CC BY
2
УДК 691.175/.115
Юрченко В.В.
ОПТИМИЗАЦИЯ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
Yurchenko V. V.
OPTIMIZATION OF FRACTIONAL COMPOSITION OF THERMOPLASTIC WOOD-POLYMER COMPOSITE BASED ON RECYCLED HIGH-PRESSURE POLYETHYLENE AND FINE WASTE WOOD PROCESSING
Введение
Для вторичных полимеров полиэтилена высокого давления характерно наличие в их составе реакционноспособных групп, которые играют немаловажную роль при формировании структуры смесей и всего комплекса присущих им свойств -прочностных, реологических,
адгезионных [1, 2]. Изучение особенностей поведения вторичного полиэтилена высокого давления на границе раздела фаз позволило выяснить механизм явлений,
происходящих в граничных слоях компонентов при формировании структуры композиций, и
предопределило выбор направлений и подходов в изучении процессов формирования структуры полимерных композиций при введении в них древесного наполнителя.
Анализ последних исследований и публикаций
Для обоснования выбора вида используемого древесного наполнителя
выполнены исследования и
проанализированы данные, полученные при экспериментальных исследованиях, определяющих зависимость физико-механических свойств изделия от вида и количественного содержания в нем древесных частиц [1-6].
Цель работы
Обоснование и оптимизация фракционного состава
термопластичного древесно-
полимерного композита на основе вторичного полиэтилена высокого давления и мелкодисперсных отходов переработки древесины.
Основная часть
Для определения наиболее эффективного компонента,
используемого в качестве наполнителя, исследовали два вида древесных частиц: древесный наполнитель с размерами частиц 0,33.. .1,25 мм и древесный наполнитель с размерами частиц 2.5 мм. В качестве термопластичного связующего материала использован
вторичныи полиэтилен высокого давления марки 15803-020.
На рис. 1 приведены значения
предела прочности при изгибе от концентрации и вида древесного наполнителя.
1 - древесный наполнитель фракции 0,33... 1,25 мм; 2 - древесный наполнитель фракции 2.5 мм.
Рис. 1. Зависимость предела прочности при изгибе ^изг) от концентрации
древесного наполнителя (Сдр)
Образцы древесно-полимерного композита с древесным наполнителем фракции 0,33.1,25 мм
характеризуются значением предела прочности при изгибе в 1,5 раза выше, чем древесно-полимерный композит наполненного частицами фракции 2.5 мм, так как при использовании таких частиц фракции увеличивается площадь поверхности сцепления наполнителя с матрицей. Это повышает адгезию между древесными частицами и полимером. Как следствие получается более однородная и более прочная композиция.
Древесно-полимерные композиты с составом древесного наполнителя фракции 0,33.1,25 мм
характеризуются более высокими значениями предела твердости в сравнении с композитом,
изготовленным с использованием древесного наполнителя фракции 2.5 мм (рис. 2).
На рис. 3, 4 приведены зависимости водопоглощения и истираемости от концентрации и вида древесного наполнителя в
термопластичном древесно-полимерном композите.
Кг. НУмм2
60 65 70 75 £0 £5 90
1 - древесный наполнитель фракции 0,33... 1,25 мм; 2 - древесный наполнитель фракции 2.5 мм.
Рис. 2. Зависимость предела прочности при изгибе ^изг) от концентрации
древесного наполнителя (Сдр)
\¥. %
СО 65 70 75 80 85 90
1 - древесный наполнитель фракции 0,33. 1,25 мм; 2 - древесный наполнитель фракции 2.5 мм.
Рис. 3. Зависимость водопоглощения древесно-полимерного композита от концентрации древесного наполнителя ^др)
1 - древесный наполнитель фракции 0,33. 1,25 мм; 2 - древесный наполнитель фракции 2.5 мм.
Рис. 4. Зависимость истираемости (Уист) от концентрации древесного наполнителя (^р)
Таким образом, образцы древесно-полимерного композита, изготовленные с использованием древесного наполнителя фракции 0,33.1,25 мм, в среднем на 30% меньше поглощают воду, чем образцы с использованием древесного наполнителя фракции 2.5 мм. В качестве полимерной матрицы при производстве образцов использовался вторичный полиэтилен высокого давления.
