6.4 - Плотность ДПК (древесно-полимерных композитов) и ее влияние на свойства

Плотность ДПК (древесно-полимерных композитов) и ее влияние на свойства      

Важность плотности (удельной массы) древесно-полимерных композиционных (ДПК) материалов не может быть переоценена. Под «плотностью» мы подразумеваем здесь не абсолютную плотность различных ДПК, а плотность материала ДПК, которая может быть ниже по сравнению с максимально возможной плотностью этого же ДПК, определяемой удельной массой его компонентов.     

Давайте рассмотрим, например, террасную доску Trex. Она состоит из 50 %масс. полиэтилена (ПЭНП/ЛПЭНП и/или ПЭВП) и 50 % масс. древесной муки. Удельная масса ПЭНП/ЛПЭНП — 0,925 г/см³, а ПЭВП — 0,96 г/см³. Удельная масса древесной муки — 1,30 г/см³. Эти два компонента определяют плотность композиционного материала при их «естественном» уплотнении, которая составила бы 1,08 г/см³ для Trex на основе ПЭНП/ЛПЭНП и 1,10 г/см³ для Trex на основе ПЭВП. Trex сообщает, что фактическая плотность составляет 0,91–0,95 г/см³ (данные Trex). Следовательно, 14–21% всего объема композиции Trex состоит из пустот, пористости.    

Практически невозможно получить промышленные ДПК доски без какой-либо пористости, следовательно, без какого-либо снижения плотности по сравнению с его «теоретическим» значением. Даже следы влаги в древесном /целлюлозном волокне преобразуются в пар при температурах расплава, следовательно, приводят к пористости. Разложение полимера и экстрактов древесины во время переработки приводит к образованию летучих органических соединений (ЛОС), следовательно, пористости. Разложение лигнина из древесных волокон при температурах расплава полимера приводит к образованию CO₂, следовательно, пористости.    

Чем больше скорость экструзии, тем больше деструкция полимера и выше пористость. Сам факт, что любая террасная доска из ДПК поглощает некоторое количество воды, указывает на пористость доски. Вентилируемые экструдеры являются лучшими с точки зрения удаления ЛОС, CO₂ и пара, снижения пористости и повышения плотности доски, и они обеспечивают плотность, близкую к максимальной.    

Следующий пример показывает, что даже небольшое количество ЛОС в экструдере может заметно снизить плотность готового ДПК продукта. Предположим, только 0,25% древесной муки в ДПК выделяют ЛОС из-за деструкции при температуре расплава в экструдере. Это действительно маленькая величина, если учесть, что до 30% лигнифицированного волокна может быть превращено в ЛОС в результате нагревания. Если 400 фунтов лигнифицированной целлюлозы в экструдере выделяют 1 фунт ЛОС (0,25 %масс.), это количество в виде газа заняло бы объем 50 л (считая среднюю молекулярную массу ЛОС около 200 Da (большинство из них являются нафталатами), и учитывая, что 1 моль газа занимает 22,4 л при нормальных условиях; при температуре расплава объем будет значительно больше, следовательно, расчеты очень приблизительны). При наполнении ПЭВП 50 %масс. древесного волокна будет получено 800 фунтов композиционного материала с удельной массой 1,10 г/см³ и общим объемом 330 л. Пятьдесят литров из него или примерно 15%, будут заняты газообразными ЛОС, а плотность понизится с 1,10 до 0,94 г/см³. Если только 0,50% древесной муки превратятся в ЛОС в процессе экструзии, плотность конечного ДПК упадет с 1,10 до 0,77 г/см³. Это будет большим «вспененным композитом», за исключением того, что его поры будут открытыми, нерегулярными и материал будет очень непрочным и эластичным.    

