяжения модули упругости показаны в табл. 8.
Модуль упругости образца, содержащего пластификатор, примерно в два раза ниже, чем модули упругости образцов без пластификатора. Однако значение 1290 МПа вполне допустимо для террасных досок как материалов конструкционного назначения.
Предельная деформация при разрыве образцов показана в табл. 9.
Предельная деформация при разрыве образца, содержащего пластификатор ДОФ, имеет значение, в ряде случаев несколько превосходящее величины деформации образцов, не содержащих пластификатор. Поэтому пластифицированный материал вполне может использоваться в конструкциях строительного назначения.
С точки зрения эффективности производства добавление пластификатора в древесно-полимерную массу рационально, так как это позволяет экономить 4% электроэнергии при экстру-
Напряжение, МПа
15
10
0
0
3
1 2 Относительная деформация Кривая растяжения образца с добавлением ДОФ
зии в технологическом процессе, что приводит к снижению себестоимости. Проведенное исследование показало, что ДПК, полученные с добавлением пластификатора, сохраняют устойчивость к влагопо-глощению, присущую материалам, содержащим
Таблица 7
Усредненная прочность при растяжении ар
МПа
о 1_ Номер образца
Номер образца ар, ср контрольно образца 1 2 3 4 5 6 =Г d 8 0 äe о §
1 25
2 38,5
3 34 18,8 24,8 16,73 22,66 22,5 24,7 13
4 27,4
5 32
6 26
Таблица 8 Усредненные модули упругости образцов с минеральным и древесным наполнителем и образца с добавлением ДОФ Еср, МПа
я ? я Номер образца е О О ¡р S ^ т а р б О
Номер образц Модуль упругое контрольного образца Е, МП 1 2 3 4 5 6
1 1820
2 2100
3 2050 2050 1750 2160 2021 2569 2781 1290
4 2050
5 2880
6 2680
5
Таблица 9
Предельная деформация при разрыве образцов, £, %
„ я и Номер образца Образец с ДОФ £
о СО 5 я о О. ^ I о ^ W 1 2 3 4 5 6
1 2,67
2 2,88
3 2,15 2,73 3,36 3,4 2,66 2,95 3,7 3,26
4 2,5
5 2,57
6 2,07
References
комбинированный органо-минеральный наполнитель, и многие другие полезные свойства этих композитов — модуль упругости, прочность при растяжении и изгибе, удельная ударная вязкость. Следовательно, данное мероприятие по снижению себестоимости не снижает потребительских и эксплуатационных свойств ДПК.
Список литературы
1. Мороз П.А., Аскадский Ал.А., Мацеевич Т.А., Соловьева Е.В., Аскадский А.А. Применение вторичных полимеров для производства древесно-полимерных композитов // Пластические массы. 2017. № 9-10. С. 56-61.
2. Мацеевич Т.А., Аскадский А.А. Механические свойства террасной доски на основе полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида // Строительство: наука и образование. 2017. Т. 7. Вып. 3 (24). С. 48-59.
3. Абушенко А.В., Воскобойников И.В., Кондратюк В.А. Производство изделий из ДПК // Деловой журнал по деревообработке. 2008. № 4. С. 88-94.
4. Ершова О.В., Чупрова Л.В., Муллина Э.Р., Мишурина О.А. Исследование зависимости свойств древесно-полимерных композитов от химического состава матрицы // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 2. С. 26. Режим доступа: https://www.science-education.ru/ru/ article/view?id=12363
5. Клесов А.А. Древесно-полимерные композиты / Пер. с англ. А. Чмеля. СПб.: Научные основы и технологии. 2010. 736 с.
6. Walcott M.P., Englund K.A. A technology review of wood-plastic composites; 3 ed. N.Y.: Reihold Publ. Corp., 1999. 151 p.
7. Руководство по разработке композиций на основе ПВХ / Под. ред. Р.Ф. Гроссмана; пер. с англ. под ред. В.В. Гузеева. СПб.: Научные основы и технологии, 2009. 608 с.
8. Kickelbick G. Introduction to hybrid materials // Hybrid Materials: Synthesis, Characterization, and Applications / G. Kickelbick (ed.). Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2007. 498 p.
9. Уилки Ч., Саммерс Дж., Даниелс Ч. Поливинил-хлорид / Пер. с англ. под ред. Г.Е. Заикова. СПб.: Профессия, 2007. 728 с.
10. Kokta B.V., Maldas D., Daneult C., Bland P. Composites of polyvinyl chloride-wood fibers // Polymer-plastics Technology Engineering. 1990. V. 29, pp. 87-118.
11. Низамов Р.К. Поливинилхлоридные композиции строительного назначения с полифункциональными наполнителями. Дис. ... д-ра техн. наук. Казань, 2007. 369 с.
1. Moroz P.A., Askadskiy Al.A., Matseyevich T.A., Solovyova E.V., Askadskiy A.A. Use of secondary polymers for production of wood and polymeric composites. Plasticheskie massy. 2017. No. 9—10, pp. 56—61. (In Russian).
2. Matseyevich T.A., Askadskiy A.A. Mechanical properties of a terrace board on the basis of polyethylene, polypropylene and polyvinylchloride. Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie. 2017. Vol. 7. No. 3, pp. 48—59. (In Russian).
3. Abushenko A.V., Voskoboinikov I.V., Kondratyuk V.A. Production of products from WPC. Delovoi zhurnal po derevoobrabotke. 2008. No. 4, pp. 88-94. (In Russian).
