Kompozitni materijali na osnovi drva i polimera – 1. dio

Naziv woodplastic ili wood plastic composite (WPC) definira kompozitni materijal koji sadrži drvo (u bilo kojem obliku) i termoplastične polimere (thermoplastic polymers) ili termostabilne polimere (thermoset poly­mers). Termoplastični polimeri su tvari koje nakon oč­vršćivanja mogu biti ponovno omekšane zagrijavanjem, za razliku od termostabilnih polimera. Prva se drvoplas­tika pojavila početkom 20. st. a u proizvodnji su se upo­trebljavali termostabilni polimeri za razliku od danas kada se rabe termoplastični polimeri.

Jedan od prvih proizvoda nazivao se bakelit (trgovačko ime) i bio je napravljen od pfenolformaldehida i piljevine. Prva ko­mercijalna upotreba ovog materijala bila je 1916. godine kada je uporabljen kao premaz mjenjača na automobili­ma Rolls Royce [1]. Općenito, termoplastici se nalaze u mnogim proizvodima kojima se svakodnevno koristimo, kao npr. kutijama za mlijeko i vrećicama za namirnice. Za termoplastične kompozite karakterističn
o je golemo povećanje tržišta u proteklih nekoliko godina. Kada go­vorimo o modernoj drvoplastici uvijek riječ plastika (wood plastics) zapravo označava termoplastične kom­pozite. Nastanak industrije drvoplastike obilježen je spa­janjem i povezivanjem dviju industrija koje su povijesno vrlo malo znale jedna o drugoj. Drvna je industrija ima­la veliko iskustvo u proizvodnji elemenata od drva i me­todama koje su za to potrebne (piljenje, obrada, lijeplje­nje). S druge strane, industrija plastike ima golemo is­kustvo u proizvodnji plastike i procesima proizvodnje (izvlačenje, valjanje, komprimiranje). Zbog toga ne za­čuđuje podatak da su prvi proizvođači drvoplastike bile kompanije koje su proizvodile prozore i zbog toga imale određeno iskustvo rada s obje tehnologije. Unatoč činje­nici da se drvoplastika počela proizvoditi već početkom 20. st., glavni rast započinje tek nedavno – 1983. godine kada američka kompanija American Woodstock počinje proizvoditi panele za automobilsku industriju. Koriste se polipropilenom (PP) sa smjesom od 50% mljevenog drva (wood flour). Ovaj se proizvod smatra začetkom nove ere u proizvodnji drvoplastike. Početkom 1990. godine Advanced Environmental Recycling Technolo­gies i odjel Mobil Chemical Company počinju proizvo­diti proizvode sličnoga kemijskog sastava. Proizvode različite stolove za kućanstva, industrijske stolove, pro­zore i vrata. U to vrijeme Strandex Corporation patentira tehnologiju za izravno izvlačenje elemenata od drvoplas­tike. Važnost ovog patenta očituje se u činjenici da se konačni proizvod može dobiti bez dodatnog mljevenja i oblikovanja. Od sredine 90-ih godina drastično se pove­ćava upotreba drvoplastike. U Sjevernoj Americi 67 kompanija proizvodi kompozitne elemente, svake se go­dine proizvodnja povećava za 10-14 %. Veliko poveća­nje potražnje, pa samim time i proizvodnje kompozita, zahvatilo je SAD početkom 21. st., dok je tržište u Europi i Japanu još relativno nerazvijeno, no očekuje se velika ekspanzija. U SAD-u se očekuje da će EPA (Environ­mental Protection Agency) zabraniti zaštitu drva s  pre­mazima na osnovi kroma, bakra i arsena (Chrome Copper Arsenate, CCA), što će otvoriti put alternativnim mate­rijalima kao što je drvoplastika. Važnost novog materi­jala brzo je uočila i akademska zajednica te je već 1991. godine održana First International Conference on Wood­fiber Plastic Composites s idejom približavanja istraži­vača i industrije s područja drva i plastike. Svake godine broj se sudionika na konferenciji povećavao, da bi već 2003. godine na sedmoj konferenciji u Madisonu bilo prisutno više od 400 sudionika. Vrijednost godišnje pro­izvodnje drvoplastike-a u SAD-u procjenjuje se na 3 mi­lijarde američkih dolara.

