Вспененные композиты пластик/ древесная мука

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ                    УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «Технология органического и нефтехимического синтеза»

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

ВСПЕНЕННЫЕ КОМПОЗИТЫ С ДРЕВЕСНОЙ МУКОЙ

 

 

 

 

 

 

                                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1.Введение…………………………………………………………………………………………...3

2.Основные вспениватели для PWC………………………………………..……………………...5

3.Вспененные композиты пластик/ древесная мука……………………………………………...6

4. Способы получения PWC……………………..……………………..…………………………..7

4.1. Вспенивание PWC в периодическом процессе……………………………………………7

4.2. Вспенивание PWC в экструзионном процессе………………………………..…………..8

     4.3. Вспенивание PWC при литье под давлением……………………………………………..9

5.   Свойства PWC и его применение………..…………………………………….…………......10

6.   Основные проблемы в развитии PWC – пен…………………………………………………12

7.   Заключение…………………………………………………………………………………..…13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ВВЕДЕНИЕ

 

Композит (композиционный материал) можно охарактеризовать как сочетание одного или более материалов, отличающихся по форме или составу на макроуровне. Компоненты сохраняют свою идентичность, то есть они не растворяются и не соединяются полностью друг с другом, хотя, будучи соединенными в одном продукте, передают ему каждый свои полезные свойства, приводя к получению лучшего материала, или лучших свойств, или снижению стоимости. Обычно компоненты можно физически идентифицировать и показать разделяющую их границу.

Древесина, костный порошок и скорлупа являются природными композитами, в которых чрезвычайно эффективно сочетаются многие компоненты, что делает эти материалы весьма многофункциональными.

Большинство композитов состоит из двух основных составляющих: связующего, или матрицы, и армирующего вещества, или наполнителя. Матрица содержит наполнители в упорядоченной форме, армирующий наполнитель обычно значительно прочнее и жестче, чем матрица. Наполнителями могут быть либо твердые микрочастицы, либо волокнистые материалы. При их введении происходит модификация свойств, которая может привести к снижению усадки, уменьшению адгезии, улучшению прочности, повышению жесткости и стойкости к истиранию и улучшению электрических свойств и размерной стабильности.

Если матрицу наполнить частицами и короткими волокнами, она может выдерживать нагрузку в очень узком интервале. В этом случае свойства композитов не могут приблизиться к свойствам наполнителя. Однако наполнение матрицы непрерывными волокнами снижает повреждения армирующего вещества. Таким образом, свойства композитов улучшаются, и поэтому они используются для производства большинства высокопрочных изделий - от материалов, применяемых в космических технологиях, до спортивных товаров. Однако что касается потребительских товаров, здесь использование композитов с короткими волокнами растет, особенно в строительстве, мебельной и автомобильной отраслях промышленности, где соотношение прочность:  вес не является решающим.

В настоящее время на рынке наполнителей полимерных композитов доминируют карбонат кальция (40%), стеклянное волокно (31%) и ряд других неорганических наполнителей типа талька, слюды, каолина и другие.

Органическими наполнителями, обычно применяемыми для полимерных композитов, являются древесная мука, джут, лен, пенька, сизаль, кенаф, волокна технической целлюлозы,  рисовая шелуха, хлопковая шелуха и шелуха сахарного тростника. Они обладают низкой удельной массой (примерно 0,9-1,3) и при использовании для вспененных полимеров дают существенную экономию стоимости. Древесная мука- наиболее широко применяемое волокно из всех целлюлозных волокон, используемых в качестве наполнителей.

Композиты пластик/ древесная мука (PWC) наиболее приемлемы для потребителей в качестве замены натурального дерева благодаря таким их преимуществам, как долговечность, постоянный цвет и снижение издержек при эксплуатации, несмотря на более высокую цену по сравнению с деревом. Другой важной причиной применения  материалов с целлюлозными волокнами является то, что эти волокна в меньшей степени подвержены изменению эффективных размеров (отношение длины к диаметру) во время переработки, что существенно для эффективной передачи напряжений в композициях с волокнами.

В настоящее время PWC в основном применяются для производства строительных материалов, таких как ограждения, горизонтальная дверная обвязка, облицовка, дверные и оконные профили, декоративная отделка и т. д. Расширяется их применение в промышленности, автомобиле- и судостроении. Среди прочих видов применения обшивка имеет самую большую долю из всего объема производимых PWC.

