Разделы
Публикации
Популярные
Новые

Экструзия древесно-полимерных композитов

Каждый знает, что дерево – это замечательный материал. Но у него есть одна особенность: при обработке древесины образуется большое количество отходов в виде обрезков, стружек и опилок.
И чем крупнее изделие или сложнее его форма, тем больше возникает отходов. Необходимость более эффективного использования древесины стала причиной развития производства сначала фанеры, а затем и древесных плит. В результате без плитных материалов невозможно представить себе современную деревообрабатывающую промышленность, строительство, мебельное производство и многое другое.



Однако изделия профильной формы по-прежнему изготавливаются фасонным фрезерованием из натуральной древесины или, с недавних пор, из древесно-волокнистых плит средней плотности (МДФ). Существует ли альтернатива традиционной технологии? Да, такая альтернатива есть. Это экс­­т­рузия древесно-полимерных композитов.

XXI век – век композиционных материалов. Своего рода очередная промышленная революция, подготовленная всем развитием века прошедшего. Природные и даже синтетические материалы в их первоначальном виде уже не вполне удовлетворяют требованиям конструкторов, архитекторов и технологов. Преимущество композитов заключается в том, что в нужном сочетании разных материалов проявляются их лучшие стороны, и именно в той степени, в которой это требуетя в каждом конкретном случае. До недавнего прошлого основной сферой применения композитов были космонавтика и авиация. Сегодня повсеместно происходит осознание того, что у композиционных материалов – большое будущее.

После нескольких десятилетий исследований, опытно-конструкторских и технологических работ за рубежом были созданы древесно-полимерные композиты на термопластичном связующем (назовем их сокращенно ДПКТ), пригодные для промышленной переработки. Результаты этих работ означают возможность создавать методом выдавливания из смеси измельченной древесины и пластика любые формы – с производительностью, характерной для пластмассовой индустрии. Свойства материала находятся посередине между пластмассой и деревом. Больший процент древесины – больше похоже на дерево, меньший – больше похоже на пластмассу. В США и Канаде уже организовано крупномасштабное производство ДПКТ. Европейские компании довольно долго игнорировали это направление, однако сейчас промышленное производство древесных композитов там уже начато, и ожидается его быстрый рост.

По разным источникам, объем мирового производства древесно-полимерных композитов на основе термопластичных смол, изготавливаемых методом экструзии, составил в 2002 году около 500 – 600 тысяч тонн на сумму около 750 миллионов долларов США (для сравнения: эта сумма приблизительно соответствует годовому выпуску отечественной мебели). Ожидается, что объем продаж ДПКТ в мире в 2006 году превысит 1,5 млрд долларов США, т.е. темпы роста составят около 20 процентов в год. Игнорировать этот факт было бы недальновидно для нас.

Наиболее характерные области применения изделий, изготавливаемых в настоящее время из древесно-полимерных композитов в промышленном масштабе, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Области применения ДПК Т 

Строительные элементы

  • Настилы

  • Балюстрады

  • Оконные и дверные профили

  • Сайдинги и аксессуары

  • Штакетник

  • Кровля

Автомобильные детали

  • Внутренние панели
  • Прокладки дверей и крыш
  • Крышки на запасное колесо
  • Короба
  • Подъемные полки
  • Полы грузовиков
  • Спинки сидений
Конструкционные элементы

  • Тротуары
  • Пирсы
  • Морские сваи, переборки
  • Перила
  • Железнодорожные детали
  • Противошумовые  барьеры
  • Опалубка для бетонных работ
Промышленное и потребительское применение

  • Садовые конструкции
  • Поддоны, тара
  • Оборудование спортивных и детских площадок
  • Парковые скамьи, столы, емкости для мусора  
  • Кабельгоны
  • Мебель и ее элементы

В настоящее время более 50 % в общем производстве ДПКТ занимают декинг-продукты.

Нужно пояснить, что такое «декинг», – для российского рынка пока неизвестная группа товаров. «Декинг» – это перебравшаяся на сушу (вместе с джинсами) высококачественная палубная доска, ставшая в США и Канаде важным элементом прибрежной и приусадебной архитектуры. (Однако вспомним, справедливости ради, и традиционные российские бревенчатые мостовые, и дощатые тротуары в северных городах и лесных поселках). Ясно, что какой бы хорошей эта доска ни была, без специальной защиты в подобных условиях долго она не простоит. Но сильные антисептики и фунгициды токсичны, а обычный пластик слишком дорог. Поэтому декинги, изготавливаемые экструзией из древесно-полимерных композитов, и стали на американском рынке своеобразным локомотивом развития этой технологии.

