КРОВЕЛЬНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ ПАНЕЛЬ

Полезная модель относится к производству строительных изделий из сыпучих материалов и полимерных отходов и может быть использована для получения черепичных, кровельных материалов, химически стойких покрытий полов, плитки и других строительно-отделочных материалов. В частности, рассматривается конструкция полимеросодержащей кровельно-строительной панели, которая может быть использована в качестве строительной единицы для покрытия поверхностей с целью их герметизации ил изоляции от внешнего воздействия окружающей среды.
В настоящее время для изготовленное полимеросодержащих плит или панелей различного назначения широко применяется способ производства строительных изделий, в котором используется система изготовления строительных изделий из сыпучих материалов и полимерных отходов. Система включает устройства дробления полимерных материалов с нагревателем песка, соединенных между собой технологическими линиями, а также пресс-форму готовых изделий с транспортирующей линией подачи продукции на склад (RU №94008420, С04В 26/00, опубл. 10.11.1995).
Для реализации такого способа применяется линия для производства кровельно-строительного материала, содержащая устройство дробления полимерных отходов и нагрева песка, входы которых соединены соответственно с линией подачи полимерных отходов и песка, а выход со смесителем песка и полимерных отходов, пресс-форму готовых изделий, соединенную на выходе с линией подачи продукции на склад, дополнительно снабжена гидравлическим прессом, вход которого соединен с выходом смесителя, а выход соединен со входом пресс-формы готовых изделий, датчиками температуры песка и смеси песка и полимерных отходов, соединенных электрическими линиями связи со входами вычислительного устройства, выходы которого соединены линиями связи с электрическими управляющими устройствами, установленными соответственно на пресс-форме готовых изделий, устройстве нагрева песка, устройстве дробления полимерных отходов, смесителе песка и полимерных отходов, гидравлическом прессе (RU №2185959, В28В 15/00, В28В З/00, С04В 26/00, опубл. 27.07.2002 г.).
В результате после прессования на линии, описанной в RU №2185959, то есть после придания заданной формы, в качестве изделия получают панель определенного размера в плане и определенной толщины, которая выполнена из материала, представляющего собой полимеризованную смесь песка и полимерных отходов. Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного объекта.
В известном решении песок, находящийся в бункере хранения, поступает на пост его разогрева и нагрева до температуры, при которой происходит плавление полимеросодержащей компоненты в исходном сырье, поступающем из другого накопительного бункера. Таким образом, в общей камере смешения разогретый песок и неразогретая полимеросодержащая компонента должны смешаться, песок должен отдать такую часть своего тепла этой компоненте, чтобы она расплавилась до образования (при смешивании) полимеросодержащей смеси с песком в качестве наполнителя. При этом в камере смешения дополнительно производят разогрев смеси с тем, чтобы процесс плавления полимеросодержащей компоненты был гарантирован. В данной линии разогрев песка носит неоправданный характер, так как идет большой расход электроэнергии, а при достижении заданной температуры песка последний перемещается в камеру смешения, но особенностью песка как кварцевого материала является то, что он очень быстро отдает тепло в окружающую среду. Если учитывать эту особенность. То путь песка из камеры его разогрева до камеры смешения должен быть минимален или вообще отсутствовать, но это практически невозможно, так как условия работы узлов и агрегатов, относящихся к разогреву печка и к смешиванию, отличаются, имеют особенности, присущие каждому процессу и не могут находиться в непосредственной близости друг к другу. Таким образом, разогретый песок после транспортировки поступает в камеру смещения с полимеросодержащей компонентой с сильно упавшей температурой, при которой полимер нагревается, но не плавится. Подвод дополнительного разогрева к камере смешения так же требует большого расхода энергии и, по сути, новый этот разогрев необходим, чтобы полимеросодержащая компонента расплавилась, что возможно только при достижении песком и этой компонентой общей температуры - температуры плавления полимера. Если учесть, что все исходное сырье, в том числе и песок, проходят стадию предварительного дробления и перемешивания, которое осуществляется в условиях цеха, то все сырье приобретает в итоге температуру среды цеха или близкую к ней, и можно предположить, что эта температура не отрицательная. В связи с этим двойной нагрев не дает эффективности и энергозатратен, что сказывается не только на стоимости готового изделия, но и на его качестве. Речь идет о сформированной структуре полученного из полимеризованной смеси песка и полимерных отходов строительного элемента - панели.
