Древесно-полимерные композиты: тенденции и новые разработки

Композиты из древесины начинают поставляться в виде все новых и новых форм продуктов помимо простых досок для настила. Они заменяют собой сложные обработанные детали для внутренней отделки и токарные детали там, где более высокие уровни наполнения позволяют сохранять общую форму без коробления. В число таких новых деталей входят: концы стоек, сидения для туалетов, строительные уровни, пороги дверей и подоконники, перегородки в офисах, кровельный гонт, а также материалы для настила полов.

Создаются новые применения с использованием целого ряда новых технологий, которые являются новыми для композитов из древесины, таких как литьевое формование или прессование в форме, а также двухконвейерное формование. Некоторые из этих новых методов также используются для производства традиционных настилов. Все это является стимулом для разработки технологий и продуктов на возникающем рынке композитов из пластмассы и древесины. А на переднем крае этого рынка некоторые детали даже не выглядят как дерево.

На протяжении последнего десятилетия были достигнуты немалые успехи в области экструзии профиля из композита с древесиной. По данным Principia Partners, исследовательской компании из Экстона, Пенсильвания, на долю профиля по-прежнему приходится 97% от общего числа наполненных древесиной продуктов. Большая часть этого профиля приходится на долю настилов и ограждений, при небольшом количестве компонентов дверей и окон, штор и штифтов.

Разработки Crane Plastics Manufacturing из Коламбуса, Огайо, показали, что имеются два направления в области производства экструдированного профиля. Одно из них занимается более сложным полым композитным профилем, таким как профиль для перегородок, монтируемых в офисах, из древесины и полиэтилена. Другим направлением является разработка новых применений для простых квадратных профилей. Crane занимается экструзией нижних частей дверных рам с использованием композитов древесины и полиэтилена. Эти профили соединяются с натуральной древесиной, а затем обрабатываются и подвергаются нанесению покрытия как единая деталь.

Первые композиты для литьевого формования появились, вероятно, всего года четыре тому назад, и их производство все еще составляет всего 3% от общего объема производимых композитов из древесины, или 19 миллионов фунтов в год (по данным Principia, которая из общего подсчета по всем рынкам исключила прессование в форме).

Производство материалов для настила является стимулом для развития спроса на изготавливаемые литьевым формованием флероны, плинтусы и концы столбов из композита древесины и пластмассы, которые используются в качестве завершений для концов профилей настила. Производство материалов для настила растет примерно на 29% в год при стабильном притоке нового капитала по мере того, как происходит поглощение мелких производителей более крупными. Carney Timber Co. приобрела в начале этого года Xtendex deckin, а Universal Forest Products приобрела EverX decking; в настоящее время осуществляется подготовка, по крайней мере, еще одной сделки.

Trex Co., которая производит больше материалов для настилов, чем вся остальная отрасль вместе взятая, также развивается за счет сделки, заключенной в начале года с Home Depot. Trex строит свое третье предприятие в Олив Бранч, Миссури.

Данная сделка и другие ей подобные непременно вызовут бум на рынке изготавливаемых литьевым формованием композитов, который, по прогнозу Principia, будет расти на 70% ежегодно на протяжении последующих четырех лет. Для сравнения можно отметить, что вся отрасль производства товаров литьевым формованием будет расти только примерно на 4% в год. В одной из компаний, занимающихся формованием по индивидуальным заказам, Atlas Precision Plastics из Ардена, Северная Каролина, говорят, что бизнес по производству композитов с древесиной вырос за последние четыре года с нуля до объема, равного 40% от общего объема их оборота.

Литьевое формование древесины

Формованные крышек и плинтусов для настилов и столбиков должны соответствовать настилу по цвету и текстуре, они также должны одинаково относиться к воздействиям атмосферных явлений. Некоторые производящие настилы компании изготавливают свою продукцию на своих мощностях. Другие отдают часть или всю эту работу компаниям на внешний подряд или тем, которые работают по индивидуальным заказам, хотя, по всей вероятности, не более дюжины компаний, которые занимаются литьевым формованием, имеют опыт работы по формованию древесины.

