CC BY
157
Древесно-полимерные композиционные материалы
- удельные текущие затраты на единицу технологической годовой мощности выпуска продукции по трудоемкости, материалоемкости и энергоемкости:
- трудоемкость продукции 0,67 тыс. руб. на 1 м3 литой шпалы;
- материалоемкость 6,8 кг на 1 м3 литой шпалы;
- энергоемкость 0,1 кВт на 1 м3 литой шпалы.
Годовая мощность производства, цена и рентабельность продукции:
1. Годовая мощность одного цеха по производству литой шпалы составляет 20,0 тыс. м3 шпалы.
2. Цена произведенной продукции - 120,0 млн руб. в год.
3. Рентабельность продукции -
38,1 %.
- сохранение и создание новых рабочих мест (количество):
При пуске в производство нового цеха создается 14 рабочих мест или по годам: 2010
- 14 мест; 2011 - 70 мест; 2012-210 мест; 2013 - 350 мест; 2014 - 700 мест.
Область применения цеха для производства композиционной литой шпалы: деревообрабатывающие цеха с глубокой переработкой древесины на материалы клееной конструкции для дальнейшего применения литой шпалы на железных дорогах широкой колеи в России.
Потенциальные потребители цеха для производства композиционной литой шпалы
- деревообрабатывающие комплексы и цеха глубокой переработки древесины Иркутской области, Красноярского края, Республики Бурятия, Забайкальского края, Томской области.
Библиографический список
1. Серговский, П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины / П.С. Серговский, А.И. Расев. - М.: Лесная пром-сть, 1987. - 360 с.
2. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения / Б.Н.Уголев. - М.: Лесная пром-сть, 1986. - 360 с.
РАЗРАБОТКА БАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
процессов получения древесно-полимерных композиционных материалов
ИВ. ВОСКОБОЙНИКОВ, зам. ген. директора ФГУП «ГНЦ ЛПК» по науке, д-р техн. наук, В.А. КОНДРАТЮК, проф., ген. директор ФГУП «ГНЦЛПК», д-р экон. наук,
B. М. ЩЕЛОКОВ, зам. ген. директора ФГУП «ГНЦЛПК»,
C. А. КОНСТАНТИНОВА, гл. науч. сотрудник ФГУП «ГНЦЛПК», канд. биол. наук,
М.Н. ПОЛЯКОВ, гл. специалист ФГУП «ГНЦЛПК»
Государственный научный центр лесопромышленного комплекса (ФГУП «ГНЦ ЛПК») с рядом научных и производственных организаций: Воронежская
лесотехническая академия, ОАО «Графт Полимер», ОАО «Иркутсклеспром», институтами РАН, зарубежными фирмами, в том числе «Райфанхойзер» (Германия), провели работы в области исследования и разработки технологических процессов организации производства древесно-полимерных и композиционных материалов и областей их возможного потребления.
gnclpk@mail.ru
В настоящее время ФГУП «ГНЦ ЛПК» проводит работы по получению нанокристаллов из сырья растительного происхождения (древесного сырья) и на их основе новых композиционных материалов. Реализация новых технологических направлений не потребует перестройки основных производств по изготовлению композиционных материалов, что гарантирует потребителей нанокристаллической целлюлозы.
Наиболее перспективными сферами применения древесно-полимерных композиционных материалов в России являются стро-
146
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
Древесно-полимерные композиционные материалы
ительный комплекс, домостроение, машиностроение (автомобилестроение, судостроение, вагоностроение), производство всех видов мебели и товаров потребительского спроса.
Имеются следующие благоприятные факторы для развития производства древеснополимерных композиционных материалов:
- Большой объем запасов древесины. Лесные запасы России оцениваются в 82 млрд м3, что является четвертой частью лесных запасов планеты. Имеются значительные объемы неиспользуемого древесного сырья в виде низкосортной древесины, в том числе лиственных пород, которые в различных регионах страны составляют от 25 % до 75 % хвойных пород, и древесных отходов со стоимостью 2,2-3,5 раза меньше по сравнению с Западной Европой.
- В России предусмотрено интенсивное строительство деревообрабатывающих производств в соответствии с приоритетными проектами, утвержденными Правительством, и, как следствие - увеличение объемов древесных отходов, пригодных для производства ДПКМ.
- Развитие экологических программ, направленных на переработку отходов растительного происхождения (древесных и сельскохозяйственных).
