К сожалению, всем нам известный и столь распространенный во всем мире пластик содержит вредные для здоровья человека вещества. Более того, в его производстве используются нефтепродукты. Однако до недавнего времени альтернативы этому дешевому материалу фактически не было. Конечно, новые конструкционные материалы появляются постоянно. Это клееная фанера, древесностружечные и древесноволокнистые плиты. Есть свои новинки и в бетонной индустрии, металлургии, стекольной промышленности. Тем не менее, по стоимости, а, значит, и доступности им все-таки далековато до пластика.

Вначале нового тысячелетия ученым удалось создать принципиально новый конструкционный материал, который в ближайшие десятилетия может практически полностью заменить привычный пластик. Это термопластичный древесно-полимерный композит (ДПКТ или ДПК), а в простонародье - «жидкое дерево». В его производстве используются первичное (вторичное) сырье ПП, ПЭ или ПВХ плюс древесные добавки (древесная мука, прочие растительные волокна) и вспомогательные присадки. Эффект превзошел все ожидания. Новейший материал не только экологичен (содержание серы сокращено на 90%), но и, сочетая в себе лучшие свойства дерева и пластмассы, сохранил относительно низкую себестоимость.

По оценкам экспертов, ежегодный рост продаж ДПК в мире составляет около 20%. Так что же это за чудо, которого так долго ждали архитекторы, конструкторы и производственники? Попробуем разобраться.

Применение и обработка

Благодаря своим свойствам древесно-полимерный композит отлично применяется в самых различных областях. Материалы отличаются однородностью и гладкостью поверхности, пластичностью, стойки к атмосферному и биологическому воздействию, а срок эксплуатации даже в жестких уличных условиях достигает 50 лет.

Всё это позволяет использовать ДПК в производстве различных архитектурных и строительных материалов: плинтусов, вагонки, подоконников, профилей, декоративных элементов, а также наполнителей.

Изготавливают из ДПК и готовые к использованию изделия: ламинат, напольные покрытия, мебельные листы, мебель, кабельные коробки, многокамерные оконные профили и даже декинг - профиль для изготовления причалов и пирсов.

Физико-механические свойства древесно-полимерного композита предоставляют широкие возможности для его обработки. Материал не теряет своей формы и прочности , приняв в себя до 4% влаги. Из него можно изготавливать облегченные, пустотелые вещи. Монтируется он как с помощью гвоздей и шурупов, так и на специальные защелки.

А ещё, ДПК можно фанеровать шпоном, ламинировать пленками и листовыми пластиками, красить любыми красками и лаками, получать различные декоративные эффекты, добавляя пигменты в композицию и пр.

Полученные из ДПК изделия легко поддаются механической обработке. Они легко пилятся, сверлятся, режутся, клеятся, свариваются друг с другом, гнутся (после предварительного нагрева горелкой), а, если в состав материала добавлена мука из мягких пород дерева или целлюлозосодержащие отходы, то это придает изделию ещё и повышенную пластичность.

Наконец, ДПК, помимо эстетичности, который ему придает внешний вид, приятен и для обоняния, обладая легким древесным запахом.

Технология производства

Для изготовления древесно-полимерного композита используется ряд компонентов. В первую очередь это, конечно, измельченное древесное или целлюлозосодержащее сырье. То есть это может быть не только древесина, но и кукуруза, рис, соя, солома, бумага, опилки и пр. Второй основной составляющей ДПК являются синтетические связующие. К ним относятся: полиэтилен, пропилен ПВХ и др. Остальные компоненты - это дополнительные добавки, состав которых варьируется в зависимости от предназначения будущего изделия. К наиболее распространенным относятся: красители, пигменты, антиоксиданты, противоударные модификаторы, свето- и термостабилизаторы, антипирены и антисептики для защиты от огня и гниения, гидрофобные добавки для устойчивы к сырости, вспенивающие агенты для снижения плотности ДПК.

Объем древесных частиц в материале может составлять от 30 до 70%, а их размер от 0,7 до 1,5 мм. Тонкие фракции используются в производстве готовых профилей, не требующих дополнительной обработки поверхности. Средние подходят под покраску или отделку шпоном. Грубые - для технических целей.

Объем синтетических связующи х также варьируется и может составлять от 2 до 55%. Зависит это опять же от предназначения будущего изделия. Что касается дополнительных добавок, то их объем в материале не превышает 15%.

