Моделирование свойств высоконаполненных древесно-полимерных композиционных материалов, получаемых методом экструзии

УДК 674.04

Р. Г. Сафин, И. М. Галиев, М. Г. Ахмадиев МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ

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

Методом интерполирования обработаны результаты исследований водопоглощения и изменения плотности высоконаполненного древесно-полимерного композиционного материала.

Keywords: wood, extrusion, composite material, extruder, polymer, mixing, water absorption.

Interpolation method processed the results of studies of water absorption and density changes of highly filled woodpolymer composite material.

На сегодняшний день изготовление древесно-полимерного композиционного материала (ДПКМ) является одним из наиболее динамично развивающихся секторов отрасли переработки пластмасс и древесных отходов. Изделия, произведенные из ДПКМ по технологии «жидкого дерева», обладают всеми положительными качествами, присущими полимерам и древесине [1,2].

ДПКМ состоит из трех основных компонентов: древесный наполнитель, полимерное связующее и технологические добавки. Содержание древесины в ДПКМ может быть различным - чем ее больше, тем свойства такого материала ближе к натуральному дереву и он напоминает древесноволокнистую плиту (ДВП), с меньшим содержанием больше похож на пластмассу. Вторым важнейшим компонентом является

термореактивный или термопластичный полимер (матрица). На практике в качестве полимерных матриц для производства ДПКМ наибольшее распространение получили полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) и поливинилхлорид (ПВХ). Столь широкое применение ПЭ и ПП связано с их хорошей смешиваемостью с органическим наполнителем, а также низкой температурой плавления, позволяющей применять органический наполнитель без риска термического разложения древесины. Кроме того, в состав ДПКМ входят различного рода добавки для улучшения свойств композита [1,3]. Изделия из ДПКМ могут изготавливаться различными способами - это литье и непрерывная экструзия. Наибольшее распространение получил метод непрерывной экструзии, поскольку этим методом можно получать материалы различных конфигураций и размеров [4].

В последнее время при исследовании различных технологических процессов

существенное развитие получили методы математического моделирования. Это связано с интенсивным применением информационных технологий и вычислительной техники. Использование математических моделей при расчетах процессов и аппаратов технологий дает возможность значительно сократить время исследования. Для успешного использования

математической модели необходимо, чтобы модель достаточно верно описывала качественно и количественно свойства исследуемого объекта. Для проверки адекватности математической модели реальному процессу нужно сравнить результаты измерения с результатами предсказания модели в идентичных условиях (при определенных значениях входных и управляющих параметров). Такая проверка позволяет оценить точность математической модели и, следовательно, возможность ее применения в реальных условиях и для решения различных задач.

При изучении различных физических явлений и проведении технологических экспериментов часто наблюдается функциональная зависимость между величинами, описывающими количественную сторону данного явления или эксперимента. Результаты этих экспериментов обычно представляются графически, т.е. в виде некоторых линий, указывающих связь между этими величинами. Чтобы показать эту зависимость, иногда приходится проводить множество экспериментов. Для этого требуется достаточно много времени и большое количество различных компонентов. В этой связи встает вопрос: как установить зависимость или связь между экспериментальными величинами, имея

минимальное количество исходных данных? В данной работе для математической обработки результатов экспериментальных исследований, и для установления зависимости между экспериментальными величинами, следуя работе [5], используется теория интерполирования функций [6].

Важнейшим показателем для строительных материалов является водопоглощение. Как правило, водопоглощение ухудшает свойства материала, увеличивает теплопроводность и среднюю плотность, а также уменьшает прочность. Для исследования процесса водопоглощения высоконаполненных ДПКМ по ГОСТ 4650-80 (СТ СЭВ 1692-79) [7] были изготовлены экспериментальные образцы на установке, состоящей из: одношнекового горизонтального экструдера, рамы (на которой смонтированы электродвигатель), редуктора, корпуса с бункером и системы нагрева (рис.1) [8].

Для изготовления экспериментальных образцов ДПКМ использовались следующие компоненты:

1) связующие - ПЭ и ПП в количестве 20-40% от общей массы;

2) наполнитель - древесные опилки в количестве 6080% от общей массы.

