Σύνθετα ξύλου - πλαστικού

Τα σύνθετα ξύλου - πλαστικού (αγγλ. wood plastic composites), γνωστά κυρίως ως WPC, είναι βιομηχανικά συνθετικά υλικά που παράγονται από ίνες ξύλου (ή ξυλάλευρο) και θερμοπλαστικές ύλες, όπως λ.χ. πολυαιθυλένιο (PE), πολυπροπυλένιο (PP) ή χλωριούχο πολυβινύλιο (PVC).^[1]

Εκτός από ίνες ξύλου και πλαστικές ύλες, τα WPC μπορούν επίσης να περιέχουν διάφορα άλλα λιγνοκυτταρινικής φύσης υλικά ή/και ανόργανες ουσίες πλήρωσης. Τα WPC είναι ένα υποσύνολο μιας κατηγορίας υλικών (composites) που ονομάζονται σύνθετα υλικά από φυσικές ίνες (γνωστά ως NFPCs), τα οποία ενδέχεται να μην περιέχουν υλικά πλήρωσης με βάση την κυτταρίνη, και να περιέχουν λ.χ. φυτικές ίνες, φλούδες φυστικιών, φλοιό καφέ,^[2] μπαμπού, άχυρο, και άλλα ινώδη υπολείμματα.

Τα χημικά πρόσθετα δεν γίνονται εμφανή στο τελικό προϊόν, εκτός από ορυκτά πληρωτικά ή χρωστικές εάν προστεθούν, στη σύνθετη δομή. Παρέχουν όμως επαρκή και καλή ενσωμάτωση του πολυμερούς και του ξύλου (σκόνης ή ινών), ενώ διευκολύνουν περαιτέρω και τις βέλτιστες συνθήκες επεξεργασίας.^[3]

Η εταιρεία ��ου εφηύρε πρώτη και κατοχύρωσε τη διαδικασία δημιουργίας και παραγωγής του WPC ήταν η Covema στο Μιλάνο της Ιταλίας, το 1960, που ιδρύθηκε από τους αδελφούς Terragni.

Η εταιρεία Covema το ονόμασε έτσι WPC, με την εμπορική ονομασία Plastic-Wood.^[4][5] Μετά από λίγα χρόνια από την εφεύρεση του σύνθετου υλικού ξύλου - πλαστικού, η ιταλική εταιρεία Icma San Giorgio κατοχύρωσε με διεθνές δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την πρώτη διαδικασία προσθήκης και ανάμειξης ινών ξύλου (αλεύρου ξύλου) στα θερμοπλαστικά (WPCs).^[6]

Μερικές φορές ονομάζονται και "σύνθετα ξύλου", ωστόσο, τα WPC εξακολουθούν να είναι νέα υλικά σε σχέση με τη φυσική ξυλεία, ως δομικές πρώτες ύλες.

Η πιο διαδεδομένη χρήση των WPC είναι σε εξωτερικά δάπεδα, σε κιγκλιδώματα, φράκτες, ξυλεία διακόσμησης και επενδύσεις, όπως και σε πλαίσια, παγκάκια πάρκων, καλούπια ή διακοσμητικά, προκατασκευασμένες κατοικίες,^[7] και πιο σπάνια, για κουφώματα παραθύρων και πορτών, καθώς και για έπιπλα εσωτερικού χώρου.^[8]

Τα WPC εισήχθησαν για πρώτη φορά στην αγορά εξωτερικών δαπέδων (καταστρωμάτων ή decks) στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Οι κατασκευαστές^{[9][10][11][12][13]} ισχυρίζονται ότι το WPC είναι "πιο φιλικό προς το περιβάλλον" και απαιτεί λιγότερη συντήρηση από τις εναλλακτικές επιλογές της συμπαγούς ξυλείας, ιδίως της εμποτισμένης ξυλείας που έχει υποστεί προστατευτικό υπό πίεση χειρισμό με συντηρητικές ενώσεις χαλκού και αζόλες, ή με το συμπαγές ξύλο ειδών ανθεκτικών στη σήψη (βλ. τροπική ξυλεία). Αυτά τα υλικά μπορούν να μορφοποιηθούν σε καλούπια (molding), με ή χωρίς ιμιτασιόν "νερά" σαν το φυσικό ξύλο.^[14]

