Исследование зависимости физико-механических свойств композиционных древесно-пластиковых плитных материалов от содержания полимерного связующего при различной плотности

Актуальность работы. Параметры физико-механических свойств древесно-стружечных плит существенно зависят от их плотности, и это хорошо освещено в работах [2; 4; 5]. Данное исследование посвящено изучению влияния плотности плит на их прочность при изгибе и при растяжении. Результаты исследования показали, что прочность при изгибе напрямую зависит от плотности плит, а при растяжении носит экстремальный характер.

Специфичность стружечной массы из стеблей хлопчатника, в отличие от древесины, требует определенного технологического подхода по выявлению оптимальных плотностных характеристик композиционных древесно-пластиковых плитных материалов, с тем чтобы плита имела удовлетворительные физико-механические свойства и одновременно легко обрабатывалась в процессе их использования.

В связи с этим в данной работе проведены исследования по изучению влияния плотности композиционных древесно-пластиковых плитных материалов с применением древесных наполнителей из стеблей хлопчатника на их физико-механические свойства.

Как показали результаты испытания плит в лабораторных условиях, при плотности порядка 850 кг/м³ и содержании связующего до 12% снижения разбухания в плитах не наблюдается. Это объясняется общей деструкцией стружечной решетки плиты, в частности контактов проклейки стружек и структуры клеток стебля хлопчатника, из-за взаимного перемещения и уплотнения волокон при большом давлении прессования. Можно заключить, что именно по этим причинам и наблюдается стабилизация или снижение всех характеристик плит из стеблей хлопчатника при плотностях 850 кг/м³.

На сегодняшний день в мировом масштабе проблема создания и реализации инновационных идей по разработке эффективных составов композиционных древесно-пластиковых материалов и плит на их основе из местного сырья и отходов производств с высокими физико-механическими свойствами и отвечающими современным требованиям, является актуальной задачей. Поэтому получение композиционных древесно-пластиковых плитных материалов на основе отходов сельхозпроизводства, в частности древесных наполнителей из стеблей хлопчатника, а также полимерных связующих и их внедрение в производство имеет особое значение для решения данной проблемы.

Объект и методика исследования. В качестве объекта исследования была выбрана мочевиноформальдегидная смола и древесноволокнистая масса из стеблей хлопчатника.

Нами было проведено исследование по изучению влияния плотности плитного материала на комплекс физико-механических свойств плиты: предел прочности при изгибе и растяжении, модуль упругости, твердость, удельное сопротивление выдергиванию шурупов и гвоздей, а также водопоглощение и разбухание. Исследуемые плитные образцы имели плотность от 600 до 900 кг/м³, и их испытания проводили с интервалом 50 кг/м³. Условия и методика получения плит и их размеры были такими же, как в работе [1; 3; 6; 7].

Исследования проводились при различных содержаниях связующего (6, 8, 10 и 12%) с целью выбора оптимального количества связующего при различных плотностях древесного наполнителя из стеблей хлопчатника.

Результаты исследований и их обсуждение. В работе приведены результаты исследований по выявлению оптимальной плотности композиционных древесно-пластиковых плитных материалов на физико-механические свойства. Анализ прочностных данных при изгибе в зависимости от плотности плиты показал, что она не прямо пропорциональна, как было указано в работах, выполненных на древесине, а имеет экстремальный характер (рис. 1). Это объясняется тем, что, в отличие от древесины, щепа из стеблей хлопчатника представляет собой отрезки стеблей хлопчатника диаметром от 5 до 15 мм, круглого сечения и в момент их резания ножевыми способами (для получения стружек) они держатся неустойчиво и вращаются, что не дает возможность получать плоские стружки.

