Физико-механические характеристики древесно-полимерного композитного материала на основе гидролизованной древесины

Исследовано влияние добавки частиц полиэтилена высокого давления (ПЭВД) на физико-механические характеристики композитного материала, полученного на основе гидролизованной древесины сосны. Предварительная обработка древесной щепы выполнена методом взрывного автогидролиза. Образцы композитного материала получены методом горячего прессования смеси высушенных гидролизованных древесных частиц и частиц ПЭВД без добавления иных связующих компонентов. Обнаружено, что введение в состав пресс-массы измельченного ПЭВД в количестве до 5 массовых частей на 100 массовых частей гидролизованной древесины приводит к экспоненциальному увеличению прочности композитного материала при статическом изгибе до 15 % по сравнению с материалом без ПЭВД. Кроме того, использование даже незначительного количества ПЭВД увеличивает ударную вязкость композитного материала не менее чем на 30 %. Использование ПЭВД в количествах, превышающих 5 массовых частей, вызывает плавное снижение прочности при статическом изгибе, описываемое обратно экспоненциальным законом. Высказано предположение о том, что причиной снижения прочности является изменение характера межфазного взаимодействия компонентов пресс-композиции в условиях применения больших количеств ПЭВД. Также обнаружено, что добавка частиц ПЭВД улучшает гидрофобные характеристики композитного материала. Зависимости водопоглощения и разбухания материала от количества ПЭВД носят обратно-экспоненциальный характер в пределах большей части диапазона применения добавки частиц ПЭВД. По сравнению с контрольным образцом водопоглощение и разбухание по толщине могут быть уменьшены в 1,5 раза. Использование ПЭВД в количестве, не превышающем 1 массовой части, существенного влияния на гидрофобные характеристики не оказывает.

1. Gurunathan T., Mohanty Smita, Nayak Sanjay K. A review of the recent developments in biocomposites based on natural fibres and their application perspectives. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, Vol. 77, pp. 1–25 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.06.007.

2. Malin Brodin, María Vallejos, Mihaela Tanase Opedal, María Cristina Area, Gary Chinga-Carrasco. Lignocellulosics as sustainable resources for production of bioplastics – a review. Journal of Cleaner Production, 2017, Vol. 162, pp. 646–664 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.05.209.

3. Stokke, D.D., Wu, Q., Han, G.: Introduction to wood and natural fiber composites. Wiley, West Sussex 2014, P. 649.

4. Oktay, S., Kızılcan, N., & Bengu, B. Oxidized cornstarch – Urea wood adhesive for interior particleboard production. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2021. Vol. 110, p. 102947. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2021.102947.

5. Singh, N., Rana, A., & Badhotiya, G. K. Raw material particle terminologies for development of engineered wood. Materials Today: Proceedings, 2021, Vol. 46(3). DOI: 10.1016/j.matpr.2021.02.616.

6. Uemura Silva, V., Nascimento, M. F., Resende Oliveira, P., Panzera, T. H., Rezende, M. O., Silva, D. A. L., Christoforo, A. L. Circular vs. linear economy of building materials: A case study for particleboards made of recycled wood and biopolymer vs. conventional particleboards. Construction and Building Materials, 2021. vol. 285. p.122906. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2021.122906.

7. Müller, Uwe; Pretschuh, Claudia; Mitter, Roland; Knappe, Stephan. Dielectric analysis as a cure monitoring system for UF particle boards. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2017. Vol. 73, pp. 45–50. DOI:10.1016/j.ijadhadh.2016.07.016.

8. Yanglun Yu, Xianai Huang, WenjiYu A novel process to improve yield and mechanical performance of bamboo fiber reinforced composite via mechanical treatments. Composites Part B: Engineering, 2014. Vol. 56, pp. 48–53 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.08.007.

9. Fu F., Lin L., Xu E. Functional pretreatments of natural raw materials. Advanced High Strength Natural Fibre Composites in Construction 2017, pp. 87–114. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-08-100411-1.00004-2.

10. Eyitayo Olatunde Olakanmi, Moses J. Strydom, Critical materials and processing challenges affecting the interface and functional performance of wood polymer composites (WPCs). Materials Chemistry and Physics, 2016. Vol. 171, pp. 290–302. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.01.020.

11. Changtong Mei, Xiuxuan Sun, Minli Wan, Qinglin Wu, Sang-Jin Chun & Sunyoung Lee. Coextruded Wood Plastic Composites Containing Recycled Wood Fibers Treated with Micronized Copper-Quat: Mechanical, Moisture Absorption, and Chemical Leaching Performance, Waste and Biomass Valorization, 2018. Vol. 9, pp. 2237–2244. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12649-017-9992-z.

12. Michael P. Wolcott, Karl Englund, A technology review of wood-plastic composites. 33rd International Particleboard. Composite Materials Symposium, 1999.

