Наполнители  использовались в переработке пластмасс на протяжении длительного времени в качестве средств добавления в полимер таких материалов, как древесная стружка, опилки, слюда и стеклопластик.

Наполнители, в основном, используются по двум причинам: как средство для экономии затрат в качестве замены дорогостоящих полимеров, и для изменения механических свойств исходного материала. По имеющимся оценкам, в 2000 г. в отрасли по производству пластмасс было использовано 2.5 миллиона тон наполнителей, и, в соответствии с отчетом Chemsystems, в 2006 г. это количество выросло до 3.5 миллионов тонн.

Карбонат кальция, наиболее широко используемый во всем мире наполнитель, продемонстрировал способность не только давать армирующий эффект, но также и способствовать повышению кристалличности полимера. Хотя неорганические наполнители оказались эффективными для повышения механических и физических свойств, они также и увеличивают массу композита, что ограничивает число потенциальных применений. У продуктов с древесиной нет таких недостатков; они обладают значительно меньшей плотностью по сравнению с неорганическими материалами, что позволяет им обеспечивать снижение массы.

Это позволило им использоваться в целом ряде новых применений, для которых не применимы другие композиты. ДПКТ (композиты древесины и пластмассы) считаются композитными материалами, в которых сочетаются древесина или же какой-либо еще целлюлозный продукт и термопластический материал (PE, PP, PVC, PS). Целлюлозный материал может быть получен из широкого диапазона источников, включая твердые и мягкие породы древесины, рисовые отруби, солому, бамбук, просо, кенаф, лен или иные природные материалы. В отличие от других пластмассовых/неорганических композитов, при использовании наполнителя из древесины получают продукт относительно близкий к древесине в том, что касается технологий изготовления продуктов: т. е. ДПКТ можно пилить, сверлить, подгонять и измельчать.

Первое коммерческое использование композита древесины и пластмассы имело место в автомобильной промышленности при создании автомобилей Rolls Royce в 1916 г. , где композиты использовались для изготовления круглой ручки переключения скоростей. С тех пор у ДПКТ появились и другие применения в автомобильной промышленности, такие как внутренние панели и структурные компоненты дверей, эти применения основаны на легкости и структурной износостойкости композитов. Далее существенное влияние на развитие использования композитов оказали производители окон, которые обладали сочетанием знаний о специфике работы, как с деревом, так и с пластмассой.

Изначально композиты, которые они производили, интегрировались в оконные рамы, где они успешно заменяли компонент из древесины и давали уменьшение массы, сопоставимое с уменьшением, имевшим место при использовании некоторых других альтернативных материалов. Они также позволили повысить устойчивость рам к воздействию атмосферных явлений так, что она превысила устойчивость рам из натуральной древесины, поскольку использование вне помещения делает древесину легко поддающейся разрушению и короблению. Композиты из древесины и пластмассы смогли добиться существенного роста применения, поскольку достижения в области обработки и внешнего вида композитов позволили интегрировать их промышленность по производству настилов для жилого сектора, располагающихся на открытом воздухе, особенно, в Соединенных Штатах в девяностых годах.

С помощью проведенного компанией Мobil Oil исследования метода утилизации использованных пластмассовых пакетов, компания смогла объединить утилизированный полиэтилен и древесные опилки для производства композита, который можно использовать в качестве досок для настилов.  Это подразделение в дальнейшем станет компанией Trex, которая с тех пор является лидером промышленности по производству композитов из древесины в Северной Америке. В те же годы Strandex Corporation начала предлагать на рынке ДПКТ в качестве предварительно сформованных профилей, которые не требовали никакого дополнительного подпиливания после экструзии, или же требовали лишь незначительной дополнительной обработки; компания продолжает реализовывать лицензии на данную технологию.

С тех пор  были получены существенные достижения  в деле производства композитов с более высокой структурной функциональностью и внешним видом, более напоминающим натуральную древесину.  Композиты также были интегрированы в целый ряд конечных применений вне отрасли по производству настилов. В 1993 г. компания Anderson Corporation начала использовать композиты из древесины и пластмассы в качестве поперечин своих застекленных створчатых дверей, и  это продолжило экспансию на рынок профилей окон и дверей. 

Таким образом, Anderson смогла использовать утилизированные материалы от обеих своих производственных технологий: и в области древесины, и в области пластмассы. На протяжении середины девяностых годов промышленность по производству композитов древесины и пластмассы продолжала расти быстрыми темпами, особенно в США, за счет разработки новых применений и технологий.  Создатели компаундов начали производить сырьевые материалы, изготовленные из других пластмасс и древесины в виде гранул, которые затем можно использовать для экструзии в виде различных досок и прочих форм, которые могут потребоваться. Для производства композитов из древесины и пластмассы можно использовать целый ряд термопластических материалов. Сам полимер будет оказывать большое влияние на конечные физические свойства ДПКТ, а свойства, необходимые для функциональности конечных применений композита, играют важную роль при выборе термопластического материала.

Древесный компонент и прочие используемые природные продукты будут разлагаться при высоких температурах. Для того чтобы избежать этого, выбираемые температуры обработки термопластических полимеров должны быть ниже 200º C.  Данное температурное условие является основным ограничивающим фактором для типа  смолы, используемой для производства ДПКТ. Используемые полимеры могут быть либо утилизированными материалами, либо чистыми, либо смесями из того и другого.

