Разработка древесно-полимерного композита строительного назначения с добавкой вторичного полиэтилентерефталата Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 674.815

А.А. КРЫЛОВ1, инженер; Т.Н. ВАХНИНА2, канд. техн. наук (t_vachnina@mail.ru)

1 Акционерное Общество Костромской Судомеханический Завод (156002, Кострома, ул. Береговая, 45)

2 Костромской государственный технологический университет (156005, Кострома, ул. Дзержинского, 17)

Разработка древесно-полимерного композита строительного назначения с добавкой вторичного полиэтилентерефталата

Рассмотрен вопрос разработки композиционных древесно-полимерных плитных материалов строительного назначения с добавкой бытовых отходов полимерной тары. На основе экспериментальных исследований обосновываются технологические рекомендации для производства композита из древесной составляющей, измельченных отходов полиэтилентерефталата и полимерного связующего.

Ключевые слова: древесная стружка, связующее, полиэтилентерефталат, прессование, прочность, разбухание, математическая модель.

A.A. KRYLOV1, Engineer; T.N. VAKHNINA2, Candidate of Sciences (Engineering) (t_vachnina@mail.ru)

1 OJSC Kostroma Ship Mechanical Plant (45 Beregovaya Street, 156002, Kostroma, Russian Federation)

2 Kostroma State Technological University (17 Dzerzhinskogo Street, 156005, Kostroma, Russian Federation)

Development of a Wood-Polymeric Composite of Construction Appointment with Addition of Secondary Polyethyleneterephthalate

The issue of development of composite wood-polymeric slabby materials of construction appointment with addition of household waste of polymeric container is considered. On the basis of experimental studies, technological recommendations for production of a composite from wood component, crushed waste of polyethyleneterephthalate and a polymeric binder are substantiated.

Keywords: wood shavings, binder, polyethyleneterephthalate, pressing, strength, swelling, mathematic model.

В настоящее время в домостроении не используются древесно-стружечные плиты по причине несоответствия их эксплуатационных показателей требованиям, предъявляемым к строительным материалам [1, 2]. Вступивший в действие ГОСТ 10632—2014, частично гармонизированный с европейскими стандартами EN 312, не содержит требований к плитам строительного назначения.

Основной причиной несоответствия отечественных плит требованиям к плитам строительного назначения является их низкая водостойкость, обусловленная используемым в производстве карбамидоформальдегид-ным связующим. Использование для производства дре-весно-полимерных композитов гидролитически устойчивых полимеров позволяет улучшить физико-механические показатели материала [3]. Еще более повышает водостойкость плит включение в композицию полимера, синтезируемого по реакции полимеризации, такого

Рис. 1. Химическая формула полиэтилентерефталата

как полиэтилентерефталат. Использование вторичного полимера не только удешевляет композицию, но и попутно решает вопрос использования полимерных отходов.

Проблема переработки отходов бытовой полимерной тары стала актуальной с начала использования полимеров для упаковки продуктов. В России перерабатывается лишь незначительная часть полимерных отходов, большей частью (70—80%) это отходы производства полимерных материалов [4]. Бытовые полимерные отходы, т. е. отходы потребления, утилизируются путем вывоза на свалку или сжигания. Переработка полимерных отходов путем захоронения или сжигания негативно

Таблица 1

Показатель Значение

Плотность, г/см3:

аморфный 1,335

кристаллическим 1,42

Температура стеклования, оС:

аморфный 67

кристаллический 81

Температура плавления, оС 250-265

Предел прочности при растяжении, МПа 172

IE * х-

Г /

Рис. 2. Структура композита с добавкой измельченных полимерных отходов при температуре прессования: а - 200оС; б - 220оС; в - 240оС; г - 270оС

\ j научно-технический и производственный журнал

Таблица 2

Выходная величина Значение показателя Среднее арифметическое

Предел прочности при статическом изгибе, МПа 19,75; 16,55; 14,07; 17,56; 21,14; 15,83; 19,76; 18,13; 13,96;17,65; 18,45; 19,13; 15,48; 17,13; 16,13; 19,87; 20,21; 21,13 17,89

Разбухание плит по толщине за 24 ч, % 7,03; 8,66; 11,24; 6,05; 10,03; 9,03; 7,09; 5,96 7,03; 5,75; 6,06; 11,01; 6,97; 7,51; 6,54; 8,32; 5,03; 6,87 7,56

влияет на экологию. Утилизация таких распространенных полимерных упаковок, как полиэтилентерефталат (ПЭТ), в захоронениях малоэффективна, так как разложение данных материалов происходит за период до ста лет. При сжигании полимерных отходов выделяется большое количество диоксинов. Химическая формула ПЭТ представлена на рис. 1.