Первые формованные детали были простые и примитивные. В 2000 г. компания-производитель настилов Xtendex из Бэрри, Онтарио (в настоящее время в составе Carney), была одной из первых, кто начал изготавливать литьевым формованием наконечники для досок и завершения для столбиков. Наконечники досок первоначально представляли собой простые прямые углы, которые свисали с конца доски. В настоящее время Carney использует более элегантные полукруглые цилиндры, которые вставляются в конец доски заподлицо.

"Сначала я считал, что все эти разработки по литьевому формованию ничего не дадут", - вспоминает Стюарт Кемпер, президент TimberTech в Вилмингтоне, Ограйо, отделения, занимающегося настилами компании по производству экструзионного профиля Crane Plastics. "Но постепенно качество повысилось. Пришлось внести некоторые изменения в рецептуру, для того, чтобы из этого что-то получилось, и процесс пошел более стабильно". В прошлом году, после длительной разработки, TimberTech представила на рынок свои первые изготовленные литьевым формованием наконечники и плинтусы, сформованные, как на предприятиях компании, так и внешними продавцами. "В настоящее время мы рассматриваем целый ряд проектов", - говорит Кемпер.

Производители настилов Brite Manufacturing (производитель настилов Lifelong), Carney (Xtendex), Composatron (Premier), Correct Building Products (CorrectDeck), Fiber Composites (Fiberon), Louisiana-Pacific (Weatherbest), Master Mark Plastics (Rhino), а также U.S. Plastic Lumber (Carefree) также по совместительству производят, по крайней мере, часть соответствующих деталей литьевым формованием.

Производители настилов чрезвычайно скрытны в том, что касается их формованных композитов, как тех, которые производятся на своих мощностях, так и тех, которые отдаются на внешний подряд. Высокое содержание дерева позволяет избежать образования утяжин. Но только одна-две компании по формованию могут получать высокие уровни армирования для формованных деталей, которые были бы сопоставимы с уровнями, получаемыми для экструзионного профиля. Как сообщает компания Trex , Blue Ridge Industries из Винчестера, Виргиния, осуществляет формование оснований для столбиков для Trex с содержанием древесины примерно тем же, что и в материале основных деталей. Trex, также работающая в Винчестере, использует около 50% древесины в своих полиэтиленовых профилях для настила. Компания Atlas уже производила детали с 45%-ным содержанием древесины для настилов и ограждений Fiberon от компании Fiber Composites из Нью Ландона, Северная Каролина. В компании Atlas сообщают, что они могут осуществлять формование с содержанием древесины до 60%.

В большинстве композитов, изготовленных литьевым формованием, тем не менее, используется значительно меньше древесины, или каких-либо иных наполнителей, чем в тех настилах или ограждениях, с которыми они используются в комплекте. "При содержании наполнителя более 25% появляются существенные изменения в реологии", - говорит Питер Симко, старший инженер компании Carney. Концевые детали от Carney, сформованные на предприятии компании для настилов Xtendex, содержат только 20% волокна по сравнению с 50%, содержащимися в настиле. Композиты наполняются, в первую очередь, рисовыми отрубями, льном и коноплей при использовании древесного волокна только в исключительных случаях.

Для формования также нужны более короткие волокна. «Обычно производители настилов используют древесное волокно экструзионных марок с ячейками от 30 до 40, в то время как при литьевом формовании лучше использовать от 60 до 80», - рассказывает Уильям Кростик, президент Onaga Composites, компании, которая производит гранулы компаунда с наполнением древесиной для литьевого формования.

Тип древесины также имеет при литьевом формовании решающее значение, в то время как экструзия проявляет в этом отношении большую гибкость. "Необходимо точно знать параметры сдвига древесины. Дуб срезается намного быстрее, чем сосна, и сгорает быстрее", - говорит Роберт Балла, менеджер продаж компании Atlas. "У Вас может без всяких проблем получиться формование с 60% сосны, но Вы не сможете получить 60 % с дубом".

Высушивание наполненных древесиной гранул также имеет для литьевого формования значительно более существенное значение, чем для экструзии, поскольку у инжекционных прессов обычно нет вентиляции. Отсутствие вентиляции также влечет за собой коррозию. Мука из дуба, которая имеет высокое содержание дубильной кислоты, вызывает коррозию пресс-формы, в то время как сосновая не вызывает. Для клена характерно самое низкое выделение нежелательных газов. Но в сосне содержится терпены, а они источают смолу. Сосна также легче окрашивается, но у нее ниже модуль упругости при изгибе по сравнению с дубом.

