Генезис древесно-полимерных композиционных материалов
05.09.2018
Идеи комбинирования материалов для достижения определенных инженерных целей известны с глубокой древности. Глино-соломенные, глино-древесные и древесно-бетонные конструкции применялись древними египтянами и римлянами. Некоторые древние народы имели составные боевые луки, склеиваемые из разных пород древесины и рога. Деревянные боевые щиты для твердости часто укреплялись металлическими накладками и т.д. Различные клееные конструкции издавна применяются в производстве мебели, музыкальных инструментов и др. столярной продукции. Но индустриальное производство древесных композиционных материалов появляется только к концу 19 века. К концу 20 века по данным ФАО ООН мировое производство древесных композиционных материалов в объемных единицах превосходит производство сталей, пластмасс и алюминия.
Ежегодный прирост твердой биомассы лесов мира 50 млрд. тонн, прирост промышленной древесины составляет 3,5-4 млрд. т в год, а добывается лишь 1,1-1,3 млрд. т в год. Из всего лесного массива используется около 7,5% древесины, причем в т.н. "отходах" оказывается не менее 30% промышленной древесины. Таким образом, в мире образуется до 1200 млн. т отходов" древесины, пригодных для производства различных древесных композиционных материалов. Значительным ресурсом для производства древесных композитов являются др. целлюлозосодержащее сырье - растения, различные бумажные и картонные отходы.
В настоящее время производится широкая гамма древесных композиционных материалов, основые виды которых кратко описаны ниже.
Клееная фанера
Первым индустриальным древесным композитом можно считать клееную фанеру, изготавливавщуюся машинным способом и получившую широкое распространение в конце 19 века. Вначале, листы шпона склеивались животными клеями. С 20 - х годов прошлого столетия постепенно они быди заменены синтетическими, преимущественно фенолоформальдегидными и карбамидоформальдегидными.
В настоящее время выпускается большой ассортимент фанер, фанерных плит, плоскоклееных и гнутоклееных деталей, включая балки и трубы. Они отличаются породами применяемой древесины, типом клеев, размерами, стойкостью к внешним воздействиям и внешним видом. Выпускаются также комбинированные виды фанеры, в которых часть листов шпона заменены другими материалами - деревянными брусками, картоном, стеклопластиком, металлом, бумажно-полимерными пленками и др.
Фанера используется в строительстве, мебельном производстве, судо-, вагоно-, машиностроении и других отраслях промышленности. В строительной индустрии фанера применяется в монолитном и малоэтажном домостроении: опалубка; настил под полы; кровельные материалы; стеновые панели; перегородки и многое другое, где появляется необходимость в материале, обеспечивающем хорошую прочность и возможность изготовления крупногабаритных изделий.
Отдельным классом в семействе фанеры являются древесные слоистые пластики (ДСП), которые получают склеиванием под большим давлением листов древесного шпона, полностью пропитанного бакелитовыми смолами. Древесные пластики имеют высокую плотность - от 1230 до 1330 кг/м3, хорошие прочностные и др. показатели.
Бакелит
В 1911 г. американский химик Л. Бакеланд нашел способы поликонденсации фенолоформальдегидной смолы и наполнения ее различными материалами, из которых наиболее распространеным стала древесная мука. В нашей стране этот материал был назван карболитом или древесным прессматериалом. Это изобретение оказало значительное влияние на все последующее развитие полимерных композиционных материалов.
Из бакелитовых прессмасс изделия формуют в горячих прессах и льют в термопластавтоматах. Бакелитовые изделия обладают высокой прочностью и устойчивостью к воздействию воды, масел и растворителей. Бакелиты наполненные растительными и др. волокнами называются волокнитами. Из пропитанных бакелитовой смолой хлопчатобумажных и др. тканей изготавливают текстолиты, а из пропитанных смолой бумаг - гетинаксы (бумажные слоистые пластики).
Освоение промышленного производства и широко применения фенолоформальдегидных смол также подтолкнуло химиков к созданию др. видов термореактивных смол (карбамидных , меламиновых и т.д.)