Среди полимеров, используемых для производства PWC, основную долю на рынке составляет полиэтилен (ПЭ), за ним следует поливинилхлорид (ПВХ) и другие полимеры, такие как полипропилен (ПП) и полистирол (ПС). Для соединения волокон с полимерной матрицей требуется связующая или совмещающая добавка, если используемый полимер - полиолефин (ПЭ  или ПП), тогда как для ПС такой добавки не требуется. Что касается ПВХ, то между ним и древесной мукой по причине их полярной природы существует некоторое сцепление, и поэтому в промышленности обычно не используют какие-либо аппреты.

 

 

2. ОСНОВНЫЕ ПРИМЕНЯЕМЫЕ ВСПЕНИВАТЕЛИ ДЛЯ PWC

 

И физические вспенивающие агенты (ФВА), и химические вспенивающие агенты (ХВА) используются для вспенивания PWC- пен. ФВА выделают газ для вспенивания полимеров за счет изменения физического состояния. Изменение может включать испарение (кипение) жидкости или выделение сжатого газа при атмосферном давлении после введения его в расплавленный полимер под давление. ХВА выделяют газ (или газы) за счет химической реакции, которая приводит к распаду ( или разложению) исходной молекулы с образованием одного или более газов, вспенивающих полимер, и одного или более твердых остатков. В большинстве случаев разложение ХВА являются твердыми веществами и не требуют никаких условий специального хранения или погрузочно - разгрузочного оборудования для применения их в переработке пластмасс.

По термическим характеристикам при разложении ХВА могут быть разделены на два основных типа: экзотермические и эндотермические.

Экзотермические ХВА имеют более узкий диапазон температур разложения и дают более высокий выход газа, чем эндотермические. Серийно выпускаемые экзотермические ХВА обычно выделяю азот, иногда совместно с другими газами. По сравнению с СО2 , образующимся при разложении эндотермического ХВА, азот является более эффективным вспенивающим газом благодаря более низкой скорости его диффузии через полимер. Основные классы экзотермических ХВА включают в себя сульфонилгидразиды, чистые и модифицированные азодикарбонамиды (АДК), семикарбазиды, тетразолы.

Эндотермические ХВА при термическом разложении обычно выделяют СО2 и воду. Этот тип ХВА имеет преимущества перед экзотермическим ХВА с точки зрения получения максимально белой пены и приводит к меньшей деформации ячеек. Другое практическое преимущество состоит в том, что плотность пены из эндотермических продуктов на основе ХВА более предсказуема, чем из продуктов на основе АДК. Бикарбонат натрия (сода) – самый известный эндотермический ХВА.

 

 

 

3. ВСПЕНЕНЫЕ КОМПОЗИТЫ ПЛАСТИК/ ДРЕВЕСНАЯ МУКА

 

Хотя PWC были внедрены в производство и могут конкурировать с определенными пластмассовыми и деревянными изделиями, их потенциальное промышленное применение было ограничено по причине их низкой ударной прочности и высокой плотности по сравнению с натуральным деревом и определенными пластмассами. Ударная прочность и вязкость PWC могут быть значительно улучшены при создании мелкопористой структуры. Дополнительным преимуществом является то, что PWC становится более легкими и похожими на реальное дерево, когда в матрице сформирована вспененная структура. Вспенивание древесных композитов улучшает их способность выдерживать операции повторного прибивания и вворачивания по сравнению с невспененными изделиями похожего состава. Вспенивание также приводит к лучшему качеству поверхности и получению более четких контуров и углов, чем в монолитных контурах. Вспенивание снижает расход материала и таким образом обеспечивает экономичный эффект. При производстве по причине пластифицирующего действия газов вспененные композиты перерабатывают при более низких температурах и высоких скоростях, чем не вспененные аналоги, снижая таким образом производственные затраты.

Самым первым из известных промышленных вспененных PWC продуктов были экструдированные карандаши производства  "Empire Co." в начале 1970-х годов. Их вспенивали до 50%-ного снижения плотности, и они содержали большое количество древесной муки в полистирольной матрице.

 

 

 

 

 

 

 

 

4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННЫХ PWC

4.1.Вспенивание PWC в периодическом процессе

Матуана и его коллеги сообщили об успешном микропористом вспенивании PWC в периодическом процессе. Полученные прессованием образцы PWC насыщали газом СО2 под высоким давлением так, чтобы газ растворялся в образцах, достигая предельной растворимости. Когда образец полностью насыщен газом, давление быстро снижают, чтобы вызвать внезапное падение растворимости газа в полимере. Это инициирует термодинамическую нестабильность, которая ведет к образованию миллиардов микропор.  Пузырьки увеличивались в размере по мере диффузии в них растворенного газа. Рост пузырьков облегчался понижением жесткости полимерной матрицы при повышении температуры. Сообщалось о десятикратном вспенивании при соблюдении соответствующих условиях. В периодическом процессе на образование ячеек влияет, главным образом, давление насыщения (или перепад давлений), а рост ячеек зависит от температуры и времени нагрева. Следовательно, на количество возникших ячеек и плотность пены можно воздействовать независимо.

