CC BY
44
Деревопереработка. Химические технологии
Сведения об авторах
Разиньков Егор Михайлович - заведующий кафедрой механической технологии древесины ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», доктор технических наук, профессор, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Кантиева Екатерина Валентиновна - доцент кафедры механической технологии древесины ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, доцент, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Сладких Герман Александрович - начальник производства направлений столешниц, группа производственных компаний «Кедр», г. Семилуки, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Information about authors
Razinkov Egor Mikhaylovich - Head of the department of mechanical technology of wood Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Kantiyeva Ekaterina Valentinovna - Associate Professor of mechanical technology of wood Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Sladkikh Herman Aleksandrovich - production director of the directions of table-tops, group of Kedr production companies, Mr. Semiluki, Russian Federation; e-mail: [email protected].
DOI: 10.12737/17419 УДК 620.22
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА И ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ КОМПОЗИТА
доктор технических наук, доцент Т. Н. Стородубцева1 А. А. Аксомитный1
1 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация
Составление и совершенствование композиций является одной из наиболее актуальных тем во всей научно-технической проблематике производства и применения древесных полимерных композитов (ДИК). Помимо многочисленных зарубежных университетских лабораторий, исследованиями в этом направлении заняты множество независимых исследовательских центров, а так же специальные исследовательские отделы некоторых фирм-изготовителей ДИК и оборудования для их производства. Эффективность ДИК, как конструкционного материала, может быть реали-
Лесотехнический журнал 4/2015 161
Деревопереработка. Химические технологии
зована только в результате использования комбинации соответствующих добавок, обеспечивающих создание таких свойств материала, которые будут отвечать требованиям потребителя. Одним из таких свойств является водопоглощение композита. Оно должно быть существенно ниже чем у древесины и аналогичных ДПК. Поглощение воды в основном имеет место в наружных слоях композиционных материалов, и оно последовательно снижается при продвижении вглубь матрицы. Поэтому цифры относятся только к суммарному увеличению веса материала, но никак не характеризуют распределение воды в объеме материала. Поглощение воды ДПК зависит от пористости, количества древесного наполнителя и доступности внешней воды. Композиты 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. Чем больше содержание влаги в исходном сырье, тем выше количество летучих продуктов, образующихся при переработке; чем выше пористость, тем ниже плотность материала и тем выше поглощение воды. Результатом данного исследования является снижение водопоглощения древесины на 35 %, за счет предложенной обработки и толщины защитного слоя водопоглощение древесного полимер-песчаного композита (ДППК) можно снизить до 1 %, поэтому полимер-песчаный композит можно назвать водостойким, так же как и древесные композиции на его основе и порода древесины практически не влияет на водопоглощение ДППК.
Ключевые слова: водопоглошение, древесные отходы, полимер, древесина, модификатор, композит.
STUDY OF THE EFFECT OF FRACTIONAL COMPOSITION AND PROCESSING WOOD FILLER ON WATER ABSORPTION OF THE COMPOSITE
DSc in Engineering, Associate Professor T. N. Storodubtseva1 A. A. Aksomitny1
1 - Federal State Budget Educational Institution of High Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov»,Voronezh, Russian Federation
Abstract
Drafting and improvement of the compositions is one of the most relevant topics in all scientific and technical issues of production and application of WPC. In addition to numerous foreign University laboratories, research in this area employed a variety of independent research centers and special research departments of some manufacturers KDP and the equipment for their production. The effectiveness of WPC as a construction material, can be realized only through the use of combinations of respective supplements that creates those material properties that will meet the requirements of the consumer. One of these properties is water absorption of the composite. Certainly it should be significantly lower than that of wood and is similar to WPC. Water absorption mainly occurs in the outer layers of composite materials, and it consistently decreases when advancing into the matrix. Therefore, the figures refer only to the total increase in weight of the material, but does not characterize the distribution of water in the bulk material. The water absorption of WPC depends on the porosity, amount of wood flour and the availability of external water. Composites are
162 Лесотехнический журнал 4/2015
Деревопереработка. Химические технологии
typically porous and their porosity is determined by the humidity of raw material and processing conditions (primarily, local overheating) that determine the density (specific gravity) of the final product. The higher the moisture content in the feedstock, the higher the amount of volatile products generated during processing; the higher the porosity, the lower the density of the material and the higher the water absorption. The result of this study is to reduce the water uptake of wood at 35 % by the proposed process and the thickness of the protective layer of water uptake of wood resin and sand composite (DPPK) can be reduced to 1 %, and the polymer-sand composite may be called a water-resistant, as well as wood-based composition it is based on the wood species and does not affect the water absorption DPPK.
Keywords: absorption of water, waste wood, resin, wood, modifier composite.
В настоящее время широкое распространение на мировом рынке получили древесно-полимерные композиты (ДПК), в состав которых входят термопластичные полимеры, древесные отходы, минеральные и органические наполнители, а также аппретирующие вещества. Из ДПК в дальнейшем производят разные виды настенных панелей, вагонки, мебель для саун и улицы (лавочки, качели и прочее). И это далеко не предел использования материалов из ДПК. В автомобильном строительстве из них производят внутренние панели, прокладки для дверей и крыш, коробы. Полы грузовиков, спинки сидений, подъемные полки. Как строительные элементы изделия из ДПК можно узнать в кровлях, оконных и дверных профилях, настилах, штакетниках, других аксессуарах. Для потребительского применения изготавливают такие изделия, как различные садовые конструкции, садовую мебель, ограды, оборудование для детских и спортивных площадок и прочее. Изделия из ДПК могут успешно заменять материалы из натуральной древесины, а также быть альтернативой использования изделий из ПВХ, конкретно -сайдинг для наружных отделочных работ, настенные панели, террасная доска. Однако на сегодняшний день самую большую попу-
лярность завоевал декинг или террасная доска. Это доски из ДПК, которые предназначаются для покрытия пола на террасах, площадках возле бассейна, для садовых дорожек. В принципе стелить декинг можно и в жилом помещении, однако изначально он разрабатывался как материал для внешних отделочных работ, то есть способен выдерживать суровые климатические условия. Поскольку декинг хорошо противостоит воздействию влаги, то его можно применить для напольного покрытия в ванной, санузлах [1].
Распоряжением Правительства Российской Федерации от 24 июля 2013 г. утвержден План мероприятий «Развитие отрасли производства композиционных материалов», в соответствии с которым объем внутреннего производства композиционных материалов в 2016 году по отношению к 2012 году увеличится в 3 раза и составит 50 млрд. рублей, объем потребления композиционных материалов на душу населения возрастет с 0,28 кг/чел до 0,68 кг/чел, доля экспорта композиционных материалов увеличится в 5 раз и составит 5 %.
Достоинством композиционных материалов является относительно низкое (если сравнить с древесиной) водопоглощение. Это одно из свойств, по которому ДПК превосхо-
163
Лесотехнический журнал 4/2015
Деревопереработка. Химические технологии
дят древесину, что относится непосредственно к размерной стабильности и долговечности материала, но, прежде всего, к стойкости по отношению к микробиологическому разложению.
Поглощение воды в основном имеет место в наружных слоях композиционных материалов, и оно последовательно снижается при продвижении вглубь матрицы.
Поглощение воды ДПК зависит от пористости, количества и фракционного состава древесного наполнителя и доступности внешней воды [2]. Композиты 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 [3]. Чем больше содержание влаги в исходном сырье, тем выше количество летучих продуктов, образующихся при переработке; чем выше пористость, тем ниже плотность материала и тем выше поглощение воды.
Поры в композиционных материалах обычно открытые и образуют цепи, пронизывающие всю матрицу. Вода проникает внутрь композиционной матрицы очень медленно. В древесине же проникновение воды происходит быстрее. Минеральные наполнители, как правило, не поглощают воду (или поглощают очень незначительно), так что они снижают показатель водопоглощения. Что касается полимера, то чем ниже его содержание, тем выше поглощение воды при том же самом составе, поэтому увеличение содержания полимера в композите ведет к уменьшению поглощения воды [4, 5]. К аналогичному результату ведет и применение аппретирующего вещества. В рамках данного
164
исследования в качестве такого вещества использовался глиоксаль.
