Drevoplastové kompozity

Kompozity, ktoré kombinujú drevo a plasty, sú známe približne od začiatku 20. storočia. Prvý kompozit pozostával z drevnej múčky a fenolformaldehydovej živice.

Drevotermoplastické kompozity, ktoré kombinujú drevnú múčku, príp. iný prírodný vláknitý materiál ako plnivá s termoplastickou matricou, sa nazývajú drevoplastové kompozity (Wood-Thermoplastic Composites alebo Wood-Polymer Composite – WPC). Lignocelulóza sa pri výrobe termoplastov používa na zníženie ceny a zároveň zlepšenie mechanických vlastností. Záujem o opätovné používanie týchto materiálov koncom minulého storočia spôsobila pravdepodobne rastúca cena plastov a väčšia snaha používať obnoviteľné zdroje.

Plasty sa rozdeľujú na:

• termosety, ktoré po vyrobení nemožno roztaviť opätovným zahriatím. Zahŕňajú fenolické a epoxidové živice;
• termoplasty, ktoré možno opakovane taviť. Ich typickými zástupcami používanými pri výrobe drevoplastových kompozitov sú polyetylén (PE), polypropylén (PP), polymér kyseliny mliečnej (PLLA) a polyvinylchlorid (PVC).

Materiál na výrobu drevoplastového kompozitu môžeme rozdeliť do troch skupín:

• drevná časť,
• polymér,
• aditíva.

Drevná múčka sa vyrába z pilín, prachu a odrezkov produkovaných pri spracovaní dreva. Na jej výrobu sa používa odpadový materiál tvrdých i mäkkých drevín a materiál z MDF (Medium Density Fiberboard, stredne husté drevovláknie dosky vyrábané suchou metódou). Možno použiť aj ostatné zdroje celulózy, ako sú slama, ľan, ryžové šupky a šupky búrskych orieškov, kokosové vlákna, juta, bambusový prach, kenaf.

Výhody využitia dreva pri výrobe termoplastických kompozitov spočívajú v jeho širokej surovinovej základni, nízkej cene, trvalej udržateľnosti, možnej vysokej plnivosti, nižšej hustote pri vysokých hodnotách špecifických vlastností, širokej použiteľnosti a recyklovateľnosti. Forma používanej drevnej suroviny môže byť od jemného drevného prachu po drevné vlákna.
Cena a výsledné vlastnosti kompozitu potom závisia od použitej formy drevnej zložky a dreviny, z ktorej bola drevná časť kompozitu vytvorená.

Nevýhodou spojenia dreva a plastu do jedného materiálu sú ich odlišné vlastnosti, ako sú bobtnanie a zosychanie drevenej časti, vysoké tepelné rozťažnosti termoplastickej zložky a podliehanie dreva mikroorganizmom.

Najčastejšie používané polyméry sú polyetylén (PE), polypropylén (PP) a polyvinylchlorid (PVC), prípadne polymér kyseliny mliečnej (PLLA). Kompozity, ktoré využívajú polyetylén ako plastovú zložku, majú na trhu podiel 80 %. Kompozity s polypropylénovou zložkou 10 % a zvyšných 10 % pripadá polyvinylchloridovým kompozitom.

Okrem týchto dvoch zložiek sa na zlepšenie vlastností spracovania a vlastností výsledného kompozitu pridávajú aj ďalšie aditíva, ako sú napr. spojovacie činidlá, UV stabilizátory, pigmenty, retardéry horenia, lubrikanty, fungicídne látky a speňovače.

Mechanické vlastnosti drevoplastových kompozitov sú závislé od použitého materiálu a technológie jeho výroby. Ide predovšetkým o pomer jednotlivých zložiek v celkovom objeme a o veľkosť drevných častíc.
Zmiešanie všetkých zložiek vrátane aditív je väčšinou prvým krokom pri spracovaní termoplastických kompozitov. V tomto procese dochádza k dávkovaniu vstupného materiálu a rozmiešaniu plnív a aditív v roztavenom termoplaste. Môže sa vykonať buď v dávkach, alebo kontinuálne.