Необходимо отметить, что в периодическом процессе температура вспенивания обычно выбирается как можно ниже, чтобы сделать стадию роста ячеек легко управляемой. Варьируя температуру и время выдержки при нагревании, можно контролировать рост ячеек.

 Принципиальная  схема периодического процесса  показана на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема периодического процесса микропористой технологии

 

4.2.Вспенивание PWC в экструзионном процессе

Торрес и его коллеги изучали образование пузырьков во время процесса экструзии в одношнековом экструдере внутри цилиндра, и они заключали, что образование пузырьков сильно зависит от режима подачи смеси полимер- древесная мука.

Матуана и Менгелоглу изучали использование влаги для вспенивания композитов жестких ПВХ/ древесная мука. Они проанализировали влияние содержания влаги в древесной муке, содержания любых акриловых модификаторов пены, содержания ХВА и температуры головки экструдера на способность композиций к вспениванию. Но ПВХ можно эффективно вспенивать без использования ХВА при достаточном содержании любого акрилового модификатора в рецептуре. Они также вспенивали композиции жесткий ПВХ / древесная мука с экзотермическим и эндотермическим ХВА при экструзии. Было обнаружено, что экзотермический ХВА приводил к получению ячеек меньшего размера в композите, чем эндотермический.

Пеликан и его коллеги описали процессы образования ячеистых полостей, в которых вещество, образующее пузырьки, связано с носителем, таким как растительные или древесные волокна, за счет молекулярного или капиллярного действия. В этом случае пенообразователем является влага (вода), которая постепенно выделяется при температуре выше 120 0 С и приводит к однородному распределению закрытых ячеек внутри полимерной матрицы.

Бутильер и Коуп описали производство вспененных профилей из PWC при использовании процесса Celuka. Внешняя поверхность экструдата охлаждалась на выходе из головки ниже температуры размягчения полимера. Охлажденная оболочка препятствовала расширению в наружном направлении, и материал расширялся внутрь в полость, созданную твердой торпедой внутри головки (рис.2 )

Рис.2  Процесс вспенивания с интегральной оболочкой (Celuka); a- экструзионная фильера; b-              охлаждаемый калибратор; c- торпеда; d- твердая оболочка; e- вспененное ядро

Ризви и его коллеги подробно изучили характер вспенивания PWC в процессе экструзии с точки зрения получения мелкопористой структуры. Была получена плотность ячеек порядка 107 с максимальным размером ячеек <100 мкм. Хотя микропористые структуры были получены в отдельных областях даже при 50%-ном содержании древесной муки, эмиссия летучих из древесной муки препятствовала образованию однородно распределенной микропористой структуры по всему экструдату. С целью преодоления этого проводится активные исследования.

 

4.3.Вспенивание PWC при литье под давлением

Бледзки и его коллеги сообщили о микропористом вспенивании в литьевых деталях, полученных из древесной муки и ПП. Плотность композита уменьшалась примерно на 24%, а размер ячеек менялся от 10 до 50 мкм. Они также сообщили об улучшении механических свойств до 50% при улучшении адгезии между древесной мукой и полимерной матрицей за счет аппретирующего вещества. Увеличение содержания древесной муки выше указанного количества в целом вызывало ухудшение механических свойств.

 

5. СВОЙСТВА PWC И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

 

Свойства этого материала уникальны и базируются на свойствах его составляющих. В отличие от обыкновенного дерева, и материалов созданных на его основе, древесно-пластиковый композит не впитывает воду, не подвержен гниению, не пожароопасен. Поэтому он более долговечен по сравнению с обычной древесиной, может применяться во влажных местах, переносит низкие температуры. Он имеет абсолютно гладкую поверхность и из него можно сделать практически любую форму. 

К тому же древесно-пластиковый композит легок в обработке. Его можно не только сверлить, пилить, или просто прибивать гвоздями, но еще и застругивать рубанком. Его можно красить обычными красками, облицовывать и обклеивать, а также он может быть окрашенным в массе.