Глиоксаль - С2Н2О2 - диальдегид щавелевой кислоты относится к диальдегидам, веществам содержащим две альдегидные группы [6]. Свойства глиоксаля близки к свойствам формальдегида, однако, в отличие от формальдегида, глиоксаль не летуч, не токсичен и не канцерогенен.
Для определения степени влияния обработки глиоксалем на водопоглощение были проведены соответствующие испытания по ГОСТ 16483.20-72.
Для испытания применяли серии образцов: 1 - контрольные образцы; 2 - древесина, покрытая одним, 3 - двумя и 4 - тремя слоями глиоксаля, 5 - полимер-песчаные образцы, 6 - древесные полимер-песчаные с наполнителем в виде опилок, 7 - бруски из древесины, покрытой пяти миллиметровым слоем ППК и 8 - бруски из древесины, покрытой пятнадцати миллиметровым слоем ППК (рис. 1-5). Количество образцов в каждой серии - 7 штук.
На рис. 1 представлен график зависимости водопоглощения необработанной древесины сосны, обработанной одним слоем глиоксаля древесины сосны и от времени выдержки в воде.
Как видно из графика, обработка древесины глиоксалем снизила водопоглощение на 15 %.
Для определения влияния пропитки на водопоглощение были испытаны образцы древесины сосны покрытые одним, двумя и тремя слоями глиоксаля (рис. 2).
Очевидно, что обработка двумя и тремя слоями глиоксаля значительно лучше защищает древесину от водопоглощения, чем
Лесотехнический журнал 4/2015
Деревопереработка. Химические технологии
Рис. 1. График зависимости водопоглощения необработанной древесины от времени
выдержки в воде
Рис. 2. График зависимости водпоглощения древесины сосны обработанной одним, двумя и тремя слоями глиоксаля от времени выдержки в воде
Рис. 3. График зависимости водпоглощения ППК от времени выдержки в воде Лесотехнический журнал 4/2015
165
Деревопереработка. Химические технологии
Рис. 4. График зависимости водпоглощения ДППК от времени выдержки в воде
Рис.5. График зависимости водопоглощения ДППК с наполнителями из сосны, березы и
дуба от времени выдержки в воде
один слой (на 20 %). Однако разница между двумя и тремя слоями незначительная.
Как уже было указано ранее, данная защита начнет работать только тогда, когда жидкость проникнет внутрь композиции через поры [7, 8, 9, 10]. Следовательно, встает вопрос о том, какое водопоглощение имеет сам полимер-песчаный композит (ППК) и насколько эффективно он защищает древесную составляющую. На рис. 3 представлена кривая водопоглощения ППК.
Из графика видно, что водопоглощение ППК за 20 суток составило 0,7 %. Это однозначно говорит о том, что полимер-
166
песчаный композит может выступать в роли защитного покрытия для древесины.
Далее нами были проведены испытания на водопоглощение серии образцов 5, 6 и 7.
Из графика можно сделать вывод о том, что 5 мм слоя ППК недостаточно для полноценной защиты древесины. Отчетливо видно, что покрытие, толщиной 5 мм, практически в 3 раза хуже защищает от влаги, чем то же самое покрытие толщиной 15 мм.
Необходимо отметить высокую степень защиты от влаги опилок и другого мелкодисперсного наполнителя (< 1,5 %). Ранее была рассмотрена только одна порода дре-
Лесотехнический журнал 4/2015
Деревопереработка. Химические технологии
весины - сосна. На рис. 5 представлен график зависимости водпоглощения ДППК с наполнителями из сосны, березы и дуба от выдержки в воде.