Τα WPC παράγονται με καλή ανάμειξη ινών ξύλου και θερμαινόμενης ρευστής θερμοπλαστικής ρητίνης. Η πιο κοινή μέθοδος παραγωγής είναι η εξώθηση (extrusion) του αναμεμειγμένου υλικού στο επιθυμητό σχήμα, αν και πιο συχνότερα χρησιμοποιείται και η χύτευση με έγχυση (injection molding).

Τα σύνθετα WPC μπορούν να παραχθούν είτε από φρέσκα είτε από ανακυκλωμένα θερμοπλαστικά υλικλα, όπως πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE), πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LDPE), πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC), πολυπροπυλένιο (PP), ακρυλονιτρίλιο βουταδιένιο στυρόλιο (ABS), πολυστυρένιο (PS), και πολυγαλακτικό οξύ (PLA). Τα WPC που βασίζονται κυρίως στο πολυαιθυλένιο είναι μακράν τα πιο συνηθισμένα.

Πρόσθετες χημικές ουσίες (additives), όπως χρωστικές ουσίες, ύλες σύζευξης, σταθεροποιητές υπεριώδους ακτινοβολίας, αντιπυρικές ενώσεις, διογκωτικές ουσίες, αφριστικές ενώσεις και λιπαντικά προστίθενται -μαζί με το ξύλο και το επιλεγθέν πλαστικό- και βοηθούν στην προσαρμογή του τελικού προϊόντος στην περιοχή εφαρμογής του (τελική χρήση).

Τα εξωθημένα WPC διαμορφώνονται τόσο σε συμπαγή όσο και σε κοίλα προφίλ. Μπορεί να παραχθεί επίσης μεγάλη ποικιλία εξαρτημάτων με χύτευση μέσω έγχυσης, από πάνελ θυρών αυτοκινήτου μέχρι και καλύμματα κινητών τηλεφώνων.

Σε ορισμένες εγκαταστάσεις παραγωγής, τα συστατικά συνδυάζονται και επεξεργάζονται σε συσκευή εξώθησης πέλλετ (pelletizing extruder), η οποία παράγει σφαιρίδια του νέου υλικού. Τα σφαιρίδια στη συνέχεια λιώνουν ξανά και διαμορφώνονται στο επιθυμητό σχήμα. Άλλοι κατασκευαστές ολοκληρώνουν το τελικό παραχθέν προϊόν σε ένα μόνο -ενιαίο- βήμα ανάμειξης και εξώθησης.^[15]

Εξαιτίας της προσθήκης οργανικού υλικού, τα WPC επεξεργάζονται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από τα συμβατικά πλαστικά -κατά τη διάρκεια της χύτευσης- με εξώθηση και έγχυση. Τα WPC τείνουν να απαιτούν θερμοκρασίες περίπου 50 °F (28 °C) χαμηλότερες από το ίδιο το πολυμερές υλικό, για παράδειγμα. Τα περισσότερα -εξάλλου- θα αρχίσουν να αναφλέγονται σε θερμοκρασίες γύρω στους 400 °F (204 °C).^[16] Η επεξεργασία των WPC σε υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες αυξάνει τον κίνδυνο καψίματος και αποχρωματισμού που προκύπτει από την εξώθηση (βλ. υψηλή τριβή) ενός πολύ θερμού υλικού μέσα από μια πολύ μικρή δίοδο, κατά τη χύτευση με έγχυση. Η αναλογία (μάζας) ξύλου προς πλαστικό στο προς παραγωγή συνθετικό υλικό θα καθορίσει τελικά τον δείκτη ροής τήξης (MFI) του προϊόντος WPC, με μεγαλύτερες ποσότητες ξύλου να οδηγούν πάντα σε χαμηλότερο δείκτη MFI.

