CC BY
20
УДК 691.115.175
ЮРЧЕНКО В.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Анализ оборудования для изготовления композиционных материалов на основе термопластичного полимерного вяжущего вещества и мелкодисперсных отходов древесины
Yurchenko V.V.. Senior Lecturer (DRTI)
Analysis of equipment for the manufacture of composite materials based on a thermoplastic polymer binder and fine wood waste
Введение
В настоящее время большое внимание исследователей привлекает новый вид композиционных материалов - строительные материалы из древесных отходов и термопластичного полимерного вяжущего вещества. Широкое распространение отходов измельченной древесины и отходов термопластичных полимеров открывает большие возможности в разработке и создании таких материалов и применении их в ресурсосберегающих технологиях.
Анализ последних исследований и публикаций
Анализ исследований и публикаций [1-10] показал, что применяемые технологии и
оборудование необходимы для выявления преимуществ и недостатков в изготовлении композиционного материала из термопластичного полимерного вяжущего вещества и мелкодисперсных отходов древесины.
Цель работы
Рассмотреть применяемые
технологии и оборудование для изготовления композиционных
материалов на основе термопластичного полимерного вяжущего вещества и мелкодисперсных отходов древесины.
Основная часть
Древесина обладает более развитой поверхностью и капиллярно-пористой системой, даже в сравнении с такими перспективными минеральными наполнителями, как пористые перлиты, обсиданы, аглопориты [1, 2]. Она, будучи природным полимерным композитом, обладает значительно более высокой совместимостью с полимерами, чем минеральные вещества.
Органическая природа древесины обеспечивает близость ее
коэффициентов термического
расширения с аналогичным показателем вяжущего, что создает дополнительный эффект упрочнения в результате снижения термических напряжений. Термопластичные полимеры являются высокоэффективными материалами в
технологическом, потребительском, экономическом плане.
В работах [3-10] рассмотрены способы формообразования изделий из термопластичного полимерного
вяжущего вещества и мелкодисперсных отходов древесины:
Экструзия. Этот способ позволяет перерабатывать полимерные материалы непрерывным продавливанием их расплава через формующую головку, геометрическая форма выходного канала которой определяет профиль получаемого изделия. Основным
оборудованием экструзионного пресса является шнековый пресс или экструдер, оснащённый формующей головкой (рис. 1).
Существует три основных способа экструзии: холодная, тёплая и горячая.
Способ холодной экструзии предполагает формование изделия с использованием механических
изменений под воздействием давления.
Способ теплой экструзии предполагает формование изделия, которое подвергается механическому и тепловому воздействию.
1 - загрузочный бункер полимера; 2 - материальный цилиндр, состоящий из трех или более зон (питания, пластификации и дозирования); 3, 4 - адаптер, переходное кольцо или другое устройство для передачи расплавленной полимерной массы из экструдера к формующему инструменту; 5 - формующая головка; 6 - шнек (червяк) одношнекового экструдера; 7 - кольцевые нагреватели материального цилиндра; 8, 9 - силовые
установки, двигатели; 10 - редуктор.
Рис. 1. Схема изготовления погонажных изделий способом экструзии
Готовый продукт характеризуется невысоким уровнем плотности, увеличенным объемом, пластичностью и ячеистым строением.
Способ горячей экструзии предполагает технологические
процессы на высокой скорости и температуре. С помощью этого способа изготавливают изделия различной
конфигурации и размеров: плиты, трубы и различные по сложности изделия. Переработка вторичного полимерного сырья и гранулирование также может выполняться с применением экструзии.
Основным оборудованием
экструзионного пресса является
шнековый пресс или экструдер, оснащённый формующей головкой.
Существенными недостатками экструзии являются: небольшое отклонение от технологии нарушает сложные процессы течения и формирование конфигурации конечного продукта; ограничения профильными изделиями; перегрев цилиндра отрицательно сказывается на процессе экструзии, так как вызывает термическую деструкцию прилегающих к поверхности цилиндра слоёв материала, а повышение температуры загрузочной зоны цилиндра может вызвать сплавление материала, в связи с чем уменьшатся захватывание и подача материала начальными лопастями шнека.
Литьё под давлением. Этот способ позволяет получать изделия объемной формы. Особенности технологического процесса состоят в следующем: термически формируемая
композиционная смесь в виде гранул или порошка подается в бункер и далее в разогретый цилиндр, где происходит размягчение материала до
вязкотекучего состояния. Затем с помощью гидравлического поршня измеренное количество смеси под давлением подается в закрытую литьевую форму, предварительно подогретую с целью обеспечения равномерного растекания полимерного вяжущего вещества и затвердевает. После этого изделие охлаждается и извлекается из формы (рис. 2).
