Способ изготовления изделий прессованием из древесного пластика. Технологический процесс, оборудование и инструменты для изготовления профильных деталей из древесно-полимерной композиции (ДПК) методом экструзии Общие принципы технологии

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Савиновских Андрей Викторович. Получение пластиков из древесных и растительных отходов в закрытых пресс-формах: диссертация... кандидата технических наук: 05.21.03 / Савиновских Андрей Викторович;[Место защиты: Уральский государственный лесотехнический университет].- Екатеринбург, 2016.- 107 с.

Введение

ГЛАВА 1. Аналитический обзор 6

1.1 Древесно-композиционные материалы с синтетическими связующими 6

1.2 Лигноуглеводные и пьезотермопластики 11

1.3 Способы модификации древесных частиц 14

1.4 Лигнин и лигноуглеводный комплекс 19

1.5 Кавитация. Кавитационная обработка растительного сырья 27

1.6 Биоактивация древесных и растительных частиц ферментами.. 33

1.7 Выбор и обоснование направления исследований 35

ГЛАВА 2. Методическая часть 36

2.1 Характеристика исходных веществ 36

2.2 Методики проведения измерений 41

2.3 Подготовка биоактивированного пресс-сырья 41

2.4 Изготовление образцов ДП-БС 41

2.5 Приготовление навески пресс-сырья для пластика 42

ГЛАВА 3. Получение и изучение свойств древесных пластиков без связующего с использованием модификаторов 43

ГЛАВА 4. Влияние химической модификации шелухи пшеницы на свойства РП-БС 57

ГЛАВА 5. Получение и изучение свойств древесных пластиков без связующего с использованием биоактивированого пресс-сырья 73

ГЛАВА 6. Технология получения ДП-БС 89

6.1 Расчет производительности экструдера 89

6.2 Описание технологического процесса производства 93

6.3 Оценка себестоимости готовой продукции 95

Заключение 97

Список литературы

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Объемы производства продуктов переработки древесного и растительного сырья постоянно увеличиваются. При этом возрастает и количество различных отходов переработки древеси-ны(опилки, стружка, лигнин) и сельскохозяйственных растений (солома и оболочка семян злаков).

Во многих странах существуют производства древесных композиционных материалов с использованием в качестве полимерной матрицы синтетических термореактивных и термопластичных органических и минеральных связующих, в качестве наполнителей – измельченных отходов растительного происхождения.

Известна возможность получения древесных композиционных материалов плоским горячим прессованием из отходов деревообработки без добавления синтетических связующих, которые получили название пьезотермо-пластики (ПТП), лигноуглеводные древесные пластики (ЛУДП). При этом отмечается, что исходные пресс-композиции обладают низкими показателями пластично-вязкостных свойств, а полученные композиты имеют невысокие показатели физико-механических свойств, особенно водостойкости. И это требует поиска новых способов активации лигнин-углеводного комплекса.

Таким образом, работы, направленные на применение древесных и растительных отходов без использования синтетических связующих с целью создания изделий, являются актуальными.

Работа выполнялась по заданию Минобрнауки РФ, проект № 2830 «Получение древесных пластиков из отходов биомассы дерева и сельскохозяйственных растений» на 2013-2016 гг.

Цель и задачи работы. Целью работы является получение пластиков из древесных (ДП-БС) и сельскохозяйственных отходов (РП-БС) без добавления синтетических связующих с высокими эксплуатационными свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Исследовать процесс формирования ДП-БС и РП-БС на основе древесных (опилки сосны) и растительных (шелуха пшеницы) отходов.

Изучить влияния химических модификаторов, а также технологических параметров (температура, влажность) на физико-механические свойства ДП-БС и РП-БС.

Определить рациональные условия получения ДП-БС и РП-БС из древесных и растительных отходов.

Установить влияние биоактивации пресс-сырья активным илом на физи-

ко-механические свойства ДП-БС.

Степень разработанности темы исследования. Анализ научно-технической и патентной литературы показал очень низкую степень разработанности вопросов, связанных с закономерностями формирования структуры и свойств древесного пластика без синтетического связующего.

Научная новизна

Методом ДСК установлены кинетические закономерности процесса формирования ДП-БС и РП-БС (энергия активации, предэкспоненциальный множитель, порядок реакции).

Установлено влияние химических модификаторов (пероксид водорода, уротропин, изометилтетрагидрофталевый ангидрид, кавитационный лигнин, гидролизный лигнин) на скорость процесса формирования ДП-БС и РП-БС.

Получены кинетические закономерности получения ДП-БС с использованием биоактивированных древесных отходов.

