ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ: ВИДЫ ПРОДУКЦИИ...
МАТЕРИАЛЫ
Древеснополимерные композиционные материалы (другие используемые наименования
– «древеснополимерные композиты», «ДПКматериалы») получили достаточно широкое распространение. Основные области применения: строительство, производство строительных материалов и изделий; мебельная промышленность; производство садовой мебели и инвентаря; автомобилестроение; производство тары и упаковки; электротехническая промышленность; приборостроение; изготовление бытовой техники другое. Опыт использования ДПКматериалов в автомобильной промышленности насчитывает несколько десятков лет. В первую очередь их используют для отделочных элементов. Но не только. Так, например, детали из ДПКматериала более 35 лет применяются в автомобилях FIAT; крючки для сидений автомобилей Mercedes Sкласса изготавливают из ДПКматериала методом литья под давлением [13]. В мебельной промышленности ДПКматериалы начали широко применяться более 20 лет назад. Причем речь идет не только о заготовках (проДРЕВЕСНОПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ: ВИДЫ ПРОДУКЦИИ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА фили, панели, листы), но и о готовых изделиях. Еще на 1м германском конгрессе по ДПК (WPC) в 2006 г. [4] было представлено, например, кресло из ДПКматериала, изготовленное методом ротационного литья. Все более широкое распространение получает садовая мебель из ДПКматериалов, устойчивая к атмосферным воздействиям. Ее виды и варианты исполнения могут быть самыми различными (рис. 1). В Японии ДПКматериалы уже более 20 лет используются для производства садового инвентаря, цветочных ящиков, кашпо, оград, скамеек, сундуков, ширм и др. [2]. Некоторые виды изделий показаны на рис. 2. Тем не менее, основной сферой применения ДПКматериалов, как в мире, так и в РФ, остается строительство. По разным оценкам, на долю строительства (включая производство строительных материалов и изделий) приходится 6580% в совокупных объемах потребления ДПКматериалов [13, 59]. Номенклатура продукции строительного назначения из ДПКматериалов Номенклатура продукции строительного назначения, которая изготавливается из ДПКматериалов: террасная доска для настилов террас и веранд (декинг; рис. 3); отделочные панели и листы для стен и потолков; фасадные панели, сайдинг (рис. 4); фасадная доска (планкен; рис. 5); панели и профили для заборов, балконных и других ограждений (рис. 5, рис. 6); перила, поручни (рис. 6); ступени (рис. 7);
– плинтус (рис. 8); панели и листы для облицовки (отделки) стен и потолков; шумоизоляционные панели; подоконники (рис. 9); оконные рамы (рис. 9); дверные рамы, царги, полотна и обрамления (рис. 10); окантовочные профили; конструкционные профили; кровельные элементы; шпунтовочные рейки;
– кабельканалы;
– элементы строительной опалубки;
– трубы;
– другая продукция. Наиболее массовой продукцией из ДПК, как в мире, так и в РФ, остается декинг. На его долю приходится, по разным оценкам и в зависимости от страны, 6580% в совокупных объемах потребления ДПКматериалов [3, 710, 24]. Преимущества и недостатки ДПКматериалов Преимущества и недостатки ДПКматериалов можно рассмотреть на примере террасной доски из ДПК Преимущества террасной доски из ДПК:
• Влагостойкость, устойчивость к соленой и хлорсодержащей воде что позволяет использовать ее на открытом воздухе, у бассейнов, на пирсах.
• В отличие от натуральной древесины, не нуждается в покраске и водоотталкивающей обработке.
• Устойчивость к колебаниям влажности и температур.
• Морозостойкость; возможность применения даже в северных регионах страны (зависит от вида применяемого полимера и аддитивов)
• Достаточно высокая механическая прочность; способность выдерживать большие статические нагрузки (только у полнотелых досок).
• Стойкость к повреждению плесенью, грибками и вредителями.
• Устойчивость к агрессивной воздушной среде, в т. ч. к промышленным выбросам.
• Нескользкая поверхность: благодаря рифленой поверхности, доска остается нескользкой даже после дождя или мытья; кроме того, качественный ДПКматериал не впитывает влагу, поэтому зимой в периоды оттепели / заморозков на нем не появляется наледь.
• Безопасность: рифленая поверхность создает легкий массажный эффект; на поверхности не образуются сколы и заусенцы, поэтому настилы из них безопасны, в т. ч. для игр детей.
• Устойчивость цвета: качественная террасная доска из ДПК не выгорает на солнце и сохраняет насыщенный цвет в течение многих лет.
• Простой уход: мыть террасную доску из ДПК можно с применением бытовых моющих средств (некислотных) или проточной воды.
• Обеспечение дренажа (водоотвода) при укладке с зазорами.
• Долговечность: при правильном монтаже и щадящей эксплуатации срок службы террасной доски из ДПК может составлять от 20 лет и много более.
• Привлекательный и респектабельный внешний вид. Недостатки террасной доски из ДПК:
• Наличие в составе ДПК полимеров и добавок, которые при несоблюдении технологии производства могут Рис. 4. Фасадные панели и сайдинг из ДПКматериалов Рис. 5. Фасадная доска (планкен), универсальная доска, панели для заборов и ограждений, направляющая (лага) для планкена, заборы и ограждения из ДПКматериалов выделяться из материала в процессе эксплуатации.
• Горючесть; высокая токсичность продуктов горения (в зависимости от связующего полимера; в первую очередь касается ПВХ).
• Хрупкость при отрицательных температурах (в первую очередь, касается материалов на основе ПП и пустотелых досок; известны случаи пробития доски каблукомшпилькой).
• Стоимость: декинг известных брендов может продаваться по ценам, превышающим стоимость террасной доски из высококачественной натуральной древесины.
• Высокая зависимость долговечности настила из ДПК от правильности его монтажа: настил должен монтироваться только на лаги, требуется исключить контакт с землей, иначе террасная доска быстро разрушится.