13. Yongfeng Li. Wood-Polymer Composites. In book: Advances in Composite Materials – Analysis of Natural and Man-Made Materials, 2011. pp. 229–284. DOI: 10.5772/17579.

14. El-Haggar, Salah M. and Kamel, Mokhtar A. Wood Plastic Composites. In book: Advances in Composite Materials – Analysis of Natural and Man-Made Materials, 2011. pp. 325–344. DOI: 10.5772/18172.

15. Halvarsson Sören; Edlund Håkan; Norgren Magnus. Manufacture of non-resin wheat straw fibreboards. Industrial Crops and Products, 2009. Vol. 29 (2-3). pp. 437–445. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.indcrop.2008.08.007.

16. German Quintana, Jorge Velasquez, Santiago Betancourt, Piedad Gan. Binderless fiberboard from steam exploded banana bunch Industrial Crops and Products, 2009. Vol. 29(1). pp. 60–66. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.indcrop.2008.04.007.

17. Angl' esa M.N., Ferrandob F., Farriola X., Salvad J. Suitability of steam exploded residual softwood for the production of binderless panels. Effect of the pretreatment severity and lignin addition. Biomass and Bioenergy, 2001. Vol. 21. pp. 211–224.

18. Ewanick, S. and Bura, R. Hydrothermal pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioalcohol Production. Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass. A volume in Woodhead Publishing Series in Energy. 2010. pp. 3–23. DOI: http://dx.doi.org/10.1533/9781845699611.1.3.

19. Mason W.H. Low-temperature explosion process of disintegrating wood and the like US Patent 1586159 (USA). 1926.

20. Mason W.H. Process and apparatus for disintegration of wood and the like. US Patent 1578609 (USA). 1926.

21. Startsev O. V., Salin B. N., Skurydin Yu. G. Barothermal hydrolisis of wood in presence of mineral acids // Доклады Академии наук. 2000. Т. 370. № 5. С. 638-641. [Startsev OV Salin B.N., Skurydin Yu.G. Barothermic Hydrolysis of Wood in the Presence of Mineral Acids [ Reports of the Academy of Sciences. Chemical Technology] 2000. Т. 370, no. 5. pp. 638–641].

22. Parveen Kumar, Diane M. Barrett, Michael J. Delwiche, and Pieter Stroeve. Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2009. Vol. 48 (8). pp. 3713–3729. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/ie801542g.

23. Shijie Liu. A synergetic pretreatment technology for woody biomass conversion. Applied Energy, 2015. Vol. 144. pp. 114–128. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.02.021.

24. Muhammad Muzamal, Kerstin Jedvert, Hans Theliander and Anders Rasmuson. Structural changes in spruce wood during different steps of steam explosion pretreatment. Holzforschung, 2015. Vol. 69(1). pp. 61–66. DOI: http://dx.doi.org/10.1515/hf-2013-0234.

25. Tanahashi Mitsuhiko. Characterization and degradation mechanisms of wood components by steam explosion and utilization of exploded wood. Wood research: bulletin of the Wood Research Institute Kyoto University, 1990. Vol. 77. pp. 49–117. URL: http:// hdl.handle.net/2433/53271.

26. Harifara Rabemanolontsoa and Shiro Saka. Various Pretreatments of Lignocellulosics. Bioresource Technology, 2016. Vol. 199. pp. 83–91. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2015.08.029.

27. Kudakasseril Kurian Jiby, Raveendran Nair Gopu, Hussain Abid, Vijaya Raghavan G.S. Feedstocks, logistics and pre-treatment processes for sustainable lignocellulosic biorefineries: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier, 2013. Vol. 25(C), pp. 205–219. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2013.04.019.

28. Скурыдин Ю. Г. Строение и свойства композиционных материалов, полученных из отходов древесины после взрывного гидролиза: дисс. … канд. техн. наук. Барнаул, 2000. 135 с. [Skurydin Yu.G. The Structure and Properties of Composite Materials Obtained From Waste Wood After Explosive Hydrolysis [Diss. ... cand. tech. sciences. : 05.23.05. [Barnaul] 2000. 147 p].

29. ГОСТ 10633–2018. Плиты древесно-стружечные и древесно-волокнистые. Общие правила подготовки и проведения физико-механических испытаний – Wood-shaving and wood-fiber plates. General regulations in testing physical and mechanical properties М.: Стандартинформ, 2018. 12 с.

30. Скурыдина Е.М. Разработка технологии композиционных материалов на основе древесины и полимерных наполнителей: дис. … канд. техн. наук. Барнаул, 2006. 170 с. [Skuridin E.M. Development of the Technology of Composite Materials Based on Wood and Polymer Fillers [Dis. ... cand. tech. sciences. [Barnaul] 2006. 170 p].

31. Silu Huang, Qiuni Fu, Libo Yan, Bohumil Kasal Characterization of interfacial properties between fibre and polymer matrix in composite materials –A critical review. Journal of Materials Research and Technology, 2021, Vol. 13, pp. 1441–1484 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.05.076.