Кстати, не так давно немецким разработчикам удалось изготовить «жидкое дерево» идеального качества . Специалисты института Фраунгофера создали его из лигнина. Этот материал получают из древесины. ДПК под названием Arboform является абсолютно не токсичным продуктом. Более того, если обычный древесно-полимерный композит можно перерабатывать 3-4 раза, то этот до 10 раз. К чему мы это? Дело в том, что в Китае индустрия по производству ДПК разрастается как нигде в мире. И, если в Европе и США созданные материалы проходят серию тестирований, то в Поднебесной себя этим не утруждают и поставляют на рынок, в том числе международный, продукт не самого лучшего качества.

Теперь об оборудовании для производства ДПК . В его стандартный состав входят: экструдер двухшнековый, фильера формовки, стол калибрации и охлаждения, тянущее устройство, отрезное устройство по длине, деление по ширине (при необходимости) и укладчик. Вся линия отличается компактностью, а управление ей, обычно, полностью автоматизировано. В комплектации некоторых моделей присутствуют также: мельница (измельчитель сырья) автозагрузчик сырья, и смеситель.

Производителями таких линий и модулей являются в основном китайские компании . Лидеры среди них - WPC, Zhangjiagang City Boxin Machinery и др. Качество техники достойного уровня, тем более, что основные узлы для них производятся европейскими машиностроительными заводами.

Материалы на основе нескольких компонентов, что обусловливает их эксплуатационные и технологичные характеристики. В основе композитов лежит матрица на основе металла, полимера или керамики. Дополнительное армирование выполняется наполнителями в виде волокон, нитевидных кристаллов и различных частиц.

За композитами - будущее?

Пластичность, прочность, широкая сфера применения - вот чем отличаются современные композитные материалы. Что это такое с точки зрения производства? Эти материалы состоят из металлической или неметаллической основы. Для усиления материала используются хлопья большей прочности. Среди можно выделить пластик, который армируется борными, углеродными, стеклянными волокнами, или алюминий, армированный стальными или бериллиевыми нитями. Если комбинировать содержание компонентов, можно получать композиты разной прочности, упругости, стойкости к абразивам.

Основные типы

Классификация композитов основана на их матрице, которая может быть металлической и неметаллической. Материалы с металлической матрицей на основе алюминия, магния, никеля и их сплавов обретают дополнительную прочность за счет волокнистых материалов или тугоплавких частиц, которые не растворяются в основном металле.

Композиты с неметаллической матрицей в основе имеют полимеры, углерод или керамику. Среди полимерных матриц наиболее популярны эпоксидная, полиамидная и фенолформальдегидная. Форма композиции придается за счет матрицы, которая выступает своеобразным связующим веществом. Для упрочнения материалов используются волокна, жгуты, нити, многослойные ткани.

Изготовление композитных материалов ведется на основе следующих технологических методов:

• пропитка армирующих волокон матричным материалом;
• формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы;
• холодное прессование компонентов с дальнейшим спеканием;
• электрохимическое нанесение покрытия на волокна и дальнейшее прессование;
• осаждение матрицы плазменным напылением и последующее обжатие.

Какой упрочнитель?

Во многих сферах промышленности нашли применение композитные материалы. Что это такое, мы уже сказали. на основе нескольких компонентов, которые обязательно упрочняются специальными волокнами или кристаллами. От прочности и упругости волокон зависит и прочность самих композитов. В зависимости от вида упрочнителя все композиты можно поделить:

• на стекловолокниты;
• карбоволокниты с углеродными волокнами;
• бороволокниты;
• органоволокниты.

Упрочнительные материалы могут укладываться в две, три, четыре и больше нити, чем их больше, тем прочнее и надежнее в эксплуатации будут композиционные материалы.

Древесные композиты

Отдельно стоит упомянуть древесный композит. Он получается посредством сочетания сырья разного типа, при этом в качестве основного компонента выступает древесина. Каждый древесно-полимерный композит состоит из трех элементов:

• частиц измельченной древесины;
• термопластичного полимера (ПВХ, полиэтилена, полипропилена);
• комплекса химических добавок в виде модификаторов - их в составе материала до 5 %.

