ПРОИЗВОДСТВО ПРОДУКЦИИ ИЗ ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ДЕРЕВООБРАБОТКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ»

Баранов А. В., инженер-технолог,

Белорусский государственный технологический университет

Древесно-полимерный композит, или «жидкое дерево», — в начале 2000х 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.

Древесно-полимерный композит

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):

  • декинг и сайдинг: террасная доска, вагонка;
  • заборная доска;
  • подоконная доска;
  • карнизы;
  • дверные наличники;
  • профили различного назначения и конфигурации.

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:

  • не растрескивается и не деформируется, т. к. влажность изделия не изменяется;
  • биостойкость, т. к. используемые полимеры практически не подвержены гниению;
  • простота в обработке и монтаже, композитный материал можно пилить, а также в него можно вбивать гвозди и заворачивать саморезы.

К недостаткам этого материала можно отнести:

  • высокую стоимость готового изделия — выше, чем из натуральной древесины;
  • недостаточную экологичность — материал рекомендуется использовать на открытом воздухе или в помещении с хорошей вентиляцией.

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.

Сырье для производства древесно-полимерного композита

Для того, чтобы получить качественный продукт, в составе ДПК должны присутствовать:

  • базовый полимер в количестве 20…50 %;
  • наполнитель в количестве 50…70 %;
  • добавки-модификаторы (аддитивы) до 6–7 видов в количестве 2…5 %.

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:

  • антиокислители. Препятствуют окислению материалов композита в ходе технологического процесса и при эксплуатации. К ним относятся: алкил/арил фосфиты, амины, бензофураны, замедленные феноловые стабилизаторы, гидроксиламины, тиоэфиры;
  • температурные стабилизаторы. Предотвращают деструкцию смолы в ходе технологического процесса под действием высоких температур. В пластмассах на основе ПВХ стабилизаторы связывают свободный хлор. Стеараты металлов, кроме того, обладают хорошим смазывающим эффектом. Исторически стабилизаторы наиболее широко представлены следующей группой соединений: соединения свинца — трехосновной сульфат свинца, двухосновной фосфит свинца, двухосновной фталат свинца, двухосновной стеарат свинца, нейтральный стеарат свинца; соединения олова — оловоорганические меркаптиды, оловоорганические карбоксилаты их смеси; свинцово‑барий-кадмиевые соединения; кальциевые и цинковые соединения;
  • УФ-стабилизаторы. Увеличивают стабильность материала при эксплуатации вне помещения под действием ультрафиолетового излучения, повышают устойчивость материала к старению. К ним относятся, например: бензофеноны, бензотриазолы, замедленные аминовые стабилизаторы;

 

  • связующие агенты. Способствуют обеспечению лучших связей между элементами композита, в первую очередь между частицами древесины и полимерной матрицей (базовой смолой). В качестве связующих агентов может быть использовано более 40 химических соединений — привитые сополимеры, силаны (кремневодороды), титанаты, цирконаты и др. Наиболее распространенными связующими агентами при изготовлении древесных композитов на основе полеолефиновых смол (полиэтилен, полипропилен) в настоящее время являются малеинизированные полиолефины. Как правило, это гранула ПНД с привитым малеиновым ангидридом. Сам малеиновый ангидрид в чистом виде — это белый (желтый) порошок или кусочки спрессованного порошка. Основной недостаток ангидрида — его нейтрализация влагой и стеаратами металлов;

  • смазочные и технологические средства. Эти добавки снижают трение в процессе переработки (в экструдере, фильере, компаундере, литьевой машине), повышают производительность системы. Различают внешние и внутренние смазки. Внешние смазки уменьшают трение композиции о рабочие поверхности экструдера и фильеры, внутренние — уменьшают трение частиц композиции друг об друга. Примером могут служить: кислые амины и эфиры, жирные кислоты, гидрокарбоновые воски, стеараты металлов;
  • пигменты (красители). Применяются те же вещества, что и в производстве обычных пластмасс и лакокрасочных материалов, т. е. окисные и органические в порошковых формах и в виде концентратов;
  • вспенивающие агенты. Обеспечивают вспенивание смолы для снижения плотности композита, например азодикарбонамид или сода;
  • биоциды. Противодействуют развитию микроорганизмов и грибков на поверхности и внутри композита. Существует большое количество биоцидных препаратов, рекомендуемых для термопластичных ДПК, например соединения бора, оксибисфеноарсин, изотиазолин и др.;
  • огнезащитные добавки (антипирены). Улучшают эксплуатационную огнестойкость изделий. Пока они редко применяются в древесно-полимерных композитах. Но в последнее время интерес к этому вопросу растет. В качестве антипиренов могут использоваться, например: тригидрат алюминия, оксид сурьмы, гидрооксид магния, фосфаты эфиров, борат цинка;
  • антистатики. Предупреждают образование статического электричества и снижают его потенциал за счет понижения поверхностного электрического сопротивления материала.
  • Следует также отметить, что хотя количественно добавки-модификаторы и составляют незначительную процентную часть в составе смеси, однако они, как правило, намного дороже, чем полимеры и наполнители, и вносят существенный вклад в себестоимость изготавливаемой продукции. В общем случае действует правило: чем больше процент древесины (наполнителя) в составе, тем больше требуется добавок.
  • В целом в процессе создания рецептуры ДПК необходимо учитывать множество факторов как технологического, так и технического характера: оборудование, технологию производства, доступность сырья и его стоимость, эксплуатационные качества готовой продукции и другое. Все это требует слаженной работы специалистов и технологов на производстве.

Технология и оборудование для производства древесно- полимерного композита

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:

  • двухстадийный процесс: гранулирование + экструзия;
  • одностадийный процесс: прямая экструзия.

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.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.