Баранов А. В., инженер-технолог,
Белорусский государственный технологический университет
Древесно-полимерный композит, или «жидкое дерево», — в начале 2000‑х годов эта тема не сходила с уст многих производственников и ученых, занимающихся деревообработкой. Сегодня она также не утратила своей актуальности, а направление продолжает развиваться, хотя и не такими бурными темпами, как могло показаться на заре становления технологии. О современном состоянии производства продукции из «жидкого дерева», используемом оборудовании и материалах, а также особенностях процесса пойдет речь в данной статье.
Этот материал получил на Западе название WPC — wood polymer composite, а у нас известен как «жидкое дерево», или «древопласт». Уже из этих определений понятно, что материал этот представляет собой смесь (композицию) полимеров и древесины. Из данного материала производится широкая номенклатура изделий (рис. 1):
Рис. 1. Изделия из древесно-полимерного композита
Благодаря тому, что древесные частицы в изделии покрыты слоем полимера, готовая продукция приобретает ряд преимуществ перед натуральным деревом, а именно:
К недостаткам этого материала можно отнести:
Несмотря на «борьбу за экологию», применение разного вида товаров из ДПК в строительной сфере ежегодно увеличивается. Основными производителями являются Китай, США, страны Западной Европы. Всё возрастающая популярность этих продуктов объясняется, прежде всего, их стабильной геометрией и тем, что для производства зачастую используются вторичные (переработанные) полимеры.
Для того, чтобы получить качественный продукт, в составе ДПК должны присутствовать:
Разберем каждый из компонентов смеси более подробно. В качестве полимерной основы в производстве ДПК могут использоваться любые термопластичные полимеры, однако на практике сейчас используются, в основном, четыре вида термопластичных смол: полиэтилен (PE), поливинилхлорид (PVC), полипропилен (PP) и, в меньшем количестве, полистирол (PS). При этом стоит отметить, что самым дешевым вариантом из указанных является поливинилхлорид. Он, однако, имеет и свои минусы: плохая морозостойкость; токсичность при нагреве; при аварийной остановке можно не успеть очистить шнеки, цилиндр и фильеру, и они придут в негодность; токсичность продуктов его испарения в процессе производства. К тому же, ПВХ в отличие от, например, ПНД (полиэтилен низкого давления) выдерживает не более 5 переплавок.
Поэтому на сегодняшний день около 60 % используемых в процессе производстве ДПК полимеров — полиэтилен низкого или высокого давления. Одним из основных показателей для стабильного производства продукции из данного вида полимера является низкий показатель текучести расплава (ПТР), измеряемый по ГОСТ 11645–73. Для разных марок ПНД данный показатель варьируется от 0,1 до 10 г/10 мин. На практике следует использовать полимеры со стабильным показателем ПТР однородного состава и качества. В этом случае производство будет работать с минимальным количеством остановок, так как при изменении ПТР меняется вязкость расплава ДПК, что, в свою очередь, приводит к тому, что давление в фильере становится нестабильным и для поддержания стабильной работы линии необходимо очень быстро менять температуру и подачу охлаждающей жидкости. А это практически невозможно сделать, так как температура меняется не сразу, а в течение нескольких минут. При этом обычно портиться геометрия, либо профиль раздувается, и линию приходится останавливать для перезапуска.
В качестве наполнителя используют в основном древесную муку, которую получают из опилок, муку из рисовой шелухи, подсолнечника. Основными параметрами наполнителя, влияющими на качество производимой продукции, являются размер частиц и их влажность. В основном, для производства ДПК используется древесная мука (ГОСТ 16361–87 «Мука древесная. Технические условия») с размерами частиц 50…500 мкм. Содержание влаги в древесной муки для производства ДПК необходимо поддерживать на минимальном возможном уровне. Оптимальная влажность составляет 1…4 %. Такие жесткие требования к влажности наполнителя продиктованы особенностями технологического процесса переработки рабочей смеси, которая производится при температурах более 100 °C, что вызывает испарение влаги, содержащейся в наполнителе, и образование парогазовых каверн в готовом изделии, что, в свою очередь, отрицательно сказывается как на эстетических, так и на физико-механических свойствах готового изделия. Также в составе некоторых ДПК в качестве наполнителя может использоваться мел и тальк. Они выполняют ту же роль, что и песок в бетоне: с их помощью композит становится плотнее и тверже.
