РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ
Вахнина Т.Н., Константинова И.С. (ГОУ ВПО КГТУ, г. Кострома, РФ)
Development wood captive with additive reduced departure of the polyethylene packing.
Ожидается, что в ближайшие 10 лет производство и потребление пластиков в России будет опережать темпы роста промышленного производства, а, следовательно, способствовать дальнейшему обострению экологических и экономических проблем, связанных с ростом образования полимерных отходов.
Основной объем пластиковых отходов уничтожают захоронением в почву или сжиганием. Внедрение технологий переработки пластиковых отходов тормозится следующими факторами: отсутствие в России организационных нормативно-технических условий приемлемого качества вторичного сырья, производимого из полимерных отходов; низкая конкурентоспособность продукции с использованием отходов; отсутствие экономических условий для сбора и переработке основной массы полимерных отходов.
Сегодня в России перерабатывается лишь незначительная часть пластиковых отходов, причем 70-80% переработки приходится на долю промышленных отходов. Структура пластиковых отходов по видам полимеров представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1 – Структура пластиковых отходов по видам полимеров
34 % вторичных полимерных отходов составляют изделия из полиэтилена. Полиэтилен ( - СН2 – СН2 - )n получают:
- радикальной полимеризацией этилена в присутствии инициаторов при высоком давлении (100…200 МПа) и температуре 150…180 0С, обычно в среде кислорода; такой полиэтилен называют полиэтиленом высокого давления (ВД) и низкой плотности (НП);
- ионной полимеризацией этилена в присутствии катализаторов (оксида хрома), нанесенных на оксид алюминия или кремния, при давлении (3…4 МПа) и температуре 125…150 0С, называют такой полимер полиэтиленом среднего давления (СД) и соответственно средней плотности (СП);
- ионно-координационной полимеризацией этилена в присутствии комплексных маталлорганических катализаторов (катализаторов Циглера-Натта) при давлении 0,03…0,05 МПа и температуре, не превышающей 80 0С, это полиэтилен низкого давления (НД) и высокой плотности (ВП) [1].
Полиэтилен применяется для получения технических изделий, изготавливаемых экструзией, выдавливанием или литьем под давлением, используемых в фурнитуре мебели, для покрытия бумаги и других целей. Полиэтилен при комнатной температуре не растворяется в органических растворителях, но при повышенных температурах он набухает и медленно растворяется в ароматических углеводородах. На полиэтилен не действуют масла, жиры, нефтяные углеводороды, водные растворы кислот, щелочей и солей.
Эти особенности обуславливают основное направление переработки его отходов – в качестве ограниченной добавки к основному сырью (не более 10 %) в полимерные материалы. Сложность переработки отходов полиэтилена обуславливается его недостатками как полимерного материала. Под действием солнечной радиации полиэтилен стареет, он горюч, в толстом слое не прозрачен, имеет невысокую температуру разложения и недостаточную механическую прочность. Поэтому большее количество добавки вторичных отходов ухудшает показатели материала, к тому же это направление переработки требует качественной сортировки и очистки отходов.
Рациональным решением проблемы является переработка полимерных отходов в плитные композиционные материалы.
Усложняет решение данной проблемы низкая термостойкость и высокая горючесть таких повсеместно используемых полимеров, как полиэтилен. Повышение огнезащищенности в настоящее время становится одним из приоритетных направлений разработки всех видов материалов [2], поэтому разработка нового вида древесно-полимерного композита проводилась с учетом его огнестойкости.
На кафедре МТД КГТУ проводилось исследование значимости влияния добавки измельченных полимерных отходов на показатели композиционных плит (в сравнении с древесно-стружечной плитой)
В качестве метода эксперимента использован однофакторный дисперсионный анализ. Обозначения: кодированное обозначение − фактор А; натуральное обозначение − вид отходов. Уровни фактора: а1 – контрольный образец без добавок полимерных отходов; а2 – измельченные бутылки в наружных слоях; а3 - измельченные бутылки в наружных и внутренних слоях; а4 - измельченные пакеты в наружных и внутренних слоях.
В эксперименте проверялось, влияет ли вид добавки (фактор А) на выходные величины: У1 – потерю массы плит при горении, %, и У2 – прочность плит при статическом изгибе, МПа.
Результаты экспериментальных данных и их статистической обработки представлены в таблицах 1, 2.
Таблица 1 – Результаты обработки потери массы плит при горении
|
Уровни фактора А |
Значение выходной величины
|
Среднее арифметическое уровня
|
Дисперсия уровня
|
|
|
Натуральное обозначение |
Кодированное обозначение |
|||
|
контрольный образец без добавок |
а1 |
11,8; 10,7; 12,1; 10,6; 11,2; 11,5 |
11,32 |
0,358 |
|
измельченные бутылки в наружных слоях |
а2 |
2,56; 6,88; 5,19; 5,13; 2,93; 3,78 |
4,41 |
2,66 |
|
измельченные бутылки в наружных и внутренних слоях |
а3 |
5,81; 5,19; 2,86; 4,82; 4,17; 4,65 |
4,58 |
1,01 |
|
измельченные пакеты в наружных и внутренних слоях |
а4 |
3,99; 5,88; 4,09; 6,16; 5,13; 3,72 |
4,82 |
1,1 |
Таблица 2 – Результаты определения прочности плит при статическом изгибе
|
Уровни фактора А |
Значение выходной величины
|
Среднее арифметическое уровня
|
Дисперсия уровня
|
|
|
натуральное обозначение |
кодированное обозначение |
|||
|
контрольный образец без добавок |
а1 |
19,18; 14,85; 16,87; 17,63; 15,24; 16,35 |
16,69 |
2,53 |
|
измельченные бутылки в наружных слоях |
а2
|
14,892; 10,958; 11,204; 15,809; 14,345; 16,115 |
13,887 |
5,13 |
|
измельченные бутылки в наружных и внутренних слоях |
а3 |
13,038; 11,537; 9,4; 9,321; 14,22; 12,496 |
11,669
|
3,95
|
|
измельченные пакеты в наружных и внутренних слоях |
а4 |
16,806; 20,51; 21,546; 21,184; 16,666; 16,666 |
18,896 |
5,84 |
Обработка результатов методом однофакторного дисперсионного анализа подтвердила значимость влияния фактора на прочность плит и потерю массы при горении.
В эксперименте получены любопытные результаты: несмотря на повышенную горючесть полиэтилена потеря массы при горении образцов плит с добавкой измельченных полиэтиленовых отходов меньше, чем у контрольных образцов без добавок. Это может объясняться низкой температурой плавления полиэтилена, ввиду чего он сначала плавиться, поглощая энергию нагрева и обволакивая древесные частицы, а затем уже начинается воспламенение.
Потеря массы плит при горении не зависит от вида добавки и структуры композита (в какие слои добавляются измельченные отходы). Очевидно, она обуславливается наличием или отсутствием добавки измельченного полимера.
Поисковое исследование показало, что возможна технологическая разработка древесно-полимерного композита с добавкой измельченных полимерных отходов, удовлетворяющего требованиям нормативной документации к плитам для мебельного производства и строительства, причем данные плитные материалы имеют пониженную потерю массы при горении.
Литература
1. Азаров В.И. Химия древесины и синтетических полимеров. – СПб.: «Лань», 2010. – 624 с.
2. Стрелков В.П. О перспективах развития производства древесных плит в России – аналитические материалы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.wood.ru