4. Yershova O.V., Chuprova L.V., Mullina E.R., Mishurina O.A. Research dependence of properties the wood and polymeric composites from the chemical composition of a matrix. Sovremennye problem nauki i obrazovaniya. 2014. No. 2, p. 26. https://www.science-education.ru/ru/article/view?id=12363 (In Russian).
5. Klesov A.A. Drevesno-polimernye kompozity / per. s angl. A.Chmelya. [Wood and polymeric composites. Translation from English A.Chmel.]. Saint Petersburg. Scientific bases and technologies. 2010. 736 p.
6. Walcott M.P., Englund K.A. A technology review of wood-plastic composites; 3 ed. N.Y.: Reihold Publ. Corp., 1999. 151 p.
7. Rukovodstvo po razrabotke kompozitsii na osnove PVKh. [The guide to development of compositions on the basis of PVC]. Under edition R.F. Grossman; translation from English under the editorship ofV.V. Guzeev. Scientific bases and technologies. 2009. 608 p.
8. Kickelbick G. Introduction to hybrid materials. Hybrid Materials: Synthesis, Characterization, and Applications / G. Kickelbick (ed.). Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2007. 498 p.
9. Wilkie Ch., Summers J., Daniyels of H. Polivinilkhlorid / per. s angl. pod red. G.E. Zaikova. [The polyvinylchloride / translation from English under the editorship of G.E. Zaikov]. Saint Petersburg. Professiya. 2007. 728 p.
10. Kokta B.V., Maldas D., Daneult C., Bland P. Composites of polyvinyl chloride-wood fibers. Polymer-plastics Technology Engineering. 1990. V. 29, pp. 87-118.
11. Nizamov R.K. Polyvinylchloride compositions of construction appointment with multifunctional fillers. Diss. Doct. (Engineering). Kazan. 2007. 369 p. (In Russian).
58
август 2019
j\jj ®
12. Stavrov V.P., Spiglazov A.V., Sviridenok A.I. Rheological parameters of molding thermoplastic composites high-filled with wood particles // International Journal of Applied Mechanics and Enginnering. 2007. Vol. 12. No. 2, pp. 527—536.
13. Бурнашев А.И. Высоконаполненные поливи-нилхлоридные строительные материалы на основе наномодифицированной древесной муки. Дис. ... канд. техн. наук. Казань, 2011. 159 с.
14. Figovsky O., Borisov Yu., Beilin D. Nanostructured binder for acid-resisting building materials // Scientific Israel — Technological Advantages. 2012. Vol. 14. No. 1, pp. 7—12.
15. Мацеевич Т.А., Аскадский А.А.. Террасные доски: состав, изготовление, свойства. Ч. 1. Механические свойства // Строительные материалы. 2018. № 1-2. С. 101-105. DOI: https://doi. org/10.31659/0585-430X-2018-756-1-2-101-105
16. Мацеевич ТА, Аскадский А.А. Террасные доски: состав, изготовление, свойства. Ч. 2. Термические свойства, водопоглощение, истираемость, устойчивость к климатическим воздействиям, использование вторичных полимеров // Строительные материалы. 2018. № 3. С. 55-61. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-757-3-55-61
17. Аскадский А.А., Мацеевич Т.М., Кондращенко В.И. Водопоглощение древесно-полимерных композитов на основе ПВХ с частичной заменой древесного наполнителя на минеральный // Строительные материалы. 2019. № 5. С. 62-66. DOI: https://doi. org/10.31659/0585-430X-2019-770-5-62-66
12. Stavrov V.P., Spiglazov A.V., Sviridenok A.I. Rheological parameters of molding thermoplastic composites high-filled with wood particles. International Journal of Applied Mechanics and Enginnering. 2007. Vol. 12. No. 2, pp 527—536.
13. Burnashev AI. The high-filled polyvinylchloride construction materials on the basis of the nano-modifed wood flour. Diss. Cand. (Engineering). Kazan. 2011. 159 p. (In Russian).
14. Figovsky O., Borisov Yu., Beilin D. Nanostructured binder for acid-resisting building materials. Scientific Israel — Technological Advantages. 2012. Vol. 14. No. 1, pp. 7—12.
15. Matseyevich T.A., Askadskiy A.A. Terrace boards: structure, production, properties. Part 1. Mechanical properties. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 1-2, pp. 101-105. (In Russian). DOI: https:// doi.org/10.31659/0585-430X-2018-756-1-2-101-105
16. Matseyevich T.A., Askadskiy A.A. Terrace boards: structure, production, properties. Part 2. Thermal properties, water absorption, abrasion, hardness, resistance to climatic influences, the use of recycled polymers. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 3, pp. 55-61. (In Russian). DOI: https:// doi.org/10.31659/0585-430X-2018-757-3-55-61
17. Matseyevich T.A., Askadskii A.A. Kondrashchen-ko V.I. Water absorption of wood-polymer composites based on PVC with partial replacement of wood filler by mineral one. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 5, pp. 62-66. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-770-5-62-66
ООО «АКЦЕПТ» Аккредитованный сертификационный и испытательный центр
Сертификация строительных материалов
♦
Физико-механические испытания
строительных материалов ♦
Химические и радиологические исследования сырья и строительных материалов
+7 921-740-8584, +7 921-921-9229. www.accept-lab.ru
