ДРЕВЕСНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
WOOD COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF ITS FABRICATION

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к древесному композиционному материалу, определенному в ограничительной части п.1 формулы изобретения, и к способу получения древесного композиционного материала, определенному в ограничительной части п.9 формулы изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из предшествующего уровня техники известны различные экструзионные способы, в которых исходный полимерный материал расплавляют, смешивают с возможными добавками и красителями и экструдируют через фильеру определенного профиля, чтобы сформировать продукт. При выходе из фильеры продукт имеет свою окончательную форму или близкую к ней. Из фильеры продукт можно направить в калибровочный блок, где ему придают точные и окончательные размеры, а затем в резервуар с водой, действующий как охладитель. На производственной линии продукт распиливают на куски требуемого размера. Наиболее часто исходный материал подают в экструдер в виде гранул или порошка.
Из предшествующего уровня техники также известны различные древеснополимерные композиционные материалы и способы их получения. Древеснополимерные композиционные материалы в основном изготавливают из древесных опилок и полимеров, которые обычно подают на экструзию в виде гранул. Таким образом, исходный материал на основе древесины, а также полимер, сначала следует экструдировать с получением гранул в отдельных процессах. Однако можно подавать компоненты исходного материала в экструдер в исходном виде и перерабатывать их в изделия. Это требует применения различных видов устройств для принудительной подачи, чтобы обеспечить равномерную подачу, несмотря на неоднородность и низкий удельный вес исходного материала. Этот способ называют прямой подачей.
Древеснополимерные композиционные материалы, получаемые экструзионным способом, изготавливают путем добавления к полимерной матрице компонентов на основе древесины и различных технологических добавок, например наполнителей. Применяемые компоненты на основе древесины обычно представляют собой древесные опилки, но также могут переставлять собой древесную стружку или волокна целлюлозы. Доля добавленного компонента на основе древесины в древеснополимерном композиционном материале составляет от 5 до 90%, изменяясь в широких пределах в зависимости от применения. Например, в изделии, предполагаемом для применения на открытом воздухе, доля компонентов на основе древесины составляет менее 50%. Применяемым полимером наиболее типично является полиолефин, например полипропилен (ПП), полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) или полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), но он может представлять собой и поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС) или какой-либо другой термопластичный полимер, или же смесь различных полимеров. Применяемый полимер может быть новым или повторно используемым полимером.
Если желательно, чтобы добавленный к матрице компонент на основе древесины усиливал профиль, то следует принимать во внимание длину волокна и форму добавляемого компонента. Применяемые в древеснополимерных композиционных материалах древесные опилки имеют такую форму, что они фактически не могут усиливать изделие, но вместо этого просто играют роль наполнителя в полимерной матрице. Размер частиц древесных опилок, обычно применяемых в древеснополимерных композиционных материалах, составляет от 40 до 60 меш (от 250 до 425 мкм), так что при их использовании некоторая часть исходной длины древесного волокна теряется уже на месте получения исходного материала, например на лесопилке. Кроме того, исходные материалы для древеснополимерных композиционных материалов, изготовленных из древесных опилок, предварительно перерабатывают в гранулы, перед фактической обработкой. Такое механическое воздействие еще больше укорачивает волокна древесины, и дополнительная обработка также ухудшает свойства полимерной матрицы. Дополнительная обработка также повышает затраты на производство.
Древесные опилки или древесные стружки обычно необходимо высушивать перед фактической обработкой, поскольку высокое содержание влаги в наполнителе снижает качество получаемого изделия. Пары воды, которые при обработке переходят в газовую фазу, образуют в профиле газовые пузырьки, которые влияют на вид изделия, а также на его механические свойства. Сушка, производимая как дополнительный процесс, является нежелательной стадией из-за дополнительных затрат, а также из-за опасности взрыва.
