Производство древесно-полимерных композиционных материалов экструзионным методом

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 674.04

М. К. Герасимов, Г. И. Игнатьева, Р. Р. Мухаметзянов,

И. М. Галиев, В. В. Степанов

ПРОИЗВОДСТВО ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ЭКСТРУЗИОННЫМ МЕТОДОМ

Ключевые слова: древесина, экструзия, композиционный материал, экструдер, прочность, полимер, смешение.

Проведен анализ результатов исследований производства древесно-полимерного композиционного материала методом экструзии. Дано описание экспериментальной установки для производства ДПК, разработанной на кафедре «Переработки древесных материалов».

Keywords: wood, extrusion, composite material, extruder, strength, polymer, mixing.

The analysis of the results of the study WPKM (The wood-polymer composite material)production by extrusion. A description of the experimental setup extruder to produce WPKM, collected by the department, "the processing of wood materials".

Древесно-полимерный композитный материал (ДПКМ) или древесно-полимерный компо-

зит (ДПК) - относительно новая, но отлично зарекомендовавшая себя разработка в области строительных материалов. ДПК сочетает в себе лучшие стороны древесины и пластика и, при этом, практически не имеет их недостатков. Исследования в области древеснополимерных композитов велись многие десятилетия, но только сравнительно недавно были разработаны технологии и составы, позволяющие производить изделия из ДПК в промышленных масштабах [1, 2].

ДПК и изделия из него обладают большинством свойств обычной древесины, превосходя ее по многим параметрам. ДПК обрабатывается обычным инструментом, предназначенным для обработки древесины, в него можно вбить гвоздь или ввернуть шуруп, на вид материал также напоминает обычную древесину. В то же время, изделия из ДПК не боятся влаги и вредителей, не требуют окраски, практически не горят, поверхность долгие годы сохраняет эстетичный внешний вид [3, 4]. Изделия из ДПК служат заменой древесины в домостроении, садовой архитектуре, изготовлении профиля для оконных и дверных конструкций, отделки интерьеров, полотен дверей, столов, подоконников и даже мебели.[5, 6]

Основные составляющие ДПК - измельченная древесина и ее отходы и термопластичный полимер.

Содержание древесины в ДПК может быть различным - чем ее больше, тем свойства такого материала ближе к натуральному дереву. Кроме того, в состав ДПК входят различного рода добавки для улучшения свойств композита. Дополнительно к древесине, могут использоваться различные наполнители - металл, стекло, пластик и т.д. для придания изделию особых свойств.

Изделия из ДПК могут изготавливаться различными способами. Основные из них это литье и метод непрерывной экструзии. Наибольшее распространение нашел способ экструзии, т.к. можно получать материалы различных конфигураций и размеров, а также увеличить количество древесного наполнителя [7, 8].

Для получения ДПК разработана установка, состоящая из одношнекового горизонтального экструдера и вальцовочной машины.

Экструдер включает в себя (рис.1):

- обогреваемый цилиндр, шнек и формующую головку;

- бункер для подачи сырья, объемом 3 л;

- систему нагрева (для поддержания заданной температуры в процессе работы).

Рис. 1 - Схема одношнекового горизонтального экструдера: 1 - двигатель; 2 - экструзионная головка; 3- нагреватель корпуса; 4 - корпус; 5 -шнек; 6 - загрузочное устройство; 7 - упорный подшипник; 8- редуктор; 9 - тахометр; 10 - регулятор напряжения; 11- мультиметр для измерения температуры; 12 - выпрямитель; 13 - амперметр; 14 - вольтметр

Цель и задачи исследования - определить зависимость физико-механических характеристик полученных образцов ДПК от содержания наполнителя и вида связующего.