• Стирание рифленой или тисненой поверхности за несколько лет при интенсивной эксплуатации. Классификация Хотя нормативная база по ДПКматериалам в ряде стран разрабатывалась достаточно продолжительное время, какоголибо единого подхода к требованиям, предъявляемым к ДПКматериалам, не наблюдается. Отсутствует и признанная единая классификация этих материалов, что делает невозможным создание полноценной системы стандартов (норм). Классификация ДПКматериалов производится по нескольким классифицирующим признакам. В качестве основного классифицирующего признака обычно выступает материал полимерной матрицы. Кроме этого, ДПКматериалы классифицируют по применяемой технологии производства, по видам используемого растительного сырья (наполнителя), а также по ряду других признаков. Классификация по видам материалов полимерной матрицы ДПКматериалы, как это и следует из их названия, состоят из двух основных компонентов
– древесины и пластмассы (полимерной матрицы). Аддитивы (добавки) занимают сравнительно небольшую массовую долю. Обычно доля аддитивов учитывается вместе с долей полимера. В качестве полимерного сырья при производстве ДПКматериалов преимущественно используются термопласты: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, реже
– полистирол. Реактопласты при производстве ДПКматериалов используются значительно реже. Классификация по видам материалов полимерной матрицы: ДПК на основе полиэтилена (ПЭ; англ. PE), в т. ч. низкого давления (ПНД; англ. HDPE) и высокого давления (ПВД; англ. LDPE); ДПК на основе полипропилена (ПП); ДПК на основе поливинилхлорида (ПВХ; англ. PVC); ДПК на основе других полимерных материалов. Вид материала полимерной матрицы является основным классифицирующим признаком для ДПКматериалов. Классификация по применяемой технологии производства Одним из достоинств ДПКматериалов является возможность их изготовления методами, применяемыми для переработки пластмасс [1, 2, 5]. Исходя из применяемой технологии производства, ДПКматериалы подразделяют на: изготавливаемые экструзией (включая последовательную экструзию и коэкструзию); изготавливаемые экструзией с последующим каландрированием; изготавливаемые литьем под давлением; изготавливаемые прессованием; изготавливаемые ротационным формованием; изготовленные по другим технологиям (в т. ч. комбинацией технологий). Несмотря на разнообразие технологий производства ДПК, в настоящее время более 90% (по некоторым оценкам, до 95%) производимых мире ДПКматериалов изготавливается методом экструзии, обеспечивающим высокую производительность и позволяющим получать профили сложных форм поперечного сечения при сравнительно невысоких издержках. При этом, практически 100% ДПКматериалов, применяемых в строительстве, изготавливаются методом экструзии, т. е. представляют собой ДПКпрофили [8, 9, 25]. В приведенных цифрах не учитываются сходные по назначению и характеристикам материалы и изделия с содержанием полимерного связующего менее 30%, например, подоконники Werzalit (состав материала: 75%
– измельченная древесина; 25%
– связующее из дуропластовых смол (фенольные, карбамидные и полиэфирные смолы), относящиеся к реактопластам). Следует отметить, что среди специалистов отсутствует единая точка зрения на то, какие именно материалы следует относить к ДПК. Во многих работах и аналитических исследованиях к ДПКматериалам относятся только материалы с содержанием (массовой долей) полимеров не менее 30%. Как правило, это термопласты (см. выше). ДПКматериалы (изделия) с содержанием полимерного связующего не менее 30% изготавливаются методом экструзии или с использованием метода экструзии: экструдированные ДПКпрофили различных видов и назначения; листы из ДПК, изготавливаемые экструзией с последующим каландрированием. Классификация по видам используемого растительного сырья В составе ДПКматериалов древесина в форме волокон, муки или гранул составляет, как правило, наибольшую долю. При этом, в зависимости от вида применяемого древесного сырья, получаемые ДПКматериалы могут иметь самые разные свойствами. Классификация ДПКматериалов по видам используемого растительного сырья: а) изготавливаемые с использованием древесной муки, в т. ч. муки из лиственных или хвойных пород древесины; муки из заменителей древесины
– рисовой шелухи, шелухи семян подсолнечника, бамбука, костры льна и др. б) изготавливаемые с использованием древесных волокон. Древесная мука в составе получаемого композиционного материала работает как наполнитель, а древесное волокно длиной от 0,5 до 30 мм и диаметром от 0,02 до 0,04 мм
– как армирующий материал, повышающий механические характеристики готового продукта. В настоящее время ДПКматериалы изготавливают, главным образом, с использованием древесной муки (в т. ч. муки из заменителей древесины). Использование муки из мягких пород древесины способствует повышению качества экструдируемых профилей. Общее правило: чем мельче частицы муки, тем однороднее получаемый ДПКматериал. Для производства некоторых ДПКматериалов их производители используют волокна древесины хвойных пород длиной 2,53,0 мм и диаметром 0,03 мм (соотношение диаметра к длине составляет примерно 1:100). Волокна подвергаются предварительной термомеханической и/или химической обработке. Однако это значительно увеличивает производственные затраты, поэтому «волоконные» ДПКматериалы отличаются весьма высокой ценой [8, 9, 19, 2628]. Классификация по другим признакам Классификация по другим признакам приведена на примере террасной доски (декинга). 1. Полнотелые и пустотелые профили (панели). Типологически, террасные панели (декинг), ступени, фасадные панели, доски, сайдинг из ДПК, как плоские профили с шириной, на порядок величины и более превышающей толщину, относятся к группе «панели» [29]. Они могут изготавливаться: полнотелыми (сплошными, однослойными); пустотелыми (двухслойными, имеющими внутренние продольные перемычки (ребра) с воздушными полостями между ними); называются так же ячеистыми. Полнотелая террасная панель значительно превосходит пустотелую по стойкости к ударным нагрузкам и допустимым статическим нагрузкам на единицу площади, но имеет значительно более высокий вес (масса 1 п. м порядка 3,54 кг против 2,22,7 у пустотелой) и более высокую цену. В связи с этим, в РФ наибольшее распространение получили пустотелые террасные панели. Промежуточным вариантом являются так называемые «усиленные пустотелые доски»
– панели с цилиндрическими продольными полостями. Они имеют более высокую стойкость к ударным нагрузкам и допустимую статическую нагрузку на единицу площади, чем пустотелых панелей. Недостаткамии являются увеличенный вес и цена
– на уровне цен на полнотелые панели. Поэтому такие изделия находят ограниченное применение. Отдельную группу составляют однослойные панели с ребрами (или «доски с профилем открытого типа»), в т. ч., фасонные панели. К ней относятся сайдинг (рис. 4, снизу), так называемый «декинг открытого типа с Шобразным профилем» (рис. 3, в центре) и некоторые виды ступеней (рис. 7). 2. Рельеф и отделка поверхности. Одно из требований, предъявляемых к террасной доске (декингу),
– не быть скользкой. Поэтому поверхность подвергается дополнительной обработке, включая нанесение рельефа. Декинг изготавливается: с продольным рифлением («вельвет», «микровельвет»); с тиснением под текстуру дерева («тангенциальный распил», «радиальный распил»); гладкая брашированная (обработанная металлической щеткой); гладкая необработанная или шлифованная. 3. Вид настила. В зависимости от особенностей укладки, имеются два типа декинга: бесшовная доска для сплошного настила (имеет шпунт и паз, укладывается без зазора) и «шовная» доска для укладки с зазором (при такой укладке обеспечивается водоотвод, что важно, например, для настилов у бассейнов). Классификация других видов изделий из ДПКматериалов может несколько отличаться от приведенной. Сырье для производства ДПКматериалов На этапе разработки методов и технологий получения ДПКматериалов (2040 лет назад) предполагалось, что их применение позволит, с одной стороны, утилизировать отходы лесопильных и деревообрабатывающих производств, а с другой
