Достижения для древесно-полимерных композитов

Строительство платформ и настилов – основная сфера применения древесно-полимерных композитов (ДПК). Потребление ДПК в этой сфере увеличивается, поскольку производители выпускают все более сложные и эффективные материалы.

Основными потребителями ДПК являются США и все в большей степени Китай. Однако популярность материалов растет и в других регионах. Например, недавно ДПК стали широко применяться для строительства морских сооружений в Дубае. Джумейра Корнич – ровный участок побережья протяженностью 14 км. При его реконструкции использовалось 91 тыс. кг (что эквивалентно 167 тыс. м) пиломатериалов на основе ДПК, изготовленных фирмой Trex (www.trex.com) в США и доставленных в Дубай. Работы по реконструкции заняли 30 дней.

Барри Джон Дэвис, исполнительный директор британской фирмы DPDS International (www.dpdsi.com), которая участвовала в реализации проекта, сообщил на конференции «Древесно-полимерные композиты», прошедшей в 2016 году: «Пока в промышленности на каждом уровне отсутствуют возможности обучения специалистов работе с ДПК и продуктами на основе этих материалов».

Еох Бенг Хунг, старший заместитель директора Ассоциации малайзийской лесной промышленности (MTIB; www.mtib.gov.my), заявил, что за последние 10 лет объем потребления ДПК в Малайзии также увеличился. По его словам, в 2015 году объем импорта продуктов из ДПК в эту страну впервые достиг 1 млн долл. Объем продаж материалов внутри страны составили примерно 6 млн долл. Основными рынками потребления такой продукции являются сферы строительства, автомобилестроения и другие отрасли промышленности. «В последние годы рост потребления ДПК ускорился и появились новые возможности для расширения сферы», – сказал замдиректора ассоциации. В период с 2010 до 2015 года объем импорта ДПК в страну увеличился более чем вдвое. Такой информацией специалист поделился на конференции, организованной фирмой Applied Market Information (www.amiplastics.com).

Огнестойкость
Арне Ширп, руководитель проекта в Институте исследования древесины Фраунгофера (WKI; www.wki.fraunhofer.de), заявил участникам конференции, что в рамках панъевропейского проекта Hifivent (www.hifiventproject.eu) был разработан ряд огнестойких ДПК. Исследователи использовали два подхода и вводили антипирены в материалы: термомеханическая пульпа (TMP), поскольку антипирены в нее могут вводиться непрерывно; рисовая шелуха, поскольку в ней содержится большое количество неорганического, негорючего материала (диоксид кремния).

При использовании первого материала в древесные волокна было введено два антипирена Clariant. Антипирены использовались в различных композициях ДПК, однако во всех из них содержалось 50% пульпы TMP или других древесных частичек. Одна добавка, а именно полифосфат аммония (ПФА), позволила при высокой температуре сформировать в материале фосфорную кислоту. В присутствии этой кислоты материал в большей степени обугливается, а не горит. Гранулы, полученные из материалов на основе пульпы TMP, перерабатываются экструзией с получением профилей, в том числе сайдинга.

Исследователи также получили ряд композиций на базе рисовой шелухи. Такие материалы использовались для производства изоляционных панелей и были испытаны на предприятиях фирмы Beologic в Бельгии. «Сейчас проводится полное испытание профилей (сайдинга), в том числе в условиях строительства», – отметил специалист.

Концентрация на лазерах
Компания Starrett-Bytewise (www.starrett.com), специализирующаяся на технологиях измерения размеров, заявила, что определение размеров ДПК-профилей при процессе их производства позволяет повышать качество этой продукции. Джим Уильямс, директор по продажам компании, заявил, что используемые подходы к периодическому определению размеров профилей, например использование штангенциркулей, калибров, оправок и устройств сравнения, имеют ряд недостатков. Проблемы использования таких подходов: не всегда они реально описывают результаты процесса; они не позволяют выявить все дефектные изделия; их точность зависит от квалификации оператора; они не позволяют проводить измерения на больших площадях и в глубоких элементах.