Как известно, водопоглощение древесины сосны, березы и дуба существенно различаются [7]. Однако, когда они используются в качестве наполнителя в композиционном материале, эта разница становится незначительной. Это дает возможность использовать любые древесные отходы в ДПК. В таблице приведены усредненные показатели водопоглощения исследуемых образцов.
Выводы
- глиоксаль снижает водопоглощение древесины на 35 %, рекомендуется наносить пропитку в два слоя - это позволит достичь максимального эффекта. ППК можно назвать водостойким, так же как и древесные композиции на его основе;
- порода древесины практически не влияет на водопоглощение ДППК, водопоглощение древесины снижено до 1-3,5 %;
- в зависимости от количественного и фракционного состава древесного на-
Таблица
Показатели водопоглощения ДППК
№ серии Описание серий образцов Водопоглощение, %
1 Контрольная серия 85,75
2 Древесина, покрытая одним слоем глиоксаля 71,5
3 Древесина, покрытая двумя слоями глиоксаля 49,75
4 Древесина, покрытая тремя слоями глиоксаля 48
5 ППК 0,7
6 ДППК с наполнителем в виде опилок 0,99
7 Древесина в виде бруска, покрытая пяти миллиметровым слоем ППК 3,48
8 Древесина в виде бруска, покрытая пятнадцати миллиметровым слоем ППК. 1,2
Полнителя, можно изготавливать всевозможный изделия, начиная с настенных панелей и вагонки, заканчивая садовой мебелью, оградой, оборудованием для детских и спортивных площадок.
Библиографический список
1. Jankauskaite, V. Polyethylene terephthalate waste recycling and application possibilities: Areview [Text] / V. Jankauskaite, G. Macijauskas, R. Lygaitis // Medziagotyra. - 2012. - no. 14. - pp. 119-127.
2. Porebska, R. Polymer matrix influence on stability of wood polymer composites [Text] / R. Porebska, A. Rybak, B. Kozub, R. Sekula // Polymers for Advanced Technologies. - 2015. - no. 26. - pp. 1076-1082.
3. Rahman, K.-S. Flat-pressed wood plastic composites from sawdust and recycled polyethylene terephthalate (PET): Physical and mechanical properties [Text] / K.-S. Rahman, M.N. Islam, M.M. Rahman, M.O. Hannan, R. Dungani, H.P.S.A. Khalil // SpringerPlus. - 2013. - no. 2. - pp. 1-7.
4. Стородубцева, Т. Н. Особенности математического моделирования древесного поли-мер-песчаного композита [Текст] / Т.Н. Стородубцева, А.А. Аксомитный // Лесотехнический журнал. - 2014. - № 4. - С. 131-139.
5. Стородубцева, Т.Н. Влияние водопоглощения на свойства древесины в полимерце-
Лесотехнический журнал 4/2015 167
Деревопереработка. Химические технологии
ментном композиционном материале [Текст] / Т.Н. Стородубцева, А.И. Томилин // Лесотехнический журнал. - 2014. - Т. 4. - № 2 (14). - С. 177-182
6. Водянкина, О.В. Глиоксаль [Текст] : монография / О.В. Водянкина, Л.Н. Курина, Л.А. Петров. - Москва, 2007. - 247 с.
7. Ruamcharoen, P. The chemical modification of waste PET and its application for a wood-polymer composite binder [Text] // P. Ruamcharoen, C.W. Phetphaisit, R. Bumee, J. Ruamcharoen, B. Niyomdecha, S. Nillawat // Advanced Materials Research. - 2012. - pp. 648-653.
8. Кербер, М.Л. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология [Текст] : учеб. пособие / М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, Г.С. Головкин. -СПб.: Профессия, 2008. - 560 с.
9. Пащенко, А.А. Вяжущие материалы [Текст] / А.А. Пащенко, В.П. Сербин, Е.А. Стар-чевская. - Издательское объединение.: «Высшая школа», 1975. - 444 с.
10. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий [Текст] / Под ред. Г.М. Островского. - Изд-во АНО НПО «Профессионал», 2002. - Т. 9. -10. - Ч. 1. - 848 с.