Самый популярный вид древесных композитов - это композитная доска. Ее уникальность в том, что она объединяет в себе свойства и древесины, и полимеров, что существенно расширяет сферу ее применения. Так, доска отличается плотностью (на ее показатель влияет базовая смола и плотность древесинных частичек), хорошим сопротивлением на изгиб. При этом материал экологичный, сохраняет текстуру, цвет и аромат натурального дерева. Использование композитных досок абсолютно безопасно. За счет полимерных добавок композитная доска обретает высокий уровень износостойкости и влагостойкости. Ее можно использовать для отделки террас, садовых дорожек, даже если на них приходится большая нагрузка.

Особенности производства

Древесные композиты имеют особенную структуру за счет сочетания в них полимерной основы с древесиной. Среди материалов подобного типа можно отметить древесно-стружечные, разной плотности, плиты из ориентированной щепы и древесно-полимерный композит. Производство композитных материалов данного типа ведется в несколько этапов:

1. Измельчается древесина. Для этого используются дробилки. После дробления древесину просеивают и делят на фракции. Если влажность сырья - выше 15 %, его обязательно высушивают.
2. Дозируются и смешиваются основные компоненты в определенных пропорциях.
3. Готовое изделие прессуется и форматируется для обретения товарного вида.

Основные характеристики

Мы описали самые популярные полимерные композитные материалы. Что это такое, теперь понятно. Благодаря слоистой структуре есть возможность армирования каждого слоя параллельными непрерывными волокнами. Стоит отдельно сказать о характеристиках современных композитов, которые отличаются:

• высоким значением временного сопротивления и предела выносливости;
• высоким уровнем упругости;
• прочностью, которая достигается армированием слоев;
• за счет жестких армирующих волокон композиты обладают высокой стойкостью к напряжениям на разрыв.

Композиты на основе металлов отличаются высокой прочностью и жаропрочностью, при этом они практически неэластичны. За счет структуры волокон уменьшается скорость распространения трещин, которые иногда появляются в матрице.

Полимерные материалы

Полимерные композиты представлены в многообразии вариантов, что открывает большие возможности по их использованию в разных сферах, начиная от стоматологии и заканчивая производством авиационной техники. Наполнение композитов на основе полимеров выполняется разными веществами.

Наиболее перспективными сферами использования можно считать строительство, нефтегазовую промышленность, производство автомобильного и железнодорожного транспорта. Именно на долю этих производств приходится порядка 60 % объема использования полимерных композиционных материалов.

Благодаря высокой устойчивости полимерных композитов к коррозии, ровной и плотной поверхности изделий, которые получаются методом формования, повышается надежность и долговечность эксплуатации конечного продукта.

Рассмотрим популярные виды

Стеклопластики

Для армирования этих композиционных материалов используются стеклянные волокна, сформованные из расплавленного неорганического стекла. Матрица основывается на термоактивных синтетических смолах и термопластичных полимерах, которые отличают высокая прочность, низкая теплопроводность, высокие электроизоляционные свойства. Изначально они использовались при производстве антенных обтекателей в виде куполообразных конструкций. В современном мире стеклопластики широко применяются в строительной сфере, судостроении, производстве бытового инвентаря и спортивных предметов, радиоэлектронике.

В большинстве случаев стеклопластики производятся на основе напыления. Особенно эффективен этот метод при мелко- и среднесерийном производстве, например корпусов катеров, лодок, кабин для автомобильного транспорта, железнодорожных вагонов. Технология напыления удобна экономичностью, так как не требуется раскраиваться стекломатериал.

Углепластики

Свойства композитных материалов на основе полимеров дают возможность использовать их в самых разных сферах. В них в качестве наполнителя используются углеродные волокна, получаемые из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, пеков. Волокно обрабатывается термически в несколько этапов. По сравнению со стеклопластиками углепластики отличаются более низкой плотностью и более высоким при легкости и прочности материала. Благодаря уникальным эксплуатационным свойствам углепластики находят применение в машино- и ракетостроении, производстве космической и медицинской техники, велосипедов и спортивных принадлежностей.

Боропластики

Это многокомпонентные материалы, в основе которых лежат борные волокна, введенные в термореактивную полимерную матрицу. Сами волокна представлены мононитями, жгутами, которые оплетаются вспомогательной стеклянной нитью. Большая твердость нитей обеспечивает прочность и стойкость материала к агрессивным факторам, но при этом боропластики отличаются хрупкостью, что осложняет обработку. Борные волокна стоят дорого, поэтому сфера применения боропластиков ограничена в основном авиационной и космической промышленностью.

