Анализ современного состояния производства теплоизоляционных материалов и возможности создания новых материалов на основе отходов деревообработки

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА

УДК 66.013

Д. Ф. Зиатдинова, Р. Г. Сафин, Н. Ф. Тимербаев,

Л. И. Левашко

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ

НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБОТКИ

Ключевые слова: древесные отходы, технологическая щепа, теплоизоляционный материал, оборудование, пенополиуретан, вспенивание, композиционный материал.

В данной статье описывается технология, позволяющая максимально полно использовать отходы деревообработки, заменить натуральную древесину не уступающими ей по качеству искусственными заменителями. Ярким примером этого направления является производство и применение древесно-полимерных композитов. Это пенополиуретан, смешанный с технологической щепой.

Keywords: a wood waste, engineering wood chips, thermal insulating material, equipment, polyurethane foam, froth,

composition of material.

The paper provides information on technology, which allow utilize wastes of woodworking industry. Instance of this area is production and application woodpolymeric composites. This is polyurethane foam, which mixed with technological of wood chips.

Все предыдущее развитие производства конструкционных материалов поставило нас на порог новой промышленной революции. Наступивший век станет, вероятнее всего, веком композитов. Природные и даже синтетические материалы в их естественном виде уже не вполне удовлетворяют требованиям конструкторов, архитекторов, технологов. Например, дерево - это замечательный материал. Но у него есть одна особенность: при обработке древесины образуется большое количество отходов в виде обрезков, стружек и опилок. И чем крупнее изделие или сложнее его форма, тем больше возникает отходов. Необходимость более эффективного использования древесины стала причиной развития производства сначала фанеры, а затем и древесных плит. В результате, невозможно представить себе современную деревообрабатывающую промышленность, строительство, мебельное производство и многое другое без плитных материалов.

Поэтому главная идея при разработке композиций заключается в том, чтобы в сочетании иногда на первый взгляд несовместимых материалов выявить их лучшие качества, именно в той степени, в которой это необходимо для каждого конкретного случая. Для строителей и деревообработчиков особую актуальность сегодня приобретают технологии, связанные с производством и применением древесно-полимерных композитов.

Древесно-полимерные композиты — это материалы, где древесина смешивается с полимерами, которые затем полимеризуются вместе с древесиной для приобретения требуемых свойств.

Обычно из данного материала производятся доски, которые по многим характеристикам не уступают ни обычной деревянной доске, ни керамической плитке. А также являются незаменимыми в качестве теплоизоляционных плит.

Органические теплоизоляционные материалы и изделия производят из различного растительного сырья: отходов древесины (стружек, опилок, горбыля и др.), камыша, торфа, очесов льна, конопли, из шерсти животных, а также на основе полимеров. Многие

органические теплоизоляционные материалы подвержены быстрому загниванию, порче различными насекомыми и способны к возгоранию, поэтому их предварительно подвергают обработке. Поскольку использование органических материалов в качестве засыпок малоэффективно в силу неизбежной осадки и способности к загниванию, последние используют в качестве сырья для изготовления плит. В плитах основной материал почти полностью защищен от увлажнения, а следовательно, и от загнивания, кроме того, в процессе производства плит его подвергают обработке антисептиками и антипиренами, повышающими его долговечность [1].

Среди большого разнообразия теплоизоляционных изделий из органического сырья наибольший интерес представляют плиты древесноволокнистые, камышитовые, фибролитовые, торфяные, пробковая теплоизоляция натуральная, а также теплоизоляционные пенопласты. Плиты древесноволокнистые применяют для тепло- и звукоизоляции ограждающих конструкций. Изготовляют их из распушенной древесины или иных растительных волокон - неделовой древесины, отходов, лесоперерабатывающей промышленности, костры, соломы, хлопчатника [2].