 а) Содержание связующего: 1 – 6; 2 – 8; 3 – 10 и 4 – 12%

б) Содержание связующего: 1 – 6; 2 – 8; 3 – 10 и 4 – 12%

Рисунок 1. Зависимость предела прочности плиты при изгибе (а) и при растяжении (б) от ее плотности

Поэтому стружки обычно имеют двухмерную конфигурацию, в которой толщина и ширина приблизительно одинаковы (т. е. иглообразная форма). Кроме того, стружечная масса из стеблей хлопчатника имеет меньшую плотность из-за наличия в них волокнистых включений.

Как видно из рис. 1, интенсивность роста плотности плиты до 680 кг/м³ меньше, чем при интервале 700-800 кг/м³. Это объясняется тем, что в начальные периоды прессования (до плотности 680 кг/м³) стружечная масса уплотняется за счет воздушных пустот в пространстве стружечной решетки и одновременно увеличивается площадь контактов стружек.

Дальнейший интенсивный рост прочности (G_и) в зависимости от плотности плиты связан с тем фактом, что стружка из-за большого давления пресса начинает уплотняться, при этом дополнительно увеличивается площадь контакта частиц (иглообразная стружка, сплющиваясь, приближается к плоской). С увеличением плотности плиты за счет высокого давления прессования происходит рост площади контактов стружечных частиц, что приводит к уменьшению микронеровностей и увеличению адгезии частиц между собой. С ростом плотности плиты до 850 кг/м³ процесс стабилизируется, а при малых содержаниях связующего плотность несколько понижается.

Это объясняется тем, что с ростом давления прессования растет деформация стружек, следовательно, растут силы упругости стружечной массы, стремящейся принять первоначальную форму. При этом если содержание связующего элемента мало, то контактные связи начинают разрушаться.

На основании результатов проведенных исследований было заключено, что для композиционных древесно-пластиковых плит из стеблей хлопчатника максимальный предел прочности не должен превышать 800 кг/м³ при содержании связующего до 10%, а при большем содержании связующего максимальную плотность следует ограничить 850 кг/м³.

Таким образом, нижний предел содержания связующего следует установить на уровне 8%, а максимальный предел прочности – не выше 800 кг/м³. Только при этих значениях плиты могут удовлетворять требованиям ГОСТ 10632-89: прочность на изгиб (σ_и) должна быть не менее 14 МПа при толщине плит 13-19 мм.

Аналогичная картина наблюдается и при рассмотрении зависимости предела прочности от плотности плиты при растяжении – σ_р (рис. 1 б), что объясняется прямой зависимостью обоих критериев прочности – σ_и и δ_р – от прочности и площади склеивания частиц. Требованиям ГОСТ 10632-89 по прочности на растяжение могут удовлетворять также плиты с плотностью не менее 650 кг/м³ и содержанием связующего не менее 8%.

Из кривых рис. 1 видно, что можно получать плиты с более низкой плотностью, но с большим содержанием связующего.

Зависимость модуля упругости плиты (рис. 2 а), твердости (рис. 2 б) и величины удельного сопротивления гвоздей (рис. 3 а) и шурупов (рис. 3 б) от плотности плиты показывает, что эти показатели также стабилизируются при росте плотности более 850 кг/км³.

а) Содержание связующего: 1 – 6; 2 – 8; 3 – 10 и 4 – 12%

б) Содержание связующего: 1 – 6; 2 – 8; 3 – 10 и 4 – 12%

Рисунок 2. Зависимость модуля упругости (а) плиты и твердости (б) от ее плотности

Полученные по этим критериям результаты показывают, что минимальные значения прочности и содержание связующего в плите (отвечающие требованиям ГОСТ 10632-89) должны быть 700 кг/м³ и 8% соответственно. Далее, также замечено, что по критерию твердости плиты из стеблей хлопчатника обладают плотностью 650 кг/м³ и более (рис. 2 б).

