Základní charakteristiky modifikovaného dřevoplastového kompozitu
Tento článek popisuje způsob modifikace standardně vyráběného dřevoplastového kompozitu při použití odpadních a druhotných surovin. Zároveň uvádí předpokládané zkoušky, které budou prováděny na vzorcích vyrobených inovovanou technologií výroby, která zajistí přesnější interpretaci výsledků.
1. Úvod
Dřevoplastový kompozit je materiál spojující dřevní hmotu (nejčastěji piliny nebo moučku) a termoplastickou matrici. Jedná se o materiál poměrně nový, který byl vyvinut ve Spojených státech na konci dvacátého století a uplatňuje se jako alternativa k rostlému dřevu v aplikacích v exteriéru. Výrobci proklamují jeho ekologičnost a zdravotní nezávadnost a vyzdvihují jeho výhody oproti rostlému dřevu zejména v souvislosti s trvanlivostí a minimálními nároky na údržbu při zachování pocitové a dotekové úrovně dřeva.
V současné době se provádí výzkum modifikace tohoto materiálu, která by měla zlepšit jeho vlastnosti a zároveň umožnit zpracování některých odpadních a druhotných surovin. To s sebou přináší potřebu stanovit vhodnou metodiku zkoušení nového materiálu adekvátní zvolenému systémovému prvku.
2. Materiálové aspekty, způsob modifikace
2.1 Vlastnosti dřevoplastového kompozitu
Dřevoplastový kompozit je vyráběn ze dvou hlavních složek – termoplastické matrice, nejčastěji polypropylenové, polyetylenové a polyvinylchloridové, a plniva z dřevní hmoty, v poměru 50–30 % matrice a 50–70 % plniva v závislosti na typu matrice. Produkty z tohoto materiálu se uplatňují při produkci tzv. deckingu, tedy plošných podlahových nebo obkladových prvků pro venkovní aplikaci. Nejčastěji jsou z tohoto materiálu vyráběny terasové systémy.
Na rozdíl od rostlého dřeva je možné materiál libovolně upravovat již v rámci výroby přidáním vylepšujících přísad a nevyžaduje tedy pravidelnou údržbu nátěry. Tyto přísady ovlivňují zejména termoplastickou matrici, jež degraduje především vlivem ultrafialového záření a tepla. Proto kromě kompatibilizéru, který upravuje přilnavost obou hlavních surovin, jsou nejdůležitějšími přísady světlostabilizační a retardér hoření. Životnost produktu je po úpravě garantována i na padesát let.
2.2 Modifikace surovinového složení dřevoplastového kompozitu
V rámci modifikace surovinového složení dřevoplastového kompozitu se nabízí dvě základní alternativy:
- Modifikace matrice
- Modifikace plniva
Podíl termoplastické matrice závisí na typu nosného polymeru a pohybuje se v rozmezí 50–30 %. Náhrada části tohoto množství recyklovaným polymerem stejného typu umožní snížení ceny produktu, ale může mít negativní dopad na vlastnosti materiálu. V tomto případě je vždy potřeba stanovit vlastnosti recyklovaného termoplastu, míru jeho degradace a obsah vylepšujících přísad a cizorodých látek, aby v konečném důsledku nebylo nutné modifikovaný materiál upravovat větším množstvím přídavných látek a tím cenu produktu ještě nenavýšit.
Modifikace dřevoplastového kompozitu přídavkem anorganického částicového plniva by měla materiálu přinést zejména zvýšení tlakové pevnosti a odolnosti proti nárazu. Organické lignocelulózou plnivo plní především funkci vláknové výztuže, propůjčuje tedy materiálu vyšší tahovou pevnost oproti neplněnému plastu a rovněž lepší krípové vlastnosti. Částicové plnivo by tedy mělo přispět ke schopnosti přenášet tlakové zatížení. V současné době je takového plniva již užíváno, jedná se především o příměs mastku. Použití druhotné anorganické částicové suroviny jako příměsi dřevoplastového kompozitu bylo již odzkoušeno v laboratorních podmínkách a jako nejvýhodnější se jeví popílek, který nezapříčiňuje významné obrušování výrobního zařízení.
Tyto dvě modifikace je pak možné kombinovat. Kombinace obou stupňů modifikace a optimalizace surovinové směsi ovšem budou provedeny až po zevrubném odzkoušení vlastností kompozitů modifikovaných pouze jedním typem.
3. Zkoušení modifikovaného dřevoplastového kompozitu
3.1 Typy zkoušek
Zkoušky, kterým musí být modifikovaný dřevoplastový kompozit podroben, by měli komplexně zhodnotit jeho materiálové charakteristiky a ověřit jeho odolnost po vystavení extrémním podmínkám. Obecně lze tyto zkoušky rozdělit na technologické (týkající se fyzikálně mechanických vlastností), uživatelské (vystavení degradujícím vlivům) a přidružené (doplňující) zkoušky.