В такой панели вкрапления песка при формовании выходят на наружную поверхность панели и формируют неоднородную структуру поверхности, в которой частицы песка выведены наружу и находятся открытыми. В процессе эксплуатации данные частицы выкрашиваются, оставляя на поверхности раковины. Это обусловлено тем, что полимерная масса не обладает достаточным сцеплением с частицами песка. Песок используется только с одной целью - быть наполнителем, что позволяет регулировать вес панели и количество полимерной массы. Таким образом, полимерная масса должна использоваться в качестве оболочки панели, так как именно свойства этой массы и будут определять свойства панели к внешнему нагружению и воздействию среды, а внутренняя часть панели должна содержать песок. Но в известном решении такая идеальная по структуре панель не получается в силу того, что песок и полимерная масса по разному отдают тепло и в момент поступления массы в устройство прессования масса имеет температуру разогрева больше, чем температуры частиц песка в поверхностном слое. При прессовании масса деформируется, а частицы песка не подвергаются деформации и остаются на поверхности панели.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационных качеств строительной панели из полимеризованной смеси наполнителя и полимерной массы за счет формирования поверхностного слоя большей плотности, чем плотность внутренней структуры при использовании различного по природе происхождения наполнителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в кровельно-строительной панели, представляющей собой отформованный листовой материал, выполненный из смеси полимерных отходов и наполнителя, подвергнутых экструзии и последующему прессованию, и края которого обрезаны, прочность поверхностных слоев листового материала со стороны приложения усилия прессования выполнена выше прочности внутреннего слоя этого материала.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - представлена схема линии для производства кровельно-строительного материала.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция кровельно-строительной панели, обладающей заданной толщиной листа и имеющей заданную форму в плане.
Для производства одного кровельно-строительного листа или панели толщиной 5 мм и размером два метра в длину и один метр в ширину, необходимо:
- 6 (шесть) килограммов агломерата (вторичная агломерированная пленка высокого давления всех/любых марок);
- 2 (два) килограмма агломерированной стрейч-пленки;
- 8 (восемь) килограммов каолина или мела;
- 1 (один) килограмм любого наполнителя: речной песок, рисовая шелуха, стекловата, древесные опилки, резиновая крошка (отходы автомобильных покрышек), переработанная фракция пластиковых бутылок ПЭТ.
Дополнительно в состав смеси может быть включено 200 (двести) грамм красителя Байферрокс/Bayferrox (Германия) (пигменты для бетона применяются в строительстве для окрашивания цементных растворных смесей и бетонов, в первую очередь при производстве тротуарной плитки, ЖБИ, малых архитектурных форм) (http://белыйцемент.рф/pigmеntibауfеrrох). Если панель должна иметь окраску.
Особенностью кровельно-строительной панели является то, что он имеет измененную структуру материала по толщине листа. Главной особенностью панели является то. что поверхностные слои имеют упрочнение, то есть прочность поверхностных слоев «а» больше, чем прочность внутренней срединной части «б» структуры материала, заключенного между поверхностными слоями, за исключением поверхностей листа, полученных в результате обрезки и придания панели заданной формы.