Древесноволокнистые плиты
Начало производства древесноволокнистых плит относится к 1924 г., когда американский инженер В.Мэйсон (William H. Mason) изобрел машину для получения древесного волокна. Первые древесноволокнистые плиты выпущенные им в 1929 г. на заводе в г. Laurel (Mississippi) получили название Masonite. Вскоре производство древесноволокнистых плит распространилось по всему миру. Вначале производились легкие теплоизоляционные плиты. По мере совершенствования технологии, ассортимент волокнистых плит был значительно расширен и они производятся на сотнях заводах в широкой гамме форматов, толщин и свойств.
В н.вр. наиболее популярными становятся волокнистые плиты средней плотности сухого способа прессования (MDF - medium density fiberboard), имеющие отличные конструкционные и технологические свойства. Начало производства MDF относится к шестидесятым годам, широкое применение за рубежом начинается в 80-е г.г.
В строительстве МDF используют для изготовления погонажных изделий, черновых полов, стеновых панелей, потолков, дверей, ламинированных напольных покрытий, тавровых балок для монолитного строительства, гнутых строительных элементов, обрешетки крыш, изготовления подоконников.
МDF обладает рядом преимуществ по сравнению с другими клееными древесными материалами: легко обрабатывается; без проблем окрашивается и ламинируется, с помощью полиуретановых красок можно получить широкую гамму цветов; применение в качестве связующего карбамидных смол, модифицированных меламином, обеспечивает низкую эмиссию формальдегида; возможность изготавливать элементы различной формы, обладает физико-механическими характеристиками по своим показателям приближающимися к аналогичным значениям натуральной древесины. Плиты МDF имеют высокий уровень шумопоглощения и звукоизоляции, обладают отличными теплоизоляционными свойствами, хорошо переносят воздействие влажного воздуха - не разбухают и не коробятся, сохраняют форму при температурных колебаниях.
В настоящее время рассматриваются возможности получения древесноволокнистых плит с ориентированными волокнами.
Клееные деревянные строительные конструкции
Клееные деревянные конструкции (КДК) склеиваются из сухих строганых досок и обладают целым набором положительных свойств (легкость, прочность, надежность, неограниченность длины и формы, удобство монтажа и т.д.). По англ. glued-laminated timber - Gluelam.
Хотя первые патенты, относящиеся к этому классу материалов выданы еще в 19 веке, практическое применение осуществилось много позже. По видимому, толчком к этому стала доступность водостойких смол и появившаяся уверенность в их надежности. Например, в США первым с применением КДК стало построенное в 1934 г. здание Лесной промышленной лаборатории USDA. В СССР исследования КДК начались в 1942 г., и лишь в 1973-м в стране приступили к промышленному применению этого материала.
Клееные деревянные конструкции нашли широкое применение в архитектурной практике для перекрытия больших сооружений (вокзалы, рынки, спортивные объекты, производственные помещения, склады, мосты и т.д.).
Древесностружечные плиты.
Развитие производства древесностружечных плит начинается вскоре после второй мировой войны. В первый период это были небольшие производства единичной мощностью в несколько тысяч куб. м в год. Плиты изготавливались прессовым и экструзионным методами из стружек случайной формы, включая станочную стружку и опилки.
Сейчас древесностружечные плиты изготавливаются на автоматизированных заводах с мощностью от 100 до 500 тыс. куб. м в год почти исключительно методом плоского прессования. Существенно усовершенствовались методы подготовки стружки, осмоления, формирования стружечного ковра и др. В частности, плиты общего и мебельного назначения в н.вр. изготавливаются из специальной игольчатой стружки, имеют многослойную конструкцию, медкозернистое напыление и т.д. Новые заводы оборудуются высокопроизводительными прессами для непрерывной прокатки плит и гибкими системами для их облицовывания.
Древесностружечные плиты сыграли определяющую роль в индустриализации мебельного производства. Альтернативы им в производстве мебели нет и не предвидится. Однако, методы их производства будут развиваться и впредь, а ассортимент и свойства будут улучшаться.
В строительстве, древесностружечные плиты применяются для внутренней отделки помещений, изготовления дверей, подоконников, выставочных конструкций, стеллажей, для использования как основы под потолки или настила под полы.