Органопластики

В этих композитах в качестве наполнителей выступают в основном синтетические волокна - жгуты, нити, ткани, бумага. Среди особенных свойств этих полимеров можно отметить низкую плотность, легкость по сравнению со стекло- и углепластиками, высокую прочность при растяжении и высокое сопротивление ударам и динамическим нагрузкам. Этот композиционный материал широко используется в таких сферах, как машино-, судо-, автостроение, при производстве космической техники, химическом машиностроении.

В чем эффективность?

Композитные материалы за счет уникального состава могут использоваться в самых разных сферах:

• в авиации при производстве деталей самолетов и двигателей;
• космической технике для производства силовых конструкций аппаратов, которые подвергаются нагреванию;
• автомобилестроении для создания облегченных кузовов, рам, панелей, бамперов;
• горной промышленности при производстве бурового инструмента;
• гражданском строительстве для создания пролетов мостов, элементов сборных конструкций на высотных сооружениях.

Использование композитов позволяет увеличить мощность двигателей, энергетических установок, уменьшая при этом массу машин и оборудования.

Какие перспективы?

По мнению представителей сферы промышленности России, композиционный материал относится к материалам нового поколения. Планируется, что к 2020 году вырастут объемы внутреннего производства продукции композитной отрасли. Уже сейчас на территории страны реализуются пилотные проекты, направленные на разработку композитных материалов нового поколения.

Применение композитов целесообразно в самых разных сферах, но наиболее эффективно оно в отраслях, связанных с высокими технологиями. Например, сегодня ни один летательный аппарат не создается без использования композитов, а в некоторых из них используется порядка 60 % полимерных композитов.

Благодаря возможности совмещения различных армирующих элементов и матриц можно получить композицию с определенным набором характеристик. А это, в свою очередь, дает возможность применять эти материалы в самых разных сферах.

Предназначенных для производства простых деталей, используемых для бытовых нужд, и элементов сложных машин и механизмов. В частности, прочный и легкий материал служит для изготовления корпусов яхт, обвеса автомобилей и мотоциклов, обшивки летательных аппаратов.

Стеклопластик состоит из армирующего элемента, стеклоткани, и заполнителя, полимерной смолы. Стеклоткань является совокупностью упорядоченных особым образом волокон, пропитанных эпоксидной смолой . В зависимости от толщины материал может иметь вес квадратного метра от 300 до 900 грамм.

Метод ручного формования

В современном промышленном производстве используются различные технологии изготовления стеклопластика.

Для создания деталей из стеклопластика своими руками наиболее подходящим является метод ручного формования. Технология производства работ не предусматривает применения сложного оборудования и дорогостоящих материалов.

Для того чтобы изготовить стеклопластик своими руками методом ручного формования необходимо последовательно выполнить следующие этапы работ:

• выбор материалов;
• раскрой стеклоткани;
• создание разделительного слоя в матрице;
• создание покрывного слоя;
• укладка стеклоткани в матрицу;
• нанесение полимерного состава;
• повторение двух предыдущих этапов необходимое количество раз (в зависимости от толщины изделия);
• высыхание изделия;
• извлечение изделия из формы;
• окончательная обработка (в случае необходимости).

Главной особенностью метода ручного формования является высокая степень зависимости качества готовой детали от уровня мастерства исполнителя. Для того чтобы получить наиболее полное представление об изготовлении своими руками, необходимо рассмотреть каждый из этапов подробно.

Выбор материалов

Тип материала матрицы принимается в зависимости от количества серийно изготавливаемых деталей. Для одноразовой формовки матрицу допускается изготавливать из гипса. Если требуется изготовить более тысячи образцов, заказывают стальную матрицу. В домашних условиях матрицей часто служит слепок с оригинальной модели. Слепок удобнее всего изготовить также из стеклопластика по технологии, описанной выше.

Выбор типа стеклоткани зависит от требований, предъявляемых к прочностным и эстетическим характеристикам готового изделия. Ткань с тонкими волокнами придаст поверхности гладкий, глянцевый вид, а применение грубой стеклоткани обеспечит высокие показатели прочности.