Кровельно-строительную панель изготавливают на линии для производства кровельно-строительного материала, которая используется для получения изделий, изготовленных из любого по природе наполнителя и полимеросодержащих отходов. Линия для производства кровельно-строительного материала (фиг.1) содержит накопительные бункеры для исходного раздробленного сырья (поступает в готовом раздробленном виде или поступившее сырье дробится в отдельных дробилках), состоящего из полимерных отходов и наполнителя. Линия включает три основных бункера 1 (резервуара) для разных видов главных компонентов исходного сырья и четыре вспомогательных бункера 2 (резервуара) под красители и добавки. Указанное количество бункеров (резервуаров) носит условный характер, так как определяется количеством компонентов смеси. У каждого бункера на выходе сырья устанавливается дозатор 3, который позволяет подавать установленные порционные дозы находящегося в бункере сырья на весы до формирования весовой порции, соответствующей заданному составу смеси. Выверенный по весу компонент исходного сырья из каждого резервуара в отдельности поступает в общую камеру 4, откуда отсыпанное сырье поступает в заданной пропорции в приемную часть камеры аппарата 5 для смешивания всех компонентов. Таким образом, каждый накопительный бункер, имеющий дозатор, выполнен с функцией выдачи весовой порции исходного сырья в общую для всех накопительных бункеров камеру и оттуда в аппарат смешивания. Аппарат смешивания сырья - это круглый резервуар (вращающийся от привода барабан) в виде овала в продольном сечении, закрепленного на оси, внутри на внутренней поверхности стенки закреплены ребра, а на оси лопасти. С одной торцевой стороны отверстие для загрузки компонентов с другой торцевой стороны головка в виде конуса для выгрузки смеси (окно выдачи перемешанной смеси). В аппарате смешивания, имеющем в полости барабана ребра и лопасти, происходит перемешивание компонентов до получения гомогонезированной смеси, при этом происходит дополнительное дробление компонентов смеси за счет контактных соударений и трения и выравнивание температурного режима, который определяется начальными температурами компонентов сырья и нивелируется за счет передачи тепла от теплых компонентов к более холодным.
После смешивания смесь, имеющая некоторую температуру, через окно выдачи перемешанной смеси поступает на транспортер 6 перемещения перемешанной смеси (транспортер ленточного или шнекового типа, или любой известный, обеспечивающий перемещение сыпучего материала, имеет привод от электродвигателя через редуктор) в накопительный резервуар 7 смешенных компонентов в виде контейнера прямоугольной формы с ленточным толкателем сырья, откуда смешенные компоненты дозировано направляются (ссыпаются) в устройство 8 нагревания смеси, применяемое для получения тягучей полимеросодержащей массы на выходе путем плавления (подплавления) полимерной компоненты и обволакивания наполнителя (одновременно происходит растворение красителей и взаимодействие добавок с массой полимера). Устройство нагревания смеси представляет собой экструдер, имеющий трубчатый корпус, внутри которого размещен вал со спиралевидными лопастями для перемещения при вращении смеси, а на трубе в окружном направлении установлены нагревательные электрические тены 9 для нагревания смеси до состояния тягучей расплавленной полимеросодержащей массы на выходе из формирующей головки корпуса. Более подробно конструкция такого экструдера описана в статье «Экструзия», выложенной на сайге «Пласт Эксперт» компании «Группа Полипластиик» в Интернет в режиме он-лайн доступа по адресу: http://www.e-plastic.ru/main/articles/r5. обнаружено 12.05.2011 г. Выполнение экструдера с наружно расположенными на трубе по ее длине тенами обеспечивает постепенный нагрев смеси и постепенное доведение температуры смеси до температуры плавления (подплавления) полимерной компоненты.
Особенностью данной линии является то, что непосредственные затраты электроэнергии на приготовление тягучей полимеросодержащей массы происходят на экструдере, где температура поддерживается по длине вала с лопастями в соответствии с таким режимом, при котором на выходе масса приобретает заданную консистенцию и это видно по состоянию самой массы. Процесс регулирования температуры нагрева по тенам по длине экструдера может осуществляться вручную, но может быть и автоматизирован. Остальные расходы электроэнергии, подаваемой на приводы транспортеров вальцов, аппарата смешивания и других агрегатов линии остаются в соответствии с требуемой нагрузкой на электродвигатели и редуктора и в соответствии с режимами их работы.