Полиэтилентерефталат — кристаллизующийся полиэфир, может находиться в аморфном состоянии. Показатели ПЭТ приведены в табл. 1.

К числу перспективных технологий утилизации вторичных полимерных отходов относится производство композиционных материалов, в том числе древесно-по-лимерных. Одним из технически возможных вариантов утилизации вторичного полиэтилентерефталата является производство композитов, состоящих из древесных частиц с добавкой синтетического связующего и измельченных полимерных отходов.

Любой композит является гетерогенной системой с межфазным взаимодействием на границе раздела компонентов-фаз [5]. К сложностям данного направления разработки древесно-полимерного композита с добавкой вторичного ПЭТ относятся трудности соединения в устойчивую структуру с высокими физико-механическими показателями природного полимера (древесины), поликонденсационного (синтетического связующего) и полимеризационного (ПЭТ).

Адгезия посредством химических связей между древесными частицами и частицами ПЭТ невозможна ввиду отсутствия у полимера, синтезируемого по реакции полимеризации, активных функциональных группировок [6, 7]. Однако существует возможность создания трехкомпонентного композита путем совместного использования химической и механической адгезии между компонентами.

На начальном этапе было выдвинуто предположение, что высокое давление прессования может компенсировать недостаточную текучесть ПЭТ-фракции, это позволило уменьшить температуру прессования и обусловленную высокой температурой термодеструкцию древесной составляющей композита. Были изготовлены пробные образцы плитного материала. В качестве синтетического связующего была использована феноло-формальдегидная смола (ФФС), прессование проводилось при температуре 190оС. Результаты определения физико-механических показателей изготовленных плит приведены в табл. 2.

Эксперимент показал, что существует значительный разброс показателей плит, обусловленный, по всей видимости, значительным количеством нерасплавленных частиц ПЭТ.

24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14

с„, МПа

с„, МПа

13

(210)

0

(230)

1 Хь Т,

(250) 1

"С-

(0,45)

0

(0,525)

1 Х2, ^ 0С -(0,6)

Рис. 3. Зависимость прочности композита при статическом изгибе от температуры прессования: 1 - Х2=+1, Х3=+1; 2 - Х2=-1, Х3= -1; 3 - Х2=+1, Х3=-1; 4 - Х2=-1, Х3=+1

Рис. 4. Зависимость прочности композита при статическом изгибе от удельной продолжительности прессования: 1 - Х,=+1, Х3=+1; 2 - Х,=-1, Х3=-1; 3 - Х,=+1, Х3=-1; 4 - Х,=-1, Х3=+1

с„, МПа

Рис. 5. Зависимость прочности композита при статическом изгибе от размера отходов полиэтилена: 1 - Х-|=+1, Х2=+1; 2 - Х,=-1, Х2=-1; 3 - Х,=+1, Х2=-1; 4 - Х,=-1, Х2=+1

\ Уз, Р%

Рис. 6. Зависимость разбухания по толщине за 24 ч от температуры прессования: 1 - Х2=+1, Х3=+1; 2 - Х2=-1, Х3=-1; 3 - Х2=+1, Х3=-1; 4 - Х2=-1, Х3=+1

68

научно-технический и производственный журнал

июль 2016

Ш^улг&иш

tK, Ps, %

tK, Ps, %

(0,45)

0

(0,525)

(0,6)

Рис. 7. Зависимость разбухания по толщине за 24 ч от удельной продолжительности прессования: 1 - Х^+1, Х3=+1; 2 - Х^-1, Х3=-1; 3 - Х1=+1, Х3=-1; 4 - Х1=-1, Х3=+1

28 26 24 22 20

10 8

(1,15)

0

(1,725)

Рис. 8. Зависимость разбухания по толщине за 24 ч дов полиэтилена: 1 - Xi=+1, Х2=+1; 2 - Х,=-1, Х2=-1; 4 - Х1=-1, Х2=+1

X3, Фр, мм-«-

(2,3)3

от размера отхо-3 - Х,=+1, Х2=-1;

Для обоснования интервала варьирования температуры прессования выполнены опыты по нагреву частиц ПЭТ. В исследовании температурного интервала прессования древесно-полимерного композита с добавкой ПЭТ верхним ограничением для производства плит является температура деструкции полимера. Термодеструкция ПЭТ происходит в диапазоне 290—310оС.