References
1. Jankauskaite V., Macijauskas G., Lygaitis R. Polyethylene terephthalate waste recycling and application possibilities: A review. Medziagotyra, 2012, no. 14, pp. 119-127.
2. Porebska R., Rybak A., Kozub B., Sekula R. Polymer matrix influence on stability of wood polymer composites. Polymers for Advanced Technologies, 2015, no. 26, pp. 1076-1082.
3. Rahman, K.-S., Islam M.N., Rahman M.M., Hannan M.O., Dungani R., Khalil H.P.S.A. Flat-pressed wood plastic composites from sawdust and recycled polyethylene terephthalate (PET): Physical and mechanical properties. SpringerPlus, 2013, no. 2, pp. 1-7.
4. Storodubtseva T.N., Aksomitnyy A.A. Osobennosti matematicheskogo modelirovaniya drevesnogo polimer-peschanogo kompozita [Features of mathematical modeling of wood - polymer composite sand]. Lesotekhnicheskii zhurnal, 2014, no 4, pp. 131-139. (In Russian).
5. Storodubtseva T.N., Tomilin A.I. Vliyanie vodopogloshcheniya na svoystva drevesiny vpo-limertsementnom kompozitsionnom material [Effect of water absorption on the properties of wood , polymer composite] Lesotekhnicheskii zhurnal, 2014, no 2, pp. 177-182. (In Russian).
6. Vodyankina O.V., Kurina L.N., Petrov L.A. Glioksal' [Glyoxal]. Moscow, 2007, 247 p. (In Russian).
7. Ruamcharoen P., Phetphaisit C.W., Bumee R., Ruamcharoen J., Niyomdecha B., Nillawat S. The chemical modification of waste PET and its application for a wood-polymer composite binder. Advanced Materials Research, 2012, pp. 648-653.
8. Kerber M.L. Vinogradov V.M., Golovkin G.S. Polimernye kompozitsionnye materialy: struktura, svoystva, tekhnologiya: ucheb. Posobie [Polymer composite materials : the structure , properties and technology : a training manual]. Saint Petersburg, 2008, 560 p. (In Russian).
9. Pashchenko A.A., Serbin V.P., Starchevskaya E.A. Vyazhushchie materialy [Cementing materials]. graduate School Publ., 1975. 444 p. (In Russian).
168 Лесотехнический журнал 4/2015
Деревопереработка. Химические технологии
10. Novyy spravochnik khimika i tekhnologa. Protsessy i apparaty khimicheskikh tekhnologiy Pod red. G. M. Ostrovskogo [The new directory Chemist and technologist. Processes and devices of chemical technologies Edited by G.M.Ostrovsky]. Professional Publ., 2002. Vol. 9-10.. Issue' 1. 848 p. (In Russian).
Сведения об авторах
Стородубцева Тамара Никаноровна - профессор кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», доктор технических наук, доцент, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Аксомитный Алексей Андреевич - аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Information about authors
Storodubtseva Tamara Nikanorovna - Professor of Department of Industrial Transport, Civil Engineering and Geodesy Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Aksomitny Aleksey Andreevich - Post-graduate student of Department of Industrial Transport, Civil Engineering and Geodesy Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
DOI: 10.12737/17420 УДК 620.22
УЛУЧШЕНИЕ АДГЕЗИИ В СИСТЕМЕ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ-ДРЕВЕСИНА
доктор технических наук, доцент Т. Н. Стородубцева1 А. А. Аксомитный1
1 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация
Древесно-полимерный композиционный материал представляет собой, прежде всего, смесь различных природных (целлюлоза, лигнин и др.) и синтетических полимеров (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат и др.). При близком взаимодействии молекулы разных полимеров ведут себя по отношению друг к другу различным образом: одни притягиваются, другие - отталкиваются. Некоторые полимеры могут вступать друг с другом в химическое взаимодействие, другие химически нейтральны. Это явление называют совместимостью. Проблема совместимости химически разных материалов хорошо иллюстрируется известным всем примером взаимодейст-
Лесотехнический журнал 4/2015 169