– снизить стоимость многих видов изделий, изготавливаемых из полимеров, заменив их аналогичными изделиями из высоконаполненных древеснополимерных композиций. Следует признать, что ни одной из этих целей достичь не удалось. Выяснилось, что для получения качественных ДПКматериалов измельченная древесина должна удовлетворять целому ряду требований. Вопервых, быть чистой, т. е. не содержать грязи, масел, инородных включений и т. д, что в условиях существующих лесопильных и деревообрабатывающих производств почти недостижимо. Вовторых, иметь постоянный состав, что так же плохо реализуемо. Втретьих, действует технологическое ограничение по влажности, которая обычно не должна превышать 8% (в некоторых случаях, 12%). Вчетвертых, должен быть правильно подобран размер частиц (при этом необходимо учитывать вид, происхождение и породы перерабатываемой древесины). Есть «впятых», «вшестых» и т. д. Чтобы удовлетворить этим требованиям, потребовалось решать вопросы специальной подготовки древесного сырья. Одним из решений стал переход на двухступенчатый процесс, с изготовлением ДПКгранул, используемых для последующей экструзии. Но в итоге, возросли производственные затраты, а цены на производимые ДПКматериалы оказались не ниже цен на полимерные материалы и изделия аналогичного назначения, что стало сдерживающим фактором для развития рынка ДПКматериалов. Дороговизна подготовки древесного сырья требуемого качества, рост цен на полимеры и экологические требования обусловили использование в производстве ДПКматериалов вторичного полимерного сырья (рециклата) и заменителей древесины в «древесной» муке, для изготовления которой стали применяться измельченные отходы сельскохозяйственных культур (шелуха риса, шелуха семян подсолнечника, костра льна), бамбук и др. Подготовка сырья зависит от применяемой технологии: экструзия с использованием гранулята, «прямая экструзия» (с подачей компонентов
– древесного сырья, полимера и аддитивов
– через систему дозирования непосредственно в экструдер) или использование так называемой каскадной линии [30]. Если состав готовых гранул ДПК является сбалансированным, то состав компаунда для «прямой экструзии» необходимо постоянно контролировать посредством системы объемного дозирования. Кроме того, требуется производить специальную обработку древесного сырья, поскольку размер частиц, форма и характеристики имеют большое значение. Одни изготовители [10] считают возможным использовать древесную муку с размером частиц от 0,01 мм до 1,0 мм, другие [15] оптимальным считают 100 мкм (0,1 мм). Производители оборудования обычно рекомендуют 300500 мкм, или конкретно 400 мкм [30], но имеется и опыт применения переработанных древесных отходов фракций 0,53 мм. При применении технологии «прямой экструзии» важным фактором является влажность древесного сырья. Оптимальная влажность, заявляемая разными производителями, различна. Это связано с особенностью конструкции экструдеров. Немецкие производители оборудования часто указывают допустимое содержание влаги до 1012%, при этом влажность 68% позволяет обеспечить «щадящий» режим его работы. С другой стороны, встречаются рекомендации, что влажность древесного сырья должна составлять 13% (но не ниже, т. к. теряется гибкость волокон, изза чего ухудшаются свойства ДПКматериала), поскольку в этом случае процесс становится более стабильным, не требующим частой корректировки. Прочность получаемых на сухом сырье изделий заметно выше, как и ударная вязкость, которая увеличивается в 23 раза. Стоит отметить, что досушке в экструдере с целью уменьшения влажности подвергаются и гранулыполуфабрикаты. Следует учитывать, что повышенное содержание влаги в сырьевой смеси приводит к интенсивному газообразованию в процессе экструзии, появлению вздутий и пузырей, которые портят внешний вид изделия, и пустот, внутри профиля, значительно ухудшающих физикомеханические характеристики материала. Еще одним важнейшим вопросом является правильный подбор аддитивов [31, 32], в т. ч. смазок (лубрикантов) и антиоксидантов. Ошибки в подборе первых ведут к образованию раковин и заусенцев на поверхности изделия (изза прилипания материала к формующему инструменту), либо к расслаиванию древеснополимерной массы. Ошибки в подборе вторых
– к быстрому окислению материала в процессе эксплуатации и разрушению задолго до истечения гарантийного срока [10]. Оборудование для производства изделий из ДПКматериалов Основным элементом технологической линии по изготовлению профилей и панелей различных видов из ДПКматериалов является экструдер (рис. 11). Используются как одношнековые, так и двухшнековые машины. Первые проще и дешевле, однако не всегда обеспечивают хорошее смешивание материалов, а переход с одного вида сырья на другой затруднителен. Двухшнековые экструдеры имеют более сложную конструкцию, у них выше стоимость, энергопотребление и требования к техобслуживанию. Но они легко адаптируются к различным видам сырья, обеспечивают лучшее перемешивание материала и более высокое качество конечного продукта. В зависимости от геометрии шнеков, двухшнековые экструдеры подразделяют на параллельные и конические. Вращение шнеков может быть однонаправленным или встречным. Наибольшее распространение в производства террасной доски в настоящее время получили двухшнековые конические экструдеры, обеспечивающие хорошее перемешивание, равномерный прогрев массы и создающие высокое давление на выходе. Качество конечного продукта во многом определяет формующий инструмент. Для экструзии ДПК разработаны специальные формующие головки, которые не только позволяют получать профили сложной конфигурации, но и определенным образом ориентируют древесные волокна, что способствует повышению прочности готового изделия. Экструзионная головка состоит из обогреваемого корпуса, который крепится к экструдеру, и формующего инструмента (фильеры). Конструкция фильеры отличается от фильер для экструзии полимеров наличием охлаждения внутренних формующих элементов (при экструзии пустотелых профилей) и наличием охлаждающих пластин на выходе из фильеры, предназначенных для охлаждения внешнего контура профиля. Охлаждение внутренних формующих элементов фильеры обычно производят водой, но в случае полостей малой площади сечения применяют воздушное охлаждение. При производстве ДПКпрофилей на основе ПВХ внутреннее охлаждение может не применяться, поскольку ПВХ, в отличие от ПЭ, характеризуется низкой текучестью и узким интервалом температур обработки. Древесную муку получают из отходов лесопильного и столярного производства (опилок, стружки). Отходы дробятся на ножевых или молотковых дробилках, измельчаются на мельницах тонкого помола, на валковых машинах (типа прокатного стана), на штифтовых мельницах. Затем материал просеивается и фракционируется. Сушку древесной муки перед переработкой осуществляют в шнековых сушилках при температуре около 100о С. Желательна быстрая переработка подготовленной древесной муки, во избежание впитывания влаги. При использовании предварительной грануляции полученные гранулы желательно переработать в течении суток после изготовления, т. к. изза гигроскопичности их влажность может сильно повыситься. Даже при коротком времени хранения готовых гранул целесообразно применение бункеровсушилок. Линия двухступенчатой экструзии состоит из линии грануляции с двухшнековым экструдером, на которой из сырья получают гранулы ДПК, и экструзионной линии с одношнековым или двухшнековым экструдером и стандартным постэкструзионным оборудованием (калибровочный стол, ванны водяного охлаждения, тянущее устройство, пила, укладчик), на которой из гранул получают готовые изделия. Линия «прямой» (одноступенчатой) экструзии ДПКпрофилей состоит из двухшнекового экструдера с удлиненными шнеками (L/D до 36/1) и стандартного постэкструзионного оборудования. Сырье (древесная мука, полимер и аддитивы) дозируется и подается напрямую в экструдер. Зона дегазации должна иметь достаточную длину, чтобы обеспечить выравнивание давления. Для снижения флуктуаций давления экструдер может комплектоваться специальным насосом для нагнетания расплава с минимальным смесительным эффектом (время пребывания в нем расплава
– 12 сек.). В качестве альтернативы насосу может использоваться обыкновенный одношнековый экструдер, смонтиРис. 11. Линия производства ДПКпрованный на конце двухшнекового экструдера [33]. Экструзия профилей из ДПКматериалов Экструзия ДПКпрофилей принципиально не слишком отличается от обычной экструзии полимерных профилей, но сам процесс имеет важные особенности:
• Изза высокой доли целлюлозы расплав ДПК имеет очень низкую теплопроводность, вследствие чего требует применения специальных температурных режимов обработки.
• ДПК содержит большое количество гигроскопичной древесины, быстро впитывающей влагу из воздуха. Это предъявляет особые требования к осуществлению процесса дегазации экструдируемого материала.
• При изготовлении террасной доски из ДПК и других пустотелых профилей влияние влажности исходного сырья на процесс меньше, чем при экструзии полнотелых профилей или профилей с коэкструдированным слоем (облегчен отвод водяных паров).
• Изза низкой теплопроводности ДПК и более толстых стенок ДПКпрофилей, скорость их экструзии значительно ниже, чем экструзии профилей из полимерных материалов. Для экструзионного оборудования и оснастки экономкласса
– в пределах 0,250,5 м/мин, для высокопроизводительного оборудования и оснастки
– 12 м/мин.