«При измерении в режиме офлайн 10 операторов определят для одного и того же изделия с помощью штангенциркуля 10 разных значений размеров», – пообещал Уильямс. Он заявил, что это существенно сказывается на воспроизводимости результатов. С помощью штангенциркуля для изделий, для которых необходимо провести два или три важных измерения, операторам придется совершить 21 измерение: каждому оператору – по семь измерений. Для сравнения, система измерения с помощью лазера Profile360 фирмы Starrett-Bytewise позволяет проводить до 25 идентичных измерений в каждой точке изделия. Точность измерения с помощью штангенциркуля составляет в среднем 0,0129 дюйма, в то время как точность измерения с помощью лазера – 0,0013 дюйма. То есть точность измерений повышается в 10 раз.

Специалист отметил, что при применении таких систем производители могут точнее выдерживать все параметры изделий (определенные в технических требованиях), а следовательно, и снижать свои расходы. За счет этого при производстве пиломатериалов из ДПК со скоростью 12 футов/мин. производители в день могут экономить примерно 1100 долл. В год экономия может составить 385 тыс. долл. «Средства, затраченные на систему, окупаются за один месяц», – заявил Уильямс.

Совмещение жидкостями
Финский аспирант установил, что жидкие побочные продукты переработки древесины могут использоваться в качестве добавок при производстве древесно-полимерных композитов. Танели Вайсанен, работающий на кафедре прикладной физики Университета Восточной Финляндии (www.uef.fi), также предложил способ введения в материалы таких жидких продуктов.

Добавки являются важной частью ДПК. Они позволяют повысить совместимость древесной и полимерной составляющей материала. Добавки также используются для снижения водопоглощения и повышения атмосферостойкости материала, а также улучшения других его свойств.Однако некоторые добавки имеют высокую стоимость, и их достаточно сложно ввести в ДПК. Именно поэтому Вайсанен занялся поиском новых добавок, получаемых из возобновляемых ресурсов. В его работе в ДПК вводились жидкие побочные продукты, получаемые при производстве биоугля и при термической обработке древесины. Аспирант проанализировал влияние этих добавок на свойства материалов.

В результате исследований было выявлено, что жидкие продукты могут вводиться в гранулы ДПК с помощью метода, предложенного самим Вайсаненом. Аспиранту удалось получить очень однородные образцы материалов. Кроме того, за счет введения жидких продуктов было снижено водопоглощение композитов и в отдельных случаях улучшены их механические свойства. В работе также выяснено, что при введении жидких продуктов увеличивается количество летучих органических соединений (VOC), выделяющихся из ДПК. Тем не менее Вайсанен заявил, что содержание таких вредных соединений не достигает уровня, при котором они бы могли наносить вред человеку.

Аспирант также выявил, что количество летучих органических соединений, выделяющихся из ДПК, можно определить с помощью метода масс-спектроскопии с переносом протона (proton-transfer-reaction mass-spectrometry, PTR-MS). Преимуществом этого метода является то, что он позволяет быстро получать результат и анализировать выделение летучих компонентов в режиме реального времени.

Графическая детализация
Исследователи из Университета Мино (www.uminho.pt) из Португалии использовали устройство обработки графических данных (GPU) для улучшения процесса проектирования сложных профильных экструзионных головок, в том числе для переработки ДПК. Для расчетов обычно необходимо много времени, однако исследователям удалось проводить параллельную обработку цифрового кода в устройстве GPU с помощью простых принципов программирования. Такая схема не требует сложных манипуляций с памятью устройства. Для проверки метода было проведено моделирование трех эталонных тестовых задач. Код был использован для проектирования двух реальных экструзионных головок – для производства трубок для медицинских катетеров и для производства профилей из древесно-полимерных композитов.

