CC BY
225
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ПРОИЗВОДСТВО КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТОРИЧНЫХ ОТХОДОВ В КАЧЕСТВЕ ИСХОДНОГО СЫРЬЯ
A. А. ШЕВЛЯКОВ, доц. каф. процессов и аппаратов д/о производств МГУЛ, канд. техн. наук,
B. И. ПАНФЕРОВ, доц. каф. электроэнергетики лесных комплексов МГУЛ, канд. техн. наук,
C. А. ШЕВЛЯКОВ, асс. каф. стандартизации и сертификации в лесной отрасли МГУЛ,
А.П. МАРКИН, асп. каф. процессов и аппаратов д/о производств МГУЛ
shevlyakov@mgul.ac.ru; panferov@mgul.ac.ru; caf-sertif@mgul.ac.ru; markin@mgul.ac.ru
В настоящее время в мире накоплено большое количество вторичных отходов различного происхождения. Их объем постоянно продолжает расти, что создает угрозу для окружающей среды. Способы утилизации отходов разнообразны, однако большинство из них приводит к безвозвратным потерям ценных природных ресурсов. Очевидно, что возвращение в сферу производства отдельных видов отходов как сырья является одним из наиболее рациональных путей их использования. Поэтому во всем мире проблеме переработки отходов в конечную продукцию уделяют особое внимание.
Главные трудности в широком использовании вторичных отходов можно сформулировать следующим образом [1]:
1. Технология переработки вторичных отходов сложнее, чем первичного сырья. Это происходит из-за большого разброса основных свойств отходов и частичной утраты ими первоначальных характеристик, а также различной загрязненности, что ведет к необходимости введения дополнительных операций, таких как сортировка, измельчение, мойка, разделение по видам согласно свойствам, сушка и некоторые другие.
2. Имеющееся оборудование, предназначенное для переработки первичного сырья, часто не подходит для переработки вторичных отходов вследствие быстрого износа рабочих органов, трудности или невозможности добиться качественного измельчения компонентов.
3. Разработка и доводка новых технологий и оборудования для переработки большинства вторичных отходов требуют существенных капитальных вложений.
4. В настоящее время практически не организован широкий сбор и сортировка различных видов вторичных отходов.
Все эти трудности являются организационными, и их можно преодолеть, объединив усилия различных предприятий и ведомств.
Основными задачами, которые необходимо решить для широкого использования вторичных отходов в различных производствах, являются:
1. Разработка и организация эффективной системы сбора и сортировки вторичных отходов.
2. Разработка эффективных методов и технологий подготовки и первичной переработки вторичных отходов. Обеспечение этих стадий высокомеханизированным оборудованием, способным выполнить качественно сортировку, мойку, сушку, измельчение и другие необходимые операции.
3. Разработка эффективных технологических процессов производства различных материалов и изделий с заданными конечными свойствами, для которых в качестве сырья или отдельных компонентов используются подготовленные и подвергнутые первичной переработке вторичные отходы. Создание высокомеханизированных и автоматизированных поточных линий для внедрения этих технологических процессов в производство.
4. Разработка эффективных подходов по использованию различных материалов и изделий, изготовленных с использованием вторичных отходов, и поиск наиболее приемлемых для них областей применения.
Применение современных комплексов для сбора, сортировки, подготовки и переработки производственных и бытовых отходов
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 5/2011
79
ДЕРЕВООБРАБОТКА
позволяет существенно упростить задачу возвращения их в сферу производства. Такие комплексы легко адаптировать к местным условиям в зависимости от состава, качества и количества производственных и бытовых отходов. Подготовка и первичная переработка выделяемых вторичных отходов возможна как на самих комплексах, так и на местах, где они будут использоваться. Однако следует отметить, что такие выделяемые отходы, как бумага, термопластичные пленки и некоторые другие, сильно загрязнены, их вторичная переработка затруднена. Поэтому сортировку желательно производить в местах накопления методом разделения по видам отходов.
Для некоторых из выделяемых вторичных отходов, таких как черные и цветные металлы, бумага, стекло и текстиль, основные области повторного использования уже давно являются традиционными и эффективными. Для других же, таких как древесина, резина и особенно термопластичные полимеры, области повторного использования только начинают разрабатываться и имеют специфические особенности и сложности, обусловленные большим разнообразием видов этих отходов, их структуры и свойств, широким ассортиментом изделий и различными условиями их эксплуатации.