• Существенно важным является так же необходимость дополнительного охлаждения экструдрованных ДПКпрофилей за счет применения более длинных сухих калибраторов и длинных ванн водяного охлаждения. Чем выше скорость экструзии, тем лучшее охлаждение требуется для получения качественных профилей. При скоростях выше 1 м/мин устанавливается дополнительная ванна охлаждения. Технологическая схема производства ДПКпрофилей (в вариантах используемого сырья в виде компаунда или в виде гранул) приведена на рис. 12. Использование технологии «прямой экструзии» для производства профилей из ДПКматериалов получило «второе рождение» благодаря разработкам итальянской компании ICMA San Giorgio, предложившей использовать двухшнековый экструдер с однонаправленным вращением шнеков и разделением зоны пластификации полимера и зоны смешения компонентов путем боковой загрузки древесной муки в зону экструдера, в которой полимер полностью перешел в расплав. Тем самым, время пребывания древесной муки в горячем экструдере значительно сокращается, что снижает вероятность обугливания. Для процесса прямой экструзии используют экструдеры с удлиненными шнеками, по сравнению с экструдерамигрануляторами. Метод прямой экструзии обладает целым рядом преимуществ: снижение энергопотребления (только один цикл нагрева/охлаждения материала); увеличение срока эксплуатации оборудования за счет того, что древесная мука, обладающая абразивными свойствами, сразу же обволакивается расплавом полимера; возможность использования древесной муки с большим процентом влажности; возможность изменять рецептуру в режиме реального времени; снижение текущих расходов (энергия, трудозатраты, логистика, обслуживание). В настоящее время наблюдается тенденция постепенного перехода с двухступенчатой технологии производства на одноступенчатую (обратная наблюдавшейся ранее). При этом произошло разделение по региональному признаку: практически все ведущие европейские производители оборудования предлагают технологию прямой экструзии, причем всегда
– с разделением зоны пластикации полимера и зоны ввода древесной муки непосредственно в расплав. Среди азиатских производителей (за исключением Японии) пока превалируют предложения по многостадийной схеме. Однако на рынке появилось оборудования для прямой экструзии ДПК китайских компанийпроизводителей [33]. При производстве ДПКпрофилей (в т. ч. террасной доски) иногда применяется так же коэкструзия с нанесением на поверхность износостойкого слоя. С помощью устанавливаемого в составе производственной линии дополнительного оборудования выполняется продольное рифление поверхности и глубокое тиснение «под древесину». Обе операции выполняются на частично охлажденном профиле. Финишная обработка Вид применяемой финишной обработки зависит от вида изготавливаемых изделий (профилей и др.) из ДПКматериалов. Например, финишная обработка террасной доски из ДПК может осуществляться несколькими способами: 1. Обработка радиальными стальными щетками, так называемый «брашинг» (от англ. brush
– кисть, щетка). Придает поверхности шероховатость, что делает ее менее скользкой, и как бы состаренный внешний вид. Для обработки используют специальный станок. Этот вид обработки является наиболее распространенным в РФ. 2. Шлифовка. Рабочую поверхность террасной доски обрабатывают на шлифовальном станке. На выходе получается ровная гладкая поверхность. 3. Тисненые (так называемый «эмбоссинг», от англ. embossing
– тиснение), хотя правильнее называть такой вид обработки поверхностным обжигом. Как правило, имитирует древесину. Так как глубокого тиснения нет, рисунок со временем выгорает и стирается [15]. 4. Глубокое тиснение, которое еще называют 3Dтиснением, или настоящий Рис. 12. Технологическая схема производства ДПКпрофилей (в вариантах используемого сырья в виде компаунда или в виде гранулэмбоссинг. Обычно делается на полнотелых профилях, не имеющих внутренних камер, так как пустотелая доска не выдерживает высокого давления, необходимого для нанесения текстуры, и ломается. Поверхность доски после такой обработки имеет вид натуральной, состаренной древесины. При этом сохраняется поверхностный слой, доска остается устойчивой к внешним воздействиям. Производство других видов продукции из ДПКматериалов Производство листов. Для производства листов из ДПК в качестве полимерного сырья чаще используют полипропилен (ПП). Технологический процесс изготовления листов из ДПК для автомобильной промышленности можно рассмотреть на примере АО «ТехноПолимер» (г. Тольятти, [34]). Предприятие имеет 3 силосанакопителя по 50 куб. м для древесной муки, первичного ПП и рециклата. Из них компоненты поступают в бункеры над экструдером. Здесь же размещены 2 бункера для аддитивов, что позволяет вводить в систему до 8 компонентов. Для подачи первичного ПП и рециклата используется непрерывное ленточное гравиметрическое дозирование, для других компонентов
– дифференциальные гравиметрические дозаторы. После дозирования из 4х технологических бункеров компоненты собираются шнековым питателем экструдера и подаются в его 1ю зону. По мере продвижения в цилиндре экструдера смесь материалов нагревается и плавится, приобретая к 4й зоне вязкотекучее состояние. В эту зону, под углом 90° к вязкотекучему потоку, двухшнековым питателем подается древесная мука. Двухшнековый экструдер с однонаправленным вращением шнеков обеспечивает необходимую однородность смеси. После зоны дегазации смесь проходит 8ю зону экструдера, где под давлением распределяется по плоскости и выдавливается через щелевую фильеру. Сформованный листзаготовка поступает на линию каландрирования. В каландре на уплотняющийся и твердеющий лист могут накатываться адгезионная и декоративная пленки, тканые и нетканые волокнистые материалы. Из каландра лист поступает на рольганг, где режется в продольном направлении, далее
– на гильотинные ножницы, где разрезается поперек. Обрезь листа измельчается и собирается в бункеренаполнителе, откуда как рециклат возвращается в производство. Упаковка и маркировка производятся в обычном порядке. Литье под давлением Разработки в области рецептур смесей позволили начать изготовление ДПКматериалов на традиционном оборудовании для литья пластмасс (термопластавтоматах) с минимальной подстройкой и без внесений какихлибо изменений в конструкцию. В качестве полимерной матрицы используется полипропилен Несколько американских компаний по специальным заказам разработали сложные технологии изготовления ДПКматериалов с использованием соинжекции и вспенивания. Однако особенности этих технологий не позволяют вести речь об их широком использовании [10]. Приведенное здесь краткое описание технологий производства и используемого оборудования является обобщением, не относящимся к какомулибо конкретному случаю применения. Технология производства ДПКматериалов имеет множество нюансов и в каждом конкретном случае требует комплексного подхода к подбору оборудования, рецептуре смеси, режимам обработки. Литература: 1. WoodPlasticComposites (WPC) / HolzKunststoffVerbundwerkstoffe. Maerkte in Nordamerika, Japan und Europa mit Schwerpunkt auf Deutschland. Technische Eigenschaften
– Anwendungsgebiete. Preise
– Maerkte
– Akteure.
– NovaInstitut GmbH, Huerth (D). Ueberarbeitete und ergaenzte Auflage, Januar 2006. 2. ГавриловКремичев Н.Л., Николаева И.Л. Сферы применения ДПК. Мировой опыт. // «Фасадные Системы», 2012, №23 (2223), с. 37. 3. WoodPlastic Composite & Plastic Lumber: US Industry Study with Forecasts for 2015&2020.
– The Freedonia Group, January 2012. 4. Реакция и отклики на 1й германский конгресс по WPC. Высокий потенциал рынка и инноваций для комбинированного сырья из пластика и древесины (woodplasticcomposites).
– «Деревообработка в мире» (издво «Др Харниш Ферлагсгезелльшафт», Нюрнберг, Грмания), 2006, №2, с. 17. 5. Клесов А.А. Древеснополимерные композиты: пер. с англ.
– СПб.: Издво «Научные основы и технологии», 2010.
– 736 с. 6. Системные профили для окон, дверей и фасадных конструкций: Каталогсправочник. / Под ред. Н.Л. ГавриловаКремичева и И.Л. Николаевой.
– М.: ИЦ «ССК», 2007.
– 232 с., ил. 7. http://dpkalliance.ru/ 8. Michel Biron. In Thermoplastics and Thermoplastic Composites (Third Edition), Imprint William Andrew, 2018. 9. http://compositesworld.com/ 10. http://wpc.moscow/ 11. http://gardeck.ru/ 12. http://dortmax.ru/ 13. http://ecodeck.ru/ 14. http://savewood.ru/ 15. http://dpkinfo.ru/ 16. http://EcoDecking.ru/ 17. http://MasterDeck.ru/ 18. http://evroperimetr.ru/ 19. Fensterbau/frontale 2004: некоторые тенденции. // «Окна и Двери», 2004, №4 (85), с. 4748. 20. www.moeller.su 21. https://kapellidoors.ru/ 22. www.intehplast.ru 23. http://decking73.ru/ 24. «Древеснополимерные композиты2012». 2я Международная конф. / «Креон», Inventra.
– М., 2012. 25. Wood Plastic Composites Market Research Report Global Forecast till 2025.
