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.
| Удельная масса, г/см3 | Модуль упругости при изгибе, psi |
| 1,07 | 182 840 |
| 1,10 | 215 040 |
| 1,12 | 261 225 |
Повышение температуры на каждые 10 °C ускоряет окислительную деструкцию ДПК примерно в три раза. Жарким солнечным днем, когда температура воздуха, скажем, 90 °F, поверхность настила нагревается примерно до 130–140 °F. При 110 °F в Финиксе, штате Аризона, температура поверхности настила достигает 160 °F (70 °C), а термическое окисление полимера в ДПК ускоряется в 35, то есть, в 240 раз. Дополнительное увеличение доступной площади поверхности для воздействия кислорода «изнутри» в результате пористости, которая может возрасти во много раз, значительно ускоряет окисление.
Влияние на горючесть, воспламенение, распространение пламени.
Очевидно, пористые ДПК доски, имеющие низкую плотность, а также поры, заполненные кислородом воздуха, будут поддерживать распространение пламени значительно легче, чем доски с более высокой плотностью. Чем ниже плотность материалов, тем ниже поверхностная температура воспламенения.
Влияние на влагосодержание и водопоглощение.
Очевидно, чем выше плотность, тем ниже влагосодержание ДПК досок, ниже водопоглощение досками и меньше разбухание и коробление, тем меньше микробная деструкция.
Для террасных досок GeoDeck наибольшей плотности (удельная масса 1,24–1,25 г/см3) влагосодержание составляет примерно 0,4–0,5% (обработанные щетками доски). Для досок GeoDeck со значительно более низкой плотностью (удельная масса 1,10 г/см3) влагосодержание около 1,7%.
Обычно водопоглощение композитными материалами зависит от их пористости, содержания целлюлозного волокна и их способности поглощать воду. Поскольку древесное волокно в ДПК имеет открытые поры, оно также повышает водопоглощение ДПК.
Для террасных досок GeoDeck, имеющих одинаковый состав, но различную плотность как результат различных режимов переработки (скорость и температура экструзии) и различное влагосодержание исходных компонентов (прежде всего, рисовой шелухи) разбухание более выражено для досок с низкой плотностью, чем для досок с высокой плотностью, и различие еще выше при кратковременном поглощении воды.
Влияние на микробное заражение/деструкцию.
Как отмечалось ранее, поры в композитных материалах обычно открытые и образуют цепи, пронизывающие всю матрицу. Древесное волокно не защищено в этих порах. Следовательно, более высокая или более низкая степень водопоглощения зависит от более низкой или более высокой плотности ДПК. В результате происходит микробное заражение материала в порах и пустотах матрицы, микробная деструкция древесных частиц (и иногда частиц минеральных наполнителей, используемых определенными микроорганизмами как источник пищи), а в некоторых критических случаях — рост микробов по матрице композитных материалов.
Вероятность таких случаев микробной деструкции определяется доступностью матрицы композита для микрофлоры. то есть степенью пористости композита, плотностью материала (удельной массой), водопоглощением, содержанием минеральных наполнителей в материале (минералы часто не используются в качестве пищи, а наоборот, играют защитную роль, блокируя вторжение микробов в матрицу), и присутствия биоцидов или противомикробных веществ.
Вообще, чем ниже плотность террасных досок, тем выше вероятность микробного заражения и возможность микробной деструкции.
Влияние на усадку.
Изучение усадки террасных досок GeoDeck, оградительных штакетин и так далее неизменно показывало, что, чем ниже плотность, тем выше усадка. Так, например, композитные штакетины GeoDeck были изготовлены на промышленном экструдере при использовании вентилируемого и невентилируемого экструдеров, влажных или высушенных гранул, и при различной скорости экструзии. Путем изменения этих условий были получены штакетины различной плотности.
Влияние на коэффициент трения (коэффициент скольжения).
Не имеется доступных данных по влиянию плотности ДПК на коэффициент скольжения. Однако известно, что полиэтилен с более низкой плотностью имеет лучшее сцепление, чем с более высокой плотностью. Другими словами, ПЭВП характеризуется низкими коэффициентами трения, и чем выше плотность (удельная масса), тем ниже статический (и динамический) коэффициент трения. Для полиэтилена плотностью 0,915 г/см3 коэффициент трения равен 0,50; для 0,932 г/см3 он равен 0,30, и для 0,965 г/см3 он равен 0,10.
Основными факторами, регулирующими коэффициент трения полиэтилена, являются его молекулярные характеристики, главным образом, его молекулярная масса и ее распределение (среднечисленная, среднемассовая и средневязкостная молекулярная масса) и степень кристалличности, то есть, уровень разветвленности. Это, в свою очередь, влияет на молекулярные взаимодействия между поверхностью полимера и любым объектом в контакте с ним. В общем случае, коэффициент трения полиэтилена увеличивается с увеличением молекулярной массы и уровня разветвленности, что также приводит к снижению плотности (удельной массы).
Обычно ПЭНП имеет более низкую плотность и, следовательно, обладает более высоким коэффициентом трения, чем ПЭВП, на основе которых изготовлены террасные доски. Для террасных композитных досок GeoDeck часто используют ПЭВП с плотностью 0,955 г/см3. Его коэффициент трения — около 0,15. Однако, если в полимерную матрицу вводят рисовую шелуху и гранулированную смесь карбоната кальция с каолином и делигнифицировнные целлюлозные волокна, статический коэффициент трения увеличивается до 0,53, то есть, на 350% по сравнению с исходным ПЭВП.
Может показаться, что самый легкий способ увеличить трение ДПК досок — это заменить исходный полимер на полимер с более высоким коэффициентом трения, то есть, в случае ПЭВП, на полимер с более низкой плотностью и на «более эластичный» ПЭВП. Однако это может привести к проблемам текучести композиции в экструдере, поставить под угрозу его прочность и, более всего, его модуль упругости при изгибе, то есть, прогиб, ползучесть и другие свойства конечного материала. Замена полимера — это всегда компромисс и игра оптимизации. Если общий баланс показывает, что конечный материал приобрел значительно более высокий коэффициент трения с другими свойствами, более или менее похожими или в пределах допуска, если не лучше, то такой результат можно назвать успехом.
Подробнее см. книгу «Древесно-полимерные композиты», вышедшую в издательстве «Научные основы и технологии».