Доклад “Свойства материалов на основе древесно-полимерных композитов (ДПК), производимых компанией Savewood”, ВИАМ, 1 марта 2019 года

УДК 676.022

Свойства материалов на основе древесно-полимерных композитов (ДПК), производимых компанией Savewood

Аскадский Александр Андреевич, asakadsky@yandex.ru, компания Savewood, главный специалист; Мороз Павел Александрович, moroz@savewood.ru, Компания Savewood, Генеральный директор; Мацеевич Татьяна Анатольевна, MatseevichTA@mgsu.ru, докт. физ.-мат. наук, Московский государственный строительный университет, зав. кафедрой прикладной математики; Аскадский Андрей Александрович докт. хим. наук, Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, зав. лаб. полимерных материалов

Askadsky Alexandr Andreevich, asakadsky@yandex.ru Savewood Company, chief specialist, Moroz Pavel Alexandrovich, moroz@savewood.ru, Savewood Company, General director: Matseevich Tat’yana Anatol’evna, MatseevichTA@mgsu.ru, doctor of physical and mathematical sciences, Moscow State university of Civil Engineering , Head Department of Applied Mathematics; Askadskii Andrey Alexandrovich, Doctor of Chemical Sciences, A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences, Head of Polymer Materials Laboratory

Аннотация

Модификация состава и свойств ДПК-материалов, производимых компанией Savewood, проведенная в последнее время, привела к повышенной сопротивляемости климатическим воздействиям при сохранении существующих механических свойств.

Annotation

A recent modification of the composition and properties of WPC materials produced by Savewood has led to increased resistance to climatic influences while maintaining the existing mechanical properties.

Ключевые слова: древесно-полимерные композиты, террасные доски, механические свойства, термические свойства, водопоглощение.

Keywords: wood-polymer composites, decking, mechanical properties, thermal properties, water absorption.

Реферат

Получены ДПК-материалы в виде террасных досок, в которых древесный наполнитель частично заменен на минеральный. ДПК-материалы, производимые компанией Savewood, обладают хорошими механическими свойствами, малой истираемостью и устойчивостью к климатическим воздействиям. Однако они обладают относительно большим водопоглощением, задача снижения которого является актуальной. Модификация таких материалов в данной работе осуществлялась путем замены части древесного наполнителя на минеральный наполнитель, в качестве которого выбран CaCO₃ (мел). Частичная замена древесной муки на минеральный наполнитель  привела к заметному снижению набухания от 1.25 до 0.01 %. При этом модуль упругости повышается от 2260 до 2880 МПа, прочность при растяжении от 30.5 до значений 16.7÷32. МПа. Удельная ударная вязкость изменяется от 8.90 до 7.74 кДж/м². Оптимальное соотношение древесного и минерального наполнителей составляет 60/40 %.

Введение

Древесно-полимерные композиты (ДПК) находят все большее применение для изготовления изделий строительного назначения. Из них изготавливают полы террасных помещений, сайдинг, декоративные ограждения, заборные системы, ступени, универсальные профили, разные аксессуары и комплектующие. Все эти материалы работают в условиях климатических воздействий окружающей среды. Российским производителем изделий из ДПК является компания Savewood. В качестве матричного полимера в этой компании используется 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 и Институтом химической физики им. Н.Н. Семенова РАН.

Сначала рассмотрим механические и термические свойства, а также водопоглощение стандартных образцов ДПК, выпускаемых компанией Savewood.  Ранее были проведены испытания образцов ДПК [1, 2], производимых этой компанией, и проведено сравнение с образцами, производимыми другими отечественными и зарубежными компаниями. Измеряли механические свойства (модуль упругости и прочность при растяжении и изгибе, удельную ударную вязкость, истираемость, твердость, термические характеристики, устойчивость к климатическим воздействиям). Среди термических характеристик – температурные зависимости деформации при действии небольшой нагрузки на образец (термомеханические кривые), коэффициенты термического расширения и релаксационные переходы в широком интервале температур. Среди климатических воздействий – действие УФ-облучения и влаги. Приведем краткое описание этих характеристик.