Выходящая из выпускного окна (из формирующей головки) тягучая полимеросодержащая масса попадает на транспортер 10 ленточный или овальный (имеющий привод от электродвигателя через редуктор) и перемещается на вальцы 11, где происходит формование этой массы в листовой формы полотно 12. Используются резинотехнические вальцы (6 штук). Полотно из раскатанной массы по транспортеру 13 (ленточного или саласочного типа) перемещают к устройству 14 прессования для формования в листовой форме готового изделия 15. Устройство прессования выполнено в виде, например, гидравлического пресса с пресс-формами 16, на выходе готовое изделие 15 обрезается до заданной формы по периметру с целью удаления наплывов и соблюдения габаритных размеров.
В придании панели прочностных качеств, отличающихся по толщине структуры материала, участвует часть процесса линии, начинающаяся с процесса в экструдере. В экструдере при заданной температуре обеспечивается плавление полимера и перемещение однородной тягучей массы в сторону головки, из которой разогретая масса поступает по ленточному транспортеру на вальцы, где раскатывается в полотно, разрезаемое на куски по 2 метра длиной. Потом эти куски по очереди подаются в пресс-форму. Пресс-форма под давлением в течение 30-50 секунд формирует форму листа, затем лист выходит из-под пресса.
В качестве полимеросодержащих отходов используются агломерат (вторичная агломерированная пленка высокого давления всех марок) и агломерированная стрейч пленка, а в качестве наполнителя - речной песок, рисовая шелуха, стекловата, древесные опилки, резиновая крошка (отходы автомобильных покрышек), переработанная фракция пластиковых бутылок ПЭТ.
При выходе из головки масса поступает в окружающую среду, температура которой существенно меньше температуры массы. При нагревании выше температуры стеклования полимер переходит в высокоэластическое состояние. Переход связан с реализацией сегментальной подвижности, что обеспечивает резкое увеличение спектра конформационных превращений. В этих условиях под действием внешнего напряжения в полимерах могут происходить значительные обратимые деформации. Высокая подвижность полимерных цепей способствует развитию релаксационных процессов и значительно увеличивает время релаксации. В этот момент происходит первое поверхностное охлаждение массы из-за большой разницы температур. В поверхностных слоях происходит полимеризация структуры на некоторую глубину (глубину поверхностного слоя) при том, что температура глубинных слоев остается равной температуре разогрева в экструдере и процесс полимеризации еще не начался. Данное объясняется тем, что в составе смеси используется минеральный наполнитель - белая глина с размерами частиц 2-3 мкм, которая состоит из минерала каолинита, алюмосиликат (увеличивает жесткость и теплостойкость, улучшает окрашиваемость и снижает анизотропию усадки и коробление). Полимеризация поверхностных структуры слоев структуры приводит к частичной потере пластичности по отношению к пластичности массы в средней части материала. Данная полимеризация носит поверхностный характер, а так как масса выходит неоформившейся, то можно считать, что влияние этого процесса незначительно, но этот процесс начат и существует. Данный процесс протекает в течение времени перемещения массы на транспортерной ленте к вальцам. На вальцах в условиях температуры окружающей среды происходит обжим массы для придания ей листовой формы. В этот момент масса сильно деформируется и принимает, растягиваясь форму, тонкостенного (например, 5-10 мм на длине в 2 м) листа с сильно развитой наружной площадью. Из-за сохранившейся существенной разницы в температурах окружающей среды (например, 20-25°С) и полимеросодержащей массы (например, 130-190°С и возможно при давлении до 50-100 атм, в зависимости от типа полимеров - 110-270°С) происходит быстрое охлаждение поверхностных слоев листа, полимеризация этих слоев и образование упрочненных поверхностных слоев по отношению к внутренней части материла листа, в которой температура массы выше температуры поверхностных слоев.