– Market Research Future (Part of WantStats Research and Media Pvt. Ltd.), May 2020. 26. Wood Extrusion («Экструзия древесины»). Международный симпозиум Cincinnati Extrusion, 1718 мая 2000 г., Вена, Австрия. // «Окна и Двери», 2000, №5 (38), с. 15; №9 (42), с. 4445. 27. Смутка Франц (Technoplast Kunststofftechnik GmbH). Древесная экструзия
– новая технология. // «Окна и Двери», 2003, №5 (74), с. 3133. 28. Шиллер М., Эггер А
– «древеснополимерные композиты», «ДПКматериалы») получили достаточно широкое распространение. Основные области применения: строительство, производство строительных материалов и изделий; мебельная промышленность; производство садовой мебели и инвентаря; автомобилестроение; производство тары и упаковки; электротехническая промышленность; приборостроение; изготовление бытовой техники другое. Опыт использования ДПКматериалов в автомобильной промышленности насчитывает несколько десятков лет. В первую очередь их используют для отделочных элементов. Но не только. Так, например, детали из ДПКматериала более 35 лет применяются в автомобилях FIAT; крючки для сидений автомобилей Mercedes Sкласса изготавливают из ДПКматериала методом литья под давлением [13]. В мебельной промышленности ДПКматериалы начали широко применяться более 20 лет назад. Причем речь идет не только о заготовках (проДРЕВЕСНОПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ: ВИДЫ ПРОДУКЦИИ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА фили, панели, листы), но и о готовых изделиях. Еще на 1м германском конгрессе по ДПК (WPC) в 2006 г. [4] было представлено, например, кресло из ДПКматериала, изготовленное методом ротационного литья. Все более широкое распространение получает садовая мебель из ДПКматериалов, устойчивая к атмосферным воздействиям. Ее виды и варианты исполнения могут быть самыми различными (рис. 1). В Японии ДПКматериалы уже более 20 лет используются для производства садового инвентаря, цветочных ящиков, кашпо, оград, скамеек, сундуков, ширм и др. [2]. Некоторые виды изделий показаны на рис. 2. Тем не менее, основной сферой применения ДПКматериалов, как в мире, так и в РФ, остается строительство. По разным оценкам, на долю строительства (включая производство строительных материалов и изделий) приходится 6580% в совокупных объемах потребления ДПКматериалов [13, 59]. Номенклатура продукции строительного назначения из ДПКматериалов Номенклатура продукции строительного назначения, которая изготавливается из ДПКматериалов: террасная доска для настилов террас и веранд (декинг; рис. 3); отделочные панели и листы для стен и потолков; фасадные панели, сайдинг (рис. 4); фасадная доска (планкен; рис. 5); панели и профили для заборов, балконных и других ограждений (рис. 5, рис. 6); перила, поручни (рис. 6); ступени (рис. 7);
– плинтус (рис. 8); панели и листы для облицовки (отделки) стен и потолков; шумоизоляционные панели; подоконники (рис. 9); оконные рамы (рис. 9); дверные рамы, царги, полотна и обрамления (рис. 10); окантовочные профили; конструкционные профили; кровельные элементы; шпунтовочные рейки;
– кабельканалы;
– элементы строительной опалубки;
– трубы;
– другая продукция. Наиболее массовой продукцией из ДПК, как в мире, так и в РФ, остается декинг. На его долю приходится, по разным оценкам и в зависимости от страны, 6580% в совокупных объемах потребления ДПКматериалов [3, 710, 24]. Преимущества и недостатки ДПКматериалов Преимущества и недостатки ДПКматериалов можно рассмотреть на примере террасной доски из ДПК Преимущества террасной доски из ДПК:
• Влагостойкость, устойчивость к соленой и хлорсодержащей воде что позволяет использовать ее на открытом воздухе, у бассейнов, на пирсах.
• В отличие от натуральной древесины, не нуждается в покраске и водоотталкивающей обработке.
• Устойчивость к колебаниям влажности и температур.
• Морозостойкость; возможность применения даже в северных регионах страны (зависит от вида применяемого полимера и аддитивов)
• Достаточно высокая механическая прочность; способность выдерживать большие статические нагрузки (только у полнотелых досок).
• Стойкость к повреждению плесенью, грибками и вредителями.
• Устойчивость к агрессивной воздушной среде, в т. ч. к промышленным выбросам.
• Нескользкая поверхность: благодаря рифленой поверхности, доска остается нескользкой даже после дождя или мытья; кроме того, качественный ДПКматериал не впитывает влагу, поэтому зимой в периоды оттепели / заморозков на нем не появляется наледь.
• Безопасность: рифленая поверхность создает легкий массажный эффект; на поверхности не образуются сколы и заусенцы, поэтому настилы из них безопасны, в т. ч. для игр детей.
• Устойчивость цвета: качественная террасная доска из ДПК не выгорает на солнце и сохраняет насыщенный цвет в течение многих лет.
• Простой уход: мыть террасную доску из ДПК можно с применением бытовых моющих средств (некислотных) или проточной воды.
• Обеспечение дренажа (водоотвода) при укладке с зазорами.
• Долговечность: при правильном монтаже и щадящей эксплуатации срок службы террасной доски из ДПК может составлять от 20 лет и много более.
• Привлекательный и респектабельный внешний вид. Недостатки террасной доски из ДПК:
• Наличие в составе ДПК полимеров и добавок, которые при несоблюдении технологии производства могут Рис. 4. Фасадные панели и сайдинг из ДПКматериалов Рис. 5. Фасадная доска (планкен), универсальная доска, панели для заборов и ограждений, направляющая (лага) для планкена, заборы и ограждения из ДПКматериалов выделяться из материала в процессе эксплуатации.
• Горючесть; высокая токсичность продуктов горения (в зависимости от связующего полимера; в первую очередь касается ПВХ).
• Хрупкость при отрицательных температурах (в первую очередь, касается материалов на основе ПП и пустотелых досок; известны случаи пробития доски каблукомшпилькой).
• Стоимость: декинг известных брендов может продаваться по ценам, превышающим стоимость террасной доски из высококачественной натуральной древесины.
• Высокая зависимость долговечности настила из ДПК от правильности его монтажа: настил должен монтироваться только на лаги, требуется исключить контакт с землей, иначе террасная доска быстро разрушится.