Одной из наиболее перспективных областей использования производственных и бытовых отходов, по нашему мнению, является использование отдельных видов вторичных отходов в качестве компонентов при производстве различных композиционных материалов. Уровень развития современных технологий позволяет создать целый ряд новых композиционных материалов, в которых отходы могут с успехом использоваться в качестве исходного сырья. Например, вторичные отходы древесины или другого растительного сырья, резины, бумаги и термореактивных полимеров, измельченные до необходимого состояния, могут быть использованы в качестве наполнителей при производстве широкого спектра композиционных материалов. Специальным образом измельченные вторичные отходы термопластичных полимеров являются прекрасным связующим, обладающим высо-
кими адгезионными свойствами. Такой подход к проблеме утилизации отходов позволяет решить одновременно две проблемы - экологическую и экономическую.
В последние годы появилось достаточно много работ по исследованию разнообразных композиционных материалов на термопластичных связующих, таких как полиэтилен, полипропилен, полихлорвинил, с использованием в качестве наполнителя древесины, резины и бумаги и других органических и неорганических материалов, полученных при помощи плоского, компрессионного или экструзионного прессования [2-8 и др.]. Такие композиционные материалы нетоксичны, водостойки, удобны для последующей утилизации. Все это позволяет считать, что они, являясь экологически чистой продукцией, займут достойное место в ряду традиционных композиционных материалов. Во всех работах отмечается перспективность использования термопластов как материала для приготовления связующего. В основе такого вывода лежит тот факт, что практически любые термопласты при температуре плавления обладают повышенной текучестью и адгезией к древесине, бумаге и многим другим волокнистым материалам.
Однако, несмотря на такой вывод, практических работ по использованию термопластов в качестве связующего было проведено крайне мало. Объяснение этому следует искать в том, что по сложившейся практике для изготовления связующего применяли в основном чистые термопласты, а технология их подготовки и смешивания с наполнителем не позволяла получить композиционные материалы с содержанием связующего менее 40-50 массовых частей. В результате получаемые композиционные материалы, как по стоимости, так и по физико-механическим свойствам, мало чем отличались от известных пластмассовых изделий с наполнителем. Фактически в этих материалах термопласт играл роль не связующего, а полимерной матрицы, в которую внедрен наполнитель, и областью применения таких материалов является изготовление традиционных изделий из пластмасс.
80
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Участок подготовки термопластичного связующего
измельчение —► сортировка сушка 1 ' 1 ' дозирование 1 1 1 1 1 1 холодное
1 1 ■ ■ термопласта ! : прессование
Участок дозирования и смешивания компонентов
дозирование
наполнителя
смешивание компонентов -----X------
Участок формирования и прессования ДПП
формирование
брикета
горячее
прессование
•4
складирование
•*
Рис. 1. Технологический процесс производства ДПП
обрезка
На кафедре процессов и аппаратов деревообрабатывающих производств Московского государственного университета леса был предложен принципиально новый подход к использованию термопластов в композиционных материалах [6-8]. Суть его состоит в том, что за счет специальной предварительной подготовки термопласта, основанной на его измельчении, удается получить композиционный материал с содержанием связующего не более 15-20 % от массы абсолютно сухого наполнителя. В этом случае термопласт в композите играет роль клеевой прослойки, соединяющей твердые частички наполнителя в единый жесткий каркас. Полученный композиционный материал при использовании в качестве наполнителя древесины или другого растительного сырья по свойствам близок к древесно-стружечным плитам, но отличается экологической чистотой за счет отказа от применения синтетических связующих материалов. Следует также отметить, что такой подход позволяет применять в качестве связующего отходы термопластов, в том числе смешанные и загрязненные, без предварительной сортировки по видам и мойки. Это, а также малый расход термопласта, используемого в качестве связующего, позволяет получать плиты, имею-
щие меньшую по сравнению с древесно-стружечными плитами (ДСтП) себестоимость при близких потребительских свойствах.