По имеющимся сведениям, сфера применения ДПКТ постоянно расширяется. Методом экструзии изготавливают цветочные горшки, косметические карандаши, мерительные инструменты, ручки инструментов, панели для ванных, офисные аксессуары, футляры для музыкальных инструментов, декоративные коробки и т.д. Надо полагать, что, по мере создания производственных мощностей и совершенствования технологии, экструдируемые и формуемые ДПК на термопластичных связующих будут вскоре применены и в других областях техники – сельскохозяйственном и общем машиностроении, судостроении и т.п. Важно заметить, что производство, начатое с изделий для уличного применения, в последнее время уверенно идет к освоению и интерьерного пространства (полы, панели, двери, мебель и т.п.). Не за горами композитный дом – со всеми его конструкциями, наружным и внутренним убранством.

Древесно-полимерные композиционные материалы, предназначенные для переработки методом экструзии, состоят из трех основных компонентов:

– частиц измельченной древесины,

– синтетических или органических термопластичных полимеров или их смеси,

– комплекса специальных химических добавок (аддитивов).

Свойства получаемого композита определяются свойствами полимерной матрицы, частиц древесины и характером связей и взаимодействий между ними. Количество древесины в композите (по весу) находится в диапазоне от 50 до 80 процентов. Иногда такие материалы называют супернаполненными полимерами. Последние исследования свидетельствуют о принципиальной возможности изготовления композита с долей древесины до 90 – 95 процентов. Увеличение доли древесины, как правило, приводит к уменьшению стоимости готовой продукции, но для композитных материалов это не должно быть самоцелью. По крайней мере, не во всех случаях.

Обратим внимание, что у наших композитов и музыкальных сочинений – общий корень (от лат. compositio – составление, сочинение). В музыке всего семь нот – а сколько произведений! Примерно так же и с ДПКТ. В состав композиции могут входить опилки, другие растительные волокна – например, пенька, лен, сизаль, кенаф, рисовая
шелуха, ореховая скорлупа и даже солома.

В производстве ДПКТ могут использоваться любые термопластичные полимеры и их смеси, однако на практике применяются три группы термопластичных смол: полиэтилен (PE), полипропилен (PP) и поливинилхлорид (PVC). Больше всего используется полиэтилен – до 70 %. В нашей стране производство этих пластмасс налажено неплохо, в том числе на экспорт. Кстати сказать, многие американские компании уже приступили к использованию в производстве ДПКТ, наряду со смолами заводского изготовления, пластиковых промышленных и бытовых отходов (упаковочной пленки, бутылок и т.п.). Для управления технологическим процессом и свойствами ДПКТ в их состав вводят различные добавки-модификаторы: антиокислители, антимикробные средства, поверхностно-активные вещества, связующие, противоударные модификаторы, смазочные материалы, температурные стабилизаторы, пигменты, огнезащитные средства, светостабилизаторы и вспенивающие агенты.

Еще одним направлением в производстве ДПКТ является применение в качестве связующих биологических полимеров – например, зерновых крахмалов, отходов кожевенного и бумажного производств и т.п. Биополимеры дешевы, к тому же из них можно изготавливать легко утилизируемые биоразлагаемые композиты. Отметим, что все ДПКТ пригодны к повторному использованию в тех же процессах. То есть в них, с начала и до конца, реализуется формула «Отходы – в доходы».

По внешнему виду ДПКТ с высоким содержанием древесины более всего напоминает МДФ или твердую ДВП, а с малым содержанием – пластмассу. Они могут окрашиваться в массе или подвергаться лакокрасочной отделке обычными красками и эмалями, облицовываться синтетическими пленками или натуральным шпоном.

Существует и технология покрытия ДПК тонким облицовочным слоем пластмассы, или даже нескольких пластмасс, непосредственно в процессе выдавливания в экструдере. Эта технология, широко распространенная в индустрии пластиков, называется со-экструзия или ко-экструзия.

По физическим и механическим свойствам ДПКТ также занимают промежуточное положение между деревом и пластмассой (см. табл. 2).

Физические  и механические   свойства ДПКТ.  Таблица 2.