Теоретическая значимость работы заключается в установлении закономерностей влияния ряда модификаторов и влажности пресс-сырья из древесных и сельскохозяйственных отходов на физико-механические свойства ДП-БС и РП-БС.

Практическая значимость работы состоит в использовании отходов возобновляемого сырья и экспериментальном доказательстве возможности получения ДП-БС и РП-БС с повышенными физико-механическими свойствами. Предложена рецептура получения ДП-БС и РП-БС. Изделия из ДП-БС обладают низкой эмиссией формальдегида.

Методология и методы исследования. В работе использовались традиционная методология научных исследований и современные методы исследования (дифференциальная сканирующая калориметрия, ИК Фурье-спектроскопия, ПМР 1 Н).

На защиту выносятся

Результаты исследования термокинетики образования ДП-БС, РП-БС и влияния модификаторов и влажности на данный процесс.

Закономерности формирования свойств ДП-БС и РП-БС в закрытых пресс-формах под воздействием температуры, влажности пресс-сырья и его химической модификации.

Степень достоверности результатов исследований обеспечена многократным повторением экспериментов, применением методов статистической обработки полученных результатов измерений.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на VIII международной научно-технической конференции «Научное творчество молодежи – лесному комплексу» (Екатеринбург, 2012), IX международной научно-технической конференции «Научное творчество молодежи – лесному комплексу» (Екатеринбург, 2013), Международная конференция «Композиционные материалы на древесных и других наполнителях» (г.Мытищи, 2014).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объём работы

Диссертация изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 40 таблиц и 51 рисунков. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, включающего 91 ссылки на отечественные и зарубежные работы.

Лигноуглеводные и пьезотермопластики

Лигноуглеводные и пьезотермопластики. Эти материалы изготавливаются из древесных опилок или другого растительного сырья высокотемпературной обработкой пресс-массы без ввода специальных синтетических связующих. Технологический процесс производства лигноуглеводных древесных пластиков состоит из следующих операций: подготовки, сушки и дозирования древесных частиц; формирования ковра, холодной его подпрессовки, горячего прессования и охлаждения без снятия давления. При подготовке пресс-массы древесные частицы сортируют, затем фракция крупностью более 0,5 мм дополнительно измельчается, кондиционные опилки поступают в сушилку, а затем в расстилочную машину. Ковер формируется на поддонах, покрытых слоем талька или антиадгезионной жидкости. Сначала готовый ковер подается в пресс для холодной подпрессовки, которая длится в течение 1,5 мин при давлении 1- 1,5 МПа, после чего направляется на горячее прессование при давлении 1,5-5 МПа и температуре 160-180 С. Прессование плит толщиной 10 мм продолжается 40 мин.

Под воздействием температуры происходят частичный гидролиз полисахаридов древесины и образование органических кислот, которые являются катализаторами, способствующими деструкции лигноуглеводного комплекса. Образовавшиеся химически активные продукты (лигнин и углеводы) взаимодействуют между собой при прессовании. В результате образуется более плотный и прочный материал, чем древесина.

Сырье для производства лигноуглеводного древесного пластика получают обработкой древесины хвойных и лиственных пород. Наряду с опилками, станочной стружкой, дробленкой, для получения пластика могут быть использованы кора в смеси с древесиной, дробленые лесосечные отходы и некоторые одревесневшие сельскохозяйственные отходы. Примеси в сырье частично сгнившей древесины улучшают физико-механические свойства лигноуглеводных пластиков.

По сравнению с древесностружечными плитами, лигноуглеводные пластики обладают рядом преимуществ: они не подвержены старению из-за деструкции органического вяжущего и их прочностные показатели не снижаются со временем; при эксплуатации нет токсичных выделений в окружающую среду. Существенными недостатками производства лигноуглеводных пластиков являются необходимость мощного прессового оборудования и длительность цикла прессования .

Отмечено что под влиянием давления и температуры размельченная растительное сырье приобретает способность образовывать прочный и твердый материал темного цвета, который может формоваться. Этот материал получил название пьезотермопластик (ПТП) .

Исходным сырьем, наряду с опилками, могут служить измельченная древесина хвойных и лиственных пород, льняная и конопляная костра, камыш, гидролизный лигнин, одубина.

Существует несколько способов получения ПТП, прошедших глубокую проработку и внедрение в производство, но не нашедшего дальнейшего применения в связи с высокими энергозатратами: 1) одностадийный способ получения ПТП (А.Н. Минин. Белорусский технологический институт) ; 2) двухстадийный способ получения пластиков из гидролизованных опилок (Н.Я. Солечник, Ленинградская ЛТА) ; 3) технология получения лигноуглеводных древесных пластиков (ЛУДП) (ВН. Петри, Уральский ЛТИ) ; 4) технология парового взрыва (Я.А. Гравитис, Институт химии древесины. Латвийская АН) . Пьезотермопластики подразделяют на изоляционные, полутвердые, твердые и сверхтвердые.