Основными технологическими особенностями процесса изготовления таких композиционных материалов являются:
- ориентация на использование в качестве сырья различного вида отходов;
- использование в качестве связующего сухого мелкодисперсного термопласта;
- двухстадийное горячее - холодное плоское прессование.
Одним из материалов, изготавливаемых по указанной технологии, являются древесно-полимерные плиты (ДПП). На ДПП разработаны и зарегистрированы в Минстрое РФ и Госстандарте технические условия (ТУ 5530-001-17252800-92. Плиты древесно-полимерные для строительства). Технологический процесс производства ДПП, имея существенные отличия, во многом напоминает процесс изготовления (ДСтП) и включает четыре основных участка:
- участок подготовки наполнителя;
- участок подготовки термопластичного связующего;
- участок дозирования и смешивания компонентов;
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 5/2011
81
ДЕРЕВООБРАБОТКА
- участок формирования и прессования плит.
Схема технологического процесса производства ДПП представлена на рис. 1.
Наиболее ответственным и важным в этом технологическом процессе является прессование. В связи с тем, что в качестве связующего используют соответствующим образом измельченный термопласт, процесс прессования состоит из двух стадий - горячего и холодного прессования. При этом температура плавления термопластов (полиэтилен, полипропилен и др.) значительно выше, чем температура, необходимая при прессовании композиционных материалов на традиционных термореактивных связующих. Поэтому на продолжительность прессования существенное влияние оказывает начальная влажность пресскомпозиции. Эти и ряд других особенностей, связанных с технологией производства таких композиционных материалов, требуют дополнительного изучения процесса прессования.
На общую продолжительность цикла горячего прессования композиционных материалов значительно влияет время прогрева пресскомпозиции до требуемой по технологии температуры [6].
В случае контактного нагрева брикета с заданными параметрами увеличить темп прогрева можно только за счет интенсификации теплопереноса от греющих поверхностей к центру брикета. При прессовании влажных капиллярно-пористых материалов, таких, например, как древесно-стружечные плиты, прогрев достигается не столько за счет теплопроводности, сколько за счет переноса образующегося в наружных слоях пара вглубь брикета и его конденсации. Ускорение этого процесса может достигаться увеличением температуры плит горячего пресса продувкой брикета паром, увеличением влажности пластей брикета («паровой удар») и некоторыми другими способами. Все эти способы хорошо известны и применяются на практике для композитов на термореактивных связующих, отверждение которых происходит при относительно невысоких температурах (373-393 К).
Однако при прессовании композиционных материалов на термопластичном связующем требуется достижение в прессуемом материале более высоких температур - 413443 К в зависимости от вида используемого в качестве связующего термопласта. Достичь таких температур при контактном нагреве во влажном материале до его высыхания невозможно. Поэтому при прессовании таких плит исходную влажность пресскомпозиции обычно берут минимальную [6]. При такой низкой влажности парообразование практически не происходит и прогрев идет в основном только за счет механизма теплопроводности. С учетом невысокого коэффициента теплопроводности сухой пресскомпозиции наиболее простым представляется путь ускорения прогрева за счет увеличения температуры прессования. Но при температурах свыше 473 К возникает опасность деструкции органического наполнителя в наружных слоях прессуемого брикета, что и ограничивает верхний предел температуры нагревательных плит пресса.
При допустимых температурах плит пресса и минимальной влажности брикета темп прогрева - практически за счет одной теплопроводности - недостаточно высок, особенно на начальной стадии прессования, в связи с чем продолжительность процесса горячего прессования достаточно велика, производительность низка и производство может стать невыгодным.