Наименования показателей, ед. измерения

 Значения

Плотность [кг/дм 3]

1,0- 1,4

Временное сопротивление [MPa]

15 - 50

Модуль упругости при растяжении [GPa]

4- 8

Сопротивление изгибу [MPa]

25 - 60

Модуль упругости при изгибе [GPa]

3 - 6

Относительное удлинение при растяжении [%]

0,5 - 1

Ударная вязкость по Charp [KJ/m2]

3 - 4


Многие рецептуры ДПКТ обладают исключительной стойкостью к атмосферному и биологическому воздействию. Некоторые фирмы-изготовители ДПКТ предоставляют гарантии на 10 – 50 лет эксплуатации готовых изделий на улице, без специальной защиты от воздействия влаги, света, грибков и насекомых. Большинство ДПКТ могут принимать в себя небольшое количество (0,1 – 4 %) влаги, не теряя при этом формы и прочности, и восстанавливать прежние свойства при высыхании без коробления. В отличие от металлоконструкций, ДПКТ не ржавеют.

Обрабатываются они теми же инструментами, что и древесина. Легко пилятся, строгаются, сверлятся и т.п. Хорошо удерживают гвозди, скобы, шурупы, многие поддаются склеиванию обычными клеями для дерева. Некоторые композиты можно сваривать, подобно пластмассе. Возможно их гнутье в подогретом виде.

Профили из ДПКТ могут эффективно комбинироваться с металлическими или стеклопластиковыми профилями (полосами, трубами, уголками, таврами и т.п.) для создания очень прочных и жестких конструкций.

Возникает вопрос: почему же столь ресурсосберегающий и перспективный материал не был внедрен ранее? Ведь опыты и эксперименты в этом направлении проводились десятилетиями. Тому есть несколько причин.

Как мы указывали в самом начале, древесина – не очень податливый в технологии материал. Конечно, она не желала течь в экструдере или литьевой машине, подобно пластику. При высоких давлении и температуре начинала гореть. К тому же, обладая серьезными абразивными свойствами, быстро изнашивала плунжерные пары, рабочие цилиндры и шнеки дорогостоящих экструдеров, поверхности формующих инструментов. Дешевизна и доступность древесины не стимулировала внедрения новых технологий переработки. Ее использовали, не жалея: вспомните, какие заборы из первосортных досок возводились вокруг стройплощадок, и что с ними происходило по окончании строительства. Леса безжалостно истребляли в Скандинавии и Сибири, в Африке и Америке. Рубили везде и столько, сколько могли. В последние 10 –15 лет отношение к древесине в мире, наконец-то, начало меняться. Нет уже малоценной древесины, а есть ценная и драгоценная, особенно плотная, медленно растущая древесина наших широт в Северной Европе, России и Канаде. Именно за ней англичане в еще допетровскую эпоху плавали в Архангельск и называли ее красным деревом.

Возникшая недавно возможность использовать в мирных целях новые плоды научно-технической революции – компьютеры, продукты тонкой химии, новые конструкционные материалы и методы их обработки, подкрепленная спросом на новые высококачественные продукты, создала соответствующие предпосылки для экономного использования дерева. Новые методы исследований и расчетов, математическое моделирование, компьютерное конструирование машин и процессов позволили создать новое поколение техники, в том числе смесеприготовительные, экструзионные и литьевые машины, которым оказалось под силу заставить «течь» и древесину. Поэтому ДПКТ называют иногда «жидким деревом».

Сейчас данная сфера привлекает внимание машиностроителей из трех хорошо развивающихся отраслей. Во-первых, это переживающее подъем производство пластмасс. Во-вторых, – энергично развивающаяся промышленность по переработке отходов. В-третьих, – деревообработка, которая накапливает все большее количество отходов древесины. (Сегодня, с учетом общей тревоги за состояние атмосферы, у многих специалистов есть большие сомнения в целесообразности сжигания отходов даже в современных энергетических установках). Благодаря объединению интересов этих «трех китов», можно ожидать дальнейшего впечатляющего прогресса в развитии техники и технологии производства ДПКТ – такого же, какой происходил и происходит в производстве древесных плит, только более энергичного. Отчетливо видны и экологические преимущества новой технологии, являющиеся еще одним стимулом в ее успешном продвижении.

Таблица 1 ясно указывает на очень широкое поле возможного применения ДПКТ, в том числе в нашей стране. Как это может относиться к мебельной промышленности? Я бы сказал так: не трудно найти сферу применения ДПКТ в индустриальном производстве мебели. Труднее отыскать те детали мебели, которые невозможно сделать экструзией и литьем. Новая технология позволяет легко изготавливать детали такой формы, которые непросто или крайне затруднительно сделать из натуральной древесины и плит. Современные экструдеры позволяют изготавливать изделия различных размеров – от мелких декоративных профилей до изделий шириной 800 мм, например, крышек столов. Мы не будем приводить перечень мебельных деталей, рекомендуемых к изготовлению из ДПКТ, он достаточно очевиден. Определяющим фактором в применении этих композитов будет себестоимость их производства. По данным западных экспертов, в США, например, средняя стоимость ДПКТ составляет около 1 доллара за 1 кг. По нашим расчетам, их производство в России обойдется значительно дешевле. Таким образом, существует возможность производить вполне конкурентоспособную продукцию и для зарубежных рынков.