Состав полимерной смолы также определяется исходя из назначения и условий эксплуатации детали. Полимерный заполнитель отвечает за такие технические характеристики стеклопластика, как:

• цвет изделия;
• степень водонепроницаемости;
• диапазон рабочих температур;
• подверженность влиянию химических реагентов и сред;
• восприимчивость к ультрафиолетовому излучению;
• уровень хрупкости, мягкости, ударопрочности изделия.

Подготовка стеклоткани

Раскрой стеклоткани выполняют по шаблону, изготовленному из плотного картона по размерам матрицы. Если изделие имеет сложную форму, допускается, в порядке исключения, использовать раскрой стеклоткани, состоящий из нескольких отдельных элементов.

В зависимости от толщины детали готовится необходимое количество слоев материала , которые складируются в удобном, легкодоступном месте, в порядке их формования в матрице. Если между процессами раскроя стеклоткани и формования изделий предусматривается перерыв в несколько дней, необходимо строго соблюдать условия хранения материала.

Разделительный слой

Разделительный слой, наносимый на поверхность формы матрицы, служит для обеспечения возможности безопасного извлечения готового изделия после набора им прочности. В качестве материала, из которого выполняется разделительный слой, часто применяется гель или автовоск.

Покрывной слой

Для укладки покрывного и последующих слоев стеклопластика применяется эпоксидная или полиэфирная смола. Компоненты смешиваются и настаиваются согласно технологическому регламенту завода-изготовителя. Приготовленный состав должен быть использован в течение 15 минут, в связи с чем, для каждого последующего слоя смола готовится заново.

Покрывной слой является первым слоем, укладываемым в матрицу и, одновременно, верхним, защитным слоем изделия. Его толщина должна составлять не более 0,4 мм во избежание появления трещин в процессе сушки. Процесс высыхания покрывного слоя длится до превращения его в студенистую липкую массу.

Укладка стеклоткани и пропитка смолой

После достижения необходимой консистенции покрывного слоя производится укладка раскроя стеклоткани в форму матрицы. Первый слой стеклоткани является наиболее тонким (300 г/м2), что обеспечивает максимально гладкую поверхность изделия.

Стеклоткань должна в точности повторять все изгибы формы матрицы без отслоений и образования воздушных пазух.

После укладки на стеклоткань наносят слой полимерной смолы, и образовавшуюся форму укатывают специальным валиком с целью более качественной пропитки и выдавливания пузырьков воздуха. Следующий слой стеклоткани укладывают, не дожидаясь высыхания смолы. Затем повторяется процесс приготовления и нанесения полимерного состава.

В зависимости от толщины и необходимой прочности изделия формуется различное количество слоев стеклоткани и пропитки. В качестве последнего слоя применяется стекловойлок или тонкая отделочная стеклоткань.

Извлечение из формы и окончательная обработка

Извлечение изделия из матрицы необходимо производить после набора материалом прочности во избежание его деформации и расслоения. В обычных условиях время высыхания стеклопластика составляет от 12 до 24 часов. Сократить это время можно путем прогрева матрицы инфракрасным излучателем, или поместив ее в сушильную камеру.

Окончательная обработка включает в себя обрезку и шлифовку краев изделия.

В случае необходимости, изделие может быть окрашено в нужный цвет краской на основе. Готовые материалы могут быть склеены друг с другом при помощи полимерных клеевых составов.

Правила выполнения работ

Для получения качественных изделий из стеклопластика , при производстве работ необходимо учитывать следующее:

• поверхности матрицы и емкостей для приготовления полимерной смолы должны быть чистыми;
• воздушные пузыри, которые не удалось выдавить валиком, необходимо удалить при помощи надреза лезвием;
• используемые инструменты (валики, кисти), а также емкости для смешивания компонентов необходимо сразу же после использования промывать ацетоном для удаления остатков смолы;
• температура в рабочем помещении не должна быть ниже 20 градусов для соблюдения правильной технологии процесса полимеризации смолы;
• компоненты полимера могут иметь токсичные испарения, поэтому работы необходимо производить в хорошо вентилируемом помещении;
• для защиты рук следует использовать перчатки;
• в помещении запрещается курить и пользоваться открытыми источниками пламени.

Хорошо объясняет, как изготовить стеклопластик своими руками видео ниже. В качестве примера автор видео изготавливает «реснички» для фар автомобиля.