Некоторые композиты, изготовленные литьевым формованием, выглядят как профили, но, в то же время, используют преимущества, которые предоставляет формование, для того, чтобы встраивать средства герметизации или уплотнители в качестве вставок для того, чтобы избежать повторных трудозатрат. Atlas и Dinesol Plastics Inc. из Найлса, Огайо, формуют порожки для дверей с такими вставками для дверей Z Series от компании Endura Products из Гринсборо, Северная Каролина.

Несколько компаний, занимающихся формованием по индивидуальным заказам, разработали сложные технологии с использованием со-инжекции и вспенивания. "Многие считают, что композит из древесины должен заменять древесину или выглядеть как древесина, но это не так", - говорит Балла из  Atlas. "Это всего лишь наполненная смола. Если Вы окрасите композит в черный цвет, большая часть древесного волокна исчезнет. Можно также нагревать инструмент так, чтобы на поверхность проступил полимер, а волокно исчезло, так, как это происходит при создании стеклопластика".

Atlas производит формование некоторых блестящих белых деталей отделки из PVC, которые выглядят как окрашенные, но на самом деле таковыми не являются, в них волокно совсем незаметно. Atlas также разрабатывает дверцы шкафов с блестящими белыми стирольными поверхностями.

Другой необычной недавней разработкой является изготовленное со-инжекцией сидение для туалета с наполненным древесиной ядром и блестящей белой поверхностью из полипропилена без всякой древесины. Оно сформовано Centoco Plastics из Виндзора, Онтарио, компанией, имеющей патент на эту технологию.

В небольших количествах используются вспенивающие вещества для того, чтобы устанавливать на определенном расстоянии друг от друга изготавливаемые литьевым формованием детали. Один из формовщиков использует 0.016% порообразующего вещества, чтобы не допустить появления утяжин. Обычно используются порообразующие вещества в концентрациях от 1 до 2%.

Новые способы предварительного создания компаундов

Изготовленные литьевым формованием наполненные древесиной композиты дороже экструзионных, поскольку для литьевого формования требуется предварительное приготовление компаунда и предварительное высушивание материала. Тем не менее, нет необходимости подвергать предварительному приготовлению компаунда весь материал. "При литьевом формовании хорошо зарекомендовал себя 60% концентрат древесного волокна", - отмечает Кростик из Onaga.

Компания Brite Manufacturing из Болтона, Онтарио, поставляет материал, утилизированный из произведенного экструзией материала для настила Lifelong, работающему по соседству формовщику, который производит для Brite компоненты с помощью литьевого формования.

Одна из компаний, занимающихся формованием, также испытывает модель Pallmann пластмассового агломератора PFV для предварительного смешивания и высушивания древесной муки и пластмассы до подачи на двухшнековый экструдер с разнонаправленным вращением. Агломератор смягчает пластмассу, но не расплавляет ее, что позволяет влаге выйти из древесины. Он эксплуатируется в непрерывном режиме, проталкивая агломерированный материал через отверстия в головке, где он нарезается на гранулы вращающимися ножами. Для того, чтобы подчеркнуть отличие своего агломератора от типичных базовых моделей, компания Pallmann недавно переименовала свою установку в "Palltruder." Сообщается, что два Palltruder, которые  в состоянии обработать до 80% наполненных древесиной компаундов, были летом этого года поставлены заказчикам в США. Одна из установок предназначалась для изготовления применения в области настилов, а другая для испытательной лаборатории компании, создающей оборудование для экструзии, American Maplan из Макферсона, Канзас.

Прессование древесины в форме

Для работы с древесными композитами с недавнего времени также используется прессование в форме, хотя в большинстве прессованных в форме деталей используется смесь натуральных волокон с древесиной в качестве одной из опций. Epoch Composites Inc. из Ламара, Миссури, осуществляет прессование в форме наполненного древесиной материала для настила с использованием HDPE и древесной муки секциями размером от 12 до 20 футов и с окраской в четыре цвета. Epoch уже занимается прессованием в форме своих досок в течение пяти лет. В этом году компания Epoch строит новое предприятие для наращивания своих мощностей.

