Формовочная композиция, способ получения формованного изделия и формованное изделие
Изобретение относится к технологии получения формованных изделий, в частности к получению композиционных полимерных материалов, содержащих древесину. Формовочная композиция состоит из полиэтилентерефталата и армирующего компонента - древесного материала в виде волокон. Изделие из указанной композиции получают термопластичным формованием экструзией или литьем под давлением. Изобретение обеспечивает создание высококачественного композиционного материала с низкой себестоимостью, предназначенного, в частности, для наружного применения. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к формовочной композиции, к способу получения формованной композиции, содержащей комбинированный материал из древесины и полимера, называемый также wood-plastic-compound (WPC) (древесно-полимерная композиция) и к формованному изделию.
Композиционные материалы из полимеров и древесины и способы их получения экструзией или литьем под давлением известны давно. На протяжении многих лет такие материалы применяются для внутренних и наружных целей.
Основой этих композиций служат полимеры, такие как полиэтилен, высокоплотный полиэтилен, полипропилен, полистирол, поликарбонат и поливинилхлорид. Эти полимеры обладают реологическими свойствами, позволяющими поддерживать на относительно низком уровне, 130-180°С, температуру в процессе обработки с участием древесины. Это необходимо для предупреждения по возможности теплового повреждения древесины.
Древесина используется для усиления полимера или в качестве наполнителя, при этом вода не оказывает длительного отрицательного воздействия на свойства полимера, определяющие стабильность размеров. Это важно для получения материала с устойчивой формой, предназначенного прежде всего для наружного применения. В качестве древесины используется древесная крошка, древесные волокна или даже древесная мука. Характерное распределение по ситовым фракциям в обычной древесной смеси представлено в таблице 1.
| Таблица 1 Характерное распределение по ситовым фракциям в обычной древесной смеси | |
| Класс крупности, мм | Весовая доля, % |
| Х=1,400 | 2,6 |
| 1,400>Х>1,000 | 11,5-11,8 |
| 1,000>Х>0,710 | 21,2 |
| 0,710>Х>0,500 | 23,2 |
| 0,500>Х>0,400 | 9,2 |
| 0,4000>Х>0,315 | 11,8 |
| 0,315>Х>0,250 | 7,2 |
| 0,250>Х>0,125 | 7,8 |
| X>0,125 | 5,1 |
| Всего: | 100,0 |
Соотношение между полимером и древесиной в смеси составляет от 70:30 вес.% до 20:80 вес.%. В качестве древесного сырья используется, например, специально приготовленная древесина в виде древесной муки или спрессованных из нее древесных гранул.
Недостатком таких композиций является, во-первых, низкая теплостойкость, обусловленная относительно низкой температурой плавления полимеров, и, во-вторых, высокая стоимость.
Также известно применение комбинации из древесины и полимерных материалов во многих разных областях.
Из JP 2001088103 А известна композиция из древесины и полимера, используемая в качестве оптически и осязательно привлекательного декоративного средства и способная впитывать значительное количество влаги. Для получения такого комбинированного материала применяются ненасыщенный сложный полиэфир и метакрилат.
В JP 09254106 А описан полимерный материал, используемый для пропитки балок с целью повышения их срока службы. В качестве полимера применяется смесь из сложного винилового эфира, амидной смолы и ненасыщенного сложного полиэфира.
В JP 05069416 А описан содержащий древесину материал с улучшенной твердостью поверхности и прочностью на излом. Эти свойства достигаются в результате того, что перед обработкой фанеры древесно-полимерной композицией из нее вываривают смолу и затем ее сушат.
В JP 04348903 А описан содержащий древесину материал с улучшенной эмиссией и прочностью на излом. Это достигается заполнением внутренних пор древесины полимерами, а именно водной фенольной и полимеризационной смолами.
В DE 3923555 A1 описан слоистый материал, содержащий основную пластину, декоративный композиционный материал из древесины и смолы и покрытие из слоистого материала, предварительно пропитанного смолой. Композиционный материал из древесины и смолы получают введением древесной крошки в смолу, в качестве которой применяют водную, термоотверждаемую смолу, такую как смола из ненасыщенного сложного полиэфира, полиуретана, диаллилфталата. эпоксидная, силиконовая, фенольная или акриловая смола. В результате образуется поверхность композиционного материала из смолы и древесины, состоящая на 10-90% из древесной крошки.