а) Содержание связующего: 1 – 6; 2 – 8; 3 – 10 и 4 – 12%

б) Содержание связующего: 1 – 6; 2 – 8; 3 – 10 и 4 – 12%

Рисунок 3. Влияние плотности плиты на сопротивление выдергиванию гвоздей (а) и шурупов (б) из нее

Исследования влияния плотности плиты на влагопоглощение (рис. 4 а) и на разбухание (рис. 4 б) показывают, что влагопоглощение с увеличением плотности снижается и составляет 45-55% при плотности 650 кг/м³. При дальнейшем увеличении плотности снижение влагопоглощения незначительно. Это связано, по-видимому, с нарушением связей между частицами при высоком давлении прессования.

Характер изменения разбухания при увеличении плотности плиты несколько иной, чем при фотопоглощении (рис. 4 б).

а) Содержание связующего: 1 – 6; 2 – 8; 3 – 10 и 4 – 12%

б)

Рисунок 4. Влияние плотности плиты на ее влагопоглощение (а) и разбухание по толщине (б)

По данным работ [3; 6], с увеличением плотности древесно-стружечной плиты наблюдается рост разбухания плиты, автор объясняет это тем, что при большой плотности плиты стружки больше деформируются и при воздействии воды набухают в большей степени, стремясь получить первоначальную форму.

Исследования процесса разбухания плит из стеблей хлопчатника показывают, что вышеуказанная тенденция характерна для частиц стеблей хлопчатника при малом содержании связующего – от 6 до 8% – и при плотностях от 600 до 700 кг/м³. Это легко можно объяснить тем, что из-за имеющихся пор в стружечном пакете плиты на основе древесноволокнистых наполнителей из стеблей хлопчатника и полимерного связующего на малых плотностях и диффузии воды по клеточным каналам, а также слабой склейки стружечных частиц между собой в результате вода в течение 24 часов испытания свободно проникает в толщу плиты и участвует в разбухании композиционных древесно-пластиковых плит.

При содержании связующего более 10% с увеличением плотности от 700 до 850 кг/м³ происходит постепенное понижение процесса разбухания. Это связано с тем, что плитный материал при больших плотностях и содержании связующего становится герметичным, вода не успевает проникать в плиту (в данный период времени) и в разбухании участвуют только наружные и торцевые участки плиты. Это говорит о том, что с увеличением плотности плиты и содержания связующего герметичность увеличивается, следовательно, процесс разбухания замедляется. Механический разлом плиты (после суточного выдерживания в воде) подтвердил правильность этих доводов – ядро (толщиной 7-10 мм) было сухим. А по торцам вода проникла на глубину 10-12 мм.

Заключение. Установлена степень наполненности древесно-полимерной композиции и оптимальное значение плотности композиционных древесно-пластиковых плитных материалов из стеблей хлопчатника, обеспечивающие повышение физико-механических свойств. Так, предел прочности при изгибе в зависимости от плотности композиционных древесно-пластиковых плитных материалов при различных содержаниях полимерного связующего (6, 8, 10-12%) имеет экстремальный характер. Оптимальное значение предела прочности на изгиб почти для всех содержаний связующего находится в пределах от 17,0 до 27 кг/м³ при плотности 800 кг/м³. Зависимость предела прочности при растяжении, модуля упругости, сопротивления выдергиванию гвоздей из плиты и сопротивления выдергиванию шурупа из плиты от плотности в основном не прямо пропорциональна при всех исследованных содержаниях связующих. Максимальное значение плотности плит для исследованных связующих при плотностях лежит в пределах 800-850 кг/м³.

При этом наименьшее значение влагопоглощения (w=45-55%) для всех образцов композиционных древесно-пластиковых плитных материалов наблюдается при плотности плит 850-900 кг/м³, а наименьшее значение разбухания (∆S=18-48%) плит для всех образцов находится в пределах плотности 600-650 кг/м³.

Из вышеприведенных результатов исследований вытекает, что формирование физико-механических свойств композиционных древесно-пластиковых плитных материалов существенно зависит от их плотности, что необходимо учесть при технологическом процессе их получения.