KOMPOZYTOWE PROFILE WIELOKOMOROWE NA OSNOWIE POLICHLORKU WINYLU Z DODATKIEM DREWNIANYCH TROCIN NA TARASY I POMOSTY

Transkrypt

1 Łukasz ŁUKASIK 1), Grzegorz JANKOWSKI 1), Stanisław KUCIEL 2), Aneta LIBER-KNEĆ 2) 1) ProDeck Wieliczka 2) Politechnika Krakowska, Zakład Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki stask@mech.pk.edu.pl KOMPOZYTOWE PROFILE WIELOKOMOROWE NA OSNOWIE POLICHLORKU WINYLU Z DODATKIEM DREWNIANYCH TROCIN NA TARASY I POMOSTY Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badań podstawowych właściwości mechanicznych profili wielokomorowych wytwarzanych z polichlorku winylu i trocin tartacznych z przeznaczeniem na systemy tarasowe. Badane profile charakteryzują się wysoką wytrzymałością i sztywnością w całym zakresie temperatur i spełniają wymogi aprobat technicznych odnośnie desek tarasowych wykonanych z PVC. MULTI CHAMBER COMPOSITE PROFILES BASED ON POLYVINYL CHLORIDE FILLED WITH WOODEN SAWDUST APPLIED AS TERRACES PROFLILES AND PLATFORMS Summary. Test results of basic mechanical properties of multi chamber profiles based on polyvinyl chloride filled with sawdust applied as terraces profiles has been presented. Tested profiles have high strength and stiffness in whole range of temperature and fulfill requirements of technical approvals for PVC composites profiles. 1. WSTĘP Kompozyty na osnowie polimerów termoplastycznych z dodatkiem włókien drzewnych (WPC wood plastic composites ) są grupą materiałów rozwijającą się dynamicznie szczególnie w Ameryce Północnej, Chinach, Japonii oraz Niemczech. W 2009 roku światowa produkcja WPC wyniosła ponad 1,5 miliona ton, z czego w Ameryce Północnej wyprodukowano około 1 mln ton, Chinach 200 tys. ton, Japonii 100 tys. ton, a lider

2 292 Ł. Łukasik, G. Jankowski, S. Kuciel, A. Liber-Kneć na rynku europejskim Niemcy wyprodukowały 70 tys. ton. Największy rynek produkcji kompozytów WPC stanowią Stany Zjednoczone, gdzie produkuje się profile desko podobne do zastosowań na zewnątrz, np. werandy, tarasy, schody, w których kompozyty te zastępują deski drewniane. W Niemczech głównym obszarem zastosowania kompozytów WPC jest przemysł motoryzacyjny (np. panele drzwiowe, tablice rozdzielcze) oraz również pokrycia podłóg, gdzie deski z kompotów WPC stają się alternatywą dla drewna egzotycznego. Produkcja elementów z kompozytów polimerowych z włóknami drzewnymi jest bardziej zróżnicowana w Chinach, gdzie produkuje się profile okienne, drzwi, ławki w parkach, doniczki, systemy termicznej izolacji [1]. Jedną z przyczyn dynamicznego rozwoju produkcji kompozytów WPC są dobre właściwości otrzymywanych produktów, wynikające z korzystnego połączenia cech składników kompozytu polimeru i drewna. Wyroby wykonane z kompozytów polimerowodrzewnych charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi, wyższą sztywnością i niższą nasiąkliwością wodą w porównaniu z drewnem, płytami OSB czy MDF. Dużą zaletą WPC jest ich lepsza odporność na czynniki środowiskowe w porównaniu z drewnem i materiałami drewnopochodnymi. Na osnowę kompozytów polimerowo-drzewnych stosuje się najczęściej wielkotonażowe polimery: poliolefiny (PE, PP) oraz polichlorek winylu. Wybiera się takie polimery, których temperatura przetwórstwa jest niższa od temperatury degradacji drewna (ok. 220 C). Napełniacz drzewny stosowany do wytwarzania kompozytów polimerowo-drzewnych może pochodzić z odpadów powstających w trakcie obróbki drewna (np. odpad potartaczny) z drzew iglastych (sosna, świerk) lub rzadziej liściastych (dąb, klon). Taki napełniacz ma wielkość wyrażaną w milimetrach trociny, wióry. Na rynku działają również firmy produkujące napełniacze drzewne (np. Rettenmaier&Sohne) metodą fragmentacji większych kawałków drewna. Ich wielkość wyrażana jest w mikrometrach, a napełniacz ma postać mączki drzewnej lub pyłu [2-5]. Celem pracy była ocena właściwości mechanicznych profili wielokomorowych wykonanych z polichlorku winylu i drewnianych trocin z przeznaczeniem na systemy tarasowe. 2. PROFILE WIELOKOMOROWE Przedmiotem badań były dwa rodzaje profili kompozytowych: deska tarasowa i sztacheta pozioma wytwarzane metodą wytłaczania z kompozytu na osnowie polichlorku winylu napełnianego od 40-50% masowo trocinam tartacznymi. Producentem innowacyjnych profili wg własnej receptury i na zaprojektowanej przez siebie linii produkcyjnej jest firma ProDeck z Wieliczki. Pełny system desek tarasowych składa się z legarów, desek, listw

