CC BY
19
УДК 674.816
Р. Р. Сафин, Ф. В. Назипова УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕЛИГНИФИКАЦИИ ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ СОЗДАНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: щелочная обработка, механические свойства, ультразвук, древесно-пластиковый композит.
При производстве древесно-пластиковых композитов (ДПК) на основе полипропилена натуральный наполнитель является логичным выбором для снижения количества используемого синтетического полимера, что не только удешевляет конечную продукцию, но и снижает вредное воздействие на окружающую среду. Однако поверхность раздела между пластиком и древесиной является слабой, т.к. гемицеллюлоза, содержащаяся в древесном наполнителе, легко разлагается при температурах полимерного расплава, вызывая образование микрополостей внутри композита. Кроме того, определенное влияние на эксплуатационные характеристики композита оказывает содержащийся в древесине лигнин, значительно ускоряя выцветание ДПК на открытом воздухе. Вследствие чего с целью повышения эксплуатационных характеристик в ДПК является актуальным предварительное снижение концентрации данных компонентов в древесном наполнителе. В статье рассматривается возможность интенсификации щелочной обработки древесного наполнителя с помощью ультразвукового воздействия. Снижение содержания лигнина на 20% и гемицеллюлозы на 24% возможно в процессе щелочной обработки. Установлено, что дополнительное воздействие ультразвука увеличивает выход этих компонентов в среднем в 2 раза. Увеличение прочности и модуля упругости для образцов ДПК, изготовленных с древесным наполнителем, подвергнутым только химической обработке, осуществляется в среднем на 18% и 10% соответственно. Дополнительное ультразвуковое воздействие в процессе щелочной обработки улучшает показатели прочности и эластичности в среднем на 25% и 13% соответственно. Таким образом, доказано, что сочетание щелочной и ультразвуковой обработки древесины существенно повлияет на эффективность предварительной химической обработки древесного наполнителя.
Keywords: alkaline treatment, mechanical properties, ultrasound, wood-plastic composite.
In the manufacture of wood-plastic composites (WPC) based on polypropylene natural filler is the logical choice to reduce the amount of synthetic polymer, which not only reduces the cost of the final product, but also reduces the harmful effects on the environment. However the boundary surface between plastic and wood is weak, because the hemicelluloses contained in wood filler is easily decomposed at temperatures of the polymer melt, causing the formation of micro-cavities within the composite. In addition the wood lignin influences the performance characteristics of the, greatly speeding up the discoloration of WPC outdoor. Consequently, in order to improve its performance characteristics in the WPC the preliminary reduction of the concentration of these components in wood filler is relevant. The article discusses the possibility of intensifying of alkali treatment of wood filler with the help of ultrasonic treatment. The decrease in the content of lignin by 20% and hemicelluloses by 24% is possible in the process of alkali treatment. It is established, that the additional influence of ultrasound increases the release of these components on the average in 2 times. Increasing the strength and modulus of WPC samples made with wood filler, subjected only to chemical treatment, is on average 18% and 10% respectively. Additional ultrasonic influence in the process of the alkali treatment improves the strength and elasticity on average by 25% and 13%. Thus, it is proved that the combination of alkaline and ultrasonic treatment of the wood will significantly affect the effectiveness of the preliminary chemical treatment of wood filler.
Введение
Древесно-полимерные композиты (ДПК) изготавливаются путем смешения полимера и древесных частиц. Последние, в виде древесной муки или опилок, являются побочным продуктом обработки древесины. В качестве полимера, как правило, применяют повторно использованные полиолефины [1]. Наиболее частое применение ДПК нашло в виде наружных настилов. Несмотря на тот факт, что ДПК дороже, чем обработанная древесина, он популярен, поскольку воспринимается более привлекательным, более прочным и более доступным в обслуживании.
Содержание древесины в составе древесно-полимерного композита на основе термопластичных полимеров может меняться в широких пределах. Большинство производителей работают с составами, содержащими 50-70% древесины. Европейские разработчики стремятся получать композиции, содержащие более высокое наполнение древесиной
- до 80% и более. Следует отметить, что натуральные волокна являются логичным выбором для укрепления пластмасс из-за их низкой стоимости и относительно высокой прочности и жесткости, а также низкой плотности.
Сухая древесина, в основном, состоит из целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз, и незначительного количества других компонентов, которые включают в себя дубильные вещества, полифенолы, красящие вещества, эфирные масла, жиры, смолы, воск и простые вспомогательные обменные вещества [1, 2]. Фактический состав древесных волокон зависит не только от породы, но и колеблется внутри одной породы. Известно, что гемицеллюлоза чувствительна к гидроксиду натрия, и исследования показали, что обработка щелочью природных волокон может привести к удалению гемицеллюлозы. После удаления гемицеллюлоз, область между древесными волокнами становится менее жесткой и менее плотной. Волокна могут перестраиваться в направлении деформации
растяжения. Это приводит к более равномерному распределению нагрузки и, соответственно, к более высокой прочности ДПК.
