CC BY
129
УДК 678.61.742.3.046.52
И. З. Файзуллин, И. Н. Мусин, С. И. Вольфсон
ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДРЕВЕСНО - ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА
Ключевые слова: древесно-полимерный комтзит, технологическая схема производства ДПК, профили из ДПК,
конструкции из сложно-профильных изделий.
Приведены особенности производства изделий из древесно - полимерного композита. Показана технологическая схема производства ДПК. Рассмотрена классификация получаемых изделий, варианты конструкций профилей, схемы улучшения конструкции профиля ДПК за счет создания внутренних полостей, конструкции экструзионных сложнопрофильных изделий из ДПК.
Keywords: Wood-plastic composite, technological scheme production of WPC, WPC profiles, construction of hard-core
products.
Are the features of the production ofproducts from wood - polymer composites (WPC). Shows a technological scheme production of WPC. The classification of the products obtained in design profiles, circuit design improvements WPC profile through the creation of internal cavities, design figurine extrusion products from WPC.
ДПК (древесно-полимерный композит) -современный строительный материал, технология производства которого основана на смешении древесной муки, полимера (полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид) и других компонентов при помощи двухшнековой эструзии с последующим формованием изделий в соответствии с требованиями
[1,4].
Основная сфера использования ДПК - это замена дерева и традиционных материалов на его основе в производстве широкого класса промышленных и бытовых изделий. Изделия из ДПК не подвержены воздействию влаги, не нуждаются в дополнительной окраске и перерабатываются традиционными способами переработки термопластичных материалов.
Технологическая схема производства ДПК на линии компании Krauss МаЛ^Ы Berstorff [6] представлена на рис. 1.
Рис. 1 - Технологическая схема производства ДПК
Древесная мука подается традиционным образом в среднюю технологическую часть экстру-дера, причем остаточная влага, содержание которой может достигать 10%, удаляется через участки атмосферной дегазации. Поскольку степень наполнения композиций может достигать 80%, технологическая линия оснащена системой подводной грану-
ляции, в которую материал подается из экструдера через шестеренчатый насос.
Повышенная чувствительность древесного волокна к высоким температурам при переработке приводит к ухудшению свойств конечного материала, поскольку производитель изделия повторно расплавляет компаунд при его окончательном формовании. Решением данной проблемы стало совмещение процесса компаундирования композиций и формование конечной продукции из него. Данный процесс получил название in-line
компаундирования [1].
Одним из наиболее широко распространенных методов переработки ДПК является экструзия [5]. Подобным образом изготавливается такая распространенная профильная продукция как, например, террасная доска. Технологическая схема in-line производства профилей ДПК на линии компании Krauss Maffei Berstorff [6] представлена на рис. 2.
Рис. 2 - Технологическая схема in-line производства профилей из ДПК
Наиболее массовыми изделиями из ДПК являются профили различной формы и назначения [2]. Вследствие многочисленности и разнообразия профилей ДПК возникает необходимость их классификации. Классификация изделий, получаемых методом экструзии, основана на геометрии поперечного сечения профиля. Сложнопрофильные изделия имеют уникальную конструкцию. Рассмотрим клас-
сификацию сложнопрофильных изделий на примере профилей, приведенных в таблице 1.
В первой колонке расположены профили открытого типа. Это профили, не имеющие замкнутых полостей. Подобные изделия подразделяются на следующие виды: (1) - массивные: сюда относятся сплошной декинг и лага; (2) - без поднутрений (лага открытого типа, плинтус); (3) - с поднутрениями (рельсовые системы); (4) - с касанием поверхностей, образующих полость (декоративные элементы, перила).
Профили закрытого типа подразделяются на следующие группы: (1) - кольцевого сечения (трубки); (2) - с одной полостью; (3) - с закрытыми полостями с поднутрениями; (4) - с закрытыми полостями без поднутрений.
К ячеистым профилям относят профили с несколькими замкнутыми полостями. В эту группу входят: (1) - ячеистые без поднутрений; (2) - ячеистые с поднутрениями и касанием стенок; (3) - ячеистые с замком.