При средней плотности 700-1100 кг/м3 пьезотермические пластики, изготовленные из березовых опилок, имеют предел прочности при статическом изгибе 8-11 МПа. При повышении средней плотности до 1350-1430 кг/м3 предел прочности при статическом изгибе достигает 25-40 МПа.

Высокие физико-механические свойства пьезотермопластиков позволяют применять их для изготовления полов, дверей, а также в качестве отделочного материала. Разновидностью древесных пластиков является вибролит, технологические особенности которого, заключаются в частичном измельчении опилок и мелкой стружки на вибромельнице, перемешивании тонко размолотой массы с водой и затем получаем шлам. Из смеси шлама с частицами величиной 0,5-2 мм в отливной машине формируется ковер, обезвоживаемый вакуум-насосом. Полученная пресс-масса поступает на холодное и горячее прессование. Готовые плиты транспортируют в закалочную камеру, где в течение 3-5 ч при температуре 120-160 С они подвергаются термической обработке, вследствие чего почти в 3 раза снижается их водопоглощение и более чем в 2 раза - разбухание.

Вибролит применяют для настила черного пола, устройства перегородок, облицовки панелей стен в общественных зданиях, изготовлении встроенной мебели и щитовых дверей.

Начиная с 30-х годов в СССР получением плитных материалов путём пьезотермической обработки растительного сырья без применения традиционных связующих занимались многие исследователи. Работы велись в следующих направлениях: 1) прессование естественных, ничем не обработанных опилок ; 2) прессование опилок, подвергнутых предварительно автоклавной обработке водяным паром (предгидролиз) или водяным паром с катализатором (минеральная кислота) ; 3) прессование опилок, предварительно обработанных химическими реагентами: а) желатинирование пресс-массы (хлором, аммиаком, серной кислотой и др. веществам) для её частичного гидролиза и обогащения веществами, обладающими связующими свойствами ; б) химическая поликонденсация пресс-массы с участием других химических веществ (фурфурол, фенол, формальдегид, ацетон, щелочной и гидролизный лигнины и др.) .

Подготовка биоактивированного пресс-сырья

Эндотермический минимум отвечает процессу гидролизу лигнин – углеводного комплекса и легкогидрализуемой части целлюлозы (полисахаридов).

Экзотермический максимум соответствует процессам поликонденсации, которые и обуславливают процесс образования ДП-БС. Так как процесс катализируется кислотами, которые образуются при пиролизе древесины, а также за счет наличия смоляных кислот, содержащихся в составе экстрактивных веществ – это реакция n-го порядка с автокатализом.

Для древесных отходов с модифицирующими добавками (пероксид водорода, уротропин, ИМТГФА) максимумы пиков на кривых ДСК сдвигаются влево, что указывает на то, что данные соединения выступают в качестве катализаторов вышеуказанных процессов (Т1 100-120 0С, Т2 180-220 0С), ускоряя процесс гидролиза полисахаридов древесины, а также лигнин-углеводного комплекса.

Из табл.3.2 видно, что на первой стадии с увеличением влажности пресс-сырья увеличивается эффективная энергия активации (с 66,7 до 147,3 кДж/моль), что свидетельствует о большей степени гидролитической деструкции древесины. Применение модификаторов приводит к уменьшению эффективной энергии активации, что указывает на их каталитическое действие.

Значения эффективной энергии активации на второй стадии процесса для модифицированного пресс-сырья с увеличением влажности изменяется незначительно.

Применение модификаторов приводит к снижению эффективной энергии активации и на второй стадии процесса. Анализ кинетических уравнений показал, что наилучшей моделью на первой стадии процесса является реакцией n-порядка, на второй стадии – n-порядка с автоускорением: A 1 B 2 C.

Используя кинетические параметры процесса, были рассчитаны t50 и t90 (время, необходимое для достижения степени превращения 50 и 90%) для не модифицированного и модифицированного пресс-сырья (табл.3.3), а также представлены кривые степени превращения (рис.3.4-3.6).