Так, еще в 1934 году Sarkar P.B. [4] обработал джутовые волокна холодным и разбавленным раствором гидроксида натрия, концентрацией 1% и 8%, в течение 48 ч и обнаружил, что прочность на разрыв джутовых волокон увеличилась на 130 %.
Samal R.K. и др. [5] химически модифицировали джутовые волокна щелочной обработкой с использованием 2 % раствора NaOH в течение 1 ч при 35°С Наблюдалось увеличение предела прочности и модуля упругости при растяжении на 13% и 8% соответственно.
При этом известно, что ультразвуковое воздействие ускоряет процесс экстрагирования и обеспечивает более полное извлечение низкомолекулярных веществ [6]. В настоящее время, примерами использования ультразвуковой обработки являются: извлечение пектина из спрессованного яблока [7], получение фармацевтически активных соединений из Шалфея лекарственного [8] и увеличение выхода ксиланов из початков кукурузы [9]. Следует отметить, что извлечение растительных компонентов происходит без существенного изменения их структуры и молекулярных свойств.
Как известно, при производстве древесно-полимерных композитов поверхность раздела между пластиком и древесиной является слабой по причине термического разложения содержащихся в древесине гемицеллюлоз, вызывая образование микрополостей внутри композита. Таким образом, в целях повышения механических свойств древесно-полимерных композитов целесообразна
предварительная обработка древесного наполнителя с целью удаления гемицеллюлозы [10-16].
В этой связи, исследования ультразвуковой интенсификации процесса предварительной щелочной обработки древесного наполнителя в производстве ДПК носят актуальный характер.
Методы и материалы
На
основании
вышеизложенного
были
проведены экспериментальные исследования, при которых древесные частицы подвергаются предварительной щелочной обработке под действием ультразвука.
Для исследований использовали древесную муку, полученную из древесины сосны, размером частиц около 125 мкм. В качестве реагента - водный 2% и 4% раствор гидроксида натрия (NaOH).
Обработка древесной муки производилась в универсальной ультразвуковой установке частотой 40 кГц в течение 30 мин и при температуре 60°С После древесную муку фильтровали и промывали от гидроксида натрия. Затем муку высушивали при 80^ в течение 12 ч и изготавливали образцы ДПК, где в качестве связующего вещества использовали полипропилен.
Значения пределов прочности на растяжение и изгиб образцов ДПК измерялись с помощью универсальной испытательной машины SZ-1.
Результаты и их обсуждение
На рисунках 1 и 2 представлены данные, полученные в процессе экстрагирования веществ методом варки древесных частиц в растворе щелочи с применением и без применения ультразвукового воздействия. Как видно из рисунков, при обработке древесного наполнителя 4% раствором NaOH, удаляется более 36% лигнина и гемицеллюлозы, и при помощи ультразвука может быть удалено в общей сложности до 45% этих компонентов.
-безУЗ -с УЗ
2% 3% 4% Концентрация щелочи
Рис. 1 - Содержание лигнина в древесине после щелочной и ультразвуковой обработок
-ВезУЗ -с УЗ
2% 3%
Концентрация щелочи
Рис. 2 - Содержание гемицеллюлозы в древесине после щелочной и ультразвуковой обработок
Результаты испытания образцов ДПК на растяжение показаны на рисунках 3 и 4. Из рисунка 3 видно, что варка в щелочи улучшает предел прочности на растяжение, более того, этот показатель возрастает с увеличением концентрации реагента.
Раствор NaOH концентрацией 4% удаляет значительно больше гемицеллюлозы и лигнина, чем раствор 2% концентрации. Вследствие чего, прочность на разрыв выше в первом случае. Аналогичное подтверждение нашли результаты исследований модуля упругости при растяжении образцов (рис. 4). Композиты, изготовленные из древесных частиц, проваренных в растворе с дополнительным ультразвуковым воздействием, обладают более высокой прочностью на растяжение. По сравнению с образцами из необработанной древесины, ультразвуковое воздействие
дополнительно увеличивает прочность на растяжение на 6-8%. Как видно из графиков, варка
древесины в растворе щелочи в комбинации с ультразвуком увеличивает эластичность образцов в среднем на 10%.
45
20 -I-,-,-
необработанная 2%
мука
Концентрация щелочи
Рис. 3 - Предел прочности при растяжении образцов ДПК
мука
Концентрация щелочи
Рис. 4 - Модуль упругости при растяжении образцов ДПК
В табл. 1 показаны результаты исследований предела прочности при изгибе образцов, из которого видно, что обработка древесины в растворе щелочи увеличивает прочность на изгиб в среднем на 10%.
Таблица 1 - Результаты исследований предела прочности при изгибе образцов, МПа
Необр. Др. 2% 4%
46 Без УЗ 54 58
С УЗ 58,75 63,75
Результаты испытаний модуля упругости при изгибе различных образцов ДПК показаны в табл. 2. По сравнению с модулем упругости при растяжении, обработка щелочным раствором повышает модуль упругости при изгибе примерно на 7%.