Для оценки стоимости изделий древесно-полимерного композита были выполнены экономические расчеты, результаты которых приведены на рис. 5.
Стоимость композитов
рассчитывается по формулам 1 и 2
Е PвпвдQвпвд + PдрQдр 0)
где Е - стоимость изделия, руб.;
Р - стоимость сырья за 1 кг, руб.; О - количественное содержание сырья в изделии, г.
Ш£ х 100
(2)
где т - масса изделия, г;
С - концентрация сырья в изделии,
%.
Анализ данных (рис. 5) показывает, что композит с использованием древесного наполнителя фракции 2.5 мм на 25% дешевле, чем композит с использованием древесного наполнителя фракции 0,33.1,25 мм. Для производства композитов на их основе требуются меньшие финансовые вложения, от которых напрямую зависит конечная себестоимость изделий. Вторичный полиэтилен высокого давления является недорогим связующим полимером, что
также дает возможность изготовить
изделия с низкои конечной стоимостью.
1 - древесный наполнитель фракции 0,33. 1,25 мм; 2 - древесный наполнитель фракции 2.5 мм.
Рис. 5. Зависимость стоимости древесно-полимерного композита (Е) от концентрации древесного наполнителя (Сдр) с использованием вторичного
полиэтилена высокого давления
Выводы
Основываясь на данных исследований, термопластичные
древесно-полимерные композиты с использованием древесного
наполнителя фракции 0,33.1,25 мм, вторичного полиэтилена высокого давления фракции 0,33.0,63 мм,
характеризуются повышенной
прочностью при изгибе Rизг=37 МПа против Rизг=23 МПа для композита с древесным наполнителем фракции 2. 5 мм; предел твердости
Rт=80,5 Н/мм2 против Rт=52,0 Н/мм2; истираемостьVист=3,8 мм3/м против Vист=5,5 мм3/м.
Список литературы
1. Аскадский, А.А. Расчетная схема для оценки реологических свойств полимеров и их смесей / А.А. Аскадский, Т.А. Мацеевич, В.И. Кондращенко // Строительные материалы. - 2018. - № 10. - С. 64-68. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/raschetnaya
References
1. Askadsky A.A. Calculation scheme for assessing the rheological properties of polymers and their mixtures / A.A. Askadsky, T.A. Matseevich, V.I. Kondrashchenko // Construction materials. - 2018. - № 10. - P. 64 - 68. -URL:
-shema-dlya-otsenki-reologicheskih-svoystv-polimerov-i-ih-smesey/viewer. -DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-764-10-64-68.
2. Stanaszek, E. Recycling of WoodPolymer Composites in Relation to Substrates and Finished Products // IOP Conference Series Materials Science and Engineering, 2020.
3. Юрченко, В.В. Анализ модифицирующих добавок, применяемых в композиционных материалах с наполнителем из отходов древесины и термопластичных полимеров / В.В. Юрченко, В.А. Хлебородова // Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. - 2018. -№ 48. - С. 39 - 45. - ISSN1993-5579.
4. Юрченко В.В. Анализ возможности производства и применения термопластичных композиционных материалов на основе отходов древесины и вторичных полимеров / В.В. Юрченко, В.А. Хлебородова // Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. - 2019. -№ 52. - С. 61 - 67. - ISSN1993-5579.
5. Юрченко В.В. Оптимизация фракционного состава композиционного строительного материала из вторичного полиэтилена высокого давления и мелкодисперсных отходов переработки древесины / В.В. Юрченко, А.Ю. Кот, Н.С. Курочкина, Е.А. Петрушина // Вестник ДОННАСА. - 2022. - № 1(153). - С. 79 - 85. - URL: http://donnasa.ru/publish_house/journals/ve stnik/2022/2022-
1(153)/st_10_yurchenko_kot_kurochkina_p etruschina.pdf. - ISSN: 2519-2817 (Online).
6. Кац, Г.С. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочное пособие /
https://cyberleninka.ru/article/n/raschetnay a-shema-dlya-otsenki-reologicheskih-svoystv-polimerov-i-ih-smesey/viewer/ -DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-764-10-64-68.
2. Stanaszek, E. Recycling of WoodPolymer Composites in Relation to Substrates and Finished Products // IOP Conference Series Materials Science and Engineering, 2020.
