Древесно-полимерные композиты

Древесные наполнители в виде муки или волокон в настоящее время все чаще используются для наполнения крупнотоннажных полимерных материалов (ПМ) - полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП) и поливинилхлорида (ПВХ). И объясняется это не только стремлением к удешевлению ПМ, но и возможностью направленного достижения определенного профиля свойств. Преимуществами подобных древесно-полимерных композитов (ДПК) и изделий из них перед аналогами являются гораздо более широкие возможности получения изделий сложной формы, включая пустотелые профили (это позволяет снижать массу изделий), а также более высокая стойкость к влаге и биологическому воздействию. Кроме того, ДПК более экологичны, а их стоимость менее зависит по сравнению, например, с синтетическими ПМ от цен на нефтяные источники сырья. Во многих случаях применения они успешно заменяют чистую древесину и ПМ, особенно автомобилестроении и строительном секторе.

Более 90 % от объема потребления ДПК перераба­тывается экструзией, оставшаяся часть - прессованием или литьем под давлением.

Многостадийная переработка древесно-полимерных композитов

Как правило, перед экструзией или литьем под давлением производится предварительное получение полуфабриката древесно-полимерного композита в компаундерах или смесителях. Однако компаундеры, предназначенные для этих целей, имеют некоторые конструктивные особенности. Так, узел дозирования древесного наполнителя должен быть снабжен специальным вибрационным устрой­ством для «потряхивания» склонных к комкованию и агрегатированию древесных частиц. Кроме того, более предпочтительным является введение древесных во­локон не в основное загрузочное окно компаундера, а с его боковой стороны - уже в подготовленный расплав полимера, благодаря чему можно полностью исключить образование так называемых «мостиков» в зоне дозирования и загрузки. Конфигурация шнеков должна способствовать хорошему диспергированию и гомогенизации компаунда при одновременном обе­спечении его щадящей термообработки. В противном случае возможны такие нежелательные явления, как изменение цвета компаунда, появление резкого запаха и, в худшем случае, термическая деструкция.

Так как при высоких температурах переработки (до 190^OC и выше) происходит интенсивное выделение из компаунда влаги, а также некоторых низкомоле­кулярных соединений, то шнек компаундера должен обязательно иметь хотя бы одну зону дегазации, а при достаточно большой влажности древесного наполни­теля (более 2 %) - и дополнительную дегазационную зону с вакуумированием.

Выше определенного содержания древесного на­полнителя в составе древесно-полимерного композита становится невозможным получение стренг для последующего гранулирования, поскольку стренги теряют эластичность и становятся настолько хрупкими, что разрушаются при их вытя­гивании. Альтернативными в этом случае являются грануляторы, снабженные специальным устройством для отрубания гранул от еще нагретой стренги непо­средственно на выходе ее из формующего канала.

На практике реализуются различные конструктор­ские концепции компаундирующих машин - планетар­ных, кольцевых или в виде двухшнековых экструдеров с параллельно вращающимися шнеками.

Наряду с непрерывными процессами компаунди­рования на шнековых машинах для получения полуфа­брикатов ДПК используются также ступенчатые про­цессы, в которых на первой стадии - в быстроходном смесителе - осуществляется нагрев приготавливаемой смеси (за счет подвода к ней тепла извне и изнутри - в результате внутреннего трения) и ее гомогенизация. Охлаждение же и ее последующее измельчение осу­ществляются в отдельном охлаждаемом смесителе. Полученный таким образом агломерированный по­луфабрикат можно использовать в дальнейшем в процессах экструзии изделий из древесно-полимерного композита, но не литья под давлением. Причина этого заключается в неравно­мерной насыпной плотности агломератов ДПК, что ограничивает возможности их точного дозирования и обеспечения заданного времени цикла литья под давлением.

Для экструзии заготовок или готовых профилей из полуфабрикатов ДПК принципиально возможно применение двух типов экструдеров - двухшнековых со встречным вращением шнеков (конических или параллельных) или одношнековых. Но последние не­пригодны для переработки высоконаполненных (более 60 % масс.) рецептур древесно-полимерной композиции из-за недостаточного сдви­гового воздействия на материал.

В автомобилестроении наиболее распространен ме­тод прессования фигурных деталей из предварительно экструдированных плит из ДПК.

Прямая переработка древесно-полимерных композитов

Под прямой переработкой ДПК (в отличие от двухстадийного процесса, включающего предварительное получение полуфабриката и формование из него изде­лий с повторным термическим воздействием) понима­ют одностадийную технологию изготовления изделий без промежуточных стадий охлаждения полуфабриката и его повторного плавления.

Прямая переработка древесно-полимерных композитов преследует три цели - повышение качества готовых изделий (за счет меньшего термического воздействия на материал), снижение их себестоимости (за счет сокращения технологических операций) и повышение гибкости производства.

На практике для прямой переработки древесно-полимерных композитов ис­пользуют, как правило, двухшнековые экструдеры со встречным вращением шнеков, оборудованные автономными дозаторами для дозирования 4-6 компонентов ДПК, которые в заданном соотноше­нии подаются в загрузочный бункер экструдера, снабженный, как указывалось выше, специальным вибрационным устройством для предотвращения комкования смеси и образования «мостиков». Кроме того, требуются специальной формы шнеки (с зонами дегазации) и формующая экструзионная головка. Следует заметить, однако, что подобные экструзионные линии не получили широкого распространения из-за сравнительно низкой производительности и недостаточно равномерного диспергирования дре­весного наполнителя в массе перерабатываемого компаунда.

В последние годы хорошо заренкомендовали себя для этих целей двухшнековые экструдеры с параллель­ным вращением шнеков. Например, фирма Coperion предлагает эту экструзионную технику для производ­ства плит и профилей из ДПК. Но поскольку такие экс­трудеры имеют ограничения по создаваемому давлению подачи расплава, то при переработке высоконаполнен­ных рецептур требуется установка дополнительного насоса между материальным цилиндром и формующей фильерой. Главным преимуществом подобных и других экструдеров (например, планетарных и кольцевых) яв­ляется улучшенное диспергирование и гомогенизация приготавливаемого расплава, а недостатком - повы­шенная стоимость продукции.

Некоторые машиностроительные фирмы (напри­мер, KraussMaffei Berstorf GmbH) предлагают комби­нированные технологии переработки древесно-полимерных композитов литьем под давлением и оборудование, в котором объединены компаундер и литьевая машина. Однако широкого распространения эта технология «прямого» литья под давлением, несмотря на ее определенные преиму­щества перед обычной литьевой технологией, пока не получила.

К списку