На рисунке 1 показана усредненная кривая растяжения одного из образцов, производимых компанией Savewood. Измерение проводилось на универсальной испытательной машине LLOYD Instrument LR5K Plus при комнатной температуре и скорости растяжения 50 мм/мин. Определенный по начальному участку кривой растяжения модуль упругости составлял 1520 МПа, прочность при разрыве 25.0 МПа, удлинение при разрыве 2.9 %.

Измерения термомеханических кривых проводились в работе [2] на приборе TMA Q400 (TAInstruments). Определялась зависимости  деформации от температуры в условиях пенетрации пуансона в цилиндрический образец при росте температуры 5 град/мин. Диаметр пуансона составлял 2.5 мм, нагрузка на пуансон – 10 г. На рисунке 2 показана термомеханическая кривая стандартного образца, производимого компанией Savewood. Наблюдается релаксационный переход при 75°С, связанный с расстекловыванием ПВХ. Второй переход наблюдается при температуре около 200°С, связанный с размягчением лигнина, входящего в состав древесного наполнителя.

Для детального анализа коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) на приборе TMA Q400 (TAInstruments) проводилось измерение размера образца при очень малой нагрузке на пуансон, равной 0,05г [2]. Температурная зависимость изменения размеров стандартного образца показана на рисунке 3 во всем исследованном интервале температур. В интервале рабочих температур от -30 до 50°С коэффициент термического расширения имеет небольшое значение (от 63 до 120 мкм/м·град), характерное для материалов, в которых полимер находится в стеклообразном или в частично-кристаллическом состоянии. Значения КЛТР приведены на самом рисунке 3.

Истираемость в работе [2] определялась на машине барабанного типа, построенной в ИНЭОС РАН. Величина истираемости Abr оценивалась потерей первоначальной массой образца, отнесенной к площади поверхности истирания F:

где m₁ и m₂  – массы образца до и после истирания соответственно.

Величина истираемости оказалась равной 9.29·10^-5 г/см². Такая чрезвычайная малая истираемость показывает, что изделия из ДПК, производимые компанией Savewood, обладают высокой износостойкостью, и на основании результатов всех проделанных остальных экспериментов по стойкости к УФ-облучению и механическим релаксационным свойствам можно утверждать, что эти изделия проработают многие годы.

Испытания на удельную ударную вязкость были проведены в работе [1] при положительных и отрицательных температурах, что актуально для большинства регионов России. Полученные результаты суммированы в таблице 1.

Табл. 1. Значения удельной ударной вязкости при положительных и отрицательных температурах.

В целом величины удельной ударной вязкости при отрицательных температурах показывают, что разрушение при ударе не является хрупким и находится на уровне большого количества полимерных материалов. Даже при -70^°С сохраняется достаточно высокая удельная ударная вязкость, равная 7.1 кДж/м², практически сопоставимая со значениями при 0^°С и при -21^°С, т.е. материал не обладает хрупкостью даже при такой низкой температуре.

Таким образом, ДПК-материалы, производимые компанией Savewood, обладают хорошими механическими свойствами, малой истираемостью и устойчивостью к климатическим воздействиям. Однако, как будет видно из дальнейшего, они обладают относительно большим водопоглощением. Поэтому задача снижения водопоглощения является актуальной, и е�� решение будет способствовать увеличению срока службы изделий и конструкций из такого материала. Модификация таких материалов в данной работе осуществлялась путем замены части древесного наполнителя на минеральный наполнитель, в качестве которого выбран CaCO₃ (мел). Действительно, как известно, древесина подвергается относительно заметному набуханию (водопоглощению), что приводит к набуханию изделий на основе ДПК. Частичная замена древесной муки на минеральный наполнитель может привести к заметному снижению набухания, что и было подтверждено в данной работе. При этом могут ухудшаться некоторые механические свойства. Поэтому актуальной задачей является установление оптимального соотношения древесного и минерального наполнителй, что является основной задачей данной работы.

Экспериментальная часть

Дальнейшее рассмотрение проведем путем сопоставления свойств стандартного образца ДПК, производимого компанией Savewood (контрольный образец), со свойствами модифицированных образцов, полученных и исследованных в данной работе. В таблице 2 приведены составы образцов ДПК, предложенные в данной работе.

*Образец № 2 произведен не в Компании Savewood, а в другой отечественной компании. Он также содержит в качестве матричного полимера ПВХ.

