Древесно-полимерный композит (ДПК)

Сокрщения и другие названия: ДПК, «жидкое дерево», древопласт, поливуд, wpc

Древесно-полимерные композиты – представляют собой материалы, где древесина подвергается смешению с мономерами, которые затем полимеризуются и смешиваются с древесиной в процессе экструзии с целью приобретения требуемых свойств.

Так как конкретной формулой древесно-полимерные композиты не обладают, рассмотрим более подробно их состав.

Само название композита говорит о том, что в него входит древесная мука, также могут добавляться отходы сельскохозяйственной продукции с целью удешевления материала. Вторым компонентом служит термопластичный полимер по типу поливинилхлорида (ПВХ), полипропилена (ПП) или полиэтилена (ПЭ). Немалое внимание уделяется и специальным химическим добавкам или, иначе говоря, модификаторам. Их используют с целью улучшения технологических и других свойств композиции и получаемой продукции. Общее содержание модификаторов может достигать 5%.

Следует отметить, что в составе ДПК в качестве наполнителя возможно использование мела и талька. Они делают материал более твердым и плотным. С целью предохранения композита от влияния высоких температур в процессе экструзии и с целью защиты от ультрафиолетового излучения добавляются антиоксиданты.

Немаловажную роль играет и соотношение древесной муки и полимера. Самым дешевым материалом является композит, в котором содержится 70% древесной муки и 30% - полимера. Из-за такого соотношения, например, декинг (садовый паркет) приобретает гидрофильные свойства, начинает набухать от впитываемой влаги. Именно этот фактор снижает срок эксплуатации материала до 5 – 7 лет.

Если отдать преобладание в составе материала полимеру (40% древесной муки и 60% полимера), то материал попросту теряет свои эстетические свойства и становится больше похожим на обыкновенный пластик.

Как показывает практика, оптимальным соотношением является 50% древесной муки и 50% полимера. Такого рода композит прослужит долгие годы и будет лишен всех вышеперечисленных недостатков.

Само название композита говорит о том, что ему присущи определенные «древесные» качества:

цвет, текстура и соответствующий рисунок, напоминающий
аналогичная дереву теплопроводность
древесный аромат
безопасность как для окружающей среды, так и для потребителя

Полимерная часть тоже вносит свой вклад и наполняет древесно-полимерный композит следующими свойствами:

устойчивость к влаге;
отсутствие скольжения даже при намокании;
износостойкость;
прочность;
способность не поддаваться воздействию погодных условий;
несъедобность для насекомых, грибков, а также гнилистых бактерий;
простота обработки и монтажа;

Вопреки ожиданиям, ДПК и на глаз, и на ощупь более близок к дереву, а не к пластмассе. Однако, он гораздо пластичнее древесины — с помощью промышленного фена отделочные планки можно изогнуть и использовать в облицовке округлых и криволинейных поверхностей.

Теперь обратимся к способам производства. Как правило, выделяют литье под давлением и экструзию. Второй вариант считается более распространенным способом производства древесно-полимерного композита. Так, сущность экструзии заключается в прохождении расплава через фильеру, имеющую сечение готового изделия, с последующим охлаждением.

При решении задачи создания высоконаполненных композиций на основе полипропилена необходимо учитывать условия получения и переработки композиционных материалов в конечные изделия. Разрабатываемые композиции при температурах переработки (до 200°С) должны иметь текучесть, сопоставимую с аналогичными показателями для композиций промышленных материалов на основе полипропилена. По эксплуатационным показателям разрабатываемые ДПК материалы не должны уступать широко используемым МДФ, ДВП и ДСП.

В оборудование экструзии подаются все необходимые компоненты смеси (древесная мука, термопласт, технологическе и функциональные добавки), которые смешиваются при вращении шнеков экструдера, а затем проходят через фильеру. Фильера ориентирует древесные волокна вдоль направления экструзии, что приводит к улучшению механических характеристик получаемого материала.

Отметим, что производство древесно-полимерного композита осуществляется в два этапа. Сначала полимерное связующее, древесная мука и необходимые добавки смешиваются в процессе компаундирования. Так происходит процесс равномерного распределения древесной муки и определенных добавок в расплавленном полимере. В результате процесса получаются гранулы из ДПК, готовые к переработке в изделия. Перерабатывать древесно-полимерный композит можно теми же способами, что и изделия из пластмасс.

Рассмотрим экструзию с предварительным компаундированием.

Компаундированием называется такой метод переработки, который предполагает получение гранул ДПК, готовых к переработке в изделия. Для начала древесное наполнение измельчается и сушится. Полимерные гранулы, подготовленная древесная мука и специальные добавки в заданной консистенции смешиваются в миксере. Далее готовая смесь поступает через бункер в экструдер, где происходит ее плавление. Затем расплав композиционного материала, смешиваясь, поступает через пакет сеток по каналам экструзионной головки в виде цилиндрических стержней в гранулятор, в котором ножи движутся со скоростью, необходимой для обеспечения отрезания гранул заданного размера. После этого гранулы охлаждаются и собираются в накопительную емкость.

Прямая экструзия.

Такой тип линий комплектуется экструдером с зоной предварительной пластикации, где происходит плавление полимера. Далее данный расплав поступает в основной рабочий цилиндр экструдера и продвигается шнеками к экструзионной головке. Древесная мука и специальные добавки поступают в основной цилиндр экструдера через многокомпонентный гравиметрический дозатор. При помощи вакуумных загрузчиков данные компоненты поступают в дозатор из обычных емкостей. Формующие элементы спроектированы и изготовлены таким образом, что позволяют экструдировать профили с довольно высокими скоростями.

