Mechanical properties: wood lumber versus plastic lumber and thermoplastic composites

Abstract

Abstract Plastic lumber and thermoplastic composites are sold as alternatives to wood products. However, many technical standards and scientific studies state that the two materials cannot be considered to have the same structural behaviour and strength. Moreover, there are many compositions of thermoplastic-based products and plenty of wood species. How different are their mechanical properties? This study compares the modulus of elasticity and the flexural, compressive, tensile and shear strengths of such materials, as well as the materials' specific mechanical properties. It analyses the properties of wood from the coniferae and dicotyledon species and those of commercialized and experimental thermoplastic-based product formulations. The data were collected from books, scientific papers and manufacturers' websites and technical data sheets, and subsequently compiled and presented in Ashby plots and bar graphs. The high values of the compressive strength and specific compressive and tensile strengths perpendicular to the grain (width direction) shown by the experimental thermoplastic composites compared to wood reveal their great potential for use in compressed elements and in functions where components are compressed or tensioned perpendicularly to the grain. However, the low specific flexural modulus and high density of thermoplastic materials limit their usage in certain civil engineering and building applications.Resumo A madeira plástica e os compósitos termoplásticos são vendidos como alternativas à madeira. Entretanto, normas técnicas e estudos científicos afirmam que não se pode considerar que os dois materiais tenham o mesmo comportamento estrutural e resistência. Além disso, existem muitas composições de madeira plástica e de compósitos termoplásticos e centenas de espécies de madeira. Quão diferentes são suas propriedades mecânicas? Este estudo compara o módulo de elasticidade e a resistência à flexão, à compressão, à tração e ao cisalhamento de tais materiais, assim como suas propriedades mecânicas específicas. São analisadas as propriedades de madeiras de árvores coníferas e dicotiledôneas e de madeira plástica e compósitos termoplásticos comercializados e experimentais. Os dados foram retirados de livros, artigos científicos, websites e documentos técnicos de fabricantes e apresentados em gráficos de Ashby e de barras. Os altos valores de resistência à compressão e de resistência específica à tração e à compressão perpendicular às fibras exibidos pelos compósitos experimentais comparados à madeira revelam seu potencial para uso em elementos comprimidos e sob compressão ou tração perpendicular às fibras. Porém, o baixo módulo de elasticidade específico e a elevada densidade dos produtos feitos com termoplásticos limitam sua aplicação na construção civil.