Расширение возможностей строительных применений древесностружечных плит связано с т.н. вафельными древесностружечными плитами, формирование ковра в которых осуществляется из небольших плоских стружек примерно квадратной формы со стороной от 30 до 50 мм. Вафельные древесные плиты по свойствам приближаются к клееной фанере. Производство вафельных плит начало распространяться в США в 50-е годы.
Успешное развитие производства вафельных плит стимулировало развитие исследований в этой области, что позволило в 80-е годы прошлого века организовать производство нового класса древесностружечных плит - из крупноразмерной ориентированной древесной стружки (OSB) сочетающих прочность фанеры и технологичность обычных стружечных плит. Плиты OSB – Oriented Strand Board сразу стали популярны в строительстве.
Плиты OSB, выступая в роли заменителя фанеры, применяются для каркасно-панельного строительства, наружной и внутренней обшивки стен, перегородок, полов, отделки интерьеров. Сейчас они быстро внедряются в новые области применения, включая мебель.
Основными достоинствами OSB является: высокая прочность и однородность структуры по всем направлениям; влагостойкость (стабильность размеров и свойств во влажных условиях); легкость обработки (плиты без труда обрабатываются дереворежущими инструментами, могут быть склеены любыми клеями и облагорожены лакокрасочными материалами, предназначенными для отделки древесины); способность прочно удерживать гвозди и шурупы (физико-механические показатели у OSB в 2,5 раза выше, чем у древесностружечных плит, экологическая и гигиеническая безвредность.
Успехи в производстве древесных плит стимулировали создание брусовых материалов (колонн, балок и т.п.), потребности в которых и свойства были не вполне удволетворены клееными деревянными конструкциями. Такие материалы были созданы.
Фанерные балки
Подобно фанере балки склеиваются из полос лущеного шпона и имеют стабильные прочностные и эксплуатационные показатели, превосходящие значения показателей пиломатериалов. В отличие от фанеры они имеют большую длину.
Английская аббревиатура LVL - Laminated Veneer Lumber.
Появление этого материала позволило наладить производство и профильных клееных балок, получиыших за рубежом название I-Joist, т.е. I-образный профиль. Впервые такие профили были произведены в начале 70 - х годов. В чем была их новизна, ведь подобные конструкции часто создавались столярами и плотниками? Она в том, что новый материал стал производиться большой длины, промышленным методом, в стандартных размерах и показателях качества. Это позволило успешно использовать их в разнообразных конструктивных применениях.
Наиболее типичные области применения LVL: кровельные конструкции; несущие конструкции (стены, перекрытия для крыш и полов, и пр.); несущие балки мостов, шпалы, брус для профилирования и т.д.; в домостроении для отделки внутреннего интерьера (лестницы, арки, любые декоративные элементы); балки, перемычки оконных и дверных проемов и элементы конструкций; пояса двутавровых балок; комбинированные балки; конструкции пола; стеновые конструкции; диагональные связки и стропильные фермы; балки пролетов и колонны; элементы бетонной опалубки и др.
Развитием этой идеи, примерно десять лет спустя стали балки склеиваемые из специальных плоских стружек толщиной 2- 4 мм, шириной 10-20 мм, длина от 1000 мм, что позволило более эффективно использовать дефицитное сырье. Английское обозначение PSL - Parallel Strand Lumber (Parallam).
В 90-е годы это семейство пополнилось еще одним материалом - получившим название LSL - Laminated Strand Lumber, изготавливаемых из плоских стружек, таких же, как в вафельных плитах
За ними были предложены OSL - Oriented Strand Lumber, в которых использовались такие же стружки, как в плитах типа OSB.
Последним достижением в области производства стружек являются стружки типа EuoroStrips на основе которых были разработаны балки EuroPly.
В настоящее времяэту группу искусственных досок и балок, включая КДК, принято называть SCL - Structural composite lumber , т.е. структурные композитные доски.
Термопластичные древесно-полимерные композиционные материалы.