Термопластичные древесно-полимерные композиты (ДПКТ) - сравнительно новая группа древесно-полимерных композитов. От обычных они отличаются тем, что в качестве полимерного связующего в них используются полимерные термопласты - поливинилхлорид, полистирол, полиэтилен, полипропилен и др. По причине высокой пластичности ДПКТ иногда называют жидким деревом. Методом экструзии, литьём под давлением, прессованием, ротационным формованием из компаунда ДПКТ получают высококачественные отделочные материалы и изделия: террасные и половые доски, стеновые панели, сайдинг, кровельные изделия, и т.д. [3].

Изделия из ДПКТ отличаются высокой атмосферной, механической и химической устойчивочтью, влаго- и водостойкостью, не подвержены короблению и растрескиванию. Хорошо держат металлический крепеж и не вызывают его коррозии.

Первые промышленные производства ДПКТ были созданы в начале 1990-х годов в США. Несколько предприятий по производству ДПКТ появились в 2007 - 2008 г. г. и в России.

Процесс производства древесно-полимерного композита на оборудовании включает: смешивание пластика, древесных волокон и агентов, компаундирование, экструдирование и нарезка профилей на желаемую длину.

При одностадийном способе сразу на одной линии из полимера, древесных опилок или муки, и добавок получают изделие, при этом периферийными устройствами к экструдеру служат смеситель и дозаторы компонентов. Одностадийный способ более сложен и требует высокой квалификации операторов.

При двухстадийном способе сначала на отдельной линии из полимера, древесных опилок или муки, и добавок получают гранулу ДНК, а затем на второй линии из гранул ДПК на оборудовании получают готовое изделие.

Получение гранул на древесно-полимерном оборудовании происходит на линии грануляции похожей на те, которые применяются для гранулирования вторичных полимеров.

Получение изделий из гранул ДПК принципиально не отличается от получения изделий из чистого полимера. При необходимости придания профильному изделию различной текстуры, в линию для производства древесно-полимерного композита устанавливаются специальные тиснильные валы, которые придают поверхности требуемый узор.

Двухстадийный способ не требует высокой квалификации операторов, так как неоднородность получающихся гранул после линии грануляции компенсируется в экструдере линии производства изделий.

Для обоих способов есть одна особенность - это необходимость подготовки древесного компонента. Древесный наполнитель (например, опилки) измельчается до величины древесных частиц порядка 60-80 меш (число отверстий на линейный дюйм) и тщательно высушивается до влажности не более 12%, иначе излишняя влага будет вскипать в экструдере,

что приведет к поломкам ДПК оборудования и браку изделий. При использовании более крупных частиц могут возникнуть проблемы с качеством поверхности и сечения профиля. Недостатком этого процесса является короткий срок хранения древесного порошка. В отличие от гранул, порошок быстро адсорбирует воду из воздуха помещения, в результате чего может потребоваться дополнительная сушка смеси перед переработкой.

В качестве добавок применяются вещества для обеспечения совместимости полимера с древесным порошком, снижения трения между расплавленной смесью и инструментом, для улучшения текучести и т.п.

Огромным плюсом получения изделий из ДПК является возможность применения до 100% вторичного полимера при условии, что это однородный материал.

Для производства таких теплоизоляционных плит можно использовать машины высокого давления.

Заливочные машины высокого давления серии Седна-В на рис. 1 являются

бюджетными машинами с невысокой стоимостью и находят применение в изоляции труб и фасонных изделий пенополиуретаном, производстве скорлупы, заливке корпусов холодильников и т. п.

Рис. 1 - Схема заливочной машины высокого давления: 1 - Баки компонентов, 2 -фильтр, 3 - насос, 4 - предохранительный клапан, 5 - смесительная головка, 6 - датчики давления

Следует отметить, что теплоизоляционные материалы на основе полимеров в виде газонаполненных пластмасс и изделий, а также минераловатных и стекловатных изделий производят на полимерном связующем.