3 Kompozytowe profile wielokomorowe wykończeniowych i klipsów łączących (tab. 1.). Technologia produkcji polega na wytłaczaniu wcześniej przygotowanego dryblendu w procesie bezpośrednim. Po przejściu przez specjalnie ukształtowaną głowicę profil jest kalibrowany i chłodzony w kąpieli wodnej. Następnie trafia do odciągu, po czym jest cięty na deski o odpowiedniej długości. Nazwa badanego wyrobu Deska tarasowa System desek tarasowych produkowanych przez firmę ProDeck Schemat przekroju Tabela 1 Wymiary [mm] szerokość/wysokość/długość 145 x 29 x 2400 Legar 48 x 38 x 2000 Sztacheta pionowa Sztacheta pozioma Listwa wykończeniowa 90 x 12 x x 20 x x 6 x METODYKA BADAŃ Dla oceny właściwości kompozytów PVC z trocinami drzewnymi próby statycznego rozciągania wg PN-EN ISO na próbkach wyciętych z profili (wymiary przekroju: sztacheta-5,0x12,0 mm, deska tarasowa-4,7x11,0 mm) przy użyciu maszyny wytrzymałościowej firmy MTS Insight 50 w zakresie temperatury od -23 do +60 o C. Oznaczono wytrzymałość na rozciąganie, moduł sprężystości i odkształcenie przy zerwaniu. Właściwości przy zginaniu oznaczono wg PN-EN ISO 178:2003 zginanie trójpunktowe na profilach o długości 350 mm przy użyciu maszyny wytrzymałościowej firmy MTS Insight 50 i rozstawie podpór 300 mm w zakresie temperatury od -23 do +60 o C. Chłonność wody przez badane kompozyty oznaczono wg PN-EN ISO 62:2000 na podstawie pomiarów masy profili suchych i po moczeniu w wodzie o temperaturze 23 o C przez 14 dni. Udarność oznaczono na próbkach o wymiarach sztacheta-5,0x12,0 mm, deska tarasowa-4,7x11,0 mm na podstawie pomiaru pracy złamania na młocie udarowym Zwick HIT5.5P w zakresie temperatury od -23 do +60 o C zgodnie z PN-EN ISO 179.

4 294 Ł. Łukasik, G. Jankowski, S. Kuciel, A. Liber-Kneć 4. WYNIKI BADAŃ Gęstość badanych profili wynosi ok. 1,3 do 1,4 g/cm 3 i jest prawie trzykrotnie wyższa od gęstości suchych desek sosnowych, niemniej pole powierzchni przekroju poprzecznego profilu jest ponad trzykrotnie mniejsze, co przy mniejszej nasiąkliwości czyni 1 mb profilu lżejszy od deski sosnowej o porównywalnej wytrzymałości. Porównanie modułu sprężystości, wytrzymałości na rozciąganie oraz odkształcenia przy zerwaniu pokazało, iż dla obydwu badanych elementów deski tarasowej oraz sztachety poziomej wartości oznaczanych parametrów są podobne (rys. 1-3). Podwyższenie temperatury badania spowodowało niewielki, ok. 10% spadek modułu sprężystości i ok. 25% spadek wytrzymałości na rozciąganie. Rys.1. Moduł sprężystości dla badanych profili kompozytowych Fig.1. Elasticity modulus for composite profiles Rys.2. Wytrzymałość na rozciąganie dla badanych profili kompozytowych Fig.2. Tensile strength for composite profiles