В DE 2324263 A1 описан конструктивный элемент, состоящий из отдельных, склеенных между собой реек, являющихся отходами в производстве досок. Пустоты между отдельными слоями реек могут быть заполнены пеной из вспучивающего синтетического связующего вещества на основе полиуретана, смолы из ненасыщенного сложного полиэфира или эпоксидной смолы.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в создании высококачественного композиционного материала с низкой себестоимостью. При этом такой композиционный материал должен быть пригодным, в частности, для наружного применения.
Для решения данной технической задачи применяется в качестве полимера синтетический сложный полиэфир, достигаемые при этом преимущества заключаются в улучшенной влагостойкости, повышенном удельном весе, а также и в том, что внесением добавки композиция может быть специфически окрашена.
В качестве дополнительных добавок могут применяться вещества, обеспечивающие получение специальных свойств. Так, например, добавкой веществ, применяемых в производстве полимеров, можно воздействовать на электропроводность (например, с помощью графита или порообразующего графита), устойчивость к ультрафиолетовому излучению, старение, запах, способность к нанесению покрытия, склеиванию, сварке, обработке резанием, противопожарные свойства (например, благодаря порообразующему графиту, фосфорным соединениям или боратам).
Добавкой химически или физически активных порообразователей можно также в сильной степени влиять на пористость и, следовательно, другие физические свойства, прежде всего на теплотехнические свойства. В качестве примера физически активного порообразователя можно привести воду, а примером химически активного порообразователя могут служить азопорообразователи.
Положительно зарекомендовала себя смесь с соотношением между древесиной и синтетическим сложным полиэфиром от 30:70 до 70:30. Предпочтительно, чтобы это соотношение в смеси составило от 60:40 до 30:70, преимущественно от 50:50 до 30:70. Полученное при этом формованное изделие характеризуется по сравнению с другими древесно-полимерными композициями высокой прочностью на изгиб и очень низким водопоглощением. Эти свойства достигаются тем легче, чем больше удельная доля синтетического сложного полиэфира.
В качестве способа изготовления формованного изделия, состоящего по меньшей мере частично из описанной выше формовочной композиции, пригодна как экструзия для получения прутковых формованных изделий, так и технология литья под давлением для изготовления высокоточных формованных изделий сферической формы с жесткими допусками.
Как это обычно принято для смесей, состоящих только из полимеров, в производстве плиточных изделий за экструдером может располагаться каландр или пресс с двойной лентой для обеспечения равномерного распределения формовочной композиции и, следовательно, для повышения точности размеров, улучшения качества поверхности и снижения собственных напряжений в заготовках.
Отделка формованного изделия из древесно-полимерной композиции может производиться разными способами нанесения покрытия.
Так, например, было установлено, что вследствие минимального водопоглощения композиция из древесины и полиэтилентерефталата может применяться для каширования, т.е. служить в качестве подложки для слоистых материалов и пропиточных средств, для других пленок, например, и металлических фольг, для картона, кожи, линолиума, пробки или древесины, в частности, фанеры и пр. В зависимости от своей стойкости к влаге могут потребоваться безводные клеевые системы. Нанесение может производиться известными из уровня техники способами непрерывно или в виде короткого такта.
Благодаря хорошей теплостойкости полиэтилентерефталата после задания соответствующей электропроводности, например, введением графита, достигается также превосходная способность к нанесению порошковых покрытий.
Также возможно нанесение жидких покрытий, например краски, лака или искусственной смолы.
Формовочная композиция описанного выше типа может применяться, например, для получения плиточных формованных изделий, пригодных, в частности, в качестве покрытия для стен, потолка или пола. При этом формовочная композиция обеспечивает преимущества особенно в случае применения во влажных условиях, так как впервые появилась возможность экономичного изготовления материала с любым покрытием. Керамические покрытия, которые являются в данном случае обычными, могут, например, не снабжаться тиснеными узорами.
Наряду со специальными требованиями, предъявляемыми при внутренней отделке, могут также удовлетворяться требования и для наружных работ, преимущественно там, где требуется обеспечить декоративное оформление, устойчивость против атмосферных влияний и одновременно оптимальные прочностные свойства.
В зависимости от назначения может оказаться целесообразным применение соответствующих краевых профилей по кромках плит. Они могут быть отформованы либо непосредственно в процессе изготовления, либо аналогично плиточным материалам последующей обработкой, в большинстве случаев резанием.
Высокопрочные плиточные материалы с оптимальными теплотехническими свойствами могут быть получены за счет применения соответствующих порообразователей.
