CC BY
58УДК 678.743.22
Р.К. НИЗАМОВ1, д-р техн. наук ([email protected]), Л.А. АБДРАХМАНОВА1, д-р техн. наук ([email protected]); А.И. БУРНАШЕВ2, канд. техн. наук ([email protected]); В.Г. ХОЗИН1, д-р техн. наук ([email protected])
1 Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)
2 ООО «Трансинжком» (420107, г. Казань, ул. Спартаковская, 2)
Проблемы производства и перспективы применения поливинилхлоридных древесно-полимерных композитов в строительстве
К числу наиболее перспективных композитных материалов на основе поливинилхлорида для строительной технологии относятся высоконаполненные древесно-полимерные композиты (ДПК). На основе анализа научных разработок и развития рынка таких композитов, а также на основе собственных исследований рассмотрены требующие решения задачи эффективной переработки наполненных поливинилхлоридных композиций, связанные с особенностями структуры ПВХ. Представлены основные технические преимущества поливинилхлоридных ДПК строительного назначения по сравнению с таковыми на основе полиолефинов.
Ключевые слова: ПВХ, древесно-полимерный композит, связующие агенты, наномодификация.
R.K. NIZAMOV1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), L.A. ABDRAKHMANOVA1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), A.I. BURNASHEV2, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), V.G. KHOZIN1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected])
1 Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, 420043, Russian Federation)
2 OOO «Transinzhkom» (2, Spartakovskaya Street, Kazan, 420107, Russian Federation)
Problems of Production and Prospects of Application of Polyvinyl-Chloride Wood-Polymer Composites in Construction
High-filled wood-polymer composites (WPC) are among the most promising composite materials on the basis of polyvinyl-chloride for building technology. Outstanding challenges of the efficient processing of filled polyvinyl-chloride composites related to the structural features of PVC are considered on the basis of the analysis of scientific research results and market development as well as on the basis of own investigations. Main technical advantages of polyvinyl-chloride WPC for construction purposes in comparison with WPC on the basis of polyolefins are presented.
Keywords: PVC, wood-polymer composite, binding agents, nano-modification.
Производство древесно-полимерных композитов на основе термопластов — одна из наиболее перспективных, развиваемых и постоянно расширяющихся технологий в настоящее время. При создании ДПК на основе термопластов речь прежде всего идет о высоконаполненных материалах с содержанием органического наполнителя более 50 мас. %, что позволяет значительно снизить по-лимероемкость и стоимость получаемых материалов.
В октябре 2012 г. Президент России В.В. Путин на заседании Совета по модернизации экономики и инновационному развитию России отметил, что нынешний этап мировой технической революции знаменует индустрия композитных материалов. В советское время мы занимали одно из ведущих мест в мире после США и Японии. Сейчас на долю России приходится всего 0,3—0,5% рынка композитных материалов. Основное внимание предлагается уделять развитию и применению полимерных композитов, и прежде всего в гражданских отраслях. На ближайшие годы наиболее перспективной областью развития ПКМ в России является строительная индустрия, где рынок данных материалов в 2013 г. оценивался приблизительно в 500 тыс. т, из которых 48% приходилось на ПВХ.
Активное развитие производства и потребления ДПК началось в 1990-х гг. в США, которые и в настоящее время являются основным потребителем и производителем ДПК. В 1999 г. в США было запущено производство окон на базе материала Файбрекс, состоящего из смеси отходов древесины и ПВХ в соотношении примерно 60:40. В Европе в настоящее время промышленное производство ДПК также прогрессивно развивается и ожидается его быстрый рост в различных областях — это обшивка, изготовление ограждений или элементов интерьера. Данное направление активно развивается в Китае и Японии. Если говорить про современное состояние рынка ДПК, то основу продукции составляет про-
изводство и реализация декинга. Однако постепенно продолжают развиваться и другие отрасли производства — отделочные панели, малые архитектурные формы, декоративные ограждения, строительные материалы.
Хотя в России ДПК начали пользоваться популярностью не так давно, но интерес уже очень значительный. Изготовление террасной доски и сайдинга составляет почти 80% от общего производства ДПК в России. Особый интерес представляют строительные элементы (стеновые панели, половые доски и настилы, оконные и дверные профили, элементы кровли и др.). Поливинил-хлорид является одним из самых крупнотоннажных термопластов, занимающим первое место среди всех полимеров в строительной продукции.