Для России, с учетом развития лесопромышленного комплекса, перспективным является производство композиционных материалов с использованием в их составе, в качестве заполнителя, мягкой древесины в виде опилок, стружек, щепы, волокон и других видов продукции, являющихся отходами деревопереработки или лесозаготовок, а также различных вяжущих смол и растворов, являющихся отходами химической промышленности и отходами машиностроения (металлический порошок, куски проволоки, металлическая стружка).
Проблема производства ДПКМ находится в зоне интересов сразу трех энергично развивающихся отраслей промышленности -деревообработки, пластмассовой индустрии и промышленности по переработке производственных, бытовых и сельскохозяйственных отходов.
Индустриализация мировой и отечественной деревообрабатывающей промышленности в последнее время тесно связана с разработкой и освоением производства широкой гаммы композиционных древесных материалов. В настоящее время сложились две большие группы древесных композиционных материалов:
- композиционные материалы на основе минеральных вяжущих веществ;
- композиционные материалы на основе полимерных связующих веществ (термопластичные древесно-полимерные композиты).
К последним относятся, например, широко распространенные древесно-стружечные и твердые древесно-волокнистые плиты, а также и сравнительно новые для отечественной промышленности материалы, такие как древесно-волокнистые плиты средней плотности (МДФ) или плиты с ориентированной стружкой (ОСБ). Без древесно-полимерных композиционных материалов сегодня невозможно себе представить строительство, производство мебели, транспортное и общее машиностроение и т.д. Традиционно древесно-полимерные плитные материалы изготавливаются с применением термореактивных полимеров - главным образом фенольных и карбамидных смол.
Древесно-полимерные композиты уникальны и значительно отличаются от исходных материалов (дерево, полимеры и др.):
- экологически безопасны, хорошо окрашиваются в массе и облицовываются;
- допускают механическую обработку аналогично древесине и древесным материалам;
- более долговечны и водостойки по сравнению с материалами из натуральной древесины;
- могут иметь разную плотность и конструкцию в зависимости от области применения;
- физико-механические свойства превышают аналогичные показатели из натуральной древесины и плитных материалов;
- позволяют создавать безотходные производства деталей и элементов мебели методом экструзии или формования;
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 8/2012
147
Древесно-полимерные композиционные материалы
Таблица
Классификация ДПКТ
По виду технологии переработки По плотности (кг/мЗ)
литье экструзия Прессование легкие (от 700 до 900) плотные (свыше 900 до 1200) тяжелые (свыше 1200)
По агрегатному состоянию древесного компонента: По конструкции
мука и опилки (мелкой фракции до 200 мкм, средней - 400 мкм, крупной - более 400 мкм) волокно (хвойное, лиственное, растительное). однослойные двухслойные многослойные
По типу связующего термопластичного полимера По прочности
На синтетических смолах на биополимерах на смеси синтетических смол и сополимеров легкие неконструкционные (не несущие) конструкционные повышенной прочности
По устойчивость к воде, свету, биологическим и др. воздействиям По виду поверхности
нестойкие, в т.ч. с повышенной биоразлагаемостью, например - для упаковки интерьерные, в т.ч.: невлагостойкие, влагостойкие, водобиостойкие для наружного применения (влагостойкие, водобиостойкие, особо стойкие - контакт с почвой, минеральными растворами и т.д.) со специальными свойствами, например - электроизоляционные, бактерицидные, и т.д. необлицованные, в т.ч. необработанные, обработанные (шлифовка, крацевание, тиснение, печать) с нанесенным в ходе изготовления полимерным слоем, например, методом со-экструзии отделанные лакокрасочными материалами облицованные натуральным шпоном, синтетическими пленками или металлизированные
- высокая стойкость к биологическим т.д.), не намного меньших, чем при обработке
воздействиям; - возможность повторной переработки изделий из ДПК; - уровень цены 1 п.м. изделий в среднем на 25 % ниже стоимости аналогичных изделий из натуральной древесины и на 4550 % изделий из полимерных материалов. На рис. 1 показаны этапы развития древесно-полимерных композиционных материалов. Следует отметить, что в настоящее время предлагаются материалы нового поколения. Термопластичные древесно-полимерные композиционные материалы (ДПКМ), представляют последний новый класс древесных конструкционных материалов, отличающийся от предыдущих тем, что частицы измельченной древесины соединены между собой при помощи матрицы из термопластичного полимера. Количество древесины (по весу) составляет в термопластичных ДПКМ от 50 до 80 %, а иногда и более. Традиционные плитные материалы, при изготовлении из них фасонных и профильных деталей, требуют значительных усилий и затрат по обработке материала (строгание, фрезерование и шлифование и натуральной древесины и сопряжено с образованием большого количества отходов. Потребность в профильных фасонных деталях во всех сферах производства и строительства остается высокой и впредь будет только возрастать. Экспериментальные работы в этом направлении в течение последних 50 лет проводились многими зарубежными и некоторыми отечественными исследователями. Интерес к древесно-полимерным композиционным материалам растет повсеместно. Результаты исследований в области разработки рецептур древесно-полимерных смесей, технологий переработки, анализ рынка представляют специалисты из США, Канады, Японии, Европы, Бразилии и Южной Африки. Эти исследования получают правительственную поддержку во многих странах мира, особенно Японии. Во всем мире проводятся тематические конференции, симпозиумы, семинары, издается и выпускается периодическая литература - книги и выпускается периодическая книги, журналы, в России издается журнал «Композитный мир». Древесно-полимерные композиты все шире представлены на выставках строительной, мебельной и полимерной тематик.