• Стирание рифленой или тисненой поверхности за несколько лет при интенсивной эксплуатации. Классификация Хотя нормативная база по ДПКматериалам в ряде стран разрабатывалась достаточно продолжительное время, какоголибо единого подхода к требованиям, предъявляемым к ДПКматериалам, не наблюдается. Отсутствует и признанная единая классификация этих материалов, что делает невозможным создание полноценной системы стандартов (норм). Классификация ДПКматериалов производится по нескольким классифицирующим признакам. В качестве основного классифицирующего признака обычно выступает материал полимерной матрицы. Кроме этого, ДПКматериалы классифицируют по применяемой технологии производства, по видам используемого растительного сырья (наполнителя), а также по ряду других признаков. Классификация по видам материалов полимерной матрицы ДПКматериалы, как это и следует из их названия, состоят из двух основных компонентов
– древесины и пластмассы (полимерной матрицы). Аддитивы (добавки) занимают сравнительно небольшую массовую долю. Обычно доля аддитивов учитывается вместе с долей полимера. В качестве полимерного сырья при производстве ДПКматериалов преимущественно используются термопласты: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, реже
– полистирол. Реактопласты при производстве ДПКматериалов используются значительно реже. Классификация по видам материалов полимерной матрицы: ДПК на основе полиэтилена (ПЭ; англ. PE), в т. ч. низкого давления (ПНД; англ. HDPE) и высокого давления (ПВД; англ. LDPE); ДПК на основе полипропилена (ПП); ДПК на основе поливинилхлорида (ПВХ; англ. PVC); ДПК на основе других полимерных материалов. Вид материала полимерной матрицы является основным классифицирующим признаком для ДПКматериалов. Классификация по применяемой технологии производства Одним из достоинств ДПКматериалов является возможность их изготовления методами, применяемыми для переработки пластмасс [1, 2, 5]. Исходя из применяемой технологии производства, ДПКматериалы подразделяют на: изготавливаемые экструзией (включая последовательную экструзию и коэкструзию); изготавливаемые экструзией с последующим каландрированием; изготавливаемые литьем под давлением; изготавливаемые прессованием; изготавливаемые ротационным формованием; изготовленные по другим технологиям (в т. ч. комбинацией технологий). Несмотря на разнообразие технологий производства ДПК, в настоящее время более 90% (по некоторым оценкам, до 95%) производимых мире ДПКматериалов изготавливается методом экструзии, обеспечивающим высокую производительность и позволяющим получать профили сложных форм поперечного сечения при сравнительно невысоких издержках. При этом, практически 100% ДПКматериалов, применяемых в строительстве, изготавливаются методом экструзии, т. е. представляют собой ДПКпрофили [8, 9, 25]. В приведенных цифрах не учитываются сходные по назначению и характеристикам материалы и изделия с содержанием полимерного связующего менее 30%, например, подоконники Werzalit (состав материала: 75%
– измельченная древесина; 25%
– связующее из дуропластовых смол (фенольные, карбамидные и полиэфирные смолы), относящиеся к реактопластам). Следует отметить, что среди специалистов отсутствует единая точка зрения на то, какие именно материалы следует относить к ДПК. Во многих работах и аналитических исследованиях к ДПКматериалам относятся только материалы с содержанием (массовой долей) полимеров не менее 30%. Как правило, это термопласты (см. выше). ДПКматериалы (изделия) с содержанием полимерного связующего не менее 30% изготавливаются методом экструзии или с использованием метода экструзии: экструдированные ДПКпрофили различных видов и назначения; листы из ДПК, изготавливаемые экструзией с последующим каландрированием. Классификация по видам используемого растительного сырья В составе ДПКматериалов древесина в форме волокон, муки или гранул составляет, как правило, наибольшую долю. При этом, в зависимости от вида применяемого древесного сырья, получаемые ДПКматериалы могут иметь самые разные свойствами. Классификация ДПКматериалов по видам используемого растительного сырья: а) изготавливаемые с использованием древесной муки, в т. ч. муки из лиственных или хвойных пород древесины; муки из заменителей древесины
– рисовой шелухи, шелухи семян подсолнечника, бамбука, костры льна и др. б) изготавливаемые с использованием древесных волокон. Древесная мука в составе получаемого композиционного материала работает как наполнитель, а древесное волокно длиной от 0,5 до 30 мм и диаметром от 0,02 до 0,04 мм
– как армирующий материал, повышающий механические характеристики готового продукта. В настоящее время ДПКматериалы изготавливают, главным образом, с использованием древесной муки (в т. ч. муки из заменителей древесины). Использование муки из мягких пород древесины способствует повышению качества экструдируемых профилей. Общее правило: чем мельче частицы муки, тем однороднее получаемый ДПКматериал. Для производства некоторых ДПКматериалов их производители используют волокна древесины хвойных пород длиной 2,53,0 мм и диаметром 0,03 мм (соотношение диаметра к длине составляет примерно 1:100). Волокна подвергаются предварительной термомеханической и/или химической обработке. Однако это значительно увеличивает производственные затраты, поэтому «волоконные» ДПКматериалы отличаются весьма высокой ценой [8, 9, 19, 2628]. Классификация по другим признакам Классификация по другим признакам приведена на примере террасной доски (декинга). 1. Полнотелые и пустотелые профили (панели). Типологически, террасные панели (декинг), ступени, фасадные панели, доски, сайдинг из ДПК, как плоские профили с шириной, на порядок величины и более превышающей толщину, относятся к группе «панели» [29]. Они могут изготавливаться: полнотелыми (сплошными, однослойными); пустотелыми (двухслойными, имеющими внутренние продольные перемычки (ребра) с воздушными полостями между ними); называются так же ячеистыми. Полнотелая террасная панель значительно превосходит пустотелую по стойкости к ударным нагрузкам и допустимым статическим нагрузкам на единицу площади, но имеет значительно более высокий вес (масса 1 п. м порядка 3,54 кг против 2,22,7 у пустотелой) и более высокую цену. В связи с этим, в РФ наибольшее распространение получили пустотелые террасные панели. Промежуточным вариантом являются так называемые «усиленные пустотелые доски»
– панели с цилиндрическими продольными полостями. Они имеют более высокую стойкость к ударным нагрузкам и допустимую статическую нагрузку на единицу площади, чем пустотелых панелей. Недостаткамии являются увеличенный вес и цена
– на уровне цен на полнотелые панели. Поэтому такие изделия находят ограниченное применение. Отдельную группу составляют однослойные панели с ребрами (или «доски с профилем открытого типа»), в т. ч., фасонные панели. К ней относятся сайдинг (рис. 4, снизу), так называемый «декинг открытого типа с Шобразным профилем» (рис. 3, в центре) и некоторые виды ступеней (рис. 7). 2. Рельеф и отделка поверхности. Одно из требований, предъявляемых к террасной доске (декингу),
– не быть скользкой. Поэтому поверхность подвергается дополнительной обработке, включая нанесение рельефа. Декинг изготавливается: с продольным рифлением («вельвет», «микровельвет»); с тиснением под текстуру дерева («тангенциальный распил», «радиальный распил»); гладкая брашированная (обработанная металлической щеткой); гладкая необработанная или шлифованная. 3. Вид настила. В зависимости от особенностей укладки, имеются два типа декинга: бесшовная доска для сплошного настила (имеет шпунт и паз, укладывается без зазора) и «шовная» доска для укладки с зазором (при такой укладке обеспечивается водоотвод, что важно, например, для настилов у бассейнов). Классификация других видов изделий из ДПКматериалов может несколько отличаться от приведенной. Сырье для производства ДПКматериалов На этапе разработки методов и технологий получения ДПКматериалов (2040 лет назад) предполагалось, что их применение позволит, с одной стороны, утилизировать отходы лесопильных и деревообрабатывающих производств, а с другой