Τα WPC δεν διαβρώνονται (δηλ. δεν σκουριάζουν) και είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στη βιολογική σήψη και αποσύνθεση από μύκητες, έντομα και θαλάσσιους μικροοργανισμούς, αν και απορροφούν υγρασία -στις ίνες ξύλου- που είναι ενσωματωμένες στο τελικό παραχθέν προϊόν.^[17] Η απορρόφηση ύδατος είναι πιο έντονη σε προϊόντα WFC με υδρόφιλη μήτρα όπως το υλικό PLA και επίσης αυτό προκαλεί μειωμένη μηχανική ακαμψία και αντοχή.^[18] Η συμπεριφορά μηχανικής καταπόνησης σε υγρά περιβάλλοντα μπορεί να αναβαθμιστεί με τελικές επεξεργασίες ακετυλίωσης.^[19]

Τα WPC έχουν εύκολη μηχανική κατεργασία και δουλεύονται χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα, και για τις διαμορφώσεις τους χρησιμοποιούνται τα απλά, συμβατικά μέσα επεξεργασίας του ξύλου. Τα WPC θεωρούνται συχνά ως "ανανεώσιμα υλικά" υπό τη στενή έννοια ότι μπορούν να παρασκευαστούν χρησιμοποιώντας ανακυκλωμένα πλαστικά -που έχουν ήδη απορριφθεί στη χωματερή- και επίσης υπολείμματα των κατεργασιών των βιοτεχνιών και βιομηχανιών ξύλου.

Αν και αυτά τα υλικά συνεχίζουν τη διάρκεια ζωής των ήδη χρησιμοποιημένων και των απορριπτόμενων υλικών, έχουν -ωστόσο- τη δική τους σημαντική ημιζωή. Τα πολυμερή και οι συνθετικές ρητίνες (κόλλες) που προστίθενται κατά τη διαδικασία κάνουν το WPC αρκετά δύσκολο να ανακυκλωθεί ξανά μετά τη χρήση του.^[20]

Ωστόσο, μπορούν να ανακυκλωθούν εύκολα και να αποδώσουν ένα νέο WPC, όπως λ.χ. συμβαίνει με το σκυρόδεμα. Ένα πλεονέκτημα που έχουνε σε σχέση με το ξύλο, είναι οι προοπτικές που έχει το υλικό αυτό να χυτεύεται, έτσι να μορφοποιείται και να ανταποκρίνεται σχεδόν σε οποιοδήποτε επιθυμητό σχήμα και τελικό σχέδιο μορφής. Κάθε τμήμα από WPC μπορεί να καμπυλωθεί ή/και να στερεωθεί για να σχηματίσει ισχυρές καμπύλες αψίδας.

Ένα άλλο σημαντικό σημείο του μάρκετινγκ αυτών των υλικών είναι η παντελής έλλειψη ανάγκης για βαφή. Αυτό τεχνικά αποτελεί ένα δυνατό πλεονέκτημα. Κατασκευάζονται σε μεγάλη ποικιλία χρωμάτων, αλλά είναι και ευρέως διαθέσιμα σε γκρι ή γήινους χρωματισμούς. Παρά την υψηλή περιεκτικότητα σε κυτταρίνη (συνήθως στο 50/50, που είναι το πιο συνηθισμένο), η μηχανική συμπεριφορά των WPC ομοιάζει μάλλον περισσότερο με τα καθαρά πολυμερή (πλαστικά). Είναι γνωστό ότι τα καθαρά πολυμερή πολυμερίζονται χωρίς προσθήκη διαλυτών.^[21][22] Αυτό σημαίνει ότι τα WPC έχουν χαμηλότερη μηχανική αντοχή και ακαμψία, σε σύγκριση με το ξύλο, και παρουσιάζουν συμπεριφορά που εξαρτάται από το χρόνο και τη θερμοκρασία.^[23]