Использование полых конструкций профилей обусловлено необходимостью снижения стоимости изделия за счет снижения общей маассы профиля при сохранении необходимых прочностных характеристик.
Таблица 1 - Конструкции экструзионных сложнопрофильных изделий ДПК
Профили
Открытого типа
- массивные: сюда относятся сплошной декинг и лага
- без поднутрений (лага открытого типа, плинтус)
«кйЯЙШь
- с поднутрениями (рельсовые системы)
- с касанием поверхностей, образующих полость (декоративные элементы, перила)
Закрытого типа
- кольцевого сечения (трубки);
- с одной полостью
- с закрытыми полостями с поднутрениями;
- с закрытыми полостями без поднутрений
Ячеистые
- ячеистые без поднутрений;
- ячеистые с поднутрениями и касанием стенок
кш
- ячеистые с замком
В связи с этим основное требование к конечному изделию - это минимально возможная толщина стенки, так как за счет изменения плотности
расплава в процессе охлаждения неизбежно возникновение усадочных вмятин и утяжек. Сплошной профиль очень сложно калибровать, так как при незначительном утолщении экструдата расплав скапливается перед входом в калибратор, охлаждается и прерывает движение. Кроме того, при охлаждении профиля происходит усадка полимера с внешней поверхности. Поэтому наличие внутренней полости в профиле позволяет полимеру изменять свой объем за счёт увеличения и искажения размеров этой полости, а на внешней стороне дефекты не появляются [3]. Пример подобного изменения конструкции изделия приведен на рис. 3.
Рис. 3 - Схемы улучшения конструкции профиля ДПК за счет создания внутренних полостей
Для толстостенного, а потому нетехнологичного профиля «а» (вариант I) при повышении технологичности предусмотрены два воздушных канала (вариант II). Поскольку внутри предусмотрена перемычка, то прочность практически не уменьшается. При доработке профиля «б» (вариант I) массивную левую часть можно заменить без ущерба для прочности изделия вариантом II. Для профиля «в» (вариант I) можно выполнить сплошной канал как с замкнутой полостью (вариант II), так и с открытой полостью (вариант III). В последнем случае крепление дорна в корпусе головки упрощается, а, следовательно, снижается стоимость самой головки. Все изделия после перечисленных выше доработок становятся менее материалоемкими и более рентабельными. К тому же, благодаря полостям внутри профиля, можно избежать скопления экструдата перед калибрующим устройством при увеличении производительности агрегата. Отверстия внутри изделия в данной ситуации будут деформироваться (сжиматься), освобождая место для избытка материала.
Если массивный профиль, преобразованный в полый, перестанет отвечать требованиям заданной прочности, то укрепить его можно с помощью расположенных внутри ребер жесткости [3].
В качестве еще одного примера рассмотрим профили, предназначенные для отделки торцевой части изделий (рис.4).
1
2
3
4
а б
делки торцов мебели
В случае применения излишне закругленного профиля (рис. 4, б), чтобы избежать появления утяжин в результате усадки, утолщенную часть профиля делают полой. Если профиль с цельной планкой (рис. 4, а) имеет небольшую выпуклость, то после охлаждения и усадки профиль станет более плоским (рис. 4, в), но зато можно избежать возникновения утяжины в узлах изделия. Если применить плоский профиль (рис. 4, г), поверхность которого до охлаждения проходила по пунктирной линии, то утяжина, возникшая после охлаждения, будет более заметной. Появление утяжины также зависит и от величины узла в изделии, наилучшее протекание процесса наблюдается при толщине ребра равной примерно 0,8 толщины стенки.
Не менее важное требование к профилям ДПК, получаемым методом экструзии, - это равно-толщинность. Для равнотолщинных профилей намного проще осуществить выбор геометрии каналов, обеспечивающих равенство скоростей экструзии в различных точках выходного сечения формующего канала. Скорость охлаждения профиля в калибрующем устройстве и охлаждающей ванне в различных местах сечения также выравнивается, вследствие чего в материале профиля практически отсутствуют внутренние напряжения, поэтому изделие не коробится. [3]
При изготовлении профилей, имеющих в сечении элементы разной толщины, в местах наибольшего их утолщения можно размещать небольшие воздушные каналы (полости), как показано на рис. 5.