Впервые, пенополиуретан был открыт немецким ученым - физиком Байером Отто Георгом Вильгельмом. Байер проводил исследования синтеза полиамидов с целью разработать принципиально новый материал, который бы пришел на смену каучуку, стали и пробке. Благодаря работе Байера уже в 1944 году было открыто производство пенополиуретана (ППУ) в Германии [1].

Сам процесс производства пенополиуретана предусматривает смешение жидких компонентов - изоцианата и полиола в нужных пропорциях. В ходе реакции происходит вспенивание и увеличение в объеме полученной смеси после чего она отвердевает.

Технология производства пенополиуретана подразумевает соблюдение нескольких параметров. Это температура компонентов и окружающей среды, соотношение компонента А (полиольный) и компонента Б (изоцианатный). Немаловажным моментом в производстве пенополиуретана является качественное смешение компонентов. Любое незначительное отклонение, хотя бы одного из параметров, приводит к браку изделия.

Температура влияет на производство ППУ достаточно сильно. При пониженной температуре не только увеличивается расход сырья, но и увеличивается брак на выходе. От качественного перемеса компонентов при производстве пенополиуретана зависит

однородность самого пенополиуретана на выходе, отсутствие воздушных полостей и уплотнений.

Жесткий пенополиуретан является конструктивным теплозвукоизоляционным материалом, он не гниет, на нем не растет грибок, стоек к воздействию химических сред и атмосферных осадков, имеется отличная стойкость против старения. Изделия из жестких пенополиуретанов легко подаются механической обработке, их можно пилить, резать, сверлить. Важная особенность: при определенных условиях при демонтаже их можно повторно использовать по своему прямому назначению.

Отдельным моментом в производстве теплоизоляционных плит, как указывалось выше является процесс вспенивания. Вспениванию поддаются практически все полимеры, и почти каждый из известных методов переработки пригоден для изготовления пенопластов.

Существует 8 ключевых материалов, используемых в качестве вспенивателей во всем мире, это:

1) азодикарбонамид (АБС);

2) 4,4-оксибис (бензолсульфонилгидразид) (ОББИ);

3) п-толуолсульфонилгидразид (ТБИ);

4) 5-фенилтетразол (РТ);

5) п-толуолсульфонилсемикарбазид (РТББ);

6) динитрозопентаметилентетрамин (БКРТ);

7) натрия бикарбонат (ББС);

8) цинка карбонат (7п003).

Промышленное производство теплоизоляционных материалов из отходов деревообработки уже начинает набирать обороты, а в скором времени ожидается его беспрецедентный рост. По данным различных источников, темпы роста объема мирового производства древесно-полимерных композитов составят около 20% в год.

На базе кафедры КНИТУ «Переработка древесных материалов» ведутся научные исследования по производству теплоизоляционных материалов на основе древесных отходов [5]. По данной тематике был выигран грант федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013” по теме: “Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала”.

Исследования ведутся по двум направлениям. В качестве связующего для создания композиционных материалов из отходов лесозаготовки предлагается использовать минеральные связующие (цемент, магнезит, известь, гипс) или полимерные (полиуретан, полиэтилен, полипропилен). Для получения пенополиуретана были применены наиболее распространённые полимерные связующие: компонент А - полиол и компонент Б -

полизоционат. С целью определения максимального вспенивания ППУ был взят диапазон разных соотношений компонентов А и Б: 1:1 - 2 : 1.

На рис. 2 представлены результаты влияния соотношения концентрации компонентов А и Б на высоту вспенивания пенополиуретана. Наглядно видно, что наибольшее вспенивание ППУ получено при соотношении 1,2 : 1.

На основании найденного соотношения компонентов А и Б: полиола и полизоционата, которое даёт наибольшее вспенивание получаем новый композиционный материал, смешением технологической щепы с пенополиуретаном. На рис. 3 представлен

теплоизоляционный материал, полученный смешением пенополиуретана с древесным наполнителем - технологической щепой.