Technologické zkoušky, kterým bude materiál podroben, budou prováděny na základě normovaných zkoušek pro plasty. Laboratorně již bylo provedeno stanovení tahové pevnosti dle ČSN EN 527, stanovení hustoty dle ČSN EN ISO 1183 a stanovení nasákavosti dle ISO 62:2008. Tyto zkoušky byly provedeny na modifikovaném kompozitu homogenizovaném extruzí, vzorky byly pak připraveny lisováním za tepla. Protože tato technologie přípravy vzorků je neefektivní a nezajišťuje správnou homogenitu zkušebních těles, bude nyní přistoupeno k inovaci technologie výroby zkušebních těles, aby se tyto přiblížily reálným možnostem průmyslové výroby.
Pro další zkoušení budou vzorky po homogenizaci vyrobeny vstřikováním. Tato zkušební tělesa budou kromě zmíněných zkoušek podrobena stanovení rázové houževnatosti Charpy dle ČSN EN ISO 179 a zkoušce padající koulí – odolnosti materiálu proti nárazu, která dosud není normována. Pro technologické zkoušky budou doplňující zkouškou vysokotlaká rtuťová porozimetrie a optická mikroskopie, které poslouží pro posouzení mikrostruktury a pórovitosti kompozitu.
Uživatelské zkoušky budou sledovat zejména vlastnosti, které jsou charakteristické pro užití termoplastů ve venkovním prostředí. Jedná se o stanovení UV stability dle ČSN ISO 4892-3 a stanovení požární odolnosti dle ČSN ISO 4589. Pro uživatelské zkoušky budou doplňujícími vizuální posouzení – zejména ztráta barevnosti při vystavení působení ultrafialového záření a infračervená absorpční spektroskopie pro posouzení makromolekulových změn v degradující expozici.
Laboratorní vzorky vyrobeny lisováním za tepla již infračervenou absorpční spektroskopií hodnoceny byly a to po roce vystavení laboratorním podmínkám. Měření bude provedeno ještě po dvou a třech letech a porovnáno se spektrogramy vzorků vystavených UV záření. Vyhodnocení naměřených spektrogramů je popsáno v následující kapitole.
3.2 Podklad pro infračervenou absorpční spektroskopii
Pro získání spektrogramu byly použity zlomky vzorků ze zkoušky tahové pevnosti dle ČSN EN 527, typ 5. Jedná se o vzorky vystaveny jednoleté expozici laboratorním podmínkám, které budou sloužit k porovnání se vzorky vystavenými působení ultrafialového záření v UV komoře.
Vzorky byly měřeny metodou ATR, tedy odrazovou metodou. Tato metoda spočívá v záznamu odraženého infračerveného záření od povrchových vrstev materiálu. V případě, že v této vrstvě dojde k interferenci záření a hmoty, projeví se tento jev absorpcí záření, která na záznamu vytvoří tzv. spektrální pás.
Oba dva typy měřených vzorků – tedy referenční dřevoplastový kompozit adekvátního složení a hybridní dřevoplastový kompozit modifikovaný příměsí 5 % popílku měly shodný spektrogram, z čehož vyplývá, že za tak krátkou dobu nebyla matrice materiálu významně degradována.
Obrázek 1. Spektrogram dřevoplastového kompozitu s příměsí popílku
Získaný spektrogram je zobrazen na obr. 1.
Na spektrogramu kompozitu jsou patrny pouze pásy polypropylenové matrice. V oblasti mezi 3000 a 2700 cm−1 se nachází dva hlavní pásy, které odpovídají valenčním vibracím skupin CH3 a CH2, pásy na vlnočtu nižším než 1500 cm−1 patří deformačním vibracím těchto skupin.
Předpokládá se, že působení ultrafialového záření způsobí deformaci křivky spektrogramu v důsledku otevírání vazeb polymeru. Dojde-li k odhalení zrna plniva, můžou se objevit pásy anorganické, nebo pásy odpovídající řetězcům celulózy.
3. Závěr
Dřevoplastový kompozit lze pomocí odpadních a druhotných surovin modifikovat dvěma způsoby, jedná se o modifikaci termoplastické matrice recyklovaným polymerem, nebo o modifikaci plniva příměsí anorganického částicové suroviny. Oba typy modifikace s sebou přináší své výhody i nevýhody a optimalizace modifikovaných surovinových směsí bude vyžadovat jak technologické tak uživatelské zkoušky hmoty i následně vybraného produktu.
Poděkování
Tento článek byl vytvořen za podpory projektu Specifického výzkumu č. FAST-J-12-4 Hodnocení trvanlivosti modifikovaného dřevoplastového kompozitu vystaveného působení ultrafialového záření a Centra AdMaS – Advanced Materials, Structures and Technologies (reg. č. CZ.1.05/2.1.00/03.0097), Výzkumný program VP1: Vývoj pokročilých stavebních materiálů.
Literatura
- [1] OKSMAN NISKA, K., SAIN, M.: Wood-polymer composites. Cambridge England. 2008. ISBN 978-1-84569-272-8.
- [2] SVEHLA, G.: Comprehensive analytical chemistry VI, Amsterdam, Elsevier scientific publishing company 1976, p. 1–555, ISBN 0-444-41165-8.
This article describes a modification of wood-polymer composite using waste and secondary raw materials. It also shows the anticipated tests that will be carried out on samples prepared by innovative technology to ensure accurate interpretation of results.