Дополнительным преимуществом данной технологии является то, что предварительная пластикация полимера при высокой температуре перед подачей в основной цилиндр экструдера позволяет значительно быстрее избавиться от влаги в древесной муке, что значительно улучшает качество получаемых изделий.

Гранулы ДПК получают на линиях грануляции, таких же, которые применяют для грануляции вторичных полимеров. Отличие в том, что для ДПК это специальное сконструированное оборудование, периферийными устройствами которого служат смеситель и дозаторы компонентов. Схема получения гранул ДПК представлена на рисунке ниже.

Измельчение

Тонкий помол наполнителей способствует лучшему смешению полимеров и наполнителей. Так получаются свежие, реакционно-активные поверхности. Механическое измельчение – самый экономичный и универсальный способ получения тонкодисперсных порошков из «бросовых» материалов. Вышеупомянутая древесная мука является самым распространенным органическим наполнителем. Измельчение применяют с целью измельчения фракции исходного наполнителя для облегчения работы процесса гранулятора. Меньший размер частицы уменьшает сопротивление на роликовый узел и двигатель, тем самым увеличивая ресурс работы пресса.

Древесная мука получается размолом древесины на машинах непрерывного или периодического действия из сухой и чистой технологической щепы и опилок. Похвальным показателем производительности обладают молотковые мельницы, которые могут пропускать через свой механизм около 350 – 450 кг/час измельченной древесины. От молотковых мельниц опилки поступают в бункер, куда обычно направляется сухая стружка от деревообделочных станков.

Сушка муки

Из бункера опилки и стружка направляются в сушилки барабанного типа, где их влажность снижается до 5 – 8%. В таком механизме мука высушивается во взвешенном состоянии в потоке высокотемпературной газовой смеси. Именно это позволяет достигать высокого теплообмена и поддерживать показатель производительности процесса.

Смешение компонентов

Далее готовится гомогенная смесь из полимера с добавлением специальных добавок. Это очень важный этап перед стадией экструзии. Ниже перечислим добавки, которые могут быть включены в гомогенную смесь:

стабилизаторы (около 0,5 – 2%)
модификаторы (около 2 – 5%)
наполнители (в рассматриваемом случае – древесная мука)
пигменты (около 3 – 4%)

Далее компоненты смеси подвергаются дозированию, после чего доя получения гомогенной смеси смешиваются в высокоскоростных смесителях.

Грануляция

Грануляция применяется для улучшения показателей технологических свойств вещества, предотвращения спекания и увеличения сыпучести, обеспечения возможности применения материала в небольших количествах, облегчения процесса погрузки и транспортировки.

Технологическая схема производства древесно-полимерного композита

Здесь древесная мука подается в среднюю часть экструдера, при этом допустимо содержание остаточной влаги до 10%, которая подвергается удалению через зоны атмосферной дегазации. Так как степень наполнения композиций может достигать 80%, технологическая линия оснащена системой подводной грануляции, в которую материал подается из экструдера через шестеренчатый насос.

Иногда с целью снижения деструкции ДПК, обусловленной высокой чувствительностью древонаполнителя к повышенным температурам, при проведении компаундирования используется технология совмещенного процесса компаундирования и формования конечного продукта из древесно-полимерного композита. Такая схема приведена на рисунке ниже:

Изделия формуются при подаче гранул в бункер последующей экструзией при определенной температуре плавления. Формование изделий происходит экструзией через фильеру, после чего они захватываются тянущим устройством, калибруются и охлаждаются. Далее изделия направляются в охлажденную ванну, где их температура подстраивается под показатель температуры хранения. Профиль поступает на специальное устройство, где подрезается по заданной длине, а потом поступает на упаковочное устройство. Также возможно применение тиснильных устройств для придания особой текстуры. При надобности профиль из древесно-полимерного композита ламинируется декоративной пленкой.

Естественно, существует множество других вариаций технологий производства помимо тех, которые были рассмотрены выше. Отсюда вытекает обширная классификация древесно-полимерных композитов.

Отечественный рынок древесно-полимерного композита – это немалый рынок декинга или, иначе говоря, террасной доски. Ассортимент отечественных компаний заполнен им примерно на 70%. Также композит используется в производстве стеновых панелей, подоконников, дверей, заборов и отделочных материалов. В матрице материала в основном используются полиолефины. Они позволяют сделать материал более дешевым и допустить вторичную переработку ДПК. В качестве наполнителя для ДПК используется древесная мука, которая является дешевым продуктом.

В данное время есть предпосылки того, что древесно-полимерный композит будет преимущественно использоваться в строительстве. Также ожидается, что ДПК будет востребован в мебельной промышленности и автомобильной индустрии. Рассматриваемый материал более долговечный и устойчив к атмосферным воздействиям, чего нельзя сказать о полностью древесных материалах. Использование ДПК в производстве мебели дает возможность производителям выпускать высококачественные материалы любых форм и размеров.

Не стоит забывать и о недостатках «жидкого дерева». Основная проблема материала – изменение цвета под воздействием ультрафиолетовых лучей и склонность к набуханию, если отсутствуют специальные добавки.