Традиционные древеснополимерные композиционные материалы имеют относительно высокую способность поглощать воду и набухать по сравнению с чистыми полимерами. Это обусловлено гидрофильностью волокон древесины и относительно большой площадью поверхности частиц древесных опилок. Общеизвестно, что в композиционном материале, предназначенном для наружного применения, доля компонента на основе древесины не может превышать 45%, а предпочтительно составляет менее 40%. Цену композиционного материала определяют доля и цена необходимого полимера матрицы, так что необходимые условия по влажности в условиях применения значительно повышают цену продукта.
Из предшествующего уровня техники известно также изготовление древесных композиционных материалов из отходов древесины, имеющих форму таблеток, и из повторно используемого полимера. Из публикации US 4874095 известно также получение древесных композиционных материалов из бумаги и термопластичного материала, а из публикаций US 20020034629 и US 3718536 известно получение древесного композиционного материала из материалов на основе древесины и материалов на основе полимеров.
Целью данного изобретения является устранение описанных выше недостатков. Одной из конкретных целей данного изобретения является обеспечение нового типа древесного композиционного материала и способа его получения. Другой целью данного изобретения является обеспечение нового способа переработки отходов клейких многослойных листов и пригодного для использования продукта, полученного в связи с этим процессом.
Материал и способ в соответствии с данным изобретением характеризуются признаками, представленными в формуле изобретения.
Данное изобретение основано на древесном композиционном материале. В соответствии с данным изобретением, древесный композиционный материал получен из отходов клейких многослойных листов, содержащих приклеиваемый материал, клей и антиадгезионный материал, переработанных в измельченный материал, причем измельченный материал переработан в древесный композиционный материал.
Кроме того, данное изобретение включает способ получения древесного композиционного материала. В соответствии с данным изобретением, отходы клейких многослойных листов, переработанные в измельченный материал, содержащие приклеиваемый материал, клей и антиадгезионный материал, перерабатывают в древесный композиционный материал, предпочтительно без предварительного гранулирования клейкого многослойного листа с формированием таблеток.
В одном из примеров реализации данного изобретения измельченный материал перерабатывают в древесный композиционный материал путем экструдирования, литья под давлением, прессования между пластинами или другим подобным способом.
В этой связи термин «древесный композиционный материал» относится к комбинированному изделию, состоящему из материала отходов, полученных при производстве клейких многослойных листов и от их покупателей, и включающему приклеиваемый материал, например этикетки, материал поверхности и т.п., а также клей и антиадгезионный материал.
В одном из предпочтительных примеров реализации отходы клейких многослойных листов состоят из приклеиваемого материала, на который нанесен клеевой слой, и на клеевой слой нанесен антиадегизонный материал, который можно легко удалить в момент применения и который должен выполнять функции защитного покрытия.
В одном из примеров реализации данного изобретения клей выбран из группы, состоящей из дисперсионного клея, термоклея или их смесей. В клейком многослойном листе можно применять клеи, известные как таковые.
В одном из примеров реализации данного изобретения приклеиваемый материал и/или антиадгезионный материал включает компонент на основе древесины и/или компонент на основе пластмассы или полимера, или другой органический компонент.
В одном из примеров реализации данного изобретения приклеиваемым и/или антиадгезионным материалом является бумага на основе древесных волокон, картон и т.п. В одном из примеров реализации приклеиваемый и/или антиадгезионный материал представляет собой высокосортную бумагу, то есть бумагу, не содержащую древесины, и, таким образом, он не содержит лигнин. В одном из примеров реализации бумага на основе древесных волокон, картон и т.п. содержит материал на основе пластмассы или полимера, или обработан им. В одном из примеров реализации приклеиваемый и/или антиадгезионный материал может быть сформирован, по существу, из материала на основе пластмассы или полимера.
В одном из примеров реализации данного изобретения антиадгезионный материал содержит компонент на основе кремнийорганических соединений. Антиадгезионный материал предпочтительно обработан кремнийорганическим соединением.
В одном из примеров реализации данного изобретения отходы клейких многослойных листов содержат дополнительный полимер, который может быть свежеполученным или повторно используемым полимером. В соответствии с данным изобретением древесный композиционный материал может быть изготовлен без добавления дополнительного полимера или с добавлением такого полимера.
В одном из предпочтительных примеров реализации для изготовления древесного композиционного материала к отходам клейких многослойных листов добавляют дополнительный полимер, например полиолефин, полипропилен, полиэтилен (ПЭВП, ПЭНП), ПВХ или другой пригодный полимер или их смесь. В одном из примеров реализации отходы клейких многослойных листов и дополнительный полимер подают на получение древесного композиционного материала единым потоком. В другом примере реализации отходы клейких многослойных листов и дополнительный полимер подают на получение древесного композиционного материала в виде раздельных потоков. Отходы клейких многослойных листов и дополнительный полимер предпочтительно можно смешать в однородную смесь перед изготовлением древесного композиционного материала. Альтернативно, дополнительный полимер вводят в отходы клейких многослойных листов в ходе изготовления древесного композиционного материала. В одном из примеров реализации количество добавленного полимера предпочтительно составляет менее 50%, более предпочтительно, от 10 до 30%. В одном из примеров реализации отходы клейких многослойных листов или некоторые из их составляющих включают достаточное количество компонента на основе пластмассы или полимера, без добавления дополнительного полимера.
В одном из примеров реализации данного изобретения отходы клейких многослойных листов содержат добавки. В одном их примеров реализации данного изобретения требуемую и подходящую добавку (добавки) вводят в измельченный материал клейкого многослойного листа перед переработкой измельченного материала в древесный композиционный материал, например, перед экструзией и/или в ходе изготовления древесного композиционного материала, например в ходе экструзии. В одном из примеров реализации применяемые добавки могут представлять собой связующий агент, например, МАРР (производные малеинового ангидрида) для улучшения адгезии между измельченным материалом клейкого многослойного листа и полимером/пластмассой; тальк для выравнивания поверхности и создания жесткости; краситель и/или добавку, понижающую трение. Также в качестве добавок можно применять различные антипирены, фунгициды, УФ стабилизаторы и т.п.
В одном из примеров реализации отходы клейких многослойных листов содержат компоненты на основе металлов.
В одном из примеров реализации данного изобретения, в данном способе регулируют соотношение в смеси между отходами клейких многослойных листов, дополнительным полимером и/или добавкой. Путем изменения размера частиц измельченного материала клейкого многослойного листа и количества и качества дополнительного полимера, а также путем добавления других наполнителей и армирующих агентов можно задавать такие свойства древесного композиционного материала, чтобы он был пригоден для каждого конкретного применения продукта. По сравнению с традиционным древеснополимерным композиционным материалом, изготовленным из древесных опилок, в котором размер частиц и форма древесных опилок оказывает значительное воздействие на механические свойства производимого композиционного материала, композиционный материал, полученный из измельченного материала отходов клейких многослойных листов, является значительно более многофункциональным в отношении его механических свойств. Предпочтительно механические свойства древесного композиционного материала, такие как эластичность, гигроксопичность, а также другие механические свойства, регулируют путем изменения размера частиц измельченного материала и/или количества и качества дополнительного полимера.
В одном из предпочтительных примеров реализации доля отходов клейких многослойных листов в древесном композиционном материале по существу составляет более 50%.
В одном из примеров реализации данного изобретения отходы клейких многослойных листов измельчают и сортируют с получением измельченного материала с требуемым размером частиц перед изготовлением древесного композиционного материала. В одном из примеров реализации размер частиц измельченного материала, который подают на производство, составляет от 1 до 10 мм. В одном из примеров реализации размер частиц измельченного материала составляет от 3 до 5 мм.
Отходы клейких многослойных листов можно измельчать в связи со способом по данному изобретению, или же они могут уже находиться в измельченном виде.
В связи с данным изобретением можно применять любые подходящие способы изготовления, известные сами по себе.
Для изготовления древесного композиционного материала можно использовать готовые клейкие многослойные листы и материал отходов, полученный из них или при их производстве. Также можно применять производственные отходы и утилизированный материал от дальнейшей переработки и конечного использования.
В одном из примеров реализации по данному изобретению отходы клейких многослойных листов получают из производства клейких многослойных листов, включая в основном производственные отходы, отходы кромок полос, отрезанных от рулонов, и концы рулонов, из устройств для прессования клейких многослойных листов, включая главным образом концы рулонов, приклеиваемый материал, оставшийся от вырубной штамповки наклеек и этикеток, и отходы, и/или от конечных потребителей клейких многослойных листов, которые наклеивают вырубленные наклейки и этикетки или т.п. на продукцию. Отходы, полученные от конечных потребителей, содержат главным образом удаляемый материал, концы рулонов и отходы готового продукта.
Виды отходов клейких многослойных листов, полученных с различных стадий, различаются по их составу, и их можно смешать в соответствующую смесь отходов клейких многослойных листов. Таким образом, путем сбора отходов с различных стадий жизненного цикла указанного продукта и утилизации собранных отходов можно осуществить принципы утилизации и устойчивого развития.
Древесные опилки и компоненты на основе древесины в ранее известных древеснополимерных композиционных материалах включают лигнин, который разлагается из-за УФ-излучения, ухудшая свойства древесины. Бумагу, используемую в клейких многослойных листах в связи с данным изобретением, в большинстве случаев делают из целлюлозы и таким образом она не содержит лигнин. Это делает фракцию волокон в клейких многослойных листах более однородной, стабильной и более прочной, без лигнина. Волокно целлюлозы также является более длинным, чем материал волокон, которые были размолоты механически.
Способ по данному изобретению пригоден для применения в переработке различных видов отходов производства клейких многослойных листов и для изготовления древесных композиционных материалов. Полученные в этом способе изделия можно использовать в различных применениях, например в качестве краевых пластин, сердечников рулонов, строительных материалов, плит для облицовки внутренних двориков, материалов для дизайна и т.п.
Способ по данному изобретению позволяет одновременно утилизировать отходы клейких многослойных листов и получить пригодный для использования продукт. Отходы клейких многослойных листов невозможно использовать при нормальной утилизации бумаги из-за содержащихся в них клея, пластмассы, полимеров, кремнийорганических соединений и т.п.
Древесный композиционный материал по данному изобретению в высокой степени экологичен и способствует реализации принципа устойчивого развития. Данное изобретение обеспечивает продукт, который сам по себе является вторично используемым материалом и может быть использован как продукт, также удовлетворяющий еще более строгим нормативам в отношении окружающей среды.
Продукт по данному изобретению является стойким в отношении погодных условий, гибким, механически прочным, легко поддающимся формовке при изготовлении, а также износостойким. Продукт по данному изобретению также легко обрабатывать, и он имеет хорошие упругие свойства. Благодаря хорошим упругим свойствам этот продукт легко можно прибивать гвоздями, без растрескивания и без необходимости применять предварительно просверленные отверстия.
Способ по данному изобретению является очень простым, что снижает капиталовложения и затраты на обработку.
В следующем разделе данное изобретение описано с помощью подробно изложенных примеров реализации.
Пример 1
2
2
Профиль, предназначенный для применения в качестве краевой пластины для упаковки, должен быть прочным и достаточно эластичным, чтобы быть способным выдерживать усилие резкого сжатия, которое вызывает стягивание при упаковке. Имея целью изготовить профиль, пригодный для использования в качестве краевой пластины, клейкий многослойный лист измельчали с получением измельченного материала, который сортировали, чтобы получить частицы с размером 4 и 5 мм. В потоке исходного материала оба размера частиц были представлены в равных долях. К измельченному материалу добавили 10% ПЭНП, и полученный продукт экструдировали с получением L-образного профиля с производительностью 158 кг/час, при этом температура массы составляла 137°С. От профиля краевой пластины отпилили образец для проведения испытаний размером 30×150×7,5 мм и провели испытание на трехточечный изгиб в соответствии со стандартом SFS-EN ISO 178. Полученный для материала предел прочности при изгибе составлял 29,3 Н/мм, а модуль упругости составлял 1030 Н/мм.
Пример 2
Сердечники для рулона многослойного листа должны быть прочными и жесткими, чтобы выдержать силы, прилагаемые к рулону при использовании, и сделать рулоны многослойного листа точными в отношении размеров. При изготовлении профиля сердечника к измельченному материалу клейкого многослойного листа с размерами частиц 3 мм добавляли 15% ПП, 10% талька и 3% связующего. Массу, пластифицированную с помощью экструдера, пропускали через форму для отливки сердечников с производительностью 140 кг/час; при этом температура массы составляла 185°С. Для проведения испытаний материала от сердечника отпиливали куски по 100 мм, чтобы испытать их на прочность при сжатии как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, при скорости 10 мм/мин. Полученная для материала прочность при сжатии составляла 2,9±0,1 кН в горизонтальном направлении и 78,8±1,2 кН в вертикальном направлении.
Пример 3
Плиты для облицовки внутренних двориков, предназначенные для наружного применения, должны быть механически прочными, а также иметь низкую гигроскопичность, чтобы влага, поглощенная продуктом, не могла вызвать роста микробов, изменения размеров или других вызываемых влагой изменений. Имея намерение получить продукт, пригодный для наружного применения, к измельченному материалу клейкого многослойного листа с размером частиц 4 мм добавляли 30% ПЭНП. Для испытания материала продукт экструдировали с получением L-образного профиля с производительностью 80 кг/час, при этом температура массы составляла 170°С. От L-образного профиля отпиливали образцы для испытания, чтобы провести испытания на гигроскопичность в соответствии со стандартом SFS-EN ISO 62. Содержание влаги, полученное через 24-48-72-192-384 и 1152 часа, составило 0,69-0,88-0,93-1,53-1,87 и 4,10%.
Пример 4
Имея намерение дополнительно снизить гигроскопичность плит для облицовки внутренних двориков, пригодных для наружного применения в более суровых условиях, были получены образцы в соответствии с примером 3, но путем добавления 5% связующего агента к вышеупомянутым исходным материалам. Содержание влаги, полученное через 24-48-72-192-384 и 1152 часа, составляло 0,50-0,64-0,83-1,26-1,38 и 2,75%.
Пример 5
В дополнение к низкой гигроскопичности и механической прочности, плиты для облицовки внутренних двориков, предполагаемые для наружного применения, должны легко обрабатываться. Типичной проблемой для традиционных и ранее известных материалов древесных композиционных материалов является их легкое растрескивание при прибивании гвоздями.
2
При изготовлении профиля для плит для облицовки внутренних двориков к измельченному материалу клейкого многослойного листа добавляли 10% талька, 23% ПП и 3% связующего агента. Материал экструдировали с производительностью 120 кг/час, при этом температура массы составляла 175°С. Полученные плиты для облицовки внутренних двориков испытывали на трехточечный изгиб в соответствии со стандартом EN 310; полученный предел прочности при изгибе составлял 13,5 Н/мм. Полученную плиту было легко обрабатывать и закреплять, поскольку ее можно было точно распилить, даже при сложной форме и ее можно было прибить гвоздями или закрепить винтами, при необходимости, без риска растрескивания плиты.
Таким образом, испытания показывают, что материал на основе клейких многослойных листов обеспечивает изделия из древесного композиционного материала, которые легко можно использовать для различных применений и которым можно легко придать требуемые свойства, например прочность, стабильность, эластичность, гибкость и способность к обработке. Наблюдали, что свойства полученных продуктов удовлетворяли критериям, необходимым в каждом применении.
Способ по данному изобретению применим в различных примерах реализации для использования при изготовлении различных видов древесных композиционных материалов и при переработке отходов клейких многослойных листов.
Примеры реализации данного изобретения не ограничены примерами, приведенными выше; в пределах области защиты, заявленной в приведенной далее формуле изобретения, возможны многочисленные изменения.