Достоинство нового материала - возможность сокращения расходов на ППУ в 2 раза, увеличение прочности полученного нового композита. Однако, усложнение технологии не даёт заметного снижения себестоимости теплоизоляционного материала.

Другим способом получения теплоизоляционного материала на основе древесных отходов является смешение технологической щепы с минеральными вяжущими, например с

цементным раствором, и вспенивание полученной смеси. В результате можно получить вспененные плиты арболита. Себестоимость последнего, при значительном повышении прочности, получаем ниже себестоимости ДКМ, полученного на основе ППУ. Однако готовый продукт имеет худший эстетический вид и меньшую поверхностную прочность. Облагораживание вспененных плит арболита возможно созданием оболочки из ППУ.

Рис. 2 - Графическое отображение влияния соотношения полиола и полизоционата на высоту вспенивания

Рис. 3 - Теплоизоляционный материал

На основе проведённых опытов, разработана новая технология производства теплоизоляционного материала на основе отходов деревообработки (рис.4).

Древесные отходы поступают в рубительную машину 1, где они рубятся в технологическую щепу, затем технологическая щепа равномерно загружается в варочный котел 2, куда подаётся пар от парогенератора 3, под давлением до 20 атм. После прогрева технологической щепы, она удаляется выдувкой в выдувной резервуар 4. Поверхностный конденсатор 6 улавливает токсичное вещество - метилмеркаптан, поверхностный конденсатор 7 - диметилсульфид, скипидар, а сероводород улавливается абсорбером 9. После этого в смесителе 14, 15 производится смешение раствора цемента с подготовленной технологической щепой. В реактор 16 производится подача вспенивателя для непосредственного получения арболита. Полученная смесь поступает в опалубки на конвейере для получения вспененных плит арболита, а затем уже в опалубки с плитами на конвейере 18 производится подача пенополиуретана. Пенополиуретан обволакивает арболитовую плиту, тем самым получая довольно прочный теплоизоляционный материал, с гладкой и ровной поверхностью, и лучшей теплоизоляционной способностью при проведения монтажных работ по теплоизоляции зданий и сооружений.

Рис. 4 - Линия по производству слоёного теплоизоляционного материала на основе бетона и пенополиуретана: 1 - рубительная машина, 2 - варочный котёл, 3 -парогенератор, 4 - выдувной резервуар, 5 - конденсатор смешения, 6 - поверхностный конденсатор для улавливания метилмеркаптана, 7 - поверхностный конденсатор для улавливания диметилсульфида, 8 - холодильник, 9 - абсорбер, 10 - дифибратор, 11 -шнековый питатель, 12 - ловушка, 13 - вакуумный насос, 14 - смеситель, 15 - смеситель, 16 - реактор, 17 - конвейер с опалубками для получения арболитовых блоков, 18 -конвейер с опалубками под готовые изделия, 19 - смеситель, 20 - компонент А - полиол, 21 - компонент Б - полизоцианат

Исследования по данной работе выполнены в рамках реализации федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013” по теме: “Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала”, при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Литература

1. Быстров, А.Ф. Основы для эффективного использования древесных отходов деревообрабатывающего предприятия / А.Ф. Быстров, Э.С. Быстрова // Деревообраб. пром-ть. - 1999. - № 5.

2. Кантер, К.Р. О тепловых свойствах древесины. / К.Р.Кантер // Деревообраб. пром-ть. - 1957. - № 7.

3. Иванов, Ю.М. Исследования физических свойств древесины / Иванов Ю.М., Баженов В. А.; АН СССР. - 1959.

4. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - .№ 4 - 120-130 с.

5. Сафин, Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств / Р.Г. Сафин. - М.: Изд-во МГУЛ, 2003. - 500 с.

© Д. Ф. Зиатдинова - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, ziatdinova@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; Н. Ф. Тимербаев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; Л. И. Левашко - асп. той же кафедры.