– снизить стоимость многих видов изделий, изготавливаемых из полимеров, заменив их аналогичными изделиями из высоконаполненных древеснополимерных композиций. Следует признать, что ни одной из этих целей достичь не удалось. Выяснилось, что для получения качественных ДПКматериалов измельченная древесина должна удовлетворять целому ряду требований. Вопервых, быть чистой, т. е. не содержать грязи, масел, инородных включений и т. д, что в условиях существующих лесопильных и деревообрабатывающих производств почти недостижимо. Вовторых, иметь постоянный состав, что так же плохо реализуемо. Втретьих, действует технологическое ограничение по влажности, которая обычно не должна превышать 8% (в некоторых случаях, 12%). Вчетвертых, должен быть правильно подобран размер частиц (при этом необходимо учитывать вид, происхождение и породы перерабатываемой древесины). Есть «впятых», «вшестых» и т. д. Чтобы удовлетворить этим требованиям, потребовалось решать вопросы специальной подготовки древесного сырья. Одним из решений стал переход на двухступенчатый процесс, с изготовлением ДПКгранул, используемых для последующей экструзии. Но в итоге, возросли производственные затраты, а цены на производимые ДПКматериалы оказались не ниже цен на полимерные материалы и изделия аналогичного назначения, что стало сдерживающим фактором для развития рынка ДПКматериалов. Дороговизна подготовки древесного сырья требуемого качества, рост цен на полимеры и экологические требования обусловили использование в производстве ДПКматериалов вторичного полимерного сырья (рециклата) и заменителей древесины в «древесной» муке, для изготовления которой стали применяться измельченные отходы сельскохозяйственных культур (шелуха риса, шелуха семян подсолнечника, костра льна), бамбук и др. Подготовка сырья зависит от применяемой технологии: экструзия с использованием гранулята, «прямая экструзия» (с подачей компонентов
– древесного сырья, полимера и аддитивов
– через систему дозирования непосредственно в экструдер) или использование так называемой каскадной линии [30]. Если состав готовых гранул ДПК является сбалансированным, то состав компаунда для «прямой экструзии» необходимо постоянно контролировать посредством системы объемного дозирования. Кроме того, требуется производить специальную обработку древесного сырья, поскольку размер частиц, форма и характеристики имеют большое значение. Одни изготовители [10] считают возможным использовать древесную муку с размером частиц от 0,01 мм до 1,0 мм, другие [15] оптимальным считают 100 мкм (0,1 мм). Производители оборудования обычно рекомендуют 300500 мкм, или конкретно 400 мкм [30], но имеется и опыт применения переработанных древесных отходов фракций 0,53 мм. При применении технологии «прямой экструзии» важным фактором является влажность древесного сырья. Оптимальная влажность, заявляемая разными производителями, различна. Это связано с особенностью конструкции экструдеров. Немецкие производители оборудования часто указывают допустимое содержание влаги до 1012%, при этом влажность 68% позволяет обеспечить «щадящий» режим его работы. С другой стороны, встречаются рекомендации, что влажность древесного сырья должна составлять 13% (но не ниже, т. к. теряется гибкость волокон, изза чего ухудшаются свойства ДПКматериала), поскольку в этом случае процесс становится более стабильным, не требующим частой корректировки. Прочность получаемых на сухом сырье изделий заметно выше, как и ударная вязкость, которая увеличивается в 23 раза. Стоит отметить, что досушке в экструдере с целью уменьшения влажности подвергаются и гранулыполуфабрикаты. Следует учитывать, что повышенное содержание влаги в сырьевой смеси приводит к интенсивному газообразованию в процессе экструзии, появлению вздутий и пузырей, которые портят внешний вид изделия, и пустот, внутри профиля, значительно ухудшающих физикомеханические характеристики материала. Еще одним важнейшим вопросом является правильный подбор аддитивов [31, 32], в т. ч. смазок (лубрикантов) и антиоксидантов. Ошибки в подборе первых ведут к образованию раковин и заусенцев на поверхности изделия (изза прилипания материала к формующему инструменту), либо к расслаиванию древеснополимерной массы. Ошибки в подборе вторых
– к быстрому окислению материала в процессе эксплуатации и разрушению задолго до истечения гарантийного срока [10]. Оборудование для производства изделий из ДПКматериалов Основным элементом технологической линии по изготовлению профилей и панелей различных видов из ДПКматериалов является экструдер (рис. 11). Используются как одношнековые, так и двухшнековые машины. Первые проще и дешевле, однако не всегда обеспечивают хорошее смешивание материалов, а переход с одного вида сырья на другой затруднителен. Двухшнековые экструдеры имеют более сложную конструкцию, у них выше стоимость, энергопотребление и требования к техобслуживанию. Но они легко адаптируются к различным видам сырья, обеспечивают лучшее перемешивание материала и более высокое качество конечного продукта. В зависимости от геометрии шнеков, двухшнековые экструдеры подразделяют на параллельные и конические. Вращение шнеков может быть однонаправленным или встречным. Наибольшее распространение в производства террасной доски в настоящее время получили двухшнековые конические экструдеры, обеспечивающие хорошее перемешивание, равномерный прогрев массы и создающие высокое давление на выходе. Качество конечного продукта во многом определяет формующий инструмент. Для экструзии ДПК разработаны специальные формующие головки, которые не только позволяют получать профили сложной конфигурации, но и определенным образом ориентируют древесные волокна, что способствует повышению прочности готового изделия. Экструзионная головка состоит из обогреваемого корпуса, который крепится к экструдеру, и формующего инструмента (фильеры). Конструкция фильеры отличается от фильер для экструзии полимеров наличием охлаждения внутренних формующих элементов (при экструзии пустотелых профилей) и наличием охлаждающих пластин на выходе из фильеры, предназначенных для охлаждения внешнего контура профиля. Охлаждение внутренних формующих элементов фильеры обычно производят водой, но в случае полостей малой площади сечения применяют воздушное охлаждение. При производстве ДПКпрофилей на основе ПВХ внутреннее охлаждение может не применяться, поскольку ПВХ, в отличие от ПЭ, характеризуется низкой текучестью и узким интервалом температур обработки. Древесную муку получают из отходов лесопильного и столярного производства (опилок, стружки). Отходы дробятся на ножевых или молотковых дробилках, измельчаются на мельницах тонкого помола, на валковых машинах (типа прокатного стана), на штифтовых мельницах. Затем материал просеивается и фракционируется. Сушку древесной муки перед переработкой осуществляют в шнековых сушилках при температуре около 100о С. Желательна быстрая переработка подготовленной древесной муки, во избежание впитывания влаги. При использовании предварительной грануляции полученные гранулы желательно переработать в течении суток после изготовления, т. к. изза гигроскопичности их влажность может сильно повыситься. Даже при коротком времени хранения готовых гранул целесообразно применение бункеровсушилок. Линия двухступенчатой экструзии состоит из линии грануляции с двухшнековым экструдером, на которой из сырья получают гранулы ДПК, и экструзионной линии с одношнековым или двухшнековым экструдером и стандартным постэкструзионным оборудованием (калибровочный стол, ванны водяного охлаждения, тянущее устройство, пила, укладчик), на которой из гранул получают готовые изделия. Линия «прямой» (одноступенчатой) экструзии ДПКпрофилей состоит из двухшнекового экструдера с удлиненными шнеками (L/D до 36/1) и стандартного постэкструзионного оборудования. Сырье (древесная мука, полимер и аддитивы) дозируется и подается напрямую в экструдер. Зона дегазации должна иметь достаточную длину, чтобы обеспечить выравнивание давления. Для снижения флуктуаций давления экструдер может комплектоваться специальным насосом для нагнетания расплава с минимальным смесительным эффектом (время пребывания в нем расплава
– 12 сек.). В качестве альтернативы насосу может использоваться обыкновенный одношнековый экструдер, смонтиРис. 11. Линия производства ДПКпрованный на конце двухшнекового экструдера [33]. Экструзия профилей из ДПКматериалов Экструзия ДПКпрофилей принципиально не слишком отличается от обычной экструзии полимерных профилей, но сам процесс имеет важные особенности:
• Изза высокой доли целлюлозы расплав ДПК имеет очень низкую теплопроводность, вследствие чего требует применения специальных температурных режимов обработки.
• ДПК содержит большое количество гигроскопичной древесины, быстро впитывающей влагу из воздуха. Это предъявляет особые требования к осуществлению процесса дегазации экструдируемого материала.
• При изготовлении террасной доски из ДПК и других пустотелых профилей влияние влажности исходного сырья на процесс меньше, чем при экструзии полнотелых профилей или профилей с коэкструдированным слоем (облегчен отвод водяных паров).
• Изза низкой теплопроводности ДПК и более толстых стенок ДПКпрофилей, скорость их экструзии значительно ниже, чем экструзии профилей из полимерных материалов. Для экструзионного оборудования и оснастки экономкласса
– в пределах 0,250,5 м/мин, для высокопроизводительного оборудования и оснастки
– 12 м/мин.