Длительное время древесно-полимерные композиционные материалы развивались на основе использования в качестве связующих материалов преимущественно термореакивных смол. Однако, в начале 90-х годов преимущественно в США начинается освоение древесно-полимерных композитов на основе термопластичных смол (полиолефинов, ПВХ. и др.). Для термопластичных ДПК используется мелкоизмельченная древесина - опилки, древесная мука и др. целлюлозосодержащие материалы.
Сначала это была экструзия тонких листовых материалов для нужд автомобильной промышленности. Затем было налажено производство экструзионных досок (декинг-продуктов) и др. изделий. Успехи в экструзии стимулировали разработку методов производства изделий методом литья под давлением. В настоящее время опробованы также плоское непрерывное формование (прокатка) и ротационное формование. К 2008 г. производством ДПКТ занимается более 100 компаний, в т.ч. 3 в России и одна на Украине.
Для ДПКТ предлагается самый широкий спектр применений. Это вид композитов отличается исключительной стойкостью к атмосферным воздействиям, а также высокой технологичность.
Древесно-полимерные композиционные материалы в общей форме можно классифицировать следующим образом:
I. По типу составных элементов: А. Крупноструктурные массивная клееная древесина слоистая клееная древесина Б. Мелкоструктурные ( древесностружечные плиты, МДФ и т.п.) В. Комбинированные (может включать и крупноструктурные и мелкоструктурные элементы) Г. Гибридные - включающие древесные и недревесные элементы и частицы (пленки, фольги, стекловолокно, базальтовое волокно, минеральные порошки и т.д.). II. По конечной геометрической форме продукта: листы плиты доски, бруски и брусья профильные погонажные изделия изделия сложной формы (изогнутые и объемные, напр. литые) III. По виду связующего полимера (матрицы) А. По химическому виду материала матрицы: на природных связующих на синтетических смолах ( термореактивных и термопластичных) на комбинированных связующих Б. По исходному физическому состоянию материала матрицы: жидкое (раствор, эмульсия, дисперсия) твердое мелкодисперсное (порошок) твердое, сформированное (напр. пленка, лист) IV. По применению и степени готовности: готовые изделия сырье, полуфабрикаты и заготовки общего назначения специального назначения V. По прочности: не конструкционные (теплоизоляционные, звукоизоляционные) низкой прочности (прочность меньше древесины) прочные (на уровне древесины) высокой прочности ( выше уровня древесины) особопрочные ( много выше прочности древесины) VI. По стойкости к неблагоприятным воздействиям внешних факторов: интерьерные, атмосферостойкие, влаго- и водостойкие, специальные (огнестойкие, химстойкие и т.д.) VII. По внешнему виду поверхностей; технические декоративные VIII. По характеру обработки поверхностей: необработанные неокрашенные и окрашенные в массе ( т.е. из машины) шлифованные, фактурированные ( текстурированные), отделанные, в т.ч. с имитационной отделкой, облицованные, в т.ч. с последующей отделкой IX. По характеру основного технологического процесса: периодического производства ( напр. прессование, литье) непрерывного производства ( напр. прокатка, экструзия и т.п.) X. По технологической пластичности готового продукта: не пластичные ( напр. материалы на основе термореактивных смол) пластичные ( деформируемые) XI. По экологическим и санитарным свойствам: безопасные в производстве, в применении, при утилизации не вполне безопасные.Учитывая многообразие видов, комбинаций и свойств композиционных материалов можно привести и еще много разных делений и подразделений.
Движущими силами в развитии древеснных композиционных материалов являются:
потребность мирового хозяйства в разнообразной гамме материалов и изделий, производимых с учетом их целесообразного применения, необходимость рационального использования имеющегося различного древесного и др. растительного сырья. технический прогресс в химии, машиностроении, материаловедении и др. областях науки и техники, экологические факторы.Основные линии движения в развитии древесно-полимерных композитов:
сырьевые базы, виды, размеры, форма, расположение структурных элементов композита, свойства материалов и изделий связующие вещества и аддитивы, технологические процессы и оборудование по всем стадиям технологического процесса, компьютеризация производства экологические свойства материалов и производств, маркетинг древесно-полимерных композитов.Автор статьи: Абушенко Александр Викторович