5 Kompozytowe profile wielokomorowe Rys.3. Odkształcenie przy zerwaniu dla badanych profili kompozytowych Fig.3. Strain at break for composite profiles Temperatura badania i moczenie profilu w wodzie nie ma istotnego wpływu na odkształcenie profil w trakcie zginania (rys. 4-5), wpływa natomiast na wytrzymałość i moduł sprężystości oznaczony na podstawie krzywych zginania (tab. 2). Najwyższą wytrzymałością na zginanie charakteryzuje się sztacheta badana w temperaturze ujemnej ok. 42 MPa, jej wytrzymałość na zginanie jest zbliżona do wytrzymałości drewna sosnowego [6]. W temperaturze pokojowej wytrzymałość na zginanie wynosi ok. 27 do 31 MPa. Rys.4. Krzywe zginania dla kompozytowej deski tarasowej Fig.4. Bending curves for composite terrace profile Rys.5. Krzywe zginania dla kompozytowej sztachety poziomej Fig.5. Bending curves for composite horizontal pale

6 296 Ł. Łukasik, G. Jankowski, S. Kuciel, A. Liber-Kneć Wyniki próby zginania dla badanych profili Tabela 2 profil warunki P max [N] f max [mm] σ g [MPa] E g [MPa] deska sztacheta -23 C ,28 32, C ,54 27, C ,90 18, dzień woda ,94 26, C ,85 42, C ,75 31, C ,17 23, dzień woda ,15 30, Rys.6. Udarność bez karbu dla badanych profili kompozytowych Fig.6. Un-notched impact strength for composite profiles Chłonność wody badanych profili rośnie z czasem ich moczenia i po 14 dniach osiąga wartość ok. 4,7%. Chłonność wody oznaczana dla próbek kompozytów PVC z 40% dodatkiem sosnowej maczki drzewnej po około trzech miesiącach na poziomie 6,2% [4]. Rys.7. Chłonność wody dla badanych profili kompozytowych Fig.7. Water absorption vs. soaking period for composite profiles

7 Kompozytowe profile wielokomorowe WNIOSKI Badane profile charakteryzują się wysoką wytrzymałością i sztywnością w całym zakresie temperatur i spełniają wymogi aprobat technicznych odnośnie desek tarasowych wykonanych z PCW. Dobrze zaprojektowany profil główny czyli deska tarasowa ulega zniszczeniu dopiero przy sile prawie 600 kg dla podpór o szerokości30 cm. Na podkreślenie zasługuje wysoka i stała udarność deski tarasowej w całym badanym zakresie temperatur eksploatacji. Niska chłonność wody i wytrzymałość w temperaturach obniżonych na poziomie wytrzymałości desek sosnowych predysponują tego typu profile do wytwarzania systemów zewnętrznych w różnych formach architektonicznych. Główną zaletą tego typu profili jest ich duża odporność na działanie czynników środowiskowych w porównaniu do materiałów drewnopochodnych i drewna. Możliwość malowania, okleinowania, laminowania ich powierzchni oraz barwienia w masie podczas procesu wytłaczania kolejną zaletę tych materiałów. Deski tarasowe można też w bardzo prosty sposób łączyć za pomocą śrub i zaproponowanego przez producenta systemu tarasowego lub ogrodzeniowego. BIBLIOGRAFIA 1. Press release from the Nova-Institut GmbH, Huerth, Germany, 3rd December 2009, 2. Błędzki A.K., Faruk O., Mamun A.A.: Polimery 2008, 53, Błędzki A.K., Letman M., Tanczos I., Putz R., Acetylation and coupling agent effect of wood fibre on the physical and mechanical properties of WPC. 6th Global Wood and NaturalFibre Composites Symposium, Kassel (P 26-1), Kuciel S. (red), Kompozyty polimerowe na osnowie recyklatów z włóknami naturalnymi, Politechnika Krakowska Zajchowski S., Polimery 2005, 50, Ashby M.F., Jones D.R.H., Materiały inżynierskie, WNT, Warszawa 1996.