Полиэтилен, в первую очередь, HDPE, является основной смолой, которая используется при производстве ДПКТ. При этом около 90% композитов производится либо из чистого, либо из утилизированного полиэтилена.

ПВХ, ПП и ПС также обычно используются. Как уже отмечалось выше, физические свойства полимера играют большую роль в определении того, какая термопластическая смола используется, тем не менее, на решение также влияют факторы доступности и затрат. Тип древесины, используемой при изготовлении ДПКТ, чаще всего выбирается в зависимости от доступности и затратности.  Исследования показали, что обычно мягкие сорта древесины имеют лучшие рабочие параметры ударопрочности по сравнению с твердыми породами. С другой стороны, у твердых пород древесины, как правило, более высокий предел прочности при статическом изгибе по сравнению с композитами, наполненными мягкими породами. Было также выявлено, что твердые породы древесины дают большее повышение теплостойкости при изгибе, хотя композиты с мягкими породами все еще имеют более высокие рабочие параметры по сравнению с ненаполненным полипропиленом. Типичные композиты из древесины и пластмассы состоят из 40-60% древесного наполнителя, находящегося в составе термопластического материала.

Большинство североамериканских компаний использует двухшнековые установки на 92 мм с высоким крутящим моментом, в то время как большинство компаний в Западной Европе использует двухшнековые установки на 58 мм с высоким крутящим моментом. Из данных экономического анализа очевидно, что материалы, произведенные с использованием двухшнекового экструдера на 92 мм, дают меньшие затраты, чем материалы, произведенные с использованием двухшнекового экструдера на 58 мм.

Благодаря достаточным поставкам сырья из утилизированных пластмасс, в основном, из бутылок из ПЭНД, которые собираются в рамках программы по сбору для утилизации по обочинам дорог, обширному и постоянно растущему рынке настилов, а также высокому спросу на материалы, которые не требуют большого материально-технического обслуживания, композиты из древесины и пластмассы (ДПКТ) очень быстро завоевывают рынок Северной Америки.

К числу прочих стимулов роста ДПКТ относятся:

1. повышение цен на древесину, ограничение и вывод из употребления арсената меди;

2. способность эффективно и с низкими затратами сохранять древесину;

3. более высокая износостойкость и срок эксплуатации.

Композиты из древесины и пластмассы, которые изначально производили в Северной Америке, были довольно низкого качества, в целом,  произведенные в Северной Америке ДПКТ были “дешевыми и достаточно хорошими”.  К счастью рынок по производству настилов и сооружений на открытом воздухе Северной Америки, тем не менее, хорошо воспринимал дешевые продукты с низким качеством. 

Не менее важно также и то, что производители ДПКТ вскоре осознали необходимость совершенствования своей продукции, и начали этим заниматься с использованием целого ряда методов, включая и технологии более качественной очистки утилизированных материалов, использование утилизированных материалов и смол более высокого качества, использование средств, способствующих адгезии между смолой и наполнителем, целый ряд технологий соэкструзии, и усовершенствованные красители и прочие добавки. На сегодняшний день самым крупным рынком конечных применений  для ДПКТ в Северной Америке является рынок настилов и ограждений, на долю которого приходится 84% от общего спроса. 

В настоящее время спрос на ДПКТ оценивается в Северной Америке в 15% для продукции в области производства настилов и ограждений (в досковых футах на основе древесины; исключая основы настилов) и в 20% от общего объема оптового рынка.

Западноевропейский рынок композитов из древесины и термопластов существенно отличается от рынка ДПКТ Северной Америки. Основным различием является то, что рынок настилов здесь значительно меньше, имеется больший уклон в сторону использования природных материалов для сооружений на открытом воздухе и предпочтение отдается высококачественным продуктам, а не недорогим материалам.   Все эти факторы значительно замедлили проникновение ДПКТ в применения, изготавливаемые в Западной Европе.

Здесь камень является традиционным материалом для строительства террас (патио), причем патио располагается непосредственно за домом.  Кроме того, имеется сад на противоположной стороне патио. В отличие от Северной Америки, в Европе существует тенденция позволять настилам из древесины подвергаться воздействиям атмосферных явлений и приобретать серый цвет, это сводит на нет преимущество, связанное с незначительным объемом материально-технического обслуживания, которое позволяет ДПКТ побеждать на рынке Северной Америки.

И, напротив, имеются другие тенденции, которые стимулируют расширение использования ДПКТ в Западной Европе. Цены на дерево, особенно на твердые породы, которые предпочитают потребители в Европе, продолжают повышаться. Все больше и больше вводится экологических налогов для того, чтобы стимулировать использование утилизированных материалов. При пристрастии к традиционным материалам и высококачественным продуктам, дешевым ДПКТ никогда не удавалось проникнуть на рынок западноевропейских конечных применений достаточно глубоко. Вместо этого западноевропейские производители ДПКТ используют высококачественные сырьевые материалы для производства патентованных высокоэффективных продуктов. Поскольку “рынку массового потребления” для продуктов ДПКТ еще только предстоит быть созданным в Западной Европе, производителям приходится искать ниши для специальных продуктов для того, чтобы стимулировать рост.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка ДПКТ можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок древесно-полимерных композиционных материалов в России».

Автор:

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru

Об авторе:
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование