1111

Производство ДПК

Технологии переработки 


В настоящее время более 95% ДПК, выпускаемых в мире, получают методом экструзии. В последние годы развиваются другие технологии и методы переработки древесно-полимерных композитов. Рассмотрим некоторые технологические вопросы, связанные с изготовлением изделий из ДПК.производство 5

Экструзия 


Экструзия – это непрерывный процесс, заключающийся в продавливании материала, обладающего высокой вязкостью в жидком состоянии, через формующий инструмент (экструзионную головку, фильеру) с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы. В индустрии полимеров экструзия применяется с 30-х годов прошлого века.

Методом экструзии древесно-полимерных композитов получают различные профильные погонажные изделия для изготовления оконных и дверных блоков, мебельных деталей, в том числе возможно получение плитных материалов шириной до 3 метров, столярных строительных изделий: половая доска, вагонка, плинтус, наличники, поручни и т.п.

Экструзия является наиболее изученным методом производства древесных композитов. Эта технология в течение долгих лет совершенствовалась североамериканскими и европейскими производителями оборудования. Поставщики экструзионных установок имеют большой опыт работы и готовы самостоятельно подбирать элементы линии и рецептуру на основании анализа сырья заказчика.

Теоретически при открытии нового производства можно сделать ставку и на другие виды переработки полимеров для получения различных изделий. Однако в большинстве своем они являются ноу-хау отдельных компаний, имеющих только узкий набор решений, и чьи производственные линии не могут масштабироваться в соответствии с пожеланиями заказчика.

Рассмотрим основные этапы производства древесно-полимерных композитов методом экструзии.

- Подготовка сырья

Соотношение наполнителя и связующих при экструзии может широко варьироваться в зависимости от назначения продукта:

• 40-95% – древесно-растительные наполнители; 


• 60-5% – синтетические связующие.


При содержании полимерного связующего менее 10% наблюдается резкое снижение прочности изделий, а повышенное его содержание (более 20%) не приводит к значительному улучшению физико- механических характеристик получаемых изделий, но обуславливает возрастание их стоимости. 


производство дпкПодготовка сырья зависит от типа линии и применяемой технологии. Существуют два принципиальных подхода: экструзия с использованием полуфабриката и "прямая экструзия". 
При прямой экструзии отдельные компоненты (древесное сырье, полимер и аддитив) подаются через систему объемного дозирования непосредственно в экструдер. 
Древесные компоненты, поставляемые в виде необработанного материала, должны пройти стадию предварительной обработки для обеспечения надежного дозирования. Деревоотходы 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. 
Если состав готовых гранул ДПК является сбалансированным, то состав компаунда прямой экструзии необходимо постоянно контролировать посредством системы объемного дозирования. Кроме того, требуется производить специальную обработку древесного наполнителя, поскольку его размер, форма и характеристики имеют большое значение. 
Наиболее часто используются древесная мука (дисперсность 0.01-1 мм) и опилки (от 1 до 8 мм), реже – стружка (10-20 мм) или частицы принудительных форм: чешуйчатые, волокнообразные и др. Более тонкие фракции подходят для производства профилей без дополнительной отделки поверхности, средние – под отделку пленками, шпоном или окраску, а грубые – для технических профилей. 


Производство

Европейские производители оборудования рекомендуют использовать древесные отходы фракций 0.5-3 мм. 
Второй важный момент в технологии прямой экструзии – влажность древесного сырья. Оптимальная влажность, заявляемая разными производителями, является различной. Это связано с особенностью конструкции экструдеров. Например, для немецкого оборудования содержание влаги даже до 10% не оказывает негативного влияния на производительность оборудования. Низкая влажность (8-6%) при этом способствует его щадящему режиму работы. По другим технологиям влажность древесных волокон не должна превышать 1-3% (но не ниже, т.к. при этом теряется их гибкость, вследствие чего ухудшаются свойства профиля), поскольку в этом случае процесс становится более стабильным, сравнимым с экструзией чистого ПВХ, и отпадает необходимость в частой регулировке параметров.

Прочность получаемых на сухом сырье изделий заметно выше, как и ударная вязкость, которая увеличивается в 2-3 раза. Стоит отметить, что досушке в экструдере с целью уменьшения влажности подвергаются и гранулы-полуфабрикаты. 


производство дпк 2Наконец, третья особенностьнеобходимость подбора аддитивов. При нарушениях пропорций химических добавок либо на поверхности изделия появляются раковины и заусенцы из-за прилипания к формующему инструменту, либо нарушается прочность – из-за расслаивания древесно-полимерной массы и внутреннего скольжения слоев. Но есть и такие аддитивы, ошибка в дозировании которых не сказывается ни на процессе изготовления, ни на прочности или внешнем виде готового изделия, а проявляется лишь в процессе эксплуатации. К примеру, антиоксиданты составляют в рецептуре лишь десятые доли процента, однако их отсутствие может сказаться на свойствах изделия катастрофически, особенно при наружном применении: через некоторое время материал начинает окисляться и разрушаться. В практике американских производителей, декинг-продукты которых имеют гарантийный срок не менее двадцати лет, встречались драматические примеры миллионных убытков из-за рекламаций на материалы, в производстве которых была допущена ошибка с дозированием антиоксидантов.

- Процесс производства

Основным элементом технологической линии по изготовлению композита является экструзионное оборудование или экструдеры.

Экструдер состоит из нескольких основных узлов: силового привода, узла загрузки перерабатываемого материала, оснащенного нагревательными элементами корпуса, рабочего органа (шнека), размещенного в корпусе, и экструзионной головки, а также контрольно-измерительных и регулирующих устройств (системы задания и поддержания температурного режима, датчиков и др.).

Экструзионная головка состоит из обогреваемого корпуса, который крепится к экструдеру, и формующего инструмента с отверстием, например в виде сужающейся к центру щели (при получении листов, пленок) или канала определенного сечения (при изготовлении труб и профилей). В производстве различных видов продукции используются как одношнековые, так и двухшнековые машины. Первые проще в изготовлении и дешевле, однако, перерабатываемый материал в этих экструдерах не всегда хорошо смешивается, а переход с одного вида сырья на другой затруднителен.

Двухшнековые машины отличаются более сложной конструкцией, вследствие чего у них выше и стоимость, и энергопотребление, и требования к техническому обслуживанию. Но при этом они обеспечивают точное дозирование, адаптацию к различным видам сырья, лучшее перемешивание материала и более высокое качество конечного продукта. Кроме того, в процессе работы достигается эффект самоочистки шнеков и внутренней поверхности корпуса. По конструктивным особенностям двухшнековые экструдеры подразделяются на несколько типов: шнеки могут вращаться в одном направлении или в противоположных, с взаимным зацеплением или без него, наконец, форма шнека может быть цилиндрической или конической.

Наибольшее распространение в производства террасной доски в настоящее время получили двухшнековые конические экструдеры: эти машины обеспечивают хорошее перемешивание, равномерный прогрев массы и создают высокое давление на выходе. Качество конечного продукта во многом определяет формующий инструмент. Для древесно-полимерного материала разработаны специальные формующие головки, которые не только позволяют получать профили сложной конфигурации, но и определенным образом при этом ориентируют древесные волокна, что способствует повышению прочности готового изделия.

производство2

ДПК

Процесс экструзии заключается в нагревании в цилиндре экструдера гранулята или компаунда, который, продвигаясь по цилиндру, превращается в пластичную массу.

Далее, в зависимости от вида конечной продукции, возможны три варианта развития производственного процесса:

• При производстве профилей
 пластифицированная масса продавливается 
через фильеру, формуясь в первичную
заготовку профиля. Далее заготовка
 проходит через калибратор, где профиль,
охлаждаясь и под воздействием вакуума,
обретает окончательную форму и размеры.
Дальнейшее охлаждение профиля
происходит в водной ванне или на
охлаждающих рольгангах. Отрезное
устройство режет изделие на необходимую
длину, и оно затем подается на
сбрасывающее устройство. Со сбрасывающего устройства изделия можно обвязывать, упаковывать.

Доски из ДПК, предназначенные для строительства настилов, перед окончательным охлаждением обычно обрабатывают специальными металлическими щетками, которые делают поверхность менее скользкой и имитируют на ней узор натурального дерева.