Аппреты часто повышают плотность ДПК. Например, с увеличением содержания Fusabond WPC-576D в композите на основе ПЭВП, содержащем 60 %масс. древесной муки, с 0 до 3 %масс. плотность композита повышается с 70,4 фунт/фут³ (1,13 г/см³) до 74,7 фунт/фут³ (1,20 г/см³), соответственно. Это, в свою очередь, приводит к снижению водопоглощения композиционных материалов, что почти всегда наблюдается при введении аппретов.    

Приведенные выше данные показывают, что для качества ДПК очень важно поддерживать как можно более высокую плотность древесно-полимерной композиции. Однако многими производителями плотность композитных строительных материалов все еще рассматривается как фактор, определяющий вес профиля с точки зрения транспортных затрат и удобства перемещения при монтаже настилов, и как фактор, определяющий расходы на производство и сырье. Однако плотность композиционного материала в значительной степени определяет также его срок службы.    

Мы используем термины «плотность» и «удельная масса» поочередно. Однако, эти два термина имеют тонкое, но принципиальное отличие. Плотность измеряется в г/см³ (или, в общем случае, в единицах отношения массы к объему образца). Удельная масса безразмерна, поскольку это отношение массы к массе, то есть, массы образца к массе равного объема воды при 4 °C (39 °F). При этой температуре плотность воды составляет 1,0 г/см³. Поэтому плотность и удельная масса имеют одинаковое численное значение при 39 °F. Удельную массу также называют «относительной плотностью».    

Даже в этих двух простых определениях плотности и удельной массы существуют некоторые допущения. Одно состоит в том, что вместо «веса» мы должны использовать термин «масса», поскольку вес меняется в зависимости от силы тяжести, а масса нет. Во-вторых, мы предполагаем скорректировать данные по плотности и удельной массе в зависимости от температуры, потому что при температурах испытаний вода обычно более теплая, чем 39 °F, и удельная масса будет несколько ниже, поскольку образец расширяется, и его плотность немного снижается. Это также не имеет значения для нашей задачи, поскольку поле ошибок при определении плотности и удельной массы выше, чем эти предполагаемые уточнения.    

Методика испытания вытеснения водой дает удельную массу образца, поскольку имеет дело с отношением массы образца в воздухе к его массе в воде. Следовательно, удельная масса безразмерна. Методика испытания всплытия/погружения дает плотность образца, измеренную в г/см³. Здесь имеется различие: в космосе, например, методика вытеснения (вес к объему) не будет работать, потому что она включает прямое взвешивание образцов, тогда как плотность, измеренная методом, включающим методику всплытия/погружения, будет работать таким же образом (хорошо, если решены некоторые технические проблемы), как на Земле.    

Чтобы избежать комментариев к каждому значению плотности или удельной массы, мы будем использовать оба термина по очереди, и использовать для обоих единицы г/см³. 

Влияние на прочность при изгибе и модуль     

Снижение плотности (увеличение пористости) затрагивает практически все важные свойства досок из ДПК. Чем ниже плотность, тем ниже прочность при изгибе и модуль упругости при изгибе.    

Обычно имеется определенная корреляция между плотностью, с одной стороны, и прочностью при изгибе, с другой, для многих других материалов, и эта корреляция не связана с пористостью. Например, существует сильная корреляция (R² = 0,984) между плотностью полиэтиленовых материалов, включая ПЭНП, ЛПЭНП, ПЭВП, и их модулем упругости при изгибе. Кроме того, минеральные наполнители в ДПК материалах увеличивают плотность конечного продукта, а также повышают его модуль упругости при изгибе. Однако эта глава в основном касается зависимости между плотностью и свойствами ДПК, имеющими одинаковый состав, но полученными при различных режимах. 

Влияние на окисление и деструкцию     

Пористость в ДПК, которая непосредственно связана с уменьшением плотности (удельной массы) материала, обеспечивает химически реактивную область для кислорода. Кислород проходит в поры и атакует ДПК «изнутри», особенно при повышенных температурах. Таблица 1. Влияние плотности (удельной массы) композитных террасных досок GeoDeck на их модуль упругости при изгибе. Нагрузка в центральной точке, опорный пролет 14 дюймов