Zo zmiešanej hmoty možno následne vyrobiť priamo požadovaný profil drevoplastového kompozitu alebo pelety. Na zníženie nákladov na celkovú výrobu požadovaných profilov sa môže využiť metóda priameho vytlačovania profilov. Výrobu peliet dnes uprednostňujú výrobcovia, pretože sa dá ďalej jednoduchšie spracovať (vytlačovaním, vstrekovaním alebo lisovaním) do požadovaného tvaru. Vytlačovanie produkuje nekonečný profil, vhodný napr. na výrobu okenných rámov alebo obkladových materiálov. Vstrekovanie alebo lisovanie sa využíva na výrobu tvarovo zložitejších výrobkov alebo výrobkov menších rozmerov.
 

V porovnaní s drevom sa drevoplastové kompozity vyznačujú lepšími mechanickými a chemickými vlastnosťami. Majú lepšiu rozmerovú stabilitu pri rozličných stupňoch vlhkosti a odolnosť proti drevokazným hubám. Pri ponorení drevoplastového kompozitu do vody na 20 dní a následnom testovaní odolnosti proti drevokazným hubám bol hmotnostný úbytok kompozitu po troch mesiacoch iba 4,6 % pre Gloeophyllum trabeum (Trámovka trámová) a 2,3 % pre Trametes versicolor (Trúdnikovec pestrý) – kompozit tvorený z 50 % z drevných vlákien osiky a z 50 % polypropylénom. Pri suchých vzorkách dosahujú hmotnostný úbytok 0,3 % a 0 % (Gloeophyllum trabeum a Trametes versicolor).

Pri aplikáciách v exteriéroch dochádza aj k zaťažovaniu pôsobením UV žiarenia. Laboratórne meraná strata pevnosti v ohybe spôsobená UV žiarením po vystavení v dĺžke 1 000 a 2 000 hodín je –2,3 % a –9,0 %.

Treba pripomenúť, že hodnoty straty pevnosti UV žiarením, ako aj pôsobením drevokazných húb, sú vo veľkej miere závislé od pomeru jednotlivých zložiek kompozitu a spôsobu výroby.

Výhodou drevoplastových kompozitov je tiež to, že ich spracovanie nevyžaduje nijaké špeciálne postupy a môžu sa opracovávať na bežných drevoobrábacích strojoch.
 

• v stavebníctve – okenné a dverové rámy, vonkajšie obklady (horizontálne, vertikálne), stropné konštrukcie, šindle (strešné tašky) atď.,
• pri zariaďovaní interiérov – vnútorné obklady, dekoratívne profily, kancelársky nábytok, kuchynské skrinky, police, plochy stolov, žalúzie, okenice, sokle, zábradlia…,
• na výrobu záhradného nábytku a na vybavenie exteriérov,
• v priemyselných objektoch,
• pri stavbe lodí, vlakových súprav atď.

Ing. Petr Novák
Foto: Deceuninck

Autor je študentom doktorandského typu štúdia, odbor Technológia spracovania dreva na Lesníckej a drevárskej fakulte Mendelovej poľnohospodárskej a lesníckej univerzity v Brne.
Recenzoval Ing. Rastislav Igaz

Literatúra
1. Smith, P. M. – Walcott, M. P.: Opportunities for wood/natural fiber-plastic composites in residential and industrial applications. Forest Prod., J. 56 (3), 2006, s. 4 – 11.
2. Rowell, R. M.: Advances and Challenges of Wood Polymer Composites.
Proceedings of the 8th Pacific Rim Bio-Based Composites Symposium, Advances and Challenges in Biocomposites: 20. – 23. November 2006, Kuala
Lumpur, Malajzia. Kepong, Malajzia: Forest Research Institute Malaysia, 2006, ISBN: 9832181879: 9789832181873, s. 2 – 11.
3. Clemons, C.: Wood-Plastic composites in the United States: The Interfacing of Two Industries. Forest Prod., J. 52 (6), 2002, s. 10 – 18.
4. Barun Shankar Gupta: Development of coating technology for wood plastic composites. Washington State University, 2006, 116 s. A Thessis submitted
in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of science in Material Science and Engineering, Washington State University.
5. Huang, S. H. – Cortes, P. – Cantwell, W. J.: The influence of moisture on the mechanical properties of wood polymer composites. J Mater Sci 41: 5386-5390, 2006.
6.