СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕР-ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ПЛАСТМАССОВЫХ И ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
METHOD OF PRODUCING POLYMER-WOOD COMPOSITE MATERIALS FROM PLASTIC AND WOOD WASTES

Изобретение относится к технологии утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) и в частности к утилизации их пластмассовой и древесной фракции в полимер-древесный композиционный (ПДК) материал, из которого могут изготавливаться элементы и детали машин, механизмов и строительных конструкций. Для этого получаемый композиционный материал должен обладать определенными эксплуатационными качествами такими, например, как ударная вязкость, твердость, прочность, влагонепроницаемость и т.п. Для придания этих качеств в полимерную матрицу вводят различные наполнители и полученную смесь подвергают определенным видам активации.
2
Известен способ получения композиционного материала из поливинилхлорида и древесных опилок, включающий их механическое смешение и активацию электрическим нагревом до температур 130-220°C с последующим формованием изделий в пресс-формах при давлении от 60 до 75 кг/см (Патент РФ №16666306). Недостатком этого способа является плохая пропитка древесины полимером и, как следствие, анизотропия композиционного материала и низкие физико-механические качества получаемых из него изделий.
Известен способ получения полимерных композиционных материалов, включающий внесение наполнителя в полимерную матрицу с последующим отверждением, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используется ферромагнитный материал в виде порошка, а отверждение проводят в циклическом магнитном поле (патент РФ №2327717). Авторы не приводят величин параметров повышенной прочности, но поскольку получаемый материал используется только для клеевых прослоек, прокладок, пленок, то они не могут быть достаточными для строительных и конструкционных изделий.
2
Известен способ получения композиционных материалов, выбранный нами в качестве прототипа, из смеси полимерной матрицы и наполнителя, включающий их измельчение, смешение с последующей активацией смеси путем сверхвысокочастотного (СВЧ) нагрева до температуры от 90 до 120°C при потоке СВЧ мощностью от 50 до 500 Вт/см на частотах от 915 до 5200 МГц с глубиной проникновения СВЧ поля от 20 до 100 мм, в течение промежутков времени от 60 до 240 с (патент РФ №2284335).
В получаемом композиционном материале в качестве наполнителя используют тальк, портландцемент, древесные опилки, слюду, асбест. Активация СВЧ-нагревом оптимизирует поровую структуру наполнителя, обеспечивая его максимальную пропитку полимером, что делает композиционный материал изотропным, а у изготавливаемых из него изделий методом экструдирования снижается влагопоглощение, повышается ударная вязкость, сопротивление растяжению и сжатию.
К недостаткам этого способа необходимо отнести следующее:
- после активации СВЧ необходимо быстрое охлаждение смеси и выдерживание ее в этом состоянии в течение 24 часов, что не позволяет вести технологический процесс в непрерывном режиме, снижая его производительность и повышая эксплуатационные расходы;
- повышение ударной вязкости, прочности и уменьшение влагопоглощения изготавливаемых из получаемого композиционного материала изделий в значительной степени зависит от портландцемента, а не от активации СВЧ-нагревом. Это подтверждается сравнением величин названных параметров, получаемых без активации СВЧ-нагревом, а только с использованием в качестве наполнителя портландцемента, и с использованием активации СВЧ-нагревом;
- для максимальной пропитки полимером такого наполнителя, каким является портландцемент, необходимо интенсивное и длительное перемешивание (о чем авторы не говорят), а это требует дополнительных расходов.
Для устранения отмеченных недостатков предлагается непрерывный способ получения полимер-древесного композиционного (ПДК) материала при утилизации пластмассовой и древесной фракций ТБО и изготовление из него высококачественных и недорогих деталей и элементов машин, механизмов и строительных конструкций. Достигается это тем, что в представляемом способе, включающем измельчение, смешение, нагрев и термоэкструдирование через фильеры, высокие прочностные и эксплуатационные качества изготавливаемым изделиям придает активация сырьевой смеси магнитным полем в акустическом диапазоне частот. Вступая во взаимодействие с магнитными моментами атомных ядер молекул полимеров, оно создает в них резонансные эффекты, за что получило название магнитно-акустическое резонансное воздействие (МАРВ). Происходит это следующим образом. Известно, что практически все полимеры состоят из молекул, связанных ковалентными связями, представляющими собой обобществленные части электронов этих молекул. В процессе механических воздействий при измельчении, эти связи ослабевают, а в отдельных местах даже разрываются, нарушая физико-механическую структуру полимеров. Формируемые МАРВ резонансные эффекты не только препятствуют этим нарушениям, но и ликвидируют их последствия, внося изменения в молекулярную структуру. Так, резонансный стерический эффект создает дополнительные препятствия при перемещении молекул в разветвленных полимерах, которые характеризуются беспорядочной упаковкой. Резонансный электронный эффект за счет перераспределения электронов в молекулах способствует их укрупнению, а также комплектованию в звенья с плотной упаковкой. И это происходит не только в разветвленных, но и в линейных и в сшитых полимерах. Резонансный магнитно-стрикционный эффект способствует сжатию звеньев полимерных цепей с образованием из них плотной упаковки («Химия в действии», том II М. Фримантл «МИР», 1998 г.).
Таким образом МАРВ формирует в полимерах достаточно большое количество так называемых резонансных структур, которые придают композиционным материалам и получаемым из них изделиям дополнительную прочность, увеличивают ударную вязкость и уменьшают влагопоглощение. Параметры МАРВ, при которых возникают резонансные эффекты, были подобраны в процессе специальных исследований и имели следующие величины: диапазон частот от 5 до 15 кГц, мощность излучения 15-20 мВт. Продолжительность воздействия определяется временем прохождения сырьевой смеси через термоэкструдер и фильеру и длится от 3 до 5 минут.
Пример конкретного выполнения предлагаемого способа.
Пластмассовые отходы, не разделяемые на «мягкие» и «жесткие» полимеры, после дробления пропускают шнековым смесителем через аппарат с тремя температурными зонами 200, 230 и 250°С, в котором они превращаются в эвтектическую смесь, с усредненным термопластичным параметром («Химия в действии», том I М. Фримантл., «МИР», 1998 г.). Остывшую смесь измельчают в роторной дробилке до крупности 3-5 мм, смешивают с древесными опилками, избранным красителем и методом термоэкструдирования в диапазоне температур 180-210°C при воздействии МАРВ превращают в полимер-древесный композиционный материал, из которого устанавливаемая на выходе термоэкструдера фильера обеспечивает формирование элемента или детали нужного профиля для машины, механизма или строительной конструкции.
Эффективность МАРВ проверялась следующим образом. На выходе термоэкструдера установили фильеру, с помощью которой получили прямоугольный брус с поперечным сечением 3×6 см. Из полученного бруса были приготовлены три образца длиной 30 см для определения физико-механических параметров, влияющих на эксплуатационные характеристики изделий. Затем на выходе термоэкструдера установили фильеру, формирующую изделие в виде трубы с наружным диаметром 6 см и внутренним - 3 см, из которой тоже изготовили три образца длиной 30 см. При получении этих образцов сырьевая смесь не подвергалась активации МАРВ. В образцах были определены плотность, твердость, ударная вязкость, сопротивление изгибу, сопротивление сжатию, относительное удлинение при растяжении, влагопоглощение. Результаты определений приведены в таблице 1.
Затем были изготовлены аналогичные образцы, но при активации МАРВ. Магнитоакустический генератор МАГ-1 (патент РФ №215508) установили на расстоянии 20 см от термоэкструдера и сырьевая масса подвергалась активации при ее прохождении через темоэкструдер и фильеру, что длилось от 3 до 5 мин. В полученных образцах были произведены замеры тех же параметров, что и в образцах, не подвергнутых активации МАРВ. Результаты приведены в таблице 2. Приведенные в таблицах результаты свидетельствует, что активация МАРВ сырьевой смеси, из которой формировался ПДК материал, позволяла улучшать их эксплуатационные характеристики от 15 до 30%.
Предлагаемый способ обладает следующими преимуществами перед аналогом и другими описанными способами:
- обеспечивает ведение технологического процесса в непрерывном режиме с использованием недорого метода активации, дешевых матриц и наполнителей;
- позволяет изготавливать широкий ассортимент изделий, заменяющих аналоги из дерева, бетона и даже металла, стоимость которых на 15-25% ниже за счет дешевого сырья;
- ликвидирует пластмассовые и древесные отходы, являющиеся загрязнителем окружающей природной среды;
- изделия, изготавливаемые методом экструдирования, не требуют дополнительной обработки, что делает их производство безотходным.
Таблица 1
Прочностные и эксплуатационные параметры изделий из ПДК, не подвергавшихся активационному воздействию
Измеряемый параметр и его размерность
Формы образца
Величины измеренных параметров 7 образцов
№1
№2
№3
Плотность, кг/дм<sup>3</sup>
брус
1,15
1,15
1,16
.
труба
1,17
1,15
1,17
Твердость по Бриннелю, кг/мм<sup>2</sup>
брус
39
39
39
.
труба
38
38
38
Ударная вязкость, <img file="00000001.tif" he="10" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />
брус
32,4
33,0
33,0
.
труба
33,0
33,0
33,0
Сопротивление при изгибе, МПа
брус
165
163
163
.
труба
164
164
164
Сопротивление при сжатии, МПа
брус
109
109
108
.
труба
108
108
108
Относительное удлинение при растяжении, %
брус
0,52
0,51
0,52
.
труба
0,6
0,6
0,6
Влагопоглощение, %
брус
0,21
0,21
0,21
.
труба
0,21
0,21
0,21
Таблица 2
Прочностные и эксплуатационные параметры изделий из ПДК, подвергнутых активации МАРВ
Измеряемый параметр и его размерность
Формы образца
Величины измеренных параметров 7 образцов
№1
№2
№3
Плотность, кг/дм<sup>3</sup>
брус
1,34
1,34
1,34
.
труба
1,33
1,33
1,33
Твердость по Бриннел, кг/мм<sup>2</sup>
брус
45
45,1
45,1
.
труба
44,4
44,3
44,3
Ударная вязкость, <img file="00000001.tif" he="10" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />
брус
38,2
38,2
38,0
.
труба
37,2
38,0
38,0
Сопротивление при изгибе, МПа
брус
190
191
191
.
труба
206
206
207
Сопротивление при сжатии, МПа
брус
134
134
134
.
труба
131
132
131
Относительное удлинение при растяжении, %
брус
0,47
0,47
0,47
.
труба
0,48
0,5
0,48
Влагопоглощение, %
брус
0,15
0,17
0,17
.
труба
0,18
0,18
0,18