Οι ίνες του ξύλου είναι ευαίσθητες σε προσβολές από μύκητες, αν και όχι τόσο όσο το συμπαγές ξύλο, ενώ χαρακτηριστικά το πολυμερές συστατικό (λ.χ. πολυαιθυλένιο ή πολυπροπυλένιο) είναι ευάλωτο στην αποικοδόμηση εξαιτίας της υπεριώδους ακτινοβολίας UV.^[24] Είναι πιθανό η αντοχή και η ακαμψία τους να βελτιωθούν με εφαρμογή σε κύκλο κατάψυξης-απόψυξης, αν και διεξάγονται ακόμη δοκιμές σε αυτόν τον τομέα. Ορισμένα προϊόντα του WPC είναι ευαίσθητα στη χρώση από μια ποικιλία άλλων παραγόντων.

Οι πλάκες ή πάνελ WPC έχουν καλή απόδοση, αλλά τα μονολιθικά σύνθετα πάνελ είναι σχετικά βαριά (συχνά βαρύτερα από το καθαρό πλαστικό PE/PP) γεγονός που περιορίζει τη χρήση τους σε εφαρμογές όπου το χαμηλό βάρος δεν είναι απαραίτητο. Το WPC όταν έχει τη σύνθετη μορφή με δομή σάντουιτς επιτρέπει συνδυασμό των πλεονεκτημάτων των παραδοσιακών σύνθετων ξυλείας με την ελαφρότητα αυτών της τεχνολογίας πάνελ σάντουιτς. Τα πάνελ σε σάντουιτς WPC αποτελούνται από σύνθετα δέρματα πολυμερούς ξύλου και συνήθως πυρήνα πολυμερούς χαμηλής πυκνότητας που οδηγεί σε πολύ αποτελεσματική αύξηση της ακαμψίας του πάνελ. Οι σανίδες σάντουιτς WPC χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές αυτοκινήτων, μεταφορών και κτιρίων, αλλά αναπτύσσονται και εφαρμογές επίπλων. ^[25] Οι νέες αποτελεσματικές και συχνά ενσωματωμένες διαδικασίες παραγωγής επιτρέπουν την παραγωγή ισχυρότερων και πιο άκαμπτων σανίδων σάντουιτς WPC με χαμηλότερο κόστος σε σύγκριση με τα παραδοσιακά πλαστικά φύλλα ή τα μονολιθικά πάνελ WPC. ^[26]

Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις των πάνελ WPC επηρεάζονται άμεσα από την αναλογία των ανανεώσιμων υλικών (λ.χ. ξύλου) προς τα μη ανανεώσιμα υλικά (λ.χ. πλαστικού). Τα πολυμερή που χρησιμοποιούνται ως πρώτες ύλες για το εν λόγω προϊόν συνήθως έχουν ως βάση το πετρέλαιο έχουν συνεπώς αρνητικό περιβαλλοντικό αντίκτυπο, επειδή βασίζονται σε μη ανανεώσιμες πρώτες ύλες και στη δεδομένη, μη βιοδιασπασιμότητα των πλαστικών.^[27]

Οι τύποι των πλαστικών υλών που χρησιμοποιούνται συνήθως για την παραγωγή του WPC έχουν υψηλότερο ρίσκο κινδύνου για πυρκαγιά σε σχέση με το ξύλο από μόνο του, καθώς κάθε πλαστικό έχει υψηλότερη περιεκτικότητα σε θερμιδικό περιεχόμενο και μπορεί εύκολα να τηχθεί. Η συμπερίληψη του πλαστικού ως συστατικού υλικού του σύνθετου WPC έχει ως άμεσο αποτέλεσμα την αύξηση των πιθανοτήτων έναρξης φωτιάς και των συνεπακόλουθων υψηλότερων κινδύνων πυρκαγιάς στα ίδια τα WPC -σε σύγκριση με το ξύλο-. Ορισμένοι τεχνικοί ειδικοί ασφάλειας ανησυχούν όλο και περισσότερο για τις ιδιότητες πραγματικής πυραντοχής των προϊόντων WPC.^[28][29]