Исследователи заявляют, что одна из основных проблем при проектировании экструзионных головок – достижение сбалансированного течения во всех каналах инструмента. Цифровые коды могут помочь решить эту проблему, сократив число проб по выявлению оптимальной конструкции. Такой инструмент моделирования может помочь конструктору улучшить геометрию канала экструзионной головки: либо за счет проведения экспериментов на базе анализа цифровой информации, либо путем использования автоматических алгоритмов, которые сами ищут оптимизированную геометрию.

Специалистами был оптимизирован режим течения для головки, предназначенной для переработки ДПК. С помощью нового подхода время, необходимое для проведения расчетов, сократилось примерно с 7,5 до 1,25 ч. Для полной оптимизации необходимо совершить пять циклов. Общее время, необходимое на такие действия, сократилось с 38,5 до 5,5 ч. Результаты говорят о том, что даже за счет простой параллельной обработки информации время, необходимое для проведения расчетов, можно существенно сократить для обоих типов экструзионных головок. «Важно отметить, что такие результаты были получены без сложных манипуляций с памятью устройства обработки графической информации. В будущем в этой области можно достичь еще более весомых результатов», – заявили исследователи.

Экспонаты выставки K 2016
На выставке K 2016 компания Imerys (www.imerys.com) представила добавки, которые повышают эксплуатационные характеристики вторичных полиолефинов. Материал ImerPlast – модифицированная композиция на основе смеси полимеров с улучшенной совместимостью компонентов. Материал состоит из вторичного ПЭ и ПП и содержит минеральные компатибилизаторы. Компания заявляет, что изобретение расширяет сферу применения вторичных пластмасс, позволяет использовать в материалах вторичное сырье в большем количестве. Новые материалы могут использоваться также в других отраслях. Предложенный минерал подвергается процессу разделения фаз и обеспечивает стабильность производственного процесса. Предложенный материал уже использовался при производстве дренажных и канализационных труб, а также пиломатериалов из древесно-полимерных композитов.

Фирма Struktol (www.struktol.com) на выставке представила добавку RP 17 – смесь лубриканта и добавки, маскирующей запахи. Первоначально добавка проектировалась для снижения или устранения запахов в ДПК при их компаундировании или переработке, однако теперь она широко применяется и в других процессах, например при рециклинге материалов.

Фирма Wacker (www.wacker.com) представила ряд добавок на основе термопластичных силиконов, которые повышают эффективность процессов переработки ДПК. Добавки Genioplast WPC повышают эффективность переработки (экструдирования) полимерных смесей, содержащих древесные компоненты. Это делает процесс менее затратным и менее энергоемким. Компания заявляет, что добавки также улучшают механические и гидрофобные свойства материалов. Добавки вводятся как лубриканты для того, чтобы обеспечить эффективное соединение отдельных компонентов и снизить сопротивление протеканию процесса. Материалы содержат силиконовый термоэластопласт. В сравнении с обычными силиконами, которые при вулканизации необратимо сшиваются, термопластичные силиконы ведут себя как термопласты в определенном температурном диапазоне.

«Стандартный силикон не сможет плавиться при этих условиях, а наш материал – сможет», – объяснил Мартин Шмид, старший менеджер по продажам Wacker Silicones. Он рассказал, что компания разработала добавки в виде суперконцентратов (мастербатчей). Испытания показали, что 1% добавки может повысить производительность процесса на 15–25% (в зависимости от природы полимерной смеси и характеристик используемого экструдера). Это позволяет снизить себестоимость продукции. Wacker отмечает, что для достижения таких же результатов при экструзии обычных лубрикантов производители ДПК вводят в композиции в количестве 2–6%.

Добавки Genioplast WPC могут легко смешиваться, поскольку силиконовый термоэластопласт предварительно смешивается с соответствующим полимером. Сегодня компания предлагает композиции добавки с ПП (PP 20A08) и ПЭ (HDPE 20A03), однако планирует разработать также материалы и на основе ПВХ. Wacker заявляет, что добавки также позволяют повышать ударную прочность, прочность на изгиб, а также сокращать водопоглощение получаемых продуктов.