Для проведения исследований использовались следующие компоненты:

1) связующие - ПВД 15813-020, ПВД 15313003, ПВД 10803-020, ПЭ 2НТ 76-17 в количестве 2575% от общей массы;

2) наполнитель - древесная мука марки 180 в количестве 20-70% от общей массы;

3) модифицирующие добавки: антиоксидант

ШДАМОХ 1010, уменьшающий интенсивность процессов деструкции и сшивания, и лубрикант БАБЯОЬиБ - смазывающий материал, улучшающий текучесть рабочей смеси и способствующий повышению производительности экструдера, в количестве 5% от общей массы.

На первом этапе проводилась подготовка древесного заполнителя, заключающаяся в его измельчении до размеров древесной муки и сушке до влажности менее 1%. Затем осуществлось вальцевание с целью получения полуфабриката ДПК, который подавали в загрузочное устройство экструдера. Затем цилиндр нагревают до заданной температуры и приводят в движение шнек. Продвижение материала осуществляется вследствие разности значений силы трения ДПК о внутреннюю поверхность корпуса цилиндра и о поверхность шнека. Продвигаясь дальше, происходит подплавление смеси, примыкающей к поверхности цилиндра. Расплав постепенно накапливается и воздействует на убывающую по ширине пробку. Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера [9]. Соотношения компонентов представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Соотношения компонентов ДПК

^Марка полимера Содер-Ч жание др.муки, % ПВД 15813- 020 ПВД 15313 -003 ПВД 10803- 020 ПЭ 2НТ 76-17

20 75% 75% 75%

30 65% 65% 65% 65%

40 55% 55% 55% 55%

50 45% 45% 45% 45%

60 35% 35% 35%

70 25% 25%

Результаты проведенных исследований на прочность полученных образцов представлены на рис. 2.

Из графика видно, что наиболее прочными оказались образцы, на основе ПЭ 2НТ 76-17 и максимальную прочность среди них имели образцы с содержанием древесины 20 %. Снижение прочности с увеличением количества древесного наполнителя характерно и для всех остальных образцов.

Исследования по данной работе выполнены в рамках реализации 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», при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Рис. 2 - Зависимость прочности ДПК от содержания наполнителя Сдм и вида связующего: 1 - ПВД 15813-020; 2 - ПВД 15313 -003; 3 - ПВД 10803-020; 4 -ПЭ 2НТ 76-17

Литература

1. Иванчев С.С., Дмитриченко А.В. Полимеризационное наполнение методом радикальной полимеризации как способ получения композиционных материалов//Успехи химии. 1982. Т. 51. вып. 7. С. 1178-1200.

2. Зиятдинова Ю.Н. и др. Повышение прочности композиционных материалов, созданных на основе модифицированной древесины//Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, № 19. - С. 31-35.

3. Хасаншин Р.Р. и др. Термическая обработка древесного наполнителя в производстве композиционных материалов //Вестник Казан. технол. ун-та. - 150-154 с.

4. Будников И.В. Древопласты-композиты на основе дисперсной древесины и термопластов.//ХХХ НТК. Пенза. 1999. С. 22-23

5. Будников И.В. и др. Экологически чистые водостойкие древесно-минерально-полимерные композиции//6-е академические чтения РААСН. Иваново, 2000. С. 89-93.

6. Соломитов В.И., Черкасов В.Д. Биохимические основы технологии древесных пластиков//Вестник Московского госуд. ун-та путей сообщения. М., 1996, вып. 1. С. 79-84.

7. Толстая С.Н. Метод оценки активности наполнителей в композиционных материалах//Композиционные полимерные материалы, 1982. Вып. 15. С. 6-13.

8. Вольфсон С.И. и др. Влияние способа внедрения нанонаполнителя на свойства полимерных композиций // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т.1 4, №14. - С. 186-189.

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

© М. К. Герасимов - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ; Г. И. Игнатьева - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, ignatieva_pdm@mail.ru; Р. Р. Мухаметзянов - асп. той же кафедры; И. М. Галиев - асп. той же кафедры; В. В. Степанов - асп. той же кафедры.