В дальнейшем такие листы поступают на пост прессования, на котором на всю площадь листа оказывают длительное давление с целью корректировки толщины, придания формы и, например, нанесения рисунка. В это момент происходит общее упрочнение панели за счет деформации поверхностных слоев, в которых начался процесс искусственно ускоренно полимеризации, и внутреннего слоя, в котором этот процесс не начался. Внутренние слои заполняют пустоты, оказывают давление на недеформируемые частицы наполнителя и выталкиваются к наружным слоям (по закону Паскаля). Наличие увеличенной температуры в пределах высокоэластической области внутри структуры (между поверхностными слоями) сопровождается увеличением разрывного удлинения и степени ориентации полимера за счет ослабления межмолекулярных связей и увеличения сегментальной подвижности. В связи с этим внутренняя структуры материала остается на уровне прочности меньшей прочности поверхностных слоев, в которых процесс полимеризации начат и ослабления межмолекулярных связей и увеличения сегментальной подвижности отсутствуют (при понижении температуры удлинение и ориентация уменьшаются, а при переходе к стеклообразному состоянию ориентация проявляется только при высоких напряжениях, соответствующих вынужденной эластичности).
Следует иметь в виду, что при производстве материала из кристаллизующихся полимеров процесс кристаллизации всегда начинается с поверхности быстроохлаждаемого волокна. Валовая скорость этого процесса больше у поверхности, нежели в середине волокна, откуда затруднен процесс теплоотвода из-за малой теплопроводности полимеров. Концентрация центров зародышеобразования у поверхности в силу тех же причин больше. Все это приводит к тому, что растущие на поверхности поликристаллы, вытягивая из более горячего и менее вязкого внутреннего объема макроцепи полимера создают в этих областях внутренние напряжения, уменьшают в них плотность упаковки макромолекул, чем уменьшают прочность волокна в целом. Сталкиваясь в процессе роста с соседями приповерхностные поликристаллы вырастают до меньших размеров, но более совершенны, нежели структурные образования в средних областях волокон. В результате поверхностные слои волокна вносят наибольший вклад в его прочность.
Влияние наполнителя на прочностные качества панели в целом не носит выраженный характер, так как смесь составлена из полимерной компоненты и наполнителя в примерном соотношении 8:1(2). В связи с этим можно говорить о влиянии наполнителя только на локальную прочность панели, то есть на прочность в ее поверхностных слоях. Как было указано, в качестве наполнителя используется речной песок, рисовая шелуха, древесные опилки, резиновая крошка (отходы автомобильных покрышек), переработанная фракция пластиковых бутылок ПЭТ.
2
Резиновая крошка и речной песок являются заполнителями структуры, оказывающими влияние на разрыв структурных связей в срединных слоях панели из полимеросодержащей отформованной массы. Об этом говорилось ранее. Что касается таких наполнителей как рисовая шелуха и древесные опилки, то эти компоненты сильно влияют на пористость структуры материала. Даже следы влаги в древесном /целлюлозном волокне преобразуются в пар при температурах расплава, следовательно, приводят к пористости. Разложение полимера и экстрактов древесины во время переработки приводит к образованию летучих органических соединений (ЛОС), а разложение лигнина из древесных волокон при температурах расплава полимера приводит к образованию СО, следовательно, пористости. Чем больше скорость экструзии, тем больше деструкция полимера и выше пористость. Применение вентилируемых экструдеров позволяет снизить влияние ЛОС, но само явление остается. При быстрой искусственно созданной полимеризации поверхностных слоев из-за высокой разницы температур материала и окружающей среды во внутренних слоях остаются газы, выход которым перекрыт. При прессовании и деформации поверхностных слоев часть газов из этих слоев выходи в атмосферу, а во внутренней структуре пористость остается, что существенно снижает плотность и, следовательно, прочность срединной зоны материала.
Таким образом, кровельно-строительная панель имеет ярко выраженное конструктивное распределение прочности в зависимости от плотности по толщине материла. Поверхностные упрочненные слои обеспечивают эксплуатационную прочность панели при ее облегченной срединной части материала.
Настоящая полезная модель промышленно применима, опробована и позволяет выпускать экономичные строительные листовые пластины или изделия обладающие высокой экономической эффективностью и практичностью в целом ряде областей.