Прессование в форме представляется несколько более ограниченным в пропускной способности по сравнению с другими технологиями, но, как отмечают в Epoch, у него есть то преимущество, что при нем не ломаются волокна. При прессовании в форме можно также включать более высокие концентрации, чем при литьевом формовании. Одна из компаний, осуществляющих прессование в форме, из Арканзаса, производит рукоятки и прочие небольшие детали с использованием до 80% древесины из HDPE. Прессование в форме также  легко приспосабливается к различным вариантам компаундов, поскольку здесь материалу не нужно протекать через узкое формовочное отверстие.

Wellington Polymer Technology Inc. из Четема, Онтарио, занимается прессованием в форме композита кровельной дранки Enviroshake, чтобы придать ей сходство с конусообразным гонтом из кедра размером 12 x 20 дюймов. У них более высокие концентрации наполнения, которые намеренно варьируют для того, чтобы у гонта была разная толщина. Девяносто процентов смеси является сочетанием утилизированной пленки из полиэтилена и полипропилена, каучуковой крошки из покрышек автомобилей и природного волокна. Большая часть волокна это льняное волокно, но при наличии его заменяют древесным волокном или конопляным. Остальные 10% представляют собой смесь девяти химических добавок и веществ для улучшения технологических свойств. Wellington работает с использованием одной полностью автоматизированной линии прессования в форме, производительность которой ограничена сроком пребывания и продолжительностью цикла зажима формы. Этой осенью компания собирается установить вторую линию.

Другой новый строительный продукт - напольное покрытие - разрабатывается для использования с необычной композитной технологией. Эта технология называется Thermofix. Она представляет собой двухконвейерную технологию формования, разработанную Schilling-Knobel GmbH из Германии (здесь ее интересы представляет Zima Corp.). При реализации технологии гранулы композита сжимаются между двумя нагретыми конвейерными лентами из PTFE для создания непрерывного листа с толщиной до 0.75 дюйма. Гранулы на 60% состоят из древесной муки и на 40% из эластичного PVC, их производят в Palltruder. Первая промышленная линия Thermofix находится в Чешской Республике, а вторая отправится в район Торонто для производства напольного покрытия из композита древесины, изготовленного из утилизированных ковровых плиток.

Одна из компаний, осуществляющих прессование в форме  из композита древесины и натуральных волокон, использует пресс для гранулирования для создания компаунда с высоким наполнением. При использовании этого метода не происходит нарезания гранул, просто экструдируется продукт, который выглядит как мотки толстой веревки. Затем эти бесформенные комки перемалывают в чешуйки.

Замена волокна

Компании, занимающиеся литьевым формованием и прессованием в форме, меняют свои рецептуры и заменяют некоторые древесные наполнители сельскохозяйственными волокнами, такими как: рисовые отруби, льняное волокно, конопляное волокно или солома от пшеницы. Некоторые частично заменяют их неорганическими наполнителями, такими как тальк, a для одной патентованной технологии вместо части древесины используется крахмал. Считается, что смешивание наполнителей способно повысить жесткость, сопротивление ползучести и прочие свойства.

Обработчики также добавляют другие наполнители к древесному волокну для того, чтобы избежать высушивания. В компании Luzenac America, которая продает неорганические наполнители, сообщают что древесно-композитные профили поглощают до 23% влажности после экструзии.  Тем не менее, добавление примерно 30% талька снижает поглощение влаги вдвое.

Однако замена древесины "сельскохозяйственными волокнами" имеет свои недостатки. Льняное волокно, например, особенно абразивно для инструмента. Потребители также сообщают, что у сельскохозяйственных волокон очень сильный запах. При нагревании запах льняного волокна сопоставим с запахом тухлой рыбы. Пшеничная солома пахнет как навоз. Конопляное волокно пахнет марихуаной (хотя поставщики и оспаривают это утверждение), а рисовые отруби как поджаренные хлопья для каши. Такие запахи будут у формованных деталей, и это неважно, если деталь используется на свежем воздухе, в качестве настила или кровельной дранки. Но запах может быть серьезным аргументом против при использовании в кухне или для изготовления деталей внутренней отделки автомобиля.