3. Yurchenko, V.V. Analysis of modifying additives used in composite materials filled with waste wood and thermoplastic polymers / V.V. Yurchenko, V.A. Khleborodova // Collection of scientific papers of DRTI. -2018. - № 48. - P. 39 - 45. - ISSN1993-5579.
4. Yurchenko V.V. Analysis of the possibility of production and application of thermoplastic composite materials based on wood waste and secondary polymers / V.V. Yurchenko, V.A. Khleborodova // Collection of scientific papers of DRTI. - 2019. -№ 52. - P. 61 - 67. - ISSN1993-5579.
5. Yurchenko V.V. Optimization of the fractional composition of composite building material from recycled high-density polyethylene and fine wood processing waste / V.V. Yurchenko, A.Yu. Kot, N.S. Kurochkina, E.A. Petrushina // Proceeding of DonNACEA. -2022 - № 1(153). - P. 79 -85. - URL: http://donnasa.ru/publish_house/j ournal s/ v estnik/2022/2022-
1(153)/st_10_yurchenko_kot_kurochkina_ petruschina.pdf. - ISSN: 2519-2817 (Online).
6. Katz G.S. Fillers for polymer composite materials: Reference manual / G.S. Katz, D.V. Milevski; translation from
Г.С. Кац, Д.В. Милевски; перевод с английского под ред. Бабаевского, П. Г. -М.: Химия, 1981. - 736 с.
Аннотации:
Выполнена оптимизация фракционного состава термопластичного древесно-полимерного композиционного строительного материала на основе полиэтилена высокого давления марки 15803-020 и мелкодисперсных отходов переработки древесины фракции 0,33...5,00 мм. Определена оптимизация фракционного состава термопластичного древесно-полимерного композита из вторичного полиэтилена высокого давления и мелкодисперсных отходов переработки древесины. Определена прочностью при изгибе Кизг=37 МПа против Rизг=23 МПа для композита с древесным наполнителем фракции 2.5 мм; предел твердости R,=80,5 Н/мм2 против Ят=52,0 Н/мм2; истираемость^ст=3,8 мм3/м против VHct=5,5 мм3/м. Экспериментально установлены оптимальные концентрации компонентов в изделии, которое варьируется в следующем диапазоне: древесный наполнитель 69.71% мас., вторичный полиэтилен высокого давления 26.28% мас., модифицирующие добавки 3% мас. (воск - 2,5% мас., суперконцентрат LLDPE 04688 - 0,3% мас., антипирены - 0,2% мас.).
Ключевые слова: вторичный полиэтилен высокого давления, мелкодисперсный
Сведения об авторах
Юрченко Виталий Викторович
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донецкий институт железнодорожного транспорта» (ДОНИЖТ),
кафедра «Строительство и эксплуатация пути и сооружений», кандидат технических наук, e-mail: [email protected]
English ed. Babaevsky, P.G. - Moscow: Chemistry, 1981. - 736 p.
древесный наполнитель, фракционный состав, композиционный полимерный материал.
Optimization of the fractional composition of a thermoplastic wood-polymer composite building material based on high-density polyethylene grade 15803-020 and finely dispersed wood processing waste of a fraction of 0.33...5.00 mm was carried out. The optimization of the fractional composition of a thermoplastic woodpolymer composite from recycled high-density polyethylene and fine wood processing waste has been determined. Determined by bending strength Rbend=37 MPa versus Rbend=23 MPa for a composite with wood filler of fraction 2...5 mm; hardness limit Rt=80.5 N/mm2 versus Rt=52.0 N/mm2; abrasion Vist=3.8 mm3/m versus Vist=5.5 mm3/m. Optimal concentrations of components in the product have been experimentally established, which varies in the following range: wood filler 69...71% by weight, secondary high-pressure polyethylene 26...28% by weight, modifying additives 3% by weight (wax - 2,5% by weight, LLDPE 04688 super concentrate - 0,3% by weight, flame retardants - 0,2% by weight).
Keywords: secondary high-pressure polyethylene, fine wood filler, fractional composition, composite polymer material.
Information about the authors
Yurchenko Vitaly Viktorovich
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education "Donetsk Railway Transport Institute" (DRTI), Department 'Construction and Operation of Railways and Structures, Candidate of Technical Sciences, e-mail: [email protected]