 

Приведем классическую схему производства ДПКТ:

1) измельчение древесины,

2) сушка измельченной древесины,

3) дозирование компонентов,

4) смешивание компонентов,

5) прессование изделия,

6) обрезка по длине и, при необходимости, разрезание по ширине.

Видно, что схема в общих чертах совпадает с производством ДСП или МДФ, но реализуется она скорее на оборудовании для химических процессов, т.е. для промышленности по выпуску пластмасс. И это дает свои преимущества. Оборудование весьма компактно, и для его размещения не нужны большие площади. Оно легко поддается механизации и автоматизации. Такое предприятие может быть эффективным даже при небольшой мощности, несравнимой с масштабами завода ДСП или МДФ. При изготовлении ДПКТ исключительно высока производительность труда.

 

Все это выглядит крайне заманчиво. Но есть целый ряд обстоятельств, которые должны охладить горячие головы. Следует с некоторой осторожно­стью относиться к публикациям, появляющимся в печати по этой проблематике и имеющим несколько упрощенный подход к теме. Надо учитывать, что преимущества новой технологии могут быть реализованы только на основе квалифицированных и проверенных решений – в технике, технологии и эксплуатации, а «не на коленке в гараже». На сегодняшний день в мире подобными возможностями обладают очень немногие фирмы и специалисты, а конкретные технические приемы и рецептура держатся, как правило, в секрете и охраняются патентами.

Как обстоит дело с реализацией новой технологии в нашей стране? Практически никак.

Известны попытки создания отечественного оборудования по производству экструдируемых ДПКТ. Судя по результатам, они пока способны скорее опорочить саму идею этого производства, чем способствовать широкому ее распространению. Но стремиться к созданию отечественной техники все-таки можно и нужно.

Могут ли ДПКТ потеснить традиционные плитные материалы? Напротив! Сочетание термопластичных композитов и плит создает дополнительные возможности эффективного применения плитных материалов, особенно плит уменьшенных толщин.
Я бы сказал, что это материал, которого давно ждали и конструкторы, и архитекторы, и производственники. Необходимо только его возможности понять и правильно их реализовать. Может ли эта технология напугать наших специалистов? Думаю, что нет. Отечественная деревообработка давно и крепко дружит с химией, и психологического неприятия здесь просто не может быть. Нет и специфических, присущих этой технологии, рисков. Можно, конечно, допустить ошибки, связанные с выбором не вполне компетентного поставщика оборудования или инструментов, но эти риски существуют в любом проекте.

Если говорить о том, в какой форме могут существовать новые предприятия: как свидетельствует зарубежный опыт, формы могут быть различными и зависят от целей конкретного бизнеса. Создаются и специализированные фирмы, изготавливающие широкий ассортимент продукции для разнообразного рыночного потребления, и отдельные филиалы крупных компаний, например, внутри строительного холдинга. Могут быть созданы и производственные участки для решения специфических задач предприятия.

Таким образом, сегодня имеются все необходимые предпосылки для организации на наших предприятиях производств по выпуску этой новой и интересной продукции. Конечно, термин «древесно-полимерный композиционный материал на термопластичных связующих» получается довольно длинным. Поэтому можно предложить и краткое название, например «древотермопласт», более удобное в обыденном употреблении.

Невозможно в одной журнальной статье описать все детали многозвенного и многофакторного технологического процесса. Да и цель этих заметок совсем иная: привлечь внимание научно-технической общественности к тому факту, что «часы уже пошли».

И последнее. С целью оказания помощи предприятиям в изучении новой технологии и применяемого оборудования написано специальное пособие (электронная книга) «Практическое руководство по производству изделий из древесно-полимерных композитов, изготавливаемых методом экструзии».

 

А.В. Абушенко,


директор центра новых технологий ЗАО «ЦЕНТРО­МЕБЕЛЬ»

© 2004-2017 AVTK.RU. Поддержка сайта: +7 495 7950139 в тональном режиме 271761
Копирование материалов разрешено при условии активной ссылки.
Яндекс.Метрика