Новая австрийская компания с венчурным капиталом Fasalex владеет патентованной технологией и рецептурой, в которой сочетается древесная мука, смола, а также крахмал. Крахмал добавляет жесткости и вытягивает влажность из древесной муки. Fasalex сообщает, что использование крахмала позволяет обрабатывать древесную муку, содержащую до 12% влажности без предварительного высушивания. Fasalex поставляет обработку и рецептурное ноу-хау. Компания работает с тремя австрийскими поставщиками оборудования: Greiner Extrusionstechnik и Technoplast Kunststofftechnik (у которой есть представительство в США) для инструментария и Cincinnati Extrusion (которая будет иметь представительство в США с будущего года) для поставок конических двухшнековых экструдеров.

Fasalex не требует, чтобы заказчики приобретали лицензию, компания продает рецептуру и патентованную добавку. Josko Fenster und Turen GmbH из Австрии является партнером по разработке Fasalex, и использует ее материал для производства профиля для окон и дверей.

Fasalex также продает предварительно созданные компаунды. LEX 452 содержит 70% древесины, 20% крахмала, и 10% полимера, который обычно используется в клее, а также добавки. LEX 468 включает 75% древесины, 10% крахмала, и 15% полипропилена с добавками. А в LEX 474 имеется 60% древесины, 10% крахмала, и 30% PVC с добавками. Сообщается, что материалы, предварительно превращенные в компаунд, позволяют при экструзии изготавливать более тонкие стенки, чем при непосредственном изготовлении компаунда: например, в компании Fasalex  сообщают, что получили 1.5-мм стенки при предварительном создании компаунда против 2.5 мм. при прямом создании компаунда. Соответствующий состав для литьевого формования из древесины, крахмала и пластмассы называется Fasal.

Необычное сочетание неорганического волокна и волокна на основе древесины было запатентовано Kadant Composites, которая была образована восемь лет тому назад для того, чтобы разрабатывать промышленные применения для жидких отходов, которые остаются от процесса производства бумаги. Сначала Kadant создает пористый и гранулированный материал (с плотностью 1.5 г/куб. см.), который называется Biodac из мелкозернистого каолина, карбоната кальция и коротких волокон целлюлозы, которые используются для изготовления бумаги. Благодаря тому, что гранулы пористые, они наполняются пластмассой при создании компаунда, что придает материалу необычно высокую прочность. Три года тому назад Kadant использовала Biodac для создания рецептуры композитного материала для настила, который назывался Geodeck, и состоял из равных частей Biodac, HDPE, и дополнительных целлюлозных волокон. Kadant в настоящее время реализует более 10 миллионов фунтов в год Geodeck, рифленого профиля, который поставляется вместе с наконечниками, которые производят литьевым формованием на предприятиях самой компании Kadant.

Научно-исследовательские университетские программы также проводят испытания в поисках способа усовершенствовать свойства композитов. Исследователь из Университета Торонто Тиеки Ли предлагает использовать экструзионную марку HMW-HDPE вместо стандартной смолы для улучшения свойств композита. Обычный здравый смысл подсказывает, что композитам из древесины нужен полиэтилен с более низкими молекулярной массой/вязкостью для увлажнения волокон и обеспечения хорошей текучести, даже если смола с более высокой вязкостью и обеспечивает более высокую прочность. Но Ли обнаружил, что обрабатываемость композитов из древесины была обусловлена в большей степени древесным волокном, нежели молекулярной массой полимера.

Обычный здравый смысл подсказывает также, что более длинные волокна прочнее коротких. Исследователь из Университета Айдахо (Москва) Лэнс Галлахер установил, что размол на шаровой мельнице древесных волокон с ячейками 100 до малых размеров в 20 микрон, увеличит площадь поверхности наполнителя, так что полимер будет лучше связываться и даст более высокую прочность на разрыв. Галлахер сообщает, что концентрация в 50% 100-микронных волокон в HDPE даст, в конечном итоге, прочность на разрыв 3190 фунтов на кв. дюйм, хотя такая же концентрация 38-микронного волокна даст прочность на разрыв 3625 фунтов на кв. дюйм, т. е. повышение на 14%. Способность подвергаться обработке также увеличивается при наличии более коротких волокон.

Йен Х. Шут, старший редактор

http://www.ptonline.com/

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка ДПКТ можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок древесно-полимерных композиционных материалов в России».

Источник: «NEWCHEMISTRY.ru» - аналитический портал химической промышленности

www.newchemistry.ru