Более половины ДПК изготавливается при использовании полиэтилена в качестве полимерного компонента. Общий объем потребления полимеров на производство ДПК в 2013 г. оценивается в 5,5 тыс. т. К 2014 г. на долю изделий из ДПК-ПВХ (декинг, заборы, подоконники) приходилось всего 1 тыс. т. полимера что следует из данных, приведенных на международной конференции, посвященной обсуждению состояния, проблемам и перспективам развития рынка поливинилхлорида (ПВХ), организованной в декабре 2014 г. компанией 1пуеп1га.
Хотя имеющиеся данные говорят о ряде преимуществ применения ПВХ перед другими термопластами: прочность при изгибе ПВХ образцов в 1,5—2 раза больше, модуль упругости при изгибе в 2—2,5 раза больше, прочность при сжатии в 2—3 раза выше, чем для ПП и ПЭ. В отличие от других термопластов ПВХ обладает высокой стойкостью к горению [1].
Часто встречающееся заблуждение о выделении хлористого водорода при температуре выше 70оС из неста-билизированного ПВХ беспочвенно. Ни один материал из ПВХ не производится нестабилизированным, так как температура текучести расплавов ПВХ почти равна тем-
To the 85-Anniversary of the Kazan State University of Architecture and Engineering
Показатель Древесная мука
Исходная Модифицированная 1,75% КЗ
Прочность при растяжении, МПа 31 38 (+23%)
Показатель текучести расплава, г/10 мин 0,22 0,32 (+45%)
Истираемость, мкм 75 61 (-19%)
Модуль деформации при растяжении, МПа 700 1000 (+43%)
Микротвердость по Виккерсу, кгс/мм2 12,6 17,5 (+39%)
пературе его термодеструкции. Хотя перерабатывать ПВХ-композиции сложнее, чем полиолефины, ввиду высокой вязкости расплавов, никакой другой пластик не может сравниться с ним по оптимальному соотношению стоимости и эксплуатационных свойств. Таким образом, преимущества ПВХ значительны, но имеющееся реальное его небольшое применение в ДПК объясняется сложностью переработки ввиду низкой стабильности и высокой вязкости расплава.
Основным способом высокого наполнения термопластов древесным наполнителем, в частности древесной мукой, при сохранении (или улучшении) эксплуатационных характеристик является применение связующих агентов — соединений органической или неорганической природы, предназначенных для образования прочных связей на границе раздела полимерная матрица-органический наполнитель. Связующие агенты, широко разработанные и предлагаемые для композиций на основе неполярных матриц из ПЭ и ПП, в случае ПВХ (полярного полимера) не дают положительных результатов, иногда даже снижают физико-технические показатели композитов.
Максимальное наполнение жесткой непластифициро-ванной ПВХ-композиции древесным наполнителем без связующего агента не превышает обычно 25—30 мас. %. Однако при разработке ДПК особый интерес представляет получение материалов со степенью наполнения не менее 50 мас. %, что позволяет значительно снизить полиме-роемкость и соответственно существенно уменьшить их стоимость. При увеличении содержания древесной муки получаемый полимерный композит все больше становится похожим на натуральное дерево по фактуре, тактильным и визуальным показателям.
В свое время зарубежными авторами [2, 3] в качестве модифицирующей добавки для ПВХ ДПК использовались аминосиланы, а российскими исследователями [4] было предложено высокоскоростное смешение древесного наполнителя с неорганическими добавками (кальцитом, баритом, вермикулитом или тальком) с высокими основными свойствами до 1200 с при температуре до 220оС и при скорости вращения ротора до 4500 об/мин. В результате возросла степень наполнения (до 55— 67 мас. %) и повысились прочностные показатели получаемых материалов по сравнению с исходной композицией. Однако при этом остается нерешенной проблема значительной вязкости расплава и низкой термостабильности ПВХ, равномерного распределения связующего агента в полимерной композиции, кроме того, произошло ее ощутимое удорожание.
Для высоконаполненных ДПК на основе ПВХ эффективные связующие агенты практически не разработаны. Авторами предложены новые связующие агенты. В основе научной гипотезы лежит идея усиления межфазного взаимодействия между ПВХ и древесной мукой за счет изменения кислотно-основных параметров компонентов. Так как ПВХ и древесная мука полярные полимеры, проявляющие кислотные свойства, древесную муку обрабатывали наноразмерными модификаторами для снижения ее кислотных свойств и в итоге для усиления взаимодействия на границе ПВХ-древесный наполнитель. Наиболее эффективными оказались кремнезо-ли и углеродные нанотрубки [5—9].