В прутковых изделиях возможно выполнение профилей любого вида, которые по сравнению с профилями в обычных древесно-полимерных изделиях обладают преимуществами, такими как повышенная термостойкость, улучшенная огнестойкость и отсутствие образования воспламеняющих капель в случае пожара. Целесообразно выполнить профили для рамных элементов окон или дверей с пенным заполнением в их срединной части, за счет чего обеспечиваются превосходные изоляционные свойства и одновременно достигается возможность применения винтов на любом месте для обеспечения высокопрочных соединений, необходимых при большом собственном весе элементов. При сложной конструкции рам возможно выполнение естественно только одного рамного элемента с использованием формовочной композиции согласно изобретению, т.е. например, на обращенной к помещению стороне возможно расположить только одну деревянную раму, которая с наружной стороны будет перекрыта профилем из формовочной композиции, устойчивой к атмосферным воздействиям.
Специально для прутковых изделий, предназначенных для наружного применения, может оказаться целесообразным нанесение полимерного покрытия путем коэкструзии. За счет этого возможно улучшить защиту против атмосферных воздействий.
Пример
Древесину с ситовой характеристикой согласно таблице 1 смешали с крошкой из полиэтилентерефталата. Древесина происходила из промышленной линии для производства древесностружечных плит и специально обработана не была. Влажность составляла около 2%. Полиэтилентерефталатовая крошка была получена из измельченного бутылочного материала из полиэтилентерефталата. Этикетки, крышки и загрязнения в виде пищевых остатков (напитков) заранее удалены не были. Соотношение между древесиной и полиэтилентерефталатом в смеси составило 50:50 (HP 03), 40:60 (HP 02) и 30:70 (HP 01).
Из этой смеси приготовили с помощью экструдера гранулят цветом от средне- до темно-коричневого. Из полученного таким образом гранулята были изготовлены литьем под давлением плиточные изделия (размером около 15×15×0,5 см3), которые после выдержки при нормальных климатических условиях (23°С, 50% относительной влажности воздуха) в течение 14 суток обладали следующими свойствами:
| Таблица 2 | |||
| Рецептура | HP 01 | HP 02 | HP 03 |
| Прочность на изгиб, Н/мм2 | 64,24 | 85,53 | 92,37 |
| Ударная вязкость, кДж/м2 | 4,549 | 5,323 | 5,550 |
| Плотность, г/см3 | 1,345 | 1,365 | 1,345 |
| Набухание в воде1) в течение 2 ч, % | 0,3 | 0,4 | 0,4 |
| Набухание в воде1) в течение 1 суток, % | 0,5 | 0,7 | 0,9 |
| Набухание в промывочной жидкости2) в течение 2 часов, % | 0,4 | 0,2 | 0,5 |
| Набухание в промывочной жидкости2) в течение 1 суток, % | 0,6 | 0,5 | 1,0 |
| Примечание: | Древесина/полиэитилентерефталат, 30/70 процентное соотношение массы | Древесина/полиэитилентерефталат, 40/60 процентное соотношение массы | Древесина/полиэитилентерефталат, 50/50 процентное соотношение массы |
| 1) Разбухание при выдержке в воде в течение 2 часов, 1 суток. 2) Выдержка в промывочном растворе с концентрацией 20 г в 1 л воды. Промывочная жидкость: BULSAN, мыльный детергент. |
Дополнительно образцы, полученные по рецептуре HP 03, подвергли искусственному старению в соответствии с таблицей 3 и контролю на разбухание кромок согласно стандарту EN 13329.
Результаты влияния искусственного старения на механические свойства приведены в таблице 4.
| Таблица 3 Циклы искусственного старения | |||
| Операция | Функция | Температура | Длительность |
| 1 | Конденсация | 45°С | 1 сутки |
| 2 | Частичный цикл, операция 3+4 | 2 суток | |
| 3 | Ультрафиолетовое облучение | 60°С | 2,5 ч |
| 4 | Опрыскивание | 0,5 ч | |
| 5 | Начало операции 1 |
Пояснение/техническая характеристика:
- температура во время ультрафиолетового облучения: 60°С,
- температура во время конденсации: 45°С,
- освещенность ультрафиолетовыми лампами: 0,77 Вт/м2,
- опрыскивание (дождевание) образцов водой нормальной температуры,
- общая продолжительность цикла: 168 ч,
- общая продолжительность: 2016 ч (12 недель) при 12-кратном повторении цикла.