На рис.2 представлены результаты экспериментальных исследований и математической модели в виде кривых:

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

Технология изготовления образцов заключалась в следующем. На первом этапе проводится изготовление компаунда. Технология компаундирования: подготовка компонентов, заключающаяся в сушке древесной муки до влажности менее 6% (для предотвращения в процессе смешивания выделения влаги и улучшения адгезии со связующим), затем вальцевание. В результате получаем полуфабрикат ДПКМ, который подается в загрузочное устройство экструдера и полученные образцы обрезаются нужной длины[9]. Результаты исследований изменения

водопоглощения представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Показатели изменения водопоглощения

Вид Соотношение Количество

связую- компонентов: поглощенной

щего связующее/ воды

наполнитель

ПП 40/60 2,3

35/65 3,5

30/70 4,6

25/75 7,3

ПЭ 40/60 2,4

35/65 4,8

30/70 6,8

25/75 11

40

С

Рис. 2 - Изменение количества поглощенной воды в зависимости от содержания полимера в ДПКМ

Анализ результата показывает, что с увеличением количества полимера в ДПКМ содержание поглощенной воды уменьшается. Математическая модель, описывающая изменение водопоглощения ДПКМ на основе ПП и ПЭ, в зависимости от содержания полимера представлена в виде соотношений:

И(СШ) =-0,2833С3пп + 2,5С2пп - 8,2167СШ + 13,3 , (1) и(Спэ) =-0,4333С3пэ + 3,7С2пэ - 12,267Спэ + 20 , (2) где и - количество поглащенной влаги, Спп -содержание полипропилена, Спэ - содержание полиэтилена.

Немаловажным для строительных материалов является показатель плотности материала. Влияние содержания полимера на плотность ДПКМ, представлено в таблице 2.

Таблица 2 - Показатели изменения плотности

Вид Соотношение Плотность

связую- компонентов:

щего связующее/

наполнитель

ПП 40/60 1094

35/65 1104

30/70 1140

25/75 1196

ПЭ 40/60 1044

35/65 1056

30/70 1120

25/75 1145

Результаты исследований изменения плотности материала представлены на рис. 3. Как видно из зависимостей, приведенных на рис. 3, с увеличением содержания полимера, плотность материала уменьшается. Образцы на основе ПП имеют более высокую плотность, чем образцы на основе ПЭ.

С

Рис. 3 - Изменение плотности ДПКМ в зависимости от содержания полимера

Математическая модель, описывающая изменение плотности ДПКМ на основе ПП и ПЭ, в зависимости от содержания полимера представлена в виде соотношений:

исследовании.

зависимость,

водопоглощения

Установлена функциональная описывающая изменение

и плотности исследуемого

Р (Спп) = С3пп + 4С2пп - 75Спп + 1266;,

р

где р - плотность материала, Спп - содержание полипропилена, Спэ - содержание полиэтилена.

В данной работе исследовались свойства высоконаполненных ДПКМ и методом интерполирования проведена математическая обработка результатов экспериментальных

© Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, safin_rg@kstu.ru; И. М. Галиев - асп. той же кафедры, galei1 @таП.га; М. Г. Ахмадиев - к. физ.-мат. наук, доц. кафедры высшей математики КНИТУ.

материала в зависимости от содержания полимера. В частности, построены аналитические выражения, аппроксимирующие результаты экспериментов и позволяющие получить интересующие нас данные, не проводя множество экспериментов (величина достоверности аппроксимации равна 0,99).

Литература

1. А.В. Абушенко, Мебельщик, 3, 32-36, (2005).

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

Л.И. Левашко, Вестник казанского технологического университета, 18, 69-75, (2011).

3. Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, В.В. Степанов,

3.Р. ХаИруллина, Вестник казанского технологического университета, 11, 90-92, (2012).

4. Р.Г. Сафин, Г.И. Игнатьева, И.М. Галиев, Вестник казанского технологического университета, 2, 87-88, (2013).

5. М.Г. Ахмадиев, Ф.Ф. Шакиров, И.Г. Шайхиев, Вестник казанского технологического университета, 10, 217222, (2011).

6. Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков, Численные методы, Наука, Москва, 1987, 356 с.

7. ГОСТ 4650-80. Методы определения водопоглощения. ИПК изд-во стандартов, Москва, 1980, 5с.

8. Пат. Россия 2422268 (2011).

9. М.К. Герасимов, Г.И. Игнатьева, Р.Р. Мухаметзянов, И.М. Галиев, В.В. Степанов. Вестник казанского технологического университета, 15, 3, 106-107, (2012).