1 - гидроцилиндр механизма смыкания; 2 - поршень гидроцилиндра механизма смыкания; 3 - подвижная плита; 4 - полуформы; 5 - неподвижная плита; 6 -пластификационный цилиндр; 7 - шнек; 8 - загрузочное окно цилиндра пластификации; 9 - бункер; 10 - привод шнека; 11 - корпус гидроцилиндра механизма впрыска; 12 - корпус гидроцилиндра впрыска; 13 - гидроцилиндр шнека.
Рис. 2. Схема изготовления изделий способом литья под давлением
Анализ процесса литья под давлением может быть выполнен по следующим составляющим: перевод материала в вязкопластичное состояние ^ подача материала в зону дозирования ^ накопление расплава ^ течение расплава в системе «сопло-форма» ^ течение расплава в каналах формы и
формующей полости ^ формирование структуры изделия.
Такое формование позволяет получать большую номенклатуру изделий по сравнению с экструзией. Эта технология имеет ряд недостатков: неравномерное заполнение литейной формы, не полное застывание смеси в
форме, абразивный износ плунжерных и других узлов машин.
Ротационное формование. В ходе процесса происходит заполнение
а -
Этот способ является достаточно требовательным к производству выходной смеси, а именно к распределению ее составляющих в процессе производства.
Процесс изготовления изделий способом ротационного формования можно разбить на четыре стадии:
1 Стадия. Загрузка необходимого количества полимерного материала в форму.
Используется порошкообразный полимерный материал. Ротационная форма представляет собой полую раковинообразную конструкцию,
состоящую из двух половин, реже используются формы, состоящие из трёх и более частей.
2 Стадия. Формование изделия.
Форму закрывают и помещают в
камеру нагрева, в которой производится нагрев и биосевое вращение формы. При вращении полимер подплавляется и налипает на стенки формы. Вращение
нагретой формы с порошком. При охлаждении формы частицы порошка спекаются на ее поверхности (рис. 3).
формы в тепловом поле производят со скоростью от 4 до 20 об/мин. Это значительно ниже, чем при центробежном формовании полимеров. Формование заканчивают, когда весь полимер расплавится и налипнет на стенки пресс-формы.
Процесс ротационного
формования происходит при
атмосферном давлении, причем при вращении формы масса материала не оказывает существенное давление на ее стенку, поэтому ротационные формы могут иметь очень тонкие стенки.
Литьевые пресс-формы
изготавливают из стали или алюминия. Из металлов предпочтение отдается металлам с высокой
теплопроводностью. Алюминиевые формы используют для производства сложных изделий. Изготовление формы производится литьем алюминия с последующей доработкой.
Алюминиевое литье применяют и при
а б в
загрузка исходной смеси; б - нагрев и охлаждение с совмещенным вращением формы; в - удаление готового изделия.
Рис. 3. Схема изготовления изделий способом ротационного формования
необходимости изготовить несколько идентичных форм. Для производства небольших изделий используют формы, изготовленные гальванопластикой или металлизацией в вакууме.
Формы в процессе эксплуатации подвергаются большим термическим напряжениям, так как температура при выполнении процесса многократно изменяется от комнатной до 300°С. Объем изготавливаемых изделий на оборудовании ротационного
формования определяется объемом камеры нагрева. Ротационным формованием возможно изготовление очень крупных и объемных изделий. Изделия, получаемые ротационным формованием, практически не напряженные и в них отсутствует ориентация полимера.
Обогрев вращающейся формы в камере нагрева производят с помощью электрических ТЭНов или сжигания природного газа. Электрический обогрев более безопасен, но более дорогостоящий.
3 Стадия. Охлаждение формы с изделием.
Форму охлаждают потоком холодного воздуха или распыленной водой.
При этом форма продолжает вращаться для обеспечения равномерности затвердевания полимера по объему изделия. Когда полимер окончательно затвердеет, вращение прекращают.
4 Стадия. Извлечение изделия из формы.
Форму раскрывают и готовое изделие извлекают из формы.
К недостаткам способа ротационного формования можно отнести:
- длительное время изготовления изделий;
- стоимость полимерных материалов высока (необходимость размола, дополнительные требования по упаковке и др.);
- сложности в формировании ребер жесткости изделия;
- ограничения по выбору полимерных материалов.
Прямое прессование. Для формования изделий применяется прямое прессование в пресс-формах с использованием гидравлического
пресса и с последующей фиксацией формы изделия. Сущность
технологического процесса заключается в следующем: вяжущее вещество и мелкодисперсные отходы древесины загружаются в открытую полость пресс-формы, перевод твердого полимера в исходных условиях в вязкотекучее состояние, затем верхний пуансон опускается и с выдержкой под давлением формует изделие из расплава, одновременно проходит и охлаждение изделия (рис. 4).
Заполнение
77777777777777777.
Формование
| I I
1 - пуансон; 2 - пресс-материал; 3 - пресс-форма; 4 - нижний пуансон; 5 - изделие.
Рис. 4. Схема прямого прессования
Выводы
Сравнивая приведенные способы изготовления изделий из
термопластичного полимерного
вяжущего вещества и мелкодисперсных отходов древесины, следует отметить, что экструзия, ротационное формование и литье под давлением имеют технологические ограничения.
Оборудование в выше указанных технологиях является достаточно сложным и дорогим, и отличается сложностью настройки.
Данные способы пригодны преимущественно для массового производства. В отличие от технического оснащения
вышеназванных технологий прессовое оборудование для прямого прессования достаточно простое, менее
дорогостоящее, доступное и несложное в обслуживании.
Список литературы:
1. Иманов А.И. и др. Композиционный материал строительного назначения на основе ВЭВП // Пластические массы. - 1992. -№4. - С. 19.
2. Патент РФ №2133255; С08 L97/02.
3. Юрченко В.В. Методика експериментальних дослщжень з розроблення складу i технологи композицшного матерiалу iз термопластичних полiмерiв i вiдходiв деревини / В.В.Юрченко, Л.А.Тимофеева, А.А.Плугш [стаття] // Зб.наук. праць УкрДАЗТ. - Харюв: УкрДАЗТ, 2013. - Вип.138. - С.65-70.
4. 1скович-Лотоцький РД., Мовчанок М.О. Сучаснi технологи та обладнання формоутворення деталей з деревинно-полiмерних композитних матерiалiв [стаття]//Шбраци в техшщ та технологiях, -2008. - № 1 (50). - С.37-40.
5. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, Г.С. Голвкин и др.; под ред. А.А. Берлина. - СПб.: Профессия, 208. - 560 с.
6. В.Н. Бабаева, И.В. Коринько, Л.Н. Шутенко. Полимерные отходы в коммунальном хозяйстве города: Уч. Пособие - Харьков: ХНАГХ, 2004. -375 с.
7. Основные технологии переработки пластмасс: Учебник для вузов / С.В. Власов, Л.Б. Кандырин,
B.Н. Кулезнев и др. - М.: Химия, 2004. - 600 с.
8. ООО «АНИОН». Ротационное формование изделий из полимерных материалов // Полимерные материалы. -2001. Вып. №11, 12. - С.8-10.
9. ТВ. Жданова, Е.М. Чайка, Т.А. Мацеевич, Е.С. Афанасьев, А.А. Аскадский. Влияние агрессивных сред на механические свойства древесно-полимерных композитов // Пластические массы. 2020. №7-8. -
C.16-20.
10. Глухих В.В., Мухин Н.М., Шкуро А.Е., Бурындин В.Г. Получение и применение изделий из древесно-полимерных композитов с термопластичными полимерными матрицами: Учеб. пособие. -
Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2014. - 85 с.
Аннотации:
В статье рассмотрен анализ применяемых технологий и оборудования для изготовления композиционных материалов на основе термопластичного полимерного вяжущего вещества и мелкодисперсных отходов древесины.
Анализ применяемых технологий и оборудования является необходимым для выявления преимуществ и недостатков в производстве композиционного материала. Известно множество технологий и оборудования для производства
композиционных материалов: экструзия, литьё под давлением, ротационное формование, прямое прессование.
Ключевые слова: полимерное вяжущее вещество, мелкодисперсные отходы древесины, формование изделий, способ изготовления
The article examines the analysis of the technologies and equipment used for the manufacture of composite materials based on a thermoplastic polymer binder and fine wood waste.
An analysis of the technologies and equipment used is necessary to identify the advantages and disadvantages in the production of composite materials. There are many technologies and equipment for the production of composite materials: extrusion, injection molding, rotational molding, direct pressing.
Keywords: polymer binder, fine wood waste, molding of products, manufacturing methods
