СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR PREPARATION OF COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к изготовлению композиционных материалов из органических наполнителей природного происхождения, например древесных опилок, и связующего. Изделия из таких композиционных материалов могут быть использованы при получении различных строительных материалов, мебельных панелей и т.д.
В настоящее время при изготовлении таких материалов в качестве связующего применяются в основном фенольные и фенольно-формальдегидные смолы, которые сохраняют свою токсичность в изделиях. Замена токсичных фенольных и фенольно-формальдегидных смол на нетоксичные термопластичные полимеры, например полиэтилен, устраняет этот недостаток, удешевляет производство и позволяет решить проблему использования большого количества бытовых и промышленных отходов. Однако термопластики плохо или вообще не смачивают наполнитель, что приводит к неравномерности распределения связующего по объему, увеличению его расхода в технологическом процессе и ухудшению физико-механических свойств композиционного материала.
В уровне техники известны решения, в которых сделана попытка решить эту проблему.
В патенте RU 2076040 С1 (В27N 3/00, 1997) описан способ изготовления изделий из композиционных материалов, включающий смешивание предварительно измельченного наполнителя, преимущественно древесного, воздействие электростатических полей разной полярности на наполнитель и/или на термопластичное связующее, последующее смешивание наполнителя и связующего и формование изделий. Однако остаточный заряд статического электричества в изделиях, полученных согласно этому способу, остается сравнительно высоким, что не обеспечивает характеристик, соответствующих современным требованиям.
-7
-5
Известен также способ, описанный в патенте RU 2081135 С1 (С08L 97/02, 2001), заключающийся в получении экологически чистой древесно-наполненной пластмассы на основе термопластичного полимерного связующего и дисперсного древесно-растительного наполнителя. Этот способ включает определение параметров компонентов: концентрации кислотных и основных центров на поверхности наполнителя и связующего, полярности и времени релаксации остаточного удельного заряда частиц наполнителя, последующее модифицирование наполнителя путем трибоактивации в течение 2-1200 с при температуре 10-220°С и интенсивности, достаточной для достижения удельного заряда 5·10-5·10 Кл/кг и времени его релаксации 0,05-1 кс. Из этого документа также известно, что смешение наполнителя и связующего начинают производить в течение промежутка времени после окончания трибоактивации не более удвоенного значения времени релаксации остаточного удельного заряда частиц наполнителя. Этот способ позволяет получить изделия с удовлетворительными характеристиками, однако из-за сложности технологии он не нашел широкого применения.
Наиболее близким к заявленному является способ изготовления композиционного материала, включающий измельчение частиц органического наполнителя, преимущественно древесного происхождения, до размера 1-0,25 мм, фракционирование и его сушку до степени влажности 3% и менее, заряжение частиц этого компонента и термопластичного связующего противоположными электрическими зарядами посредством подачи их на поверхность ротора, вращающегося с окружной скоростью 80-120 м/с, смешения заряженных частиц наполнителя и связующего, нагревание полученной смеси через 10-12 с после смешения для последующего формирования изделия (см. пат. RU 2164864, В27N 3/02, 2001).
Существенным недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает плотного потока массы смешанных частиц органического наполнителя и связующего на стадии перехода от смесителя в устройство нагрева, что приводит к неоднородному прогреву массы и, как следствие, к ухудшению качества готового изделия. Это объясняется наличием избыточного заряда статического электричества от одноименно заряженных частиц органического наполнителя, после того как разноименно заряженные частицы наполнителя и связующего образовывали электрически нейтральные конгломераты. Это, в свою очередь, приводит к взаимному отталкиванию частиц, уменьшению насыпного веса массы, снижению ее теплопроводности.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков, присущих вышеуказанным способам и материалам.
Это достигается тем, что в способе изготовления композиционного материала, включающем измельчение частиц органического наполнителя до размера 1-0,25 мм, фракционирование и его сушку до степени влажности 3% и менее, заряжение частиц этого компонента и термопластичного связующего противоположными электрическими зарядами посредством подачи их на поверхность ротора, вращающегося с окружной скоростью 80-120 м/с, смешения заряженных частиц наполнителя и связующего, нагревание полученной смеси через 10-12 с после смешения для последующего формирования изделия, полученную в смесителе массу перед формованием пропускают через путепровод, оснащенный биполярным ионизатором, причем длина и диаметр путепровода таковы, что обеспечивают время пребывания массы, достаточное для достижения в ней остаточного заряда статического электричества по величине напряженности 20-500 В/см. Предпочтительно используют наполнитель древесного происхождения, в частности отходы деревообрабатывающей промышленности, что позволяет их утилизировать. Предпочтительно, чтобы время контакта массы с биполярным ионизатором в путепроводе не превышало 10-12 с. Меньшее время контакта не обеспечивает достижение вышеуказанного значения напряженности и, соответственно, высоких физико-механических характеристик изделий. Большее время контакта существенно не влияет на величину напряженности, но увеличивает длительность процесса, снижая, тем самым, его экономичность.
Следует отметить, что промышленностью изготовляются и выпускаются биполярные ионизаторы, позволяющие нейтрализовать статическое электричество диэлектриков, таких как пластики, например 3MTM IONIZED AIR BLOWER, информация о котором содержится в Интернете на сайте http://www.3m.com/product/information/Ionized-Air-Blower.html. Однако, во-первых, в открытом доступе отсутствует подробная информация об этом ионизаторе. Во-вторых, как показали исследования авторов данной заявки, ионизаторы такого типа применяются для уже готовых изделий, что вряд ли может существенно улучшить их физико-механические характеристики, которые закладываются на различных этапах технологии.
Данный способ иллюстрируется чертежом, где 1 - устройство для измельчения органического связующего, 2 - устройство для фракционирования измельченных частиц, 3 - сушилка, 4 - бункер для термопластичного связующего, 5 - дозатор, 6 - устройство для заряжения частиц связующего и наполнителя, 7 - смеситель, 8 - путепровод, оснащенный биполярным ионизатором, 9 - система для нагревания смеси, прессования и формирования изделий, 10 - система для охлаждения изделий в форме.
Примеры осуществления способа.
Исходное сырье органического, преимущественно древесного, происхождения, например стружку, опилки или подобные отходы деревообрабатывающей промышленности, измельчают в устройстве 1 и подают на фракционирование в устройство 2. Отсюда частицы с размером 1-0,25 мм направляют в сушилку 3, а более крупные частицы возвращают на измельчение. В сушилке 3 доводят влажность наполнителя до 3% и менее. Высушенные частицы подают в дозатор 5, куда также направляют термопластичное связующее из бункера 4. В дозаторе 5 оба компонента дозируют по рецептуре для конкретного изделия, после чего их подают на поверхность вращающегося ротора устройства 6. Ротор снабжен специальным, преимущественно резиновым, покрытием и выступами, сообщающими частицам осевую компоненту скорости. Окружная скорость на поверхности ротора составляет 80-120 м/с. Как показали эксперименты, взаимодействие частиц с поверхностью вращающегося с такой скоростью ротора обеспечивает эффективное заряжение почти всех частиц статическим электричеством, причем частицы связующего и наполнителя заряжаются противоположными зарядами. Затем оба компонента тщательно перемешивают в смесителе 7. В результате получают смесь, в которой каждая частица наполнителя окружена противоположно заряженными частицами связующего. Таким образом получают нейтральные конгломераты. Однако точно рассчитать и получить равное количество разноименно заряженных частиц невозможно, поэтому в массе всегда остается какое-то количество заряженных частиц, сообщающее ей статический заряд и придающее ей рыхлую, неплотную консистенцию. При этом неважно, каков именно этот заряд: положительный или отрицательный. Для снятия статического заряда и придания массе уплотненной консистенции ее направляют в путепровод 8, оснащенный биполярным ионизатором, где избыточный заряд статического электричества нейтрализуется.
Как показали многочисленные эксперименты, насыпной вес смешанной массы после прохождения через путепровод 8 и контакта с биполярным ионизатором увеличивается не менее чем на 20% при условии, что остаточный заряд статического электричества по величине напряженности электростатического поля не превышает
20-500 В/см. Поэтому длину и диаметр путепровода 8 подбирают такими, чтобы обеспечить время пребывания массы в нем, достаточное для достижения указанной величины остаточного заряда статического электричества. Это также зависит от конкретной рецептуры изделия, т.е. от количества наполнителя и связующего.
После путепровода 8 массу подают в систему 9, предназначенную для нагревания смеси, прессования и формирования изделий. Готовые изделия охлаждают в системе 10.
В таблице приведены характеристики композиционного материала, полученного по изобретению. Из экспериментальных данных, приведенных в таблице, прослеживается зависимость между пределом прочности на изгиб готового изделия, полученного на выходе из узла 10, и остаточным зарядом статического электричества массы промежуточного продукта, выходящего из смесителя 7 через путепровод 8. Как промежуточный результат следует отметить рост величины насыпной массы промежуточного продукта на выходе из путепровода 8, что улучшает теплообменные процессы в нагревателе 9, а также повышает плотность готового изделия на выходе из узла 10 (например, червячного пресса или экструдера). Из этих данных также видно, что наилучшие характеристики (максимальные насыпная масса, плотность и прочность на изгиб) имеют изделия, величина остаточного статического заряда которых находится в пределах 20-500 В/см.
Таблица
п/п
Остаточный заряд статического электричества, В/см
Насыпная масса смеси на выходе из смесителя, г/см<sup>3</sup>
Плотность готового изделия на выходе из червячного пресса, г/см<sup>3</sup>
Предельная прочность на изгиб готового материала, МПа
1
20
0,68
1,0
42
2
75
0,68
1,0
42
3
150
0,68
1,0
42
4
250
0,68
1,0
42
5
500
0,65
0,99
42
6
2000
0,58-0,60
0,94
38
7
15000
0,47-0,50
0,85
20-30
Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить изделия с улучшенными характеристиками простым в аппаратурном оформлении способом. Кроме того, изделия являются нетоксичными и более дешевыми, т.к. для их производства используются отходы стружки, опилки, бытовые отходы, полиэтиленовые пакеты, контейнеры и т.д. Следовательно, наряду с улучшением характеристик изделий настоящее изобретение также решает проблему утилизации отходов, улучшения экологии и снижения токсичности изделий.