Получение древесно-полимерных композиционных материалов экструзионным способом

Древесно-полимерный композитный материал (ДПКМ) или древесно-полимерный композит (ДПК) - относительно новая, но отлично зарекомендовавшая себя разработка в области строительных материалов. ДПК сочетает в себе лучшие стороны древесины и пластика и при этом практически не имеет их недостатков. Исследования в области древесно-полимерных композитов велись многие десятилетия, но только сравнительно недавно были разработаны технологии и составы, позволяющие производить изделия из ДПК в промышленных масштабах [1, 2].

ДПК и изделия из него обладают большинством свойств обычной древесины, превосходя ее по многим параметрам. ДПК обрабатывается обычным инструментом, предназначенным для обработки древесины, в него можно вбить гвоздь или ввернуть шуруп. В то же время, изделия из ДПК не боятся влаги и вредителей, не требуют окраски, поверхность долгие годы сохраняет эстетичный внешний вид [3, 4]. Изделия из ДПК служат заменой древесины в домостроении, садовой архитектуре, изготовлении профиля для оконных и дверных конструкций, отделки интерьеров, полотен дверей, столов, подоконников и даже мебели.

Основные составляющие  ДПК - измельченная древесина, ее отходы и термопластичный полимер. Содержание древесины в ДПК может быть различным - чем ее больше, тем свойства такого материала ближе к натуральному дереву. Кроме того, в состав  ДПК входят различного рода добавки для улучшения свойств композита. Дополнительно к древесине, могут использоваться различные наполнители - металл, стекло, пластик - для придания изделию особых свойств.

Изделия из ДПК могут изготавливаться различными способами. Основные из них это литье и метод непрерывной экструзии. Наибольшее распространение нашел способ экструзии, т.к. можно получать материалы различных конфигураций и размеров, а также увеличить количество древесного наполнителя.

Для получения ДПК разработана установка (рис.1), состоящая из одношнекового горизонтального экструдера и вальцовочной машины.

Рис.1. Внешний вид экспериментальной установки

Экструдер включает в себя (рис.2):

• обогреваемый цилиндр, шнек и формующую головку;
• бункер для подачи сырья, объемом 3 л;
• систему нагрева для поддержания заданной температуры в процессе работы.

Рис.2. Схема одношнекового горизонтального экструдера
1 - двигатель; 2 - экструзионная головка; 3- нагреватель корпуса; 4 - корпус; 5 - шнек; 6 - загрузочное устройство; 7 - упорный подшипник; 8- редуктор; 9 - тахометр; 10 - регулятор напряжения; 11 - мультиметр для измерения температуры; 12 - выпрямитель; 13 - амперметр; 14 - вольтметр

Цель и задачи исследования – определить зависимость физико-механических характеристик полученных образцов ДПК от содержания наполнителя и вида связующего.

Для проведения исследований использовались следующие компоненты:

1. связующие - ПВД 15813-020, ПВД 15313-003, ПВД 10803-020, ПЭ 2НТ 76-17 в количестве 25-75% от общей массы;
2. наполнитель - древесная мука марки 180 в количестве 20-70% от общей массы;
3. модифицирующие добавки: антиоксидант  IRGANOX 1010, уменьшающий интенсивность процессов деструкции и сшивания, и лубрикант BAEROLUB - смазывающий материал, улучшающий текучесть рабочей смеси и способствующий повышению производительности экструдера, в количестве 5% от общей массы.

На первом этапе проводилась подготовка древесного заполнителя, заключающаяся в его измельчении до размеров древесной муки и сушке до влажности менее 1%. Затем осуществлось вальцевание с целью получения полуфабриката ДПК, который подавали в загрузочное устройство экструдера. Затем цилиндр нагревают до заданной температуры и приводят в движение шнек. Продвижение материала осуществляется вследствие разности значений силы трения ДПК о внутреннюю поверхность корпуса цилиндра и о поверхность шнека. Продвигаясь дальше, происходит подплавление смеси, примыкающей к поверхности цилиндра. Расплав постепенно накапливается и воздействует на убывающую по ширине пробку. Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера.

Соотношения компонентов представлены в таблице.

Таблица 1. Соотношения компонентов ДПК

Результаты проведенных исследований на прочность полученных образцов представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Зависимость прочности ДПК от содержания наполнителя С^дм и вида связующего
1 – ПВД 15813-020; 2 - ПВД 15313 -003; 3 - ПВД 10803-020; 4 - ПЭ 2НТ 76-17

Из графика видно, что наиболее прочными оказались образцы, на основе ПЭ 2НТ 76-17 и максимальную прочность среди них имели образцы с содержанием древесины 20 %. Снижение прочности с увеличением количества древесного наполнителя характерно и для всех остальных образцов.

Список литературы

1. Иванчев С.С., Дмитриченко A.B. Полимеризационное наполнение методом радикальной полимеризации как способ получения композиционных материалов // Успехи химии. 1982. Т. 51. вып. 7. С. 1178-1200.

2. Сафин Р.Р.,Белякова Е.А., Сабиров  А.Т., Разумов Е.Ю. Выбор оптимального варианта технологического оборудования для деревообрабатывающего производства // Деревообрабатывающая пром-ть. – С. 22-25.

3. Зиятдинова Ю.Н., Валиев Ф.Г., Хасаншин Р.Р., Николаев А.Н. Повышение прочности композиционных материалов, созданных на основе модифицированной древесины // Вестник Казан. технол. ун-та. – 31-35 с.

4. Хасаншин Р.Р., Лашков В.А., Сафин Р.Р., Валиев Ф.Г. Термическая обработка древесного наполнителя в производстве композиционных материалов // Вестник Казан. технол. ун-та. – 150-154 с.

УДК 674.04