Как показали экспериментальные исследования [6], увеличение начальной влажности брикета с 2 до 8 % приводит к увеличению времени его прогрева до температуры 423 К с 640 до 1020 с, то есть почти в два раза. Вместе с тем при большей влажности прогрев брикета на начальной стадии прессования происходит более интенсивно, и время достижения температуры 373 К составляет на влажном брикете 210 с против 330 с на сухом. Стадия прогрева считается законченной при достижении в центре брикета температуры кипения влаги при соответствующем давлении. На графиках, построенных для брикетов с древесным наполнителем (рис. 2), это отражается в перегибе температурной кривой и выходе ее на участок, близкий к горизонтальному. На этой
82
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
ДЕРЕВООБРАБОТКА
0 240 480 720 960 т , с
пр*
Рис. 2. Изменение температуры поверхности и центра брикета в процессе горячего прессования при различной начальной влажности древесно-полимерной композиции: 1 - температура поверхности брикета; 2 - W. = 8 %; 3 - W. = 6 %; 4 - W. = 4 %; 5 - W. = 2 %
r г 7 бр 7 бр 7 бр 7 бр
стадии прессования происходят интенсивное испарение и унос влаги из брикета. При этом продолжительность стадии «выпаривания» тем больше, чем выше начальная влажность пресскомпозиции. После высушивания брикета рост температуры возобновляется, но уже за счет теплопроводности.
Таким образом, для сокращения продолжительности прессования более рационально производить прогрев брикета при повышенной начальной влажности, а затем организовать процесс прессования таким образом, чтобы максимально сократить время сушки брикета и возможно быстрее перейти к третьей стадии прессования - подъему температуры до требуемого по технологии значения.
Для достижения этой цели предложен способ прессования, при котором после начала интенсивного испарения влаги в брикете производится сброс давления прессования до минимального - без размыкания плит пресса. При этом происходит распрессовка со снижением плотности брикета и интенсивное удаление парогазовой смеси из брикета по контактным слоям между плитами пресса
и поверхностью брикета. Тем самым достигаются условия, способствующие быстрому отводу влаги и ускоренной сушке брикета непосредственно в горячем прессе. Количество таких промежуточных сбросов давления может быть различно и зависит прежде всего от начальной влажности и плотности брикета.
На рис. 3 приведены сравнительные результаты экспериментов по прессованию ДПП по традиционной диаграмме прессования без промежуточного сброса давления (пунктирные линии) и по диаграмме с промежуточным сбросом давления (сплошные линии) [6].
Как видно из графиков на рис. 3, даже при использовании пресскомпозиции с начальной влажностью 8 % можно сократить общий цикл прессования с 1200 до 840 с, то есть примерно на 30 %.
Следует отметить, что предлагаемый способ прессования с промежуточным сбросом давления нельзя использовать при изготовлении композиционных материалов на термореактивных связующих. Сброс давления и распрессовка брикета приведут в этом случае к разрушению уже образовавшихся на
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 5/2011
83
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Рис. 3. Изменение температуры поверхности и центра брикета в процессе горячего прессования при различных диаграммах прессования: 1 - температура поверхности брикета; 2 - температура в центре брикета; 3 - диаграмма прессования
данный момент жестких клеевых связей и, следовательно, к снижению прочности готового материала.
Целью холодного прессования является окончательное закрепление полученной при горячем прессовании формы и размеров готового изделия. Для этого полученная плита охлаждается до температуры в центре ниже 50 0С для того, чтобы придать ей необходимую формоустойчивость и дать возможность провести с ней дальнейшие операции (снятие с поддона, перекладка и т.п.). Достижение указанной температуры является ориентиром при определении минимальной продолжительности выдержки плит в холодном прессе. Холодное прессование следует проводить в прессе, снабженном охлаждаемыми плитами. Так как оба пресса - горячий и холодный - работают последовательно в одной технологической цепочке, целесообразно продолжительность холодного прессования устанавливать равной циклу горячего прессования. Исходя из указанных предпосылок несложно
провести расчет по охлаждению для каждого типа выпускаемых плит (плотность, толщина, формат). Величина давления холодного прессования не превышает 0,2-0,4 МПа, и его изменение в процессе холодного прессования не регламентируется.
Поведение композиционных материалов при плоском горячем прессовании в настоящее время достаточно теоретически обосновано [9, 10]. При описании процесса прессования композиционных материалов на термопластичном связующем возможно использование существующих моделей тепломассопереноса в капиллярно-пористых материалах. Для этого необходимо дополнительно изучить механизмы переноса неконденсирующихся газов и влаги, деформирования брикета, релаксации внутренних напряжений в нем, формирования прочностных характеристик композиционного материала, разработать методы и способы экспериментального определения необходимых замыкающих соотношений, описывающих данные процессы.
84
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