Механические свойства

Получены кривые растяжения для всех образцов 1-6. В качестве примера кривая растяжения для образца № 3 показана на рисунке 4.

Механические свойства образцов 1-6 приведены в таблице 3.

Водопоглощение

Исследование проводилось согласно ГОСТу 4650-80 (Пластмассы. Методы определения водопоглощения). Были изготовлены образцы в форме квадрата со стороной, равной (50 ± 1) мм, и толщиной, равной толщине материала. Поверхность срезов была гладкой. Применялось следующее оборудование: Термостат жидкостный с погрешностью регулирования температуры ±1.0°С, типа ТС-16, эксикатор по ГОСТу 25336, сосуд из эмалированной стали, прибор измерительный для определения размеров образца (длины, толщины) с погрешностью измерения не более 0.1 мм, вода дистиллированная по ГОСТу 6709, пятиокись фосфора, весы лабораторные общего назначения по ГОСТу 24104 2-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 200г.

Перед испытанием образцы высушивались при (50 ± 2)°С в течение (24 ± 1) ч, а затем охлаждались в эксикаторе над осушителем при (23 ± 2)°С. После охлаждения образцы были вынуты из эксикатора, взвешены, измерены длина, ширина и толщина. После этого, образцы были погружены в дистиллированную воду и выдержаны при (23 ± 2)°С в течение (24 ± 1) ч. После этого образцы были извлечены из воды, протерты чистой сухой тканью и снова взвешены и измерены по длине, ширине и толщине. Массовую долю воды, поглощенную образцом, в процентах, вычисляли по формуле:

где m₁ — масса образца перед погружением в воду, m₂ — масса образца после извлечения из воды.

Набухание по длине, ширине и толщине образцов в процентах, вычисляли по формуле:

где x₁ – значения размеров образца перед погружением в воду, x₂ – значения размеров образца после извлечения из воды.

Результаты проведенных испытаний приведены в сравнительной Таблице 4.

Табл. 4. Значения водопоглощения и набухания в трех направлениях для исследованных образцов.

Первый вывод заключается в том, что общая величина водопоглощения для контрольного образца, производимого компанией Savewood и не содержащего минерального наполнителя, всегда существенно выше, чем величина водопоглощения для всех остальных образцов, содержащих такие добавки.

Были также проведены детальные измерения водопоглощения по длине образцов, их ширине и толщине. Во всех случаях водопоглощение по различным направлениям, оцененное по изменению размеров образца после выдержки в воде, всегда меньше для образцов, содержащих минеральные добавки в виде мела.

Проведены также эксперименты по водопоглощению и набуханию в течение различного времени. Результаты измерений сведены в таблицы 5 и 6. Видно, что длительное водопоглощение и набухание существенно меньше для модифицированных образцов, содержащих минеральный наполнитель, чем для стандартного образца при кратковременной выдержке в воде.

Табл. 5. Водопоглощение после выдержки в течение 84 ч (3.5 суток).

Табл. 6. Водопоглощение после выдержки в течение 264 ч (11 суток).

При оценке качества материалов необходимо учитывать не только величину водопоглощения, но и изменение других свойств в результате введения минеральной добавки. Согласно нашим измерениям, наилучшее сочетание механических свойств (модуль упругости, прочность при растяжении и изгибе, удлинение при разрыве, удельная ударная вязкость) и водопоглощения обнаруживает образец № 3. Этот образец содержит в качестве наполнителя 40% мела и 60% древесной муки. Данный образец обладает очень малым водопоглощением, превосходя по этой характеристике многие другие исследованные образцы, или практически не уступая им.

Таким образом, можно рекомендовать оптимальное соотношение компонентов наполнителя в виде 40% мела и 60% древесной муки, приводящее к существенному уменьшению водопоглощения при сохранении хороших механических характеристик.

Список литературы

1.     Т.А. Мацеевич, А.А. Аскадский. Террасные доски: состав, изготовление, свойства. Часть 1. Механические свойства // Строительные материалы. 2018. № 1-2. С. 101-105.

2.     Т.А. Мацеевич, А.А. Аскадский. Террасные доски: состав, изготовление, свойства. Часть 2. Термические свойства, водопоглощение, истираемость, устойчивость к климатическим воздействиям, использование вторичных полимеров // Строительные материалы. 2018. № 3. С. 55-61.