Таблица 2 - Результаты исследований модуля упругости при изгибе образцов, ГПа
Необр. Др. 2% 4%
3,24 Без УЗ 3,81 4,11
С УЗ 4,25 4,41
Ультразвуковая интенсификация 2% и 4% щелочной обработки древесного наполнителя увеличивает показатель прочности на изгиб на 7% и 10% соответственно. Увеличение модуля упругости происходит на 10,5% для древесины, проваренной в
растворе 2% концентрации, и на 6,8% - для частиц, проваренных в 4% растворе.
Изучена стойкость изделия к ударному воздействию, оказываемому падающим телом. Результаты экспериментальных исследований ударной прочности образцов ДПК показаны в табл. 3. Анализ рисунка позволяет сделать вывод о том, что ультразвуковая интенсификация щелочной обработки улучшает этот показатель в среднем на 38%.
Таблица 3 - Результаты исследований ударной прочности образцов, Дж/м
Необр. Др. 2% 4%
87,5 Без УЗ 96,25 122,5
С УЗ 106,25 153,75
Таким образом, анализ полученных данных показывает, что сочетание щелочной и ультразвуковой обработки древесины существенно влияет на механические свойства древесно-пластикового композита.
Заключение
Обработка щелочью помогает извлечь из древесины гемицеллюлозы и лигнин. Этому процессу способствует ультразвуковая обработка. Результаты механических испытаний образцов ДПК показывают, что обработка древесных частиц щелочью улучшает прочность и модуль упругости. Увеличение прочности происходит из-за улучшенной адгезии между волокном и матрицей, объясняющейся отсутствием микрополостей, образующихся в следствие газации необработанного древесного наполнителя, а улучшение модуля упругости происходит из-за удаления лигнина и гемицеллюлозы. Полученные результаты окончательно подтверждают, что комбинация химической обработки древесины и ультразвукового воздействия является более эффективным инструментом в улучшении механических свойств композитов.
Представленная работа выполнялась при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (МД-5596.2016.8).
Литература
1. A. A. Klyosov, Wood-Plastic Composites, Wiley, Hoboken, NJ, USA, 2007.
2. R. B. Miller, Wood Handbook — Wood as an Engineering Material, Gen. Tech. Rep. FPL-GTR-113, Chapter 2, USDA, Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, WI, USA, 1999.
3. A. Mukherjee, P. K. Ganguly, D. Sur, J. Text. Inst., 84, 348-353 (1993).
4. P. B. Sarkar, J. Ind. Chem. Soc., 11, 691-700 (1934).
5. R. K. Samal, B. B. Panda, S. K. Rout, Mohanty, J. Appl. Polym. Sci, 58, 745-752 (1995).
6. R. R. Safin, Stefan Barcik, F. V. Nazipova, R. R. Ziatdinov, A. R. Shaikhutdinova, E. A. Beliakova, P. A. Kainov, Key Engineering Materials, 688, 138-144 (2016).
7. I. N. Panchev, N. A. Kirtchev, C. G. Kratchanov, Food Hydrocoll, 8, 9-17 (1994).
8. M. Salisova, S. Toma, T. J. Mason, Ultrasonics Sonochem, 4, 131-134 (1997).
9. Z. Hromadkova, J. Kovacikova, A. Ebringerova, Ind. Crops Prod, 9, 101-109 (1999).
10. R. Sun, X. F. Sun, X. P. Xu, J. Appl. Polym. Sci, 84, 2512-2522 (2002).
11. R. R. Safin, N. R. Galyavetdinov, R. R. Khasanshin, R. G. Safin, E. Y. Razumov, Conference Proceedings 15th International Multidisciplinary Scientific GeoConference
"SGEM 2015. Energy and Clean Technologies", Bulgaria, Albena, 779-786 (2015).
12. Wei-Ping Chang , Kwang-Jea Kim, K. Rakesh, Composite Interfaces, 16, 687-709 (2009).
13. S.-K. Yeh, A. Al-Mulla, R.K. Gupta, J. Polym. Engng, 26, 783-804 (2006).
14. Р. Р. Сафин, А. Е. Воронин, Ф. В. Назипова, Л. В. Ахунова, Вестник Казанского технологического университета, 18 (8), 151-154 (2015).
15. Р. Р. Сафин, Ф. В. Назипова, А. Е. Воронин, Р. Р. Зиатдинов, Вестник Казанского технологического университета, 18 (16), 188-190 (2015).
16. Р. Р. Сафин, С. Барсик, Ф. В. Назипова, Р. Р. Зиатдинов, Деревообрабатывающая промышленность,. 2, 26-30 (2015).
© Р. Р. Сафин - доктор технических наук, профессор кафедры архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, cfaby@mail.ru; Ф. В. Назипова - ассистент кафедры архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, faridaN13@mail.ru.
© R. R. Safin - Doctor of Technical Sciences, Professor, , KNRTU, cfaby@mail.ru; F. V. Nazipova - assistant, Department of Architecture and Design of wood products, KNRTU, faridaN13@mail.ru.