2    Struktura drvoplastike

2.1  Mljeveno drvo (piljevina)

Najčešći je oblik drva u drvoplastici- piljevina (wood flour). U kompozitu se uglavnom nalazi oko 50 % drva, no postoje kompoziti s vrlo malom količinom drva, a s druge strane u nekim je proizvodima drvo zastupljeno s čak 70 %. Mala cijena i dostupnost vrlo su važan element kada govorimo o mljevenom drvu. Od vrsta drva koristi se bor, javor i hrast. Kompanije nabavljaju ovu sirovinu najčešće izravno od proizvođača (pilana, proizvođača namještaja). U većini slučajeva radi se o otpadnom pro­izvodu ili višku koji tim proizvođačima nije potreban ili ga ne mogu na adekvatan način iskoristiti. Tek u novije vrijeme dolazi do razvoja kompanija čija je osnovna dje­latnost proizvodnja mljevenog drva za potrebe proizvod­nje drvoplastike. Piljevina je obično sušena i eventualno dodatno usitnjena, odnosa duljina/promjer od 2:1 do 4:1. Postoje različite frakcije od 50-100, 100-200, 200-450 te 250-700 μm. Vlažnost (zbog procesa proizvodnje) ne smije biti veća od 8 %.

2.2  Drvena vlakna

Drvena su vlakna (wood fibers) drugi mogući oblik drva u kompozitu. Do sada se drvena vlakna nisu često rabi­la, no najnovija su istraživanja pokazala da elementi ko­ji sadrže drvena vlakna imaju bolje mehaničke karakte­ristike. Smatra se da će ovi proizvodi, zbog svoje cijene i relativno kompliciranog procesa proizvodnje, zauzeti svoje mjesto samo u područjima gdje je potrebna velika nosivost. Drvena su vlakna dobivena kemijskom ili ter­momehaničkom obradom drva. Vlakna imaju odnos du­ljina/promjer od 10:1 do 20:1. Prednost vlakana su veća krutost, dok su mane smanjena otpornost na udarce i te­že vezanje s polimerom [1].

2.3  Termoplastična matrica

Od ukupne količine polimera koji se rabe u proizvodnji drvoplastike oko 83 % otpada na polietilen (PE), na po­lipropilen (PP) 9 %, oko 7 % na polivinilklorid (PVC), dok su 1 % ostali spojevi.[1] i [2].

Polietilen (PE) – najčešći materijal koji se rabi pri pro­izvodnji, bilo da se radi o čistom (eng. virgin) ili recik­liranom obliku. Ima vrlo dobra toplinska svojstva. Upo­trebljavaju se svi tipovi polietilena neovisno o gustoći (polietilen male gustoće – LDPE, polietilen srednje gus­toće – MDPE, polietilen velike gustoće – HDPE).

Polipropilen (PP) – manje se rabi jer zahtijeva puno više dodataka od polietilena zbog lošije toplinske stabilnosti i više točke omekšanja. Udarna je čvrstoća elemenata od PP manja od elemenata od PE.

Polivinilklorid (PVC) – najčešći oblik polimera upotreb­ljava se u svakodnevnom životu. Ima temperaturu omekša­nja od 150 ^oC što ga čini vrlo prikladnim za upotrebu. Posljednjih se godina bilježi stalno povećanje udjela ovih polimera pri proizvodnji drvoplastike [2]. Od ostalih po­limera rabi se još i polistiren (PS).

2.4  Ostali materijali (dodaci)

Drvo i plastika nisu jedine komponente drvoplastike. U proizvodnom procesu potrebne su male količine drugih spojeva – dodataka. Većina je ovih spojeva široj javnos­ti nedostupna i nepoznata jer svaki proizvođač patentom štiti svoj proizvod i tehnološki proces. Od dodataka se rabe veziva, stabilizatori, boje, maziva , fungicidi itd. Posebnu ulogu u proizvodnji drvoplastike imaju kompa­tibilizatori (compatibilizers). Drvo je hidrofilno, a termo­plastici hidrofobni te je kompatibilizator često potreban da se ostvari dobra veza između ovih dvaju različitih materijala. Najčešći je anhidrid maleinske (dikarboksil­ne) kiseline (Maleic anhydride grafted polypropylene, MAPP ).  Ovaj kompatibilizator djeluje s pomoću dva različita mehanizma. Prvo, anhidrid reagira s hidroksid­nom skupinom lignoceluloze i formira ester, tako da PP polimer koji je „pričvršćen“ na anhidrid ulazi u PP ili PE vezu. U drugoj fazi dolazi do reakcije PP-a s MAPP-om. Ovaj je kemijski proces shematski prikazan na slikama 2. i 3. Većina se autora slaže da je put k boljim