Также в состав древопластов в обязательном порядке вводят целый ряд модификаторов. Это обусловлено как технологическими и экономическими причинами, так и необходимостью придания конечному продукту целого ряда дополнительных свойств и качеств в зависимости от условий эксплуатации. Спектр данных добавок весьма широк. Приведем основные из них:
Производство древесно-полимерных композитов возможно с применением технологий экструзии, ко-экструзии, литья под давлением, прессования. Однако на сегодняшний день наибольшее распространение получил способ экструзии, т. е. продавливания вязкого расплава материала через формующее отверстие.
Принцип работы экструдера — это хорошо известный каждому «принцип мясорубки». Вращающийся шнек захватывает из приемного отверстия материал, уплотняет его в рабочем цилиндре и под давлением выталкивает в фильеру. Кроме того, в экструдере происходит окончательное перемешивание и уплотнение материала. Схематично работа одновального экструдера представлена на рис. 2.
Существуют две принципиально различающиеся схемы получения экструзионных изделий из термопластичных ДПК:
Двухстадийная схема предполагает предварительную грануляцию всех компонентов ДПК (рис. 3), что обеспечивает последующий более стабильный и надежный процесс экструзии. При одностадийной схеме работы происходит одновременная подача в экструдер всех компонентов смеси, предварительно смешанных в смесителе, и изготовление готовой продукции. Данная схема хоть и является на первый взгляд более экономичной, однако на практике зачастую реализация одностадийной схемы вызывает трудности.
При двухстадийной схеме сырьем для изготовления профильных изделий являются гранулы (компаунд). Схема такого экструзионного участка представлена на рис. 4.
Основой любой экструзионной линии является экструдер, а его главной рабочей частью — шнек и рабочий цилиндр. Данные рабочие механизмы должны быть устойчивы к истиранию, поэтому цилиндр часто изготавливают с глубоким азотированием, а шнек упрочняют молибденом. Также экструдеры, применяемые в производстве ДПК, в обязательном порядке должны быть снабжены эффективным устройством дегазации для отвода паров и газов из рабочей смеси.
В современных экструдерах, как правило, используются двойные конические шнеки (рис. 5).
Это позволяет повысить производительность линии и дает возможность более энергично захватывать и проталкивать рыхлый материал в рабочую зону, уплотняя его и быстрее поднимая давление в районе фильеры до необходимого уровня.
Фильера — так называемая «головка экструдера» — является сменным инструментом. Она придает расплаву, покидающему рабочую полость экструдера, необходимую форму. Конструктивно фильера представляет собой щель, через которую продавливается (истекает) расплав. В фильере происходит окончательное формирование структуры материала. Она в значительной степени определяет точность поперечного сечения профиля, качество его поверхности, механические свойства и т. п. Экструзионный процесс позволяет на одном экструдере производить одновременно два или более, как правило, одинаковых профилей, что позволяет максимально использовать производительность экструдера при производстве некрупных профилей. Для этого используются двух- или многоручьевые фильеры. Также в состав экструдера входят устройства дозирования компонентов и специальные питатели для древесной муки.
Выходящий из фильеры профиль имеет температуру до 200 градусов. При охлаждении происходит температурная усадка материала, и профиль обязательно изменяет свои размеры и форму. С целью недопущения этого в линии по производству ДПК сразу за экструдером устанавливается калибратор. Это устройство обеспечивает принудительную стабилизацию профиля в процессе охлаждения. Калибраторы бывают воздушного и водяного охлаждения. Существуют комбинированные водо-воздушные калибраторы, обеспечивающего лучший прижим экструдата к формующим поверхностям калибратора. Наиболее точными считаются вакуумные калибраторы, в которых движущиеся поверхности формируемого профиля подсасываются вакуумом к поверхностям формующего инструмента.
Следом по ходу движения изделия в линии ставится охладитель, как правило, представляющий из себя емкость с душевой форсункой. Горячий профиль, попадая под струи воды, охлаждается и принимает окончательную форму и размеры.
Далее в линии следует гусеничное тянущее устройство (рис. 6). Его назначение — бережная протяжка разогретого профиля через калибратор.
В конце линии устанавливается отрезная дисковая пила с гравитационным сбросом готового экструдированного профиля.
Также в состав некоторых линий входят станки для браширования или тиснения готового профиля, что определяется сферой его дальнейшей эксплуатации.
Заключение
Подытожив, хотелось бы отметить, что производство изделий из древесно-полимерного композита — безусловно, перспективный и быстро растущий сегмент строительного рынка. Однако подходить к реализации проектов по его производству необходимо, не только тщательно просчитав рынки сбыта, но и глубоко изучив саму технологию производства и возможные источники сырья. Только после этого можно грамотно подобрать оборудование, инвестиции в которое составят не одну сотню тысяч долларов. Но, как говорили древние, — «Дорогу осилит идущий».
Рис. 6. Гусеничное тянущее устройство.