| Таблица 4 Изменение прочности на изгиб и ударной вязкости при искусственном старении в течение 400 ч, 1000 ч и 2016 ч. | |
| Рецептура | НР 03 |
| Прочность на изгиб после 400 ч | - 8% |
| Прочность на изгиб после 1000 ч | - 13% |
| Прочность на изгиб после 2016 ч | - 18% |
| Ударная вязкость после 400 ч | Заметная причинная связь отсутствует |
| Ударная вязкость после 1000 ч | Заметная причинная связь отсутствует |
| Ударная вязкость после 2016 ч | Заметная причинная связь отсутствует |
Разбухание кромок, замеренное в соответствии со стандартом EN 13329, при использовании смеси HP 03 (50% древесины и 50% полиэтилентерефталата) составило менее 2%.
1. Формовочная композиция, состоящая из термопластичного полимера и армирующего компонента, отличающаяся тем, что термопластичным полимером является полиэтилентерефталат, а армирующим компонентом - древесный материал в виде волокон.
2. Формовочная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве полиэтилентерефталата используются отходы, полученные сбором использованных изделий из полиэтилентерефталата, в частности сбором упаковочного материала.
3. Формовочная композиция по п.1, отличающаяся тем, что к ней примешивают неорганический наполнитель.
4. Формовочная композиция по п.3, отличающаяся тем, что неорганический наполнитель, который примешивают к формовочной композиции используется для воздействия на влагостойкость, и/или удельный вес, и/или окрашивание.
5. Формовочная композиция по п.1, отличающаяся тем, что применяется добавка для воздействия на электропроводность, стойкость к ультрафиолетовому облучению, старение, запах, способность к нанесению покрытий, сварке, обработке резанием и/или на противопожарные свойства.
6. Формовочная композиция по п.1, отличающаяся тем, что применяется органический или физический порообразователь для воздействия на пористость и/или теплотехнические свойства.
7. Формовочная композиция по п.1, отличающаяся тем, что соотношение между древесиной и полиэтилентерефталатом в смеси составляет от 70:30 до 30:70, в частности от 60:40 до 30:70, предпочтительно от 50:50 до 30:70.
8. Способ получения формованного изделия из формовочной композиции по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что формовочную композицию получают термопластичным формованием экструзией или литьем под давлением.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что получают плиточное формованное изделие.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что доводку формованного изделия производят с помощью расположенного за экструдером каландра или пресса с двойной лентой.
11. Способ по п.8, отличающийся тем, что получают прутковое формованное изделие.
12. Способ по одному из пп.9-11, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одну поверхность формованного изделия наносят покрытие.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что кашированием на поверхность наносят слоистый материал, пропиточное средство, пленку, в частности, металлическую фольгу, картон, кожу, линолиум, пробку или дерево, в частности фанеру.
14. Способ по п.12, отличающийся тем, что на поверхность наносят порошковое покрытие.
15. Способ по п.12, отличающийся тем, что покрытие наносят в жидком виде.
16. Способ по п.12, отличающийся тем, что в качестве жидкости наносят краску, лак или искусственную смолу.
17. Способ по п.12, отличающийся тем, что посредством коэкструзии наносят полимерное покрытие.
18. Формованное изделие, состоящее, по меньшей мере, частично из формовочной композиции по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что его получают способом по одному из пп.9-17.
19. Формованное изделие по п.18, отличающееся тем, что оно используется в качестве покрытия для стен, потолка или пола.
20. Формованное изделие по п.18, отличающееся тем, что оно используется в качестве профиля, в частности, в рамных элементах окон или дверей.
21. Формованное изделие по п.18, отличающееся тем, что, по меньшей мере, на одну из его поверхностей наносится покрытие.
22. Формованное изделие по п.18, отличающееся тем, что его разбухание при выдержке в воде в течение 2 ч составляет менее 0,5%, в течение 1 суток - менее или равно 1,0%.
23. Формованное изделие по п.18, отличающееся тем, что его прочность на изгиб после искусственного старения в течение 400 ч изменяется менее чем на 10%, в частности на 8%.
24. Формованное изделие по п.18, отличающееся тем, что его прочность на изгиб после искусственного старения в течение 1000 ч изменяется менее чем на 15%, в частности на 13%.
25. Формованное изделие по п.18, отличающееся тем, что его прочность на изгиб после искусственного старения в течение 2016 ч изменяется менее чем на 20%, в частности на 18%.
26. Формованное изделие по п.18, отличающееся тем, что разбухание кромок, замеренное в соответствии со стандартом EN 13329, составляет менее 2%.