mehaničkim karakteristikama drvoplastike upravo rješe­nje problema kompatibilnosti između drva i polimerne matrice. Do sada su mnogi istraživači napravili mikro­mehaničke modele vlakno/polimer. Unatoč tome što su njihova istraživanja vrijedna i otvaraju nove mogućnosti, ne mogu odgovoriti na pitanje koja je važnost veličine čestica i njihove varijabilnosti na mehaničke parametre. Detaljne analize ovog problema, koristeći se najnovijim metodama digitalne fotografije, napravljene su u radu [3].

3    Proizvodnja i proizvodi

Industrija polimera rabila je talk, kalcijev karbonat i staklena vlakna kao dodatak polimerima. Godišnje se potroši oko 2,5 milijuna tona ovih materijala. Prijelaz na uporabu drva ili drvenih masa bio je dugotrajan, ponaj­prije zbog male mase drva, niske toplinske stabilnosti i tendencije upijanja vlage. Glavni problem u procesu pro­izvodnje bila je činjenica da je temperatura omekšanja polimera vrlo visoka s obzirom na drvo. Također posto­ tak vlažnosti od 1-2 % u industriji polimera smatra se vrlo visokim, što je u drvnoj industriji nezamislivo. Ure­đaji koji se rabe u proizvodnji polimera nisu prikladni za rad s drvom.  U proteklih 15-ak godina situacija se bitno

promijenila. Interesi tržišta, bolje poznavanje obaju materijala, te napredak u proizvodnom procesu dovode do veće i efikasnije proizvodnje drvoplastike. Proiz­vođači shvaćaju da je drvoplastika dobar način da se po­veća trajnost drva, a s druge strane smanji potreba održava­nja od strane korisnika. Zbog ograničene toplinske sta­bilnosti drva, većina termoplastike koja se upotrebljava

ima temperaturu omekšanja nižu od  200 ^oC. Proizvod­nja drvoplastike obično teče u dvije faze. U prvoj se fazi sirovine miješaju zajedno (compounding). Na slici 4. pri­kazan je tipičan uređaj za miješanje smjese drvoplastike odnosno vezivanje mljevenog drva ili vlakanaca u talje­nu termoplastičnu matricu. U ovoj se fazi unose, disper­giraju te miješaju sirovine i dodaci. Postoje različiti na­čini miješanja ovisno o tipu konačnog proizvoda te mo­gućnostima i opremljenosti proizvođača. Od formirane se smjese u posebnim prešama ili kalupima stvara gotov proizvod. U drugoj se fazi oblikuje proizvod. Smjesa može biti odmah oblikovana ili oblikovana samo za daljnju preradu. Mogući načini oblikovanja proizvoda su: prolaz smjese kroz posebne kalupe (sheet ili profile extrusion), kalupi za oblikovanje (mold), injekcijsko ubrizgavanje u kalupe (injection molding), oblikovanje tlakom između dvaju kalupa (thermoforming and com­pression molding). Slika 4. prikazuje uređaj za obliko­vanje proizvoda na Sveučilištu u Mainu. Radi se o ure­đaju u kojem se rastaljena smjesa pod tlakom propušta kroz posebno oblikovane otvore da bi se postigao želje­ni oblik. Povećani interes tržišta za drvoplastiku prati i industrija tako da je dosad napravljen i usavršen velik broj strojeva za miješanje, izvlačenje, sušenje, dozira­nje, hlađenje itd. Na slici 5. su prikazani tipični elementi koji su dobiveni izvlačenjem. Tablica 1. prikazuje različi­te proizvode od drvoplastike [2].