Исследование показало, что пластические свойства и текучесть ПЭТ начинают проявляться при нагреве до 210оС. Поэтому следующая серия опытных запрессовок композита были сделана при температуре от 200 до 270оС.

Структура образцов композита исследована на микроскопе МБС-10, фотографии представлены на рис. 2. Исследование показало, что температуры 200оС недостаточно для придания текучести добавке ПЭТ. В наружных слоях образцов, изготовленных при температуре 200оС, частицы ПЭТ находятся в том виде, в котором вводились в композицию (рис. 2, а).

При температуре наружных слоев 220оС частицы ПЭТ приобретают текучесть и проникают в поры композита между древесными стружками (рис. 2, б). При температуре прессования 240оС полиэтилентерефталат полностью расплавляется и обволакивает древесные частицы (рис. 2, в). При температуре прессования 270оС (рис. 2, г) начинается обугливание древесной составляющей.

По результатам этапа исследования принято решение в последующих опытах при прессовании композиционных плит варьировать температуру от 210 до 260оС.

Эксперимент по разработке регрессионных моделей показателей композита проводился по В-плану второго порядка. В качестве выходных величин были взяты: Ух — прочность при статическом изгибе, МПа; Y2 — разбухание плит по толщине за 2 ч, %; Y3 — разбухание плит по толщине за 24 ч, %.

В эксперименте варьировались факторы: Х1 — температура прессования, оС; Х2 — удельная продолжительность прессования т, мин/мм; Х3 — средний фракционный размер Фр измельченного ПЭТ, мм. При обработке результатов эксперимента были получены регрессионные математические модели:

— в кодированных обозначениях факторов:

Y1 = 18,647-2,034X1+1,466X2-1,706X3-2,491X12+ + 0,669X2 + 1,629X2+0,34X1X2+0,337X1X3-0,05X2X3;

Y2 = 9,92-2,147X1-1,384X2+3,819X3-0,967X12--0,462X2 + 1,843X3î+0,341X1X2+0,514X1X3-0,226X2X3;

Y3 = 15,136-3,696X1-2,473X2+3,961X3-0,571X12--0,496X2+2,364X2+1,138X1X2+0,875X1X3-0,29X2X3;

- в натуральных обозначениях факторов:

ои = 179,069+0,38595Т-194,629т-26,031Фр--0,571Т2+118,93т2+4,927Фр2+0,227Тт+0,029ТФр-— 1,16тФр;

рИч = -442,41+0,9637Т+24,616т+0,5127Фр-0,0024Т2-

-82,13т2+5,574Фр2+0,227Тт-0,045ТФр-5,24тФр;

РА24ч = 510,87-1,6346Т+396,721т-218,8768Фр--0,0014Т2-0,496т2+2,364Фр2+0,879Тт+0,076ТФр--6,725тФр.

Графики зависимости прочности композитов при статическом изгибе ои, МПа, и разбухания по толщине за 24 ч Ри4ч, %, от варьируемых факторов приведены на рис. 3-8.

При анализе графиков и моделей выходных величин выявлены следующие закономерности:

- прочность композитов изменяется с увеличением температуры прессования: вначале она незначительно растет, а затем наблюдается ее падение. В начале интервала варьирования температура достигает таких значений, когда измельченный полимер расплавляется и заполняет поры между древесными частицами, тем самым повышая прочность композита. Однако температурные интервалы плавления ПЭТ и деструкции древесины находятся в одной области, поэтому при дальнейшем увеличении температуры увеличивается деструкция древесной составляющей композита и прочностные показатели начинают снижаться;

- прочность древесно-полимерных композитов и их водостойкость растут с уменьшением фракционного размера измельченного полиэтилентерефталата. Это объясняется тем, что при меньших размерах гранул их суммарная площадь соприкосновения с древесными частицами значительно больше, чем для более крупных гранул, а это, в свою очередь, предоставляет возможность более высокого уровня проникновения расплавленного ПЭТ в поры композита.