Эффективность кремнезоля обусловлена его высокой щелочностью, способной снизить кислотность древесной муки почти в два раза и тем самым увеличить взаимодействие на границе ПВХ — древесная мука с образованием монолитной структуры композита. Использование кремнезоля позволило (см. таблицу):
— повысить прочности при растяжении;
— повысить термостабильность, что дает возможность уменьшить содержание дорогого комплексного стабилизатора;
— снизить показатели водопоглощения и горючести за счет использования связующего агента неорганической природы.
И это достигается при увеличении степени наполнения жестких ПВХ-композиций до 60 мас. % и содержании кремнезоля 1,75%. С целью равномерного распределения нанодобавку вводили через древесный наполнитель [10]. По существу, модификацию древесной муки нанокремне-золем можно рассматривать как создание условий для недопустимости агрегирования наночастиц кремнезоля при совмещении с ПВХ путем предварительного диспергирования их на поверхности древесной муки.
Сравнительные характеристики ПВХ-композиций, наполненных исходной и модифицированной кремне-золем древесной мукой (100/50)
Товарным продуктом может быть сама наномодифи-цированная мука, гранулят при двухстадийной технологии или же различные виды профильных изделий.
Конечно, ПВХ — самый тяжелый полимер по сравнению с ПП и ПЭ, но проблема в целом может быть решена путем создания вспененных композитов. Существуют следующие нерешенные (или частично решенные) проблемы, которые касаются не только ДПК-ПВХ, но и ДПК на основе других термопластов.
1. Фундаментальное исследование ускоренного атмосферного старения и изучение долговечности материалов из ДПК.
2. Возможности применения вторичных полимеров и влияние их на свойства ДПК.
3. Проблемы огнестойкости ДПК.
4. Поиск новых видов древесных наполнителей с низкой плотностью для ДПК.
5. Улучшение способов диспергирования древесных частиц в полимерной матрице и некоторые другие.
Следует отметить, что на рынке строительных материалов древесно-полимерный композит не является пока признанным материалом, но реальная ситуация производства изделий из ДПК, открывающиеся возможности потребления этих композитов предсказывают рост потребительского рынка продукции ДПК.
Список литературы
1. Клесов А.А. Древесно-полимерные композиты. СПб: Научные основы и технологии, 2010. 736 с.
2. Kokta B.V. Composites of Polyvinyl Chloride-Wood Fibers // Vinyl Tech. 1990. Vol. 12. No. 3. pp. 146-153.
3. Matuana L.M., Balatinecz J.J., Park C.B. Surface Characteristics of Chemically Modified Fibers Determined by Inverse Gas Chromatography. Wood Fiber Science. 1999. Vol. 31, pp. 116-127.
4. Коршун О.А., Романов Н.М., Наназашвили И.Х. Экологически чистые древеснонаполненные пластмассы // Строительные материалы. 1997. № 5. С. 8-11.
5. Бурнашев А.И., Ашрапов А.Х., Абдрахманова Л.А., Низамов Р.К. Применение в рецептуре древесно-полимерного композита наномодифицированного
Ы ®
май 2015
15
поливинилхлорида // Известия КГАСУ. 2013. № 2 (24). С. 226-232.
6. Бурнашев А.И., Ашрапов А.Х., Абдрахманова Л.А., Низамов Р.К. Структура и свойства модифицированного древесно-полимерного композита / Строительные материалы. 2014. № 3. С. 104-106.
7. Абдрахманова Л.А., Бурнашев А.И., Низамов Р.К., Хозин В.Г. Наномодификация древесной муки кремнезолями / Нанотехнологии в строительстве. 2012. № 3. С. 56-67. http://www.nanobuild.ru (дата обращения 23.04.2015).
8. Nizamov R.K., Abdrahmanova L.A., Burnashev A.I. Wood-polymer composites of building purposes based on polyvinylchloride. Internationale baustofftagung Bau-haus-Universitat Weimar, Tagungsbericht-2012. BAND 2. pp. 1329-1333.
9. Бурнашев А.И., Абдрахманова Л.А., Низамов Р.К., Хозин В.Г., Колесникова И.В., Фахрутдинова Ф.Х. Наномодифицированная древесная мука - эффективный наполнитель поливинилхлоридных композиций // Строительные материалы. 2011. № 9. С. 72-74.