производство3• На экструзионной линии конечным продуктом могут быть гранулы-полуфабрикаты. В этом случае на выходе экструдера устанавливается гранулирующая головка, из которой посредством воздуходувок через циклон готовые гранулы, охлаждаясь, поступают в биг-бэг или специальный контейнер. 
Часто в производстве применяют двухступенчатую схему, по которой одна линия производит гранулы, а другая – ориентирована на выпуск профиля (производители оборудования различают линии экструзии и линии грануляции). Такая организация позволяет добиться большей производительности и автоматизации процесса экструзии, поскольку при использовании готовых гранул нет необходимости контролировать дозирование различных компонентов композита. Кроме того, гранулы могут рассматриваться в качестве самостоятельного продукта для B2B- поставок на рынок. 


• В изготовлении терасной может также применяться метод ко-экструзии, когда выходы двух или нескольких агрегатов, перерабатывающих различные смеси, объединяют специальной головкой. Так получают, например, профили из ДПК, покрытые снаружи слоем водостойкого полимера. 
Аналогичным методом можно наносить древесно-полимерную массу на металлические стержни или проволоку – т.е. непосредственно в процессе изготовления изделия внедрять в него армирующие элементы. 
Особенности процесса 
Процесс экструзии имеет массу тонкостей. Если на выходе из экструдера температура полимерного расплава ниже требуемой, он твердеет и продирается через фильеру с образованием раковин и других дефектов, а если он чуть перегрет, то выливается через фильеру, будучи еще относительно жидким, и не приобретает нужной формы. Слишком высокая скорость движения расплава приводит к тому, что температура его поднимется из-за внутреннего трения, со всеми вытекающими последствиями перегретого материала. При чересчур быстром охлаждении полученного изделия полимер "замерзает" в напряженном виде, и эти напряжения потом себя проявят в виде деформаций и недостатка прочности. Этот перечень можно продолжать дальше – особенностям поведения полимерной массы на разных этапах прохождения через экструдер посвящены научные работы. Отметим лишь, что введение в полимерную композицию древесного сырья отнюдь не упрощает процесс, а для получения высоконаполненных древесно-полимерных композиций требуется специализированное оборудование и точное соблюдение всех параметров производственного процесса. 
Именно из-за сложности технологического процесса производители не спешили использовать такой "капризный" наполнитель, как древесина, несмотря на то, что принципиальная возможность получения древесно-полимерных композитов на термопластичном связующем была известна уже несколько десятилетий.

Очевидно, что процесс производства ДПК методом экструзии является крайне технологичным.

производство4

Разработкой рецептур ДПК занимаются специализированные компании и научные организации, как правило, в сотрудничестве с производителями экструзионного оборудования.

В настоящее время вариантов организации производства существует немало – выбирать оптимальную комплектацию и сценарий развития нужно, исходя из возможностей конкретного предприятия, планируемых объемов выпуска и назначения продукции.

2. Литье в формы

Древесно-полимерные композиты хорошо зарекомендовали себя в области производства экструдированных изделий. В настоящее время их начинают использовать в литьевом формовании. Однако некоторые компании, занимающиеся литьем в формы, не хотят экспериментировать с новыми материалами. А у формовщиков, которые уже опробовали новую технологию, возник целый ряд проблем, включая колебания качества, неоднородность подачи, и, в целом, более трудную работу при использовании ДПК по сравнению с привычными материалами.

Тем не менее, последние разработки в области производства компаундов древесно-полимерных композитов позволили существенно повысить качество, однородность и производительность этого материала. Более того, ДПК последнего поколения можно обрабатывать на традиционном оборудовании для литьевого формования с минимальной регулировкой установок и без физических модификаций.

Несколько американских компаний, занимающихся формованием по индивидуальным заказам, разработали сложные технологии с использованием со-инжекции и вспенивания. Однако у этих материалов действительно имеются некоторые параметры обработки, которые отличают их от известных формовочных смол. Приведем несколько инструкций по формованию, которые применимы специально к работе со смесями древесного волокна и полипропилена, а также с другими термопластичными биокомпозитами.

производство дпк 3

Литьевое формование ДПК обосновано в производстве деталей с толстыми стенками, для которых преимуществом являются высокая жесткость и размерная стабильность. Однако это должны быть изделия, на которые не оказывается избыточное ударное воздействие, поскольку ДПК является более хрупким, чем традиционные формовочные материалы.