• Существенно важным является так же необходимость дополнительного охлаждения экструдрованных ДПКпрофилей за счет применения более длинных сухих калибраторов и длинных ванн водяного охлаждения. Чем выше скорость экструзии, тем лучшее охлаждение требуется для получения качественных профилей. При скоростях выше 1 м/мин устанавливается дополнительная ванна охлаждения. Технологическая схема производства ДПКпрофилей (в вариантах используемого сырья в виде компаунда или в виде гранул) приведена на рис. 12. Использование технологии «прямой экструзии» для производства профилей из ДПКматериалов получило «второе рождение» благодаря разработкам итальянской компании ICMA San Giorgio, предложившей использовать двухшнековый экструдер с однонаправленным вращением шнеков и разделением зоны пластификации полимера и зоны смешения компонентов путем боковой загрузки древесной муки в зону экструдера, в которой полимер полностью перешел в расплав. Тем самым, время пребывания древесной муки в горячем экструдере значительно сокращается, что снижает вероятность обугливания. Для процесса прямой экструзии используют экструдеры с удлиненными шнеками, по сравнению с экструдерамигрануляторами. Метод прямой экструзии обладает целым рядом преимуществ: снижение энергопотребления (только один цикл нагрева/охлаждения материала); увеличение срока эксплуатации оборудования за счет того, что древесная мука, обладающая абразивными свойствами, сразу же обволакивается расплавом полимера; возможность использования древесной муки с большим процентом влажности; возможность изменять рецептуру в режиме реального времени; снижение текущих расходов (энергия, трудозатраты, логистика, обслуживание). В настоящее время наблюдается тенденция постепенного перехода с двухступенчатой технологии производства на одноступенчатую (обратная наблюдавшейся ранее). При этом произошло разделение по региональному признаку: практически все ведущие европейские производители оборудования предлагают технологию прямой экструзии, причем всегда
– с разделением зоны пластикации полимера и зоны ввода древесной муки непосредственно в расплав. Среди азиатских производителей (за исключением Японии) пока превалируют предложения по многостадийной схеме. Однако на рынке появилось оборудования для прямой экструзии ДПК китайских компанийпроизводителей [33]. При производстве ДПКпрофилей (в т. ч. террасной доски) иногда применяется так же коэкструзия с нанесением на поверхность износостойкого слоя. С помощью устанавливаемого в составе производственной линии дополнительного оборудования выполняется продольное рифление поверхности и глубокое тиснение «под древесину». Обе операции выполняются на частично охлажденном профиле. Финишная обработка Вид применяемой финишной обработки зависит от вида изготавливаемых изделий (профилей и др.) из ДПКматериалов. Например, финишная обработка террасной доски из ДПК может осуществляться несколькими способами: 1. Обработка радиальными стальными щетками, так называемый «брашинг» (от англ. brush
– кисть, щетка). Придает поверхности шероховатость, что делает ее менее скользкой, и как бы состаренный внешний вид. Для обработки используют специальный станок. Этот вид обработки является наиболее распространенным в РФ. 2. Шлифовка. Рабочую поверхность террасной доски обрабатывают на шлифовальном станке. На выходе получается ровная гладкая поверхность. 3. Тисненые (так называемый «эмбоссинг», от англ. embossing
– тиснение), хотя правильнее называть такой вид обработки поверхностным обжигом. Как правило, имитирует древесину. Так как глубокого тиснения нет, рисунок со временем выгорает и стирается [15]. 4. Глубокое тиснение, которое еще называют 3Dтиснением, или настоящий Рис. 12. Технологическая схема производства ДПКпрофилей (в вариантах используемого сырья в виде компаунда или в виде гранулэмбоссинг. Обычно делается на полнотелых профилях, не имеющих внутренних камер, так как пустотелая доска не выдерживает высокого давления, необходимого для нанесения текстуры, и ломается. Поверхность доски после такой обработки имеет вид натуральной, состаренной древесины. При этом сохраняется поверхностный слой, доска остается устойчивой к внешним воздействиям. Производство других видов продукции из ДПКматериалов Производство листов. Для производства листов из ДПК в качестве полимерного сырья чаще используют полипропилен (ПП). Технологический процесс изготовления листов из ДПК для автомобильной промышленности можно рассмотреть на примере АО «ТехноПолимер» (г. Тольятти, [34]). Предприятие имеет 3 силосанакопителя по 50 куб. м для древесной муки, первичного ПП и рециклата. Из них компоненты поступают в бункеры над экструдером. Здесь же размещены 2 бункера для аддитивов, что позволяет вводить в систему до 8 компонентов. Для подачи первичного ПП и рециклата используется непрерывное ленточное гравиметрическое дозирование, для других компонентов
– дифференциальные гравиметрические дозаторы. После дозирования из 4х технологических бункеров компоненты собираются шнековым питателем экструдера и подаются в его 1ю зону. По мере продвижения в цилиндре экструдера смесь материалов нагревается и плавится, приобретая к 4й зоне вязкотекучее состояние. В эту зону, под углом 90° к вязкотекучему потоку, двухшнековым питателем подается древесная мука. Двухшнековый экструдер с однонаправленным вращением шнеков обеспечивает необходимую однородность смеси. После зоны дегазации смесь проходит 8ю зону экструдера, где под давлением распределяется по плоскости и выдавливается через щелевую фильеру. Сформованный листзаготовка поступает на линию каландрирования. В каландре на уплотняющийся и твердеющий лист могут накатываться адгезионная и декоративная пленки, тканые и нетканые волокнистые материалы. Из каландра лист поступает на рольганг, где режется в продольном направлении, далее
– на гильотинные ножницы, где разрезается поперек. Обрезь листа измельчается и собирается в бункеренаполнителе, откуда как рециклат возвращается в производство. Упаковка и маркировка производятся в обычном порядке. Литье под давлением Разработки в области рецептур смесей позволили начать изготовление ДПКматериалов на традиционном оборудовании для литья пластмасс (термопластавтоматах) с минимальной подстройкой и без внесений какихлибо изменений в конструкцию. В качестве полимерной матрицы используется полипропилен Несколько американских компаний по специальным заказам разработали сложные технологии изготовления ДПКматериалов с использованием соинжекции и вспенивания. Однако особенности этих технологий не позволяют вести речь об их широком использовании [10]. Приведенное здесь краткое описание технологий производства и используемого оборудования является обобщением, не относящимся к какомулибо конкретному случаю применения. Технология производства ДПКматериалов имеет множество нюансов и в каждом конкретном случае требует комплексного подхода к подбору оборудования, рецептуре смеси, режимам обработки. Литература: 1. WoodPlasticComposites (WPC) / HolzKunststoffVerbundwerkstoffe. Maerkte in Nordamerika, Japan und Europa mit Schwerpunkt auf Deutschland. Technische Eigenschaften
– Anwendungsgebiete. Preise
– Maerkte
– Akteure.
– NovaInstitut GmbH, Huerth (D). Ueberarbeitete und ergaenzte Auflage, Januar 2006. 2. ГавриловКремичев Н.Л., Николаева И.Л. Сферы применения ДПК. Мировой опыт. // «Фасадные Системы», 2012, №23 (2223), с. 37. 3. WoodPlastic Composite & Plastic Lumber: US Industry Study with Forecasts for 2015&2020.
– The Freedonia Group, January 2012. 4. Реакция и отклики на 1й германский конгресс по WPC. Высокий потенциал рынка и инноваций для комбинированного сырья из пластика и древесины (woodplasticcomposites).
– «Деревообработка в мире» (издво «Др Харниш Ферлагсгезелльшафт», Нюрнберг, Грмания), 2006, №2, с. 17. 5. Клесов А.А. Древеснополимерные композиты: пер. с англ.
– СПб.: Издво «Научные основы и технологии», 2010.
– 736 с. 6. Системные профили для окон, дверей и фасадных конструкций: Каталогсправочник. / Под ред. Н.Л. ГавриловаКремичева и И.Л. Николаевой.
– М.: ИЦ «ССК», 2007.
– 232 с., ил. 7. http://dpkalliance.ru/ 8. Michel Biron. In Thermoplastics and Thermoplastic Composites (Third Edition), Imprint William Andrew, 2018. 9. http://compositesworld.com/ 10. http://wpc.moscow/ 11. http://gardeck.ru/ 12. http://dortmax.ru/ 13. http://ecodeck.ru/ 14. http://savewood.ru/ 15. http://dpkinfo.ru/ 16. http://EcoDecking.ru/ 17. http://MasterDeck.ru/ 18. http://evroperimetr.ru/ 19. Fensterbau/frontale 2004: некоторые тенденции. // «Окна и Двери», 2004, №4 (85), с. 4748. 20. www.moeller.su 21. https://kapellidoors.ru/ 22. www.intehplast.ru 23. http://decking73.ru/ 24. «Древеснополимерные композиты2012». 2я Международная конф. / «Креон», Inventra.
– М., 2012. 25. Wood Plastic Composites Market Research Report Global Forecast till 2025.
– Market Research Future (Part of WantStats Research and Media Pvt. Ltd.), May 2020. 26. Wood Extrusion («Экструзия древесины»). Международный симпозиум Cincinnati Extrusion, 1718 мая 2000 г., Вена, Австрия. // «Окна и Двери», 2000, №5 (38), с. 15; №9 (42), с. 4445. 27. Смутка Франц (Technoplast Kunststofftechnik GmbH). Древесная экструзия
– новая технология. // «Окна и Двери», 2003, №5 (74), с. 3133. 28. Шиллер М., Эггер А
Данная статья подготовлена по материалам аналитического отчета «Российский рынок древеснополимерных композиционных материалов» (ООО «Агентство ССКИнформ»).
online просмотр