10. Патент РФ № 2465292 Способ получения древесно-полимерной композиции на основе жесткого поливинилхлорида / Бурнашев А.И., Абдрахманова Л.А., Низамов Р.К., Колесникова И.В., Хозин В.Г. Опубл. 27.10.2012, бюл. № 30.
References
1. Klesov A.A. Drevesno-polimernye kompozity [Woodpolymer composites]. Saint-Peterburg: Nauchnye os-novyi tekhnologii, 2010. 736 p.
2. Kokta B.V. Composites of Polyvinyl Chloride-Wood Fibers. Vinyl Tech.1990.Vol. 12. No. 3, pp. 146-153.
3. Matuana L.M., Balatinecz J.J., Park C.B. Surface Characteristics of Chemically Modified Fibers Determined by Inverse Gas Chromatog-raphy. Wood Fiber Science. 1999. Vol. 31, pp. 116-127.
4. Korshun O.A. Ekologicheski chistye drevesnonapolnen-nye plastmassy. Stroitel'nyeMaterialy [Construction Materials]. 1997. No. 5, pp. 8-11. (In Russian).
5. Burnashev A.I., Ashrapov A.Kh., Abdrakhmanova L.A., Nizamov R.K. Primenenie v retsepture drevesno-polim-ernogo kompozita nanomodifitsirovannogo polivini-lkhlorida. Izvestiya KGASU. 2013. No. 2 (24), pp. 226232. (In Russian).
6. Burnashev A.I., AshrapovA.Kh.,Abdrakhmanova L.A., Nizamov R.K. Struktura i svoistva modifitsirovannogo drevesno-polimernogo kompozita. Stroitel'nyeMaterialy [Construction Materials]. 2014. No. 3. pp. 104-106. (In Russian).
7. Abdrakhmanova L.A., Burnashev A.I., Nizamov R.K., Khozin V.G. Nanomodifikatsiya drevesnoi muki krem-nezolyami. Nanotekhnologii v stroitel'stve: scientific Internet-journal. 2012. No. 3, pp. 56-67. http://www. nanobuild.ru/magazine/nb/Nanobuild_3_2012.pdf (date of access 19.03.15). (In Russian).
8. Nizamov R.K., Abdrahmanova L.A., Burnashev A.I. Wood-polymer composites of building purposes based on polyvinylchloride. Internationale Baumstofftagung Bauhaus-Universität Weimar. Tagungsbericht. 2012. BAND 2, pp. 1329-1333.
9. Burnashev A.I., Abdrakhmanova L.A., Nizamov R.K., Khozin V.G., Kolesnikova I.V., Fakhrutdinova F.Kh. Nanomodifitsirovannaya drevesnaya muka - effektivnyi napolnitel' polivinilkhloridnykh kompozitsii. Stroitel'nyeMaterialy [Construction Materials]. 2011. No. 9, pp. 72-74. (In Russian).
10. Patent RF 2465292. Sposob polucheniya drevesno-po-limernoi kompozitsii na osnove zhestkogo polivinilkhlo-rida [A method for produc-ing wood-based polymercomposition based on rigid PVC]. Burnashev A.I., Abdrakhmanova L.A., Nizamov R.K., Kolesnikova I.V., Khozin V.G. Declared 27.04.2011. Published 27.10.2012. Bulletin No. 30. (In Russian).
Министерство образования и науки Российской Федерации Министерство образования и науки Республики Татарстан Министерство транспорта и дорожного хозяйства Республики Татарстан Академия наук Республики Татарстан Казанский государственный архитектурно-строительный университет
9-11 сентября 2015 г г. Казань
Международная научно-техническая конференции «Интерстроймех-2015»
Секции конференции:
• Теория, конструкции и расчет строительных, дорожных и коммунальных машин и оборудования • Технологические комплексы и автоматизированные системы в строительстве
• Производство, эксплуатация и ремонт строительных, дорожных и коммунальных машин
• Совершенствование методики подготовки инженерных кадров в области строительных,
дорожных и коммунальных машин
В дни работы конференции планируется провести заседания учебно-методических комиссий УМО вузов РФ и стран СНГ в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов
ОРГКОМИТЕТ 420043, г. Казань, ул. Н. Ершова, д. 31, КГАСУ, кафедра «Дорожно-строительные машины» Тел. (843)272-47-54, 272-72-91, факс (843) 273-04-02 http://interstroymech2015.kgasu.ru/