а б
Рис. 5 - Примеры поперечного сечения профиля: а - сплошной профиль; б - профиль с внутренними полостями
Для изготовления подобных профилей с замкнутыми полостями необходимо предусматривать в головке дорн и дорнодержатель. Такая конструкция несколько сложнее, чем у головок для изготовления цельных профилей, но обеспечивает стабильность технологического процесса.
Большинство пустотелых профилей имеют внутренние перегородки или ребра. Толщина внутренних перегородок в таких изделиях должна быть на 20-30 % меньше толщины внешних стенок, так как внутренние перегородки охлаждаются медленнее.
Коробление профилей (изгиб после охлаждения) может происходить из-за неправильного расположения отдельных элементов друг относительно друга. Когда полости расположены симметрично только относительно одной оси, то за счет различной толщины стенок или неравномерного охлаждения возникают неоднородная ориентация и усадка полимера. Под действием разности остаточных напряжений, возникающих в стенках профиля, как правило, происходит его изгиб. Для обеспечения равновероятных условий формования и равномерного воздействия остаточных напряжений нужно располагать полости в профиле симметрично обеих осей [2,4].
Помимо указанных основных технологических требований, изделие по возможности не должно иметь острых углов (это в большей степени относится к углам на внешней поверхности). Если этого избежать невозможно, то возникает необходимость в корректировке геометрии формующего канала. Необходимо также иметь в виду неодинаковое охлаждение разных сечений сложного профиля. Все острые выступы и края охлаждаются и дают усадку быстрее, так как имеют большую поверхность на единицу объема.
Таким образом, вследствие многочисленности и разнообразия профилей ДПК возникает необходимость их классификации. Классификация изделий, получаемых методом экструзии, основана на геометрии поперечного сечения профиля. Из-за уникальности конструкций сложнопрофильных изделий при выборе конструкции изделия из ДПК следует учитывать влияние ряда факторов описанных выше. Использование технологических приемов при выборе профиля позволяет обеспечить точность геометрических параметров конечного изделия и снижение его себестоимости. В конечном счете, изделия становятся менее материалоемкими и более рентабельными.
Литература
1. Вольфсон С. И. Компаундирование полимеров методом двушнековой экструзии / С.И. Вольфсон, Т.В. Макаров, Н.А. Охотина, И.Н. Мусин, К.А. Тютько, Ш. Мор // Научные основы и технологии, г. Санкт - Петербург, 2014, с. 170-176.
2. Технологичность декинга и других профилей из древесно-полимерного композита [электронный ресурс]: http://www.drevoplastic.ru/decking_ technologichnost.html
3. Технология и стандарты производства древесно-полимерных композитов [электронный ресурс]: http://wpc-consult.ru/node/19
4. Клесов A.A. Древесно-полимерные композиты / A.A. Кле-сов// -СПб.: Научные основы и технологии - 2010. - с. 67, 257.
5. Файзуллин И.З. Методы формования изделий из древесно - полимерных композиций / И.З. Файзуллин, И.Н. Мусин, С.И. Вольфсон // Вестник Казанского технологического университета, - 2014 г, Т. 17 № 12, с. 81-84.
6. http://www.kraussmaffeiberstorff.com/de/
© И. З. Файзуллин - асп. каф. ХТПЭ КНИТУ, ilnur-fz@mail.ru; И. Н. Мусин - к.т.н., доц., зав. каф. ТОМЛП КНИТУ, imusin@kstu.ru; С. И. Вольфсон - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ХТПЭ КНИТУ, svolfson@kstu.ru.
© I. Z. Fayzullin - PhD student, the Department of Chemistry and Processing Technology of Elastomers of Kazan National Research Technological University, ilnur-fz@mail.ru; I. N. Musin - Associate professor, the Department Chair of Technology, Medical Equipment and Light Industry of Kazan National Research Technological University, imusin@kstu.ru; S. I. Volfson - Professor,, the Department Chair of Chemistry and Processing Technology of Elastomers of Kazan National Research Technological University, svolfson@kstu.ru.