148 ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
Древесно-полимерные композиционные материалы
1900 фанера
1910 изоляционные плиты
1920
ДВП мокрый способ
1930
1940 1950
клееные дер. конструкции ДВП сухой способ
1960 1970
стружечные плиты
волокнистые плиты средней плотности (MDF) клееные фасонные балки
плиты из ориентированной стружки (OSB) конструкционные материалы
термопластичные ДПК
нанокомпозитные материалы
1980
1990
2000 2010
Рис. 1. Этапы развития древесно-полимерных композиционных материалов
На основе композитных материалов растительного происхождения (древесного, сельскохозяйственного, и др.) предлагаются современные эффективные безотходные технологии получения прочных и долговечных конструктивных изделий сложной геометрической и архитектурной формы широкой номенклатуры для строительного комплекса, домостроения, машиностроения, железнодорожного транспорта, судостроения и товаров потребительского спроса и др.
Эта технология способствует:
- развитию глубокой переработки древесины, в том числе низкокачественной, и ее отходов и производству продукции высокой добавленной стоимости;
- успешному выполнению социальнозначимого национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России»;
- решению экологических проблем путем использования техногенных отходов.
В ГНТТ ЛПК проведено исследование и разработка состава композиционного материала и технологии для изготовления изделий. Разработаны составы композитных материалов, обеспечивающих высокую прочность и износоустойчивость изделий: вы-
сокопрочные ДПКМ (сведением модификаторов ударопрочности - модифицированный порошок сверхмолекулярного полиэтилена), морозостойкие ДПКМ (с введением модифицированного этиленпропиленового каучука, стирольных термопластомеров, блоксополи-меров), аброзивоустойчивые ДПКМ (с введением порошка сверхмолекулярного полиэтилена и политетрафторэтилена).
На рис. 2 показаны исходные материалы (термопластичная смола и древесная
Рис. 2. Смола (полиэтилен), древесная мука, гранулированный древесно-полимерный композиционный материал
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
149
Древесно-полимерные композиционные материалы
мука) и готовый к дальнейшей обработке гранулированный термопластичный древесно-полимерный композиционный материал. Получаемый гранулированный композиционный материал перерабатывается в готовые изделия методами экструзии, литья под давлением и горячим прессованием.
Специалистами ФГУП «ГНЦ ЛПК» проведено исследование и разработка составов композитных материалов на основе волокон целлюлозы, дисперсной древесины и связующих на основе термопластичных полимеров и сополимеров древесного происхождения.
Разработана номенклатура и подобран типовой состав оборудования для получения древесной муки и древесно-полимерных гранул.
Рекомендуется двухсторонняя схема, по которой одна линия производит гранулы, а другая - ориентирована на выпуск профиля. 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 поставок на рынок.
Предлагается технология получения композитных гранул (компаунд) - древесный наполнитель (гомоген) и полимерное связующее распределяются в компаунде равномерно, не образуя сгустков полимера или древесины, что приводит к высокой стабильности и конечному качеству поверхности готовых профилей.
Преимущества гранул:
- имеют низкий удельный вес в зависимости от рецептуры (от 0,5 до 1,0 г/см3), что позволят получать прочные, но легкие профили;
- удобны для переработки (хорошая сыпучесть, отсутствие пыли);
- предназначены для переработки экструзией;
- включение модифицирующих добавок делает композит пригодным для изготовления конечного профиля, предназначенного как для наружного применения и влажных условий, так и интерьеров.
Линия грануляции - комплект основного технологического оборудования для подготовки компаунда из исходного сырья древеснополимерной композиции и получения гранул из него. Линия грануляции комплектуется высокоскоростным двухстадийным миксером, одношнековым экструдером-гранулятором, системой транспортировки, охлаждения и дозировки древесно-полимерного гранулята.
Проведена также следующая работа:
- Разработана технология и необходимое оборудование получения композитных изделий - балок, шпал, плит нового поколения, в том числе методом прессования.
- Проведены работы по модификации ДПК, которые позволили синтезировать новые полимерные материалы, так называемые привитые сополимеры (graftco-polymers).
- Разработан технологический процесс изготовления окрашенных гранул с применением суперконцентратов в растворе полимера и полиолефинового воска.
- Разработаны специальные концентраты и добавки для получения деталей с высокой прочностью и износостойкостью для машиностроительной, строительной и железнодорожной промышленности.
- Проведены физико-механические испытания образцов: определение модуля упругости, испытание на статический изгиб, растяжение, твердость, ударостойкость и вязкость.
В Государственном научном центре лесопромышленного комплекса проведены исследования и разработка технологии отделки композиционных материалов с помощью лакокрасочных покрытий, защитного пленочного декорирования, облицовочного покрытия, окрашивания древесно-полимерной массы и т.д.
Предлагаются технологии получения композиционных древесно-полимерных материалов, в том числе со специальными свойствами: теплоизолирующих, звукоизолирующих, огнестойких, высокопрочных и др., предназначенных для жестких условий эксплуатации (строительные и ограждающие несущие конструкции, элементы транспортных и сельскохозяйственных машин и систем и т.д.) и для условий эксплуатации (интерьер-ные строительные изделия, товары народного
150
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
Древесно-полимерные композиционные материалы
потребления и т.п.), а также оборудование для получения термоформуемых древесно-полимерных композиционных изделий с отделкой методами экструзии, литья под давлением, прессования и компаундирования, включая разработку состава смесей и специальных химических веществ и модификаторов - добавок, обеспечивающих технологические и специальные свойства производимых композитов и изделий; разработка участка по получению новых композиционных материалов с учетом необходимой отделки.
Исследованы три основных способа отделки древесно-полимерных композиционных изделий: традиционное лакокрасочное покрытие; пленочно-декоративное облицовочное покрытие (ламинирование); новый способ окрашивания древесно-полимерной массы путем введения специальных добавок (коло-рантов) и производство специальных гранул (суперконцентратов). Профильные экструзионные ДПКМ рекомендуется облицовывать бумажными или полимерными пленками с различной текстурой. Для этого рекомендуется применять роликовые облицовочные машины проходного типа, работающие по методу оборачивания профиля. Пленки могут быть самоклеящимися или приклеиваться холодным или горячим способом.
Отделка профилей осуществляется лакокрасочными материалами, выбранными с учетом их назначения и условий эксплуатации. Для производства окон и дверей из ДПКМ предлагается отделывать их акриловыми эмалями. Отделка может осуществляться в установках проходного типа или распылительных кабинах пистолетами воздушного или безвоздушного распыления.
Рассмотрены также способы отделки: горячего тиснения; обработка щетками (квар-цевание); имитационная печать; лазерная обработка и напыление; термодиффузионная печать и др.
Пластические свойства готового профиля из древесно-полимерного композиционного материала позволяют подвергнуть его поверхность дополнительной декоративной обработке с приложением тепла и давления. Такая операция называется тиснением и вы-
полняется при помощи вращающихся нагретых металлических валков. Такую операцию называют накаткой.
Предложен метод модификации полимеров и древесины, который отличается экологичностью, простотой, надежной управляемостью по сравнению с другими методами: химического, ультрафиолетовое излучение, гамма-излучение, низкотемпературная плазма и др. Так, по сравнению с наиболее распространенным химическим методом - озонолиз по затратам примерно в 20 раз ниже и практически полностью экологичен.
Модификация позволила синтезировать новые полимерные материалы, так называемые привитые сополимеры (graftco-polymers). Привитые сополимеры рекомендуется применять для использования полимерных смесей при производстве композитов для получения уникальных физических и механических свойств изделия. Себестоимость такого метода производства привитых сополимеров на порядок ниже себестоимости иностранных аналогов.
Разработана инновационная технология производства суперконцентратов методом приготовления дисперсии в растворе полимера и полиолефинового воска.
Разработаны специальные концентраты и добавки для древесно-полимерных композитных материалов и получения из них изделий с высокой прочностью и износостойкостью для машиностроительной, строительной и железнодорожной промышленности.
Серия опытов на полиэтилене и полипропилене полностью подтвердила надежность и высокую эффективность озонолиза. Получены экспериментальные образцы сополимеров (аддитивов) в процессе модификации методом озонолиза для совмещения компонентов дисперссированной древесины с полимерными материалами. Получены первые экспериментальные изделия из древесно-полимерных композитов, физико-механические показатели которых удовлетворяют требованиям потребителя.
При производстве ДПКМ адгезионные агенты связывают древесные волокна или муку с полимерной матрицей. Они значительно улучшают такие показатели, как:
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 8/2012
151
Древесно-полимерные композиционные материалы
- разрывное усилие (MOR-modulus of rupture),
- относительное удлинение (MOE-modulus of elasticity),
- пространственно-геометрическая стабильность,
- ударопрочность,
- диспепргирование древесного наполнителя в полимерной матрице,
- снижают влагопоглощение.
Физико-механические показатели
древесно-полимерных композитов: предел
прочности при изгибе - 30-52 Мпа; предел прочности при растяжении - 8-10 Мпа; плотность 1500-1800 кг/куб.м; удельное сопротивление выдергиванию шурупа 300-400 н/ мм;разбухание по толщине за 24 часа - 9 % ± 0,8 %; водопоглощение за 24 часа 1 % ± 0,3 %.
Установлено в среднем для древесностружечных плит на основе сополимеров древесины повышение предела прочности при изгибе на 25-35 %, повышение уровня прочности при отрыве перпендикулярно пласти на 25-40 %, снижение величины водопоглощения и разбухания в воде на 42 %.
Составы (рецептура) и суперконцентраты древесных композиционных материалов:
- HDPE (полиэтилен высокой плотности) марка 227 первичный в гранулах - 15 %;
- HDPE-g-GMA (компатибилизатор «Олентен» с графтовыми глицидил-метакри-ловыми группами) в гранулах - 5 %;
- модифицированный порошок 300 мкм EVA (сэвилен) с карбоксильными, карбонильными и перикисными группами - 5 %;
- модифицированный порошок
300 мкм LLDPE (линейного полиэтилена низкой плотности) - 3 %;
- модифицированный порошок
150 мкм UHMW-PE (сверхмолекулярного полиэтилена) 1 %;
- модифицированный порошок 150 мкм PVDF (поливинилиденфторида) - 1 %;
- древесная мука хвойных пород 150 мкм - 70 %
Разработан типовой проект с технико-экономическим обоснованием - производство древесных композитов и изделий
строительного назначения. Состав участка, основные зоны:
подготовка и измельчение сырья; озоно-воздушная подготовка и получение необходимого состава (рецептуры) материала; получение гранул (компаунда) исходного материала;получение изделий из гранул (компаунд); испытание образцов изделий.
Состав композита: до 80 % древесной муки из опилок и щепы (ГОСТ 16362-86); до 7 % термопласты (ПП, ПВД, ПНД, и др.); до 3 % аддитивы и красители.
Номенклатура выпускаемой продукции: террасная доска (настил) - 140 х 24 мм; половая доска - 147 х 27 мм; опора (лаги) - 50 X 60 мм; подоконная доска - 460 х 40 мм; сайдинг (обшивка фасада) - 200 х 12 мм; плинтус - 20 х 40 мм; плинтус-уголок- 35 х 35 мм; плинтус с кабель-каналами - 90 х 33 мм.
Основные экономические показатели проекта по производству изделий из древесно-полимерных композитов мощностью 3 600 т/год.
- объем выпускаемой продукции в месяц (в соответствии с указанной номенклатурой) 300т;
- полная стоимость затрат на внедрение проекта (К) 82 800 тыс. руб.**;
- стоимость реализованной продукции годового объема (В) 140 000 тыс. руб.;
- себестоимость годового объема выпуска продукции (С) 80 000 тыс. руб.;
- срок окупаемости проекта 1,5 г.
Применяется - экструзионная линия - комплект основного технологического оборудования для экструдирования готовых к применению древесно-полимерных композитных профилей. Предлагаемые линии комплектуются на базе одношнековых экструдеров, входным сырьем является древесно-полимерный гранулят.
Основным агрегатом линии является экструдер с формующей фильерой. Предлагаемые линии относятся к т.н. «рШЬьтипу, то есть для получения качественного конечного профиля необходима система калибра-ции/охлаждения и тянущее устройство, которые располагаются вслед за экструдером, и наряду с обрезным и приемно-укладываю-
152
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