Показателями композита можно управлять, используя разработанные регрессионные математические модели.

Исследование подтвердило возможность производства по технологии древесно-стружечных плит древес-но-полимерного композиционного материала с добавкой измельченного вторичного полиэтилентерефтала-та. Показатели разрабатываемого композита отвечают требованиям, предъявляемым Е^312 к конструкционным влагостойким древесно-стружечным плитам марки Р5.

\ ) научно-технический и производственный журнал

Список литературы

1. Вахнина Т.Н. Формирование свойств древесных плитных материалов для использования в строительных конструкциях // Жилищное строительство. 2009. № 6. С. 10-12.

2. Титунин А.А., Вахнина Т.Н., Каравайков В.М. Проблемы использования древесных материалов в строительстве // Жилищное строительство. 2009. № 7. С. 10-12.

3. Говарикер Р.В., Висванатхан Н.В., Шридхар Дж. Полимеры. М.: Наука, 1990. 396 с.

4. Ла Мантия Ф. Вторичная переработка пластмасс. СПб.: Профессия, 2006. 400 с.

5. Берлин А.А., Вольфсон С.А., Ениколопов Н.С. Принципы создания полимерных композиционных материалов. М.: Химия, 1993. 240 с.

6. Маррел Дж., Кетл С., Теддер Дж. Химическая связь. М.: Мир, 1980. 384 с.

7. Кузнецов В.П., Баумгартэн М.И., Невзоров Б.П., Фадеев Ю.А. Адгезия в композиционных материалах: термины и физическая сущность // Вестник Кемеровского государственного университета. 2014. № 2. С. 173-177.

References

1. Vahnina T.N. Formation of properties of wood slabby materials for use in construction designs. Zhilischnoe stroi-telstvo [Housing construction], 2009, No. 6. pp. 10—12. (In Russian).

2. Titunin A. A., Vahnina T.N., Karavaykov V. M. Problems of use of wood materials in construction. Zhilischnoe stroitelstvo [Housing construction]. 2009. No. 7, pp. 10— 12. (In Russian).

3. Govariker R.V., Visvanatkhan N.V., Shridkhar Dzh. Polymeryi [Polymers]. Moscow.: Nauka, 1990. 396 p. (In Russian).

4. La Mantia F., Vtorichnaya pererabotka plastmass [Secondary processing of plastic]. St. Petersburg.: Professiya, 2006. 400 p. (In Russian).

5. Berlin A.A., Wolfson S.A., Enikolopov N.S. Printsipyi sozdaniya polimernyih compozitionnyih materialov [Principles of creation of polymeric composite materials]. Moscow.: Chimiya, 1993. 240 p. (In Russian).

6. Marrel Dzh., Ketl S., Tedder Dzh. Himicheskaya svyaz [Chemical bond]. Moscow.: Mir, 1980. 384 p. (In Russian).

7. Kyznetchov V.P., Baumgarten M. I., Nevzorov B.P., Fadeyev of Yu.A. Adgeziya in composite materials: terms and physical essence. Vestnik Kemerovskogo gosudarstven-nogo universiteta. 2014. No. 2, pp. 173—177. (In Russian).

к nuu

[\UDIM

¿псш иъисиижспии

ж ^

МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА

Современные строительные материалы и технологии. Краски, лаки.

Строительные машины и механизмы. Окна, двери. Сантехника. Экология. Системы очистки воды. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Электротехническое и осветительное оборудование. Энергосбережение и использование нетрадиционных экологически чистых источников энергии. Системы автоматизации. Программное обеспечение предприятий строительной, энергетической, электротехнической отраслей промышленности.

27-29 октября

г. Симферополь,1 ул. Киёвская, ш? JL' ДКП

I

Ж Г Оргкомитета

Республика Крым! НииферополН ул^Щекого, 8, оф. 27^ моб!^978 78 178 83, тел./факс: +7($652) 54-60-66,': +7(3652) 54-6746,

54-6746, E-mail: 1

marketing@expoforum.biz, http://expoforum.biz/

Ф ФОРУМ

КРЫМСКИЕ ВЫСТАВКИ

научно-технический и производственный журнал Xj j^fJ^lj'^jli^l-j]3 ~70 июль 2016 ЩЦДШ^ UVJÜji *