Получение и применение изделий из древесно-полимерных композитов с термопластичными полимерными матрицами (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской федерации

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

, ,
,

ПОЛУЧЕНИЕ  И  ПРИМЕНЕНИЕ 
ИЗДЕЛИЙ  ИЗ  ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ  КОМПОЗИТОВ 
С  ТЕРМОПЛАСТИЧНЫМИ 
ПОЛИМЕРНЫМИ  МАТРИЦАМИ

Учебное пособие

Екатеринбург

2014

УДК 678.5.067.3(075.8)

ББК 35.719.9

П 53

Рецензенты

Кафедра технологии неорганических веществ Уральского федерального университета имени первого президента Ельцина; зав. кафедрой – профессор

, кандидат технических наук, доцент, проректор по дополнительному образованию Уральского института бизнеса

, , Получение и применение  изделий из древесно-полимерных композитов с термопластичными полимерными матрицами: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2014. – 85 с.

ISBN 978-5-94984-483-0

Приведены сведения о классификации, применении древесно-полимерных композитов с термопластичными матрицами (ДПКт). Изложены основные положения формирования структуры и свойств ДПКт, описаны технология и основное оборудование для их получения. Представлены технологические расчёты для производства изделий из ДПКт.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 240100 «Химическая технология», а также будет полезно специалистам
по переработке пластмасс и композитов.

Печатается по решению Редакционно-издательского совета ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет».

УДК 678.5.067.3(075.8)

ISBN 978-5-94984-483-0

© Уральский государственный лесотехнический университет, 2014 © , , , , 2014

ВВЕДЕНИЕ

Древесно-полимерные композиты – один из наиболее перспективных современных материалов, отличающийся экономичностью производства, технологичностью переработки, высокими эксплуатационными характеристиками и широким диапазоном применений [1–3].

Производство древесно-полимерных композиционных материалов на основе термопластичных связующих (ДПКт) было начато в конце 80-х голов прошлого века для нужд автомобильной промышленности [4], но уже  с середины 90-х годов их применяют и в строительной индустрии. В период 2000 – 2010 гг. темпы развития производства ДПКт составляли 15 – 20 %,  а сейчас мировые объемы выпуска приближаются к 2 млн. тонн в год.

Сегодня в большинстве стран мира имеются предприятия по выпуску изделий из древесно-полимерных композитов. В 2010 г. лидером мирового рынка ДПКт были США, именно там изначально зародилось производство этого продукта, созданного в результате повторного использования древесных отходов и пластика. За США по объемам производства следовали Китай и Европа. Аналогичная ситуация наблюдалась и в 2013 г., однако уже к 2015 г. ситуация изменится. Согласно прогнозу, новым лидером рынка станет Китай. Россия в списке крупнейших мировых производителей ДПКт занимает пятое место. Сейчас во всем мире насчитывается  651 производитель ДПКт, по итогам 2012 г. совокупный выпуск продукции экструзионным способом составил 2,5 млн. тонн. В Европе в 2012 г.  на декинг (террасную доску) пришлось 67% от общего объема выпущенной продукции (тогда как еще 10 лет назад – всего около 20%), 23% было использовано при производстве компонентов автомобилей. Общий объем выпуска ДПКт в России в 2011 г. составил 4 тыс. тонн, в 2012 г. –  9,4 тыс. тонн. При этом потребление всегда было значительно выше, а разница удовлетворялась за счет импорта из стран Европы и Азии. В 2013 г. ситуация изменилась. Потребительский рынок в этом году оценивался многими экспертами в 20 тыс. тонн, к 2017 г. – 25 тыс. тонн. В то время как выпуск отечественной продукции из ДПКт в 2013 г. приблизился  к 22 тыс. тонн, поставки импортной продукции также росли. Основной сферой применения ДПКт был и остается декинг, небольшой процент ДПКт используется при производстве заборов, сайдинга, дверей [5].

Причинами активного развития этой группы материалов являются:

– широкая и почти повсеместная доступность сырья;

– хорошее соотношение ценовых и качественных показателей;

– возможность использования высокопроизводительных методов производства – экструзии, литья и прессования;

– очевидные экологические преимущества в производстве и приме-  нении;

– долговечность изделий, низкие затраты на монтажные работы и эксплуатацию (очистку, ремонт).

Следует отметить, что данная отрасль успешно развивается на стыке интересов производства пластмасс, деревообработки и индустрии утилизации промышленных, сельскохозяйственных и городских отходов. Применение продуктов из ДПКт возможно в разнообразных областях строительства, промышленности и сельского хозяйства, на транспорте и в производстве товаров народного потребления.

Термопластичные древесно-полимерные материалы производятся из смеси измельченной древесины или аналогичного целлюлозосодержашего сырья, термопластичных синтетических или природных полимеров с добавлением небольших количеств функциональных и технологических аддитивов. При этом древесина измельчается, как правило, до состояния древесной муки с фракцией 0,5 мм и менее, а в качестве матрицы применяются полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ), полистирол, в том числе и вторичное сырье.

ГЛАВА 1

СВОЙСТВА  И  ПРИМЕНЕНИЕ
ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ  КОМПОЗИТОВ
С  ТЕРМОПЛАСТИЧНЫМИ  ПОЛИМЕРНЫМИ  МАТРИЦАМИ

1.1. Классификация ДПКт

При использовании термина древесно-полимерные композиты (ДПК, WPC – Wood Plastic Composites) подразумевают большую группу материалов, существенно отличающихся составом и свойствами. Признанной классификации древесно-полимерных композитов пока не существует.

В 2008 году А. Абушенко и И. Воскобойников [6] предложили примерную номенклатуру термопластичных древесно-полимерных композиционных материалов, исходя из типа наполнителя, вида и исходного физического состояния связующего (полимерной матрицы), массовой доли наполнителя, конечной геометрической формы продукта, применения и степени готовности продуктов, прочности, стойкости к неблагоприятным воздействиям внешних факторов, с учетом внешнего вида и характера обработки поверхностей.

В 2010 году А. Абушенко [7] предложил предварительную систематизацию ДПКт по виду древесного компонента, типу связующего полимера, плотности, прочности, устойчивости к воде, свету, биологическим и другим воздействиям, горючести, виду технологии переработки, конструкции изделия.

Нами предлагается классификация ДПК и ДПКт по природе их основных компонентов – матрицы и наполнителя (рис. 1.1).

Помимо классификации древесно-полимерных композитов как материала, возможно составление классификации изделий из ДПК и ДПКт по различным классификационным признакам, в том числе по области применения.

1.2. Применение изделий из ДПКт

Изделия из ДПКт имеют очень широкий спектр применения [4]
(рис. 1.2).

Рис. 1.2. Применение древесно-полимерных композитов в 2002 году

Величины потребления изделий из ДПКт в конкретных странах и регионах различаются. В США основная сфера потребления ДПКт – настилы из террасной доски (декинг), но в последнее время увеличивается доля строительных элементов (окна, подоконники и др.), сайдинга и кровли.

В отличие от рынка США основная сфера применения ДПКт в Евро-
пе – автомобильная промышленность (внутренние панели). Также ДПКт
используют в строительстве (оконные и дверные профили) и производстве мебели. Европейский рынок ДПКт всё ещё слабо развит (в основном продукция импортируется из США), однако он стремительно набирает обороты.

В Японии основная сфера применения изделий из ДПКт – декинг, стены, напольное покрытие и мебель. До 70% ДПКт в Японии используется для производства декинга, изгородей, табличек, вывесок, морских свай, лестниц, перил, ступенек, крылец. Остальные 30% – акустические панели, строительные профили и детали для автомобильной промышленности.
Рынок в Японии является очень перспективным, с динамичными темпами развития.

В Китае основная сфера применения ДПКт – строительство и мебельное производство. Организовано производство транспортных поддонов, настилов, полов, оконных и дверных профилей. Также китайские предприятия производят большой ассортимент мелких интерьерных профилей:  рамок для картин, декоративных раскладок и др.

В России изготовление террасной доски и сайдинга составляет почти 80% от общего объёма производства ДПКт, также существенную часть (около 16%) занимает выпуск листов, которые идут в основном на нужды автопрома [5].

1.2.1. Строительство

Из мирового объема ДПКт, использованного в 2011 году для строительства, наибольшая доля (70–80%) пришлась на террасные доски (декинг).

Кроме этого, из ДПКт производят отделочные панели и листы для стен и потолков, фасадные панели, сайдинг, шумоизоляционные панели, подоконники, дверные рамы, полотна и обрамления, оконные рамы, балконные ограждения, перила, поручни, кровельные элементы и др.

Несмотря на то, что отечественная строительная отрасль пока холодно встречает новый материал, перспективы российского рынка строительных изделий из ДПКт оцениваются, как высокие. Развитие рынка ДПКт  во многом будет определяться темпами развития строительства. Правительство РФ ставит задачу обеспечения к 2020 году ввода жилья не менее 140 млн. квадратных метров. По оценкам специалистов основным сектором применения изделий из ДПКт в ближайшее время будет оставаться сектор малоэтажного домостроения. Это связано с рядом преимуществ изделий из ДПКт. Так, например, по сравнению с изделиями из древесины аналогичные изделия из ДПКт с древесным наполнителем имеют следующие преимущества:

– высокая водостойкость;

– возможность получения изделий различных форм с высокой производительностью;

– возможность вторичной переработки изделий.

Существенное увеличение объёмов производства ДПКт с древесным наполнителем сдерживается двумя проблемами: