СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF MAKING ARTICLES FROM LIGNOCELLULOSE POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к производству лигноцеллюлозных полимерных композиционных материалов и изделий на их основе и может быть использовано для получения строительных, конструкционных и отделочных материалов, а также для изготовления мебели, товаров бытового и промышленного назначения. Например, заявляемое изобретение может быть использовано для изготовления материала для внутреннего применения, такого как настилочный материал, облицовочный материал, обкладочный материал, звукоизоляционная стенка и фурнитура, вид добавок варьируется в соответствии с видом материала и областью его применения.
Тенденция последнего времени - широкое применение древесно-полимерных композиционных материалов (ДНК) на основе термопластичных связующих, которые обеспечивают большую экологичность материала по сравнению с древесно-стружечными и волокнистыми материалами на основе термореактивных смол; возможность вторичной переработки ДНК; использования различных лигноцеллюлозных наполнителей, а также вторичного полимера. ДНК характеризуется высокими показателями механической прочности, низким водопоглощением, устойчивостью к действию внешней среды и агрессивным биологическим факторам. Доступность и дешевизна исходного сырья, простота аппаратурного оформления технологических процессов, хорошие потребительские свойства, возможность получать готовые изделия формованием из расплава - все это в целом определило успешное развитие производства древесно-полимерных композитов.
Основными технологическими проблемами в производстве ДНК является совмещение гидрофильной основы древесного наполнителя с гидрофобной полимерной матрицей. В настоящее время эта задача решается за счет введения в рецептуру композита разнообразных химических веществ: совместителей (компатибилизаторов), аппретов, технологических добавок, улучшающих реологию расплава, внешних и внутренних смазок, красителей, добавок, улучшающих механические свойства (ударную вязкость, предел прочности и пр.). Многие из этих веществ небезупречны с точки зрения экологичности, что ставит под сомнение и экологичность композита в целом.
Известен способ получения полимерных композитов, включающий сушку компонентов, их подготовку и смешение с последующим термоформованием изделий, при этом наполнитель перед сушкой обрабатывают водным раствором реагента ПАФ13А (см. патент РФ №2493184, дата публикации 20.09.2013).
Недостатком известного технического решения является низкая экологичность готовой продукции из-за необходимости применения различных химических добавок, а также повышенная трудоемкость изготовления в силу необходимости предварительной обработки наполнителя (измельчение, сушка, отмывка и/или пропитка).
В качестве ближайшего аналога принят способ изготовления изделий из лигноцеллюлозных полимерных композиционных материалов, включающий сушку компонентов, их подготовку и смешение, с формированием изделий при нагревании полимерного компонента (см. патент РФ №2493180, 20.09.2013).
К основным недостаткам ближайшего аналога относится сложность технологии предварительной обработки наполнителя: предварительная дегидратация, необходимость отделения сердцевины от волокна, промывка волокна достаточным количеством воды, трамбование увлаженного волокна предпочтительно деревянным рабочим органом, т.к. металлическая машина может привести к чрезмерной деформации волокон. Реализация столь сложной последовательности действий требует дополнительного технологического оборудования, а следовательно, увеличивает капитальные затраты и удорожает процесс.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение экологически чистых материалов и изделий с высоким уровнем технических характеристик при использовании дисперсного лигноцеллюлозного наполнителя, а именно шелухи (лузги, плодовых оболочек) гречихи с различными термопластичными связующими, с добавками и без.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении экологичности готовой продукции за счет увеличения доли используемого отхода переработки гречихи и минимального использования химических добавок в технологии производства и получение материалов и изделий с высоким уровнем технических характеристик. Кроме того, использование природных красителей полифенольной природы, извлеченных из гречневой шелухи расплавом полимера, позволяет придать готовой продукции различные оттенки коричневого цвета.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления изделий из лигноцеллюлозных полимерных композиционных материалов, включающем сушку компонентов, их подготовку и смешение, с формированием изделий при нагревании термопластичного полимера, в качестве матрицы используют термопластичный полимер в количестве 80-20 вес.%, а в качестве наполнителя используют шелуху гречихи, предпочтительно в воздушно-сухом состоянии, в количестве 20-80 вес.%.
Кроме того, в смесь дополнительно вводят технологические добавки в количестве 8-10% от веса смеси, причем в качестве добавки используют антиокислитель, и/или УФ-стабилизатор, и/или УФ-поглотитель, и/или смазочное вещество, и/или минеральный наполнитель, и/или краситель, и/или огнестойкий компонент, и/или термостабилизатор, и/или вспениватель.
Кроме того, в качестве термопластичного полимера используют отходы термопластического материала или продукты переработки использованных изделий из него.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «в качестве матрицы используют термопластичный полимер» обеспечивает повышение экологичности готовой продукции за счет возможности использования отходов термопластического материала или продуктов переработки использованных изделий из него.
Признак «в качестве наполнителя используют шелуху гречихи, предпочтительно в воздушно-сухом состоянии» обеспечивает повышение экологичности готовой продукции за счет увеличения доли используемого отхода переработки гречихи.
Шелуха гречихи (лузга, плодовые оболочки) является доступным, дешевым сырьем (многотоннажным отходом сельскохозяйственного производства), характеризующимся стабильными размерно-составными свойствами, более низкой по сравнению с древесиной естественной влажностью и воспламеняемостью, наличием естественных гидрофобизаторов и красителей полифенольной природы.
Признаки «термопластичный полимер в количестве 80-20 вес.%, в качестве наполнителя используют шелуху гречихи в количестве 20-80 вес.%» обеспечивает получение материалов и изделий с высоким уровнем технических характеристик.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
Для реализации способа использовали стандартное оборудование.
Предварительно производят сушку и подготовку шелухи гречихи.
Шелуха гречихи одинакового происхождения однородна по своему составу и может использоваться в воздушно-сухом состоянии для измельчения и последующего получения композита.
Шелуха гречихи в воздушно-сухом состоянии достаточно хрупкая и может измельчаться в ножевых мельницах или дробилках невысокой мощности. Хрупкость и измельчаемость шелухи растет при подсушивании.
Для изделий крупных размеров шелуха гречихи может использоваться без измельчения, диспергирование может происходить во время процесса смешения в расплаве.
Подготовленную шелуху гречихи в воздушно-сухом состоянии с влажностью не более 15% в количестве 20-80 вес.% подают в дозирующее устройство экструдера и перерабатывают смешением в расплаве при температуре более 120°C с 80-20 вес.% термопластичного полимера. В качестве термопластичного полимера может выступать полиэтилен, полипропилен, полистирол и поливинилхлорид.
Далее можно получать погонажные изделия экструзией или получать гранулы композита для переработки другими методами.
Также в лигноцеллюлозный полимерный композиционный материал на этапе смешения компонентов можно включать добавки при соотношении их веса к весу смеси до 8-10%, причем в качестве добавки используют антиокислитель, и/или УФ-стабилизатор, и/или УФ-поглотитель, и/или смазочное вещество, и/или минеральный наполнитель, и/или краситель, и/или огнестойкий компонент, и/или термостабилизатор, и/или вспениватель.
Пример 1
40 кг линейного полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), в виде гранул размером 3-5 мм и 60 кг измельченной шелухи гречихи в воздушно-сухом состоянии, с влажностью 9,5% и размером частиц 300-500 мкм, смешивают в расплаве в двухшнековом экструдере с соотношением L/D=40 при температуре цилиндра 200°C, температура формующей головки -200°C. Из полученного материала получали образцы для механических испытаний литьем под давлением.
Пример 2
60 кг линейного ПЭВП, в виде гранул размером 3-5 мм и 40 кг измельченной шелухи гречихи в воздушно-сухом состоянии с влажностью 9,5% и размером частиц 300-500 мкм, смешивают в расплаве в двухшнековом экструдере с соотношением L/D=40 при температуре цилиндра 200°C, температура формующей головки - 200°C. Из полученного материала получали образцы для механических испытаний литьем под давлением.
Пример 3
80 кг линейного полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), в виде гранул размером 3-5 мм и 20 кг измельченной шелухи гречихи в воздушно-сухом состоянии с влажностью 9,5% и размером частиц менее 160 мкм, смешивают в расплаве в двухшнековом экструдере с соотношением L/D=40 при температуре цилиндра 200°C, температура формующей головки - 200°C. Из полученного материала получали образцы для механических испытаний литьем под давлением.
Параметры литья и сравнительные характеристики наиболее распространенных изделий из ДНК (данные производителей) с лигноцеллюлозными полимерными композиционными материалами из вышеуказанных примеров приведены в табл.1 и 2.
Разработанная технология позволяет получать экологически чистые древесно-наполненные пластмассы и изделия на их основе с высокими эксплуатационными характеристиками методами прессования, экструзии, каландрирования и литья. Принятые технические и технологические приемы позволяют получить широкую номенклатуру изделий для мебельной, строительной, машиностроительной, авиационной и судостроительной, авто- и вагоностроительной отраслей.
Применение настоящего изобретения в промышленности позволит модернизировать предприятия по производству ДПК на экологически чистую продукцию.