- Подготовка сырья

В большинстве композитов, предназначенных для литьевого формования, используется значительно меньшее количество древесно-растительных наполнителей (20-60%), чем в экструзионных. Кроме того, в компаунде используют короткие волокна растительного происхождения. Большое значение при формовании, в отличие от экструзии, имеет тип древесины, что влияет на ее процентное содержание в композите и некоторые технологические особенности.

Для обеспечения качества готовых компонентов решающее значение имеет использование гранул термопластичных биокомпозитов. При создании их рецептур следует обратить особое внимание на:

• сухость: влажность поверхности должна быть менее 1.5%, в то время как внутренняя влажность гранул — менее 1% (отсутствие контроля влажности может дать видимые искривления поверхности и повышенную хрупкость); 


• инкапсуляция и однородность: гранулы должны быть чистыми и относительно однородными по размеру и форме; не должно быть мелких частиц, кусочков или подтеков. 
Изделия из ДПК, изготовленные литьевым формованием, дороже экструзионных, поскольку для формовки требуется предварительное приготовление компаунда и высушивание материала (инжекционные прессы обычно не имеют вентиляции). 
4 Мука из дуба вызывает коррозию пресс-формы из-за наличия дубильной кислоты. По сравнению с дубом, сосна легче окрашивается, но у нее ниже модуль упругости при изгибе, и в сосне содержатся терпены, которые источают смолу. Самым низким уровнем выделения нежелательных газов характеризуется клен. 


• Преимуществом ДПК по сравнению с привычными формовочными материалами является то, что их можно смешивать с дополнительными количествами ненаполненного полипропилена или другой смолы для получения различных эксплуатационных характеристик (например, для повышения устойчивости к раскалыванию таких компонентов, как автомобильные бамперы, или увеличения структурной жесткости чистой смолы).

- Процесс производства

производство дпк 5Два самых важных принципа, которые следует учитывать при формовании ДПК, – это необходимость избежания избыточной температуры и избыточного сдвига. При формовании с надлежащей температурой, скоростями и беспрепятственным потоком детали будут иметь однородную окраску и дисперсию древесного волокна, минимальное напряжение, гладкие поверхности без признаков газообразования.

Типичными температурами для формования древесно-полимерных композитов являются:

• 1710-1880 оС для задней зоны; 


• 1820-1990 оС для средней зоны; 


• 1930-2100 оС для передней зоны; 


• 1990-2100 оС для наконечника литьевого отверстия.


Значения формовочного давления зависят от конструкции детали, а также от системы литников и задвижек. С учетом этого, литьевое формование ДПК обычно требует меньшего значения давления, чем формование традиционных материалов. 
Особое внимание следует обратить на значение скорости наполнения композитом. Поскольку материал имеет высокую скорость потока и чувствительность к сдвигу, необходимо избегать слишком малого времени наполнения. Повышенная температура, возникающая вследствие быстрого наполнения, обычно проявляется в виде появления симптоматичных полос с большим содержанием смолы на поверхности древесно-полимерного композита. 
Наконечник литьевого отверстия, который используют при формовании, должен быть снабжен отверстием с диаметром как можно ближе к диаметру отверстия литника для сведения сдвига к минимуму.

Использование наконечников меньшего диаметра может также привести к потере окраски из- за перегрева материала в момент его введения в форму. 


проивзодство дпк 4

Особенности процесса

При формовке изделий из ДПК необходимо обеспечить широкие потоки литниковых систем с минимальным количеством препятствий для того, чтобы свести к минимуму сдвиг материала. Литники должны быть как можно большего размера, насколько позволяют размеры пресс-формы. 
Компоненты материала должны направляться непосредственно в толстую часть детали. В случаях, когда требуется литниковое отверстие, подводимое к краю изделия, рекомендуется использовать литники шириной в две трети толщины стенки детали. 
Расположение литников должно обеспечивать избежание соединения фронтов потока и сварных швов, которые могут оказаться чувствительными к напряжению при эксплуатации, т.к. вероятность повреждения наиболее высока именно по сварным соединениям.

производство террасной доски

Новости

Вверх