Зависимость степени превращения от времени при различных температурах (сосна, исходная влажность пресс-сырья– 8%) Рисунок 3.5 - Зависимость степени превращения от времени при различных температурах (сосна, модификатор – уротропин, исходная влажность пресс-сырья – 12%)

Зависимость степени превращения от времени при различных температурах (сосна, модификатор – пероксид водорода, исходная влажность пресс-сырья – 12%) Таблица 3.3 – Значения времени достижения степени превращения 50% и 90% при различных температурах № п/п Степень превращения Пресс-сырье с влажностью 8% Пресс-сырье свлажностью 12%(модификатор -1,8% H2O2, %) Пресс-сырье свлажностью 12%(модификатор - 4%C6H12N4, %)

Использование пероксида водорода приводит к ускорению процесса на первой стадии более чем в 4 раза, чем при модификации пресс-сырья уротропином. Аналогичная закономерность наблюдается и на второй стадии процесса. По суммарному времени формирования ДП-БС активность пресс-сырья можно расположить в следующий ряд: (немодифицированное пресс-сырье) (пресс-сырье модифицированное уротропином) (пресс-сырье модифицированное перекисью водорода). С целью установления влияния влажности и содержания количества модификатора в пресс-сырье на эксплуатационные свойства ДП-БС, было проведено математическое планирование эксперимента. Предварительно проведено исследование влияние влажности исходного пресс-сырья на физико-механические свойства ДП-БС. Результаты приведены в табл. 3.4. Установлено, что чем больше исходная влажность пресс-сырья, тем меньше физико-механические свойства, такие как прочность при изгибе, твердость, модуль упругости при изгибе. По нашему мнению это связано с большей степенью термогидролитической деструкцией лигноуглеводного комплекса. Таблица 3.4 - Физико-механические свойства ДП-БС полученные при различной влажности пресс-материала

Таким образом, физико-механические свойства ДП-БС зависят от рецептуры и условий его получения. Так для пластика с высокими физико механическими свойствами нужно использовать следующий состав: содержание лигнина 3%, содержание ИМТГФА 4%, исходная влажность пресс-сырья 6% и температура горячего прессования 1800C. Для пластика с низкими значениями водопоглощения и разбухания требуется использовать состав: содержание лигнина 68%, содержание ИМТГФА 2%, исходная влажность пресс-сырья 17% и температура горячего прессования 195 C0.

Влияние химической модификации шелухи пшеницы на свойства РП-БС

Глубина протекания термогидролитической деструкции лигнина древесины и растительного сырья зависит от вида применяемого химического модификатора.

Проведенные нами исследования формальной кинетики получения пластиков показывают, что лигнин хвойных пород (сосна) имеет большую реакционноспособность, чем лигнин однолетних растений (шелуха пшеницы). Эти результаты согласуются с результатами по окислению модельных соединений лигнина хвойных, лиственных пород и лигнина растительного происхождения. Анализ литературных показал, что теоретические исследования особенностей превращения древесины при энзиматическом воздействий дали возможность разработать биотехнологию древесных пластиков на основе частичной биодеградации лигноуглеводного комплекса.

Известно, биотрансформированные древесные частицы существенно изменяют свою пластичность. Также породный состав древесного сырья оказывает значительные влияние на физико-механические свойства пластика.

Биоактивированая обработка древесных отходов различными видами лигноразрушающими грибами, бактериями, в нашем случае активным илом, является перспективным для изготовления пресс-сырья для ДП-БС(Аи).

Первоначально были изучены закономерности процесса получения ДП-БС(Аи) на основе древесных отходов с использованием активного ила (рис 5.1) с различным сроком биоактивации. 0,5 7 суток 14 суток

Исследование процесса формирования ДП-БС(Аи) методом ДСК показало, что на кривых w = f(T) (рис. 5.2) имеется два экзотермических максимума. Это указывает на то, что процесс можно представить как две параллельные реакции, соответствующие для биоактивированного и неактивированного пресс-сырья, т.е. A 1 B и C 2 D. При этом реакции 1 и 2 являются реакциями n-порядка).

Определены кинетические параметры процесса образования ДП-БС(Аи). Результаты приведены в табл. 5.1. Таблица 5.1 - Кинетические параметры процесса образования ДП-БС(Аи)

На второй стадий процесса получения ДП-БС(Аи) значения эффективной энергии активации имеет один и тот же порядок, что и для древесного пресс-сырья (см. гл. 3). Это указывает на то, что этот экзотермический пик соответствует не биоактивированного древесного пресс-сырью. С использованием кинетических параметров процесса, были рассчитаны t50 и t90 (время, необходимое для достижения степени превращения 50 и 90%) модифицированного пресс-сырья (рис.5.3, 5.4).

Рисунок 5.3 - Значения времени превращения ДП-БС(Аи) при различных температурах (время биоактивации 7 суток) Рисунок 5.4 - Значения времени превращения ДП-БС(Аи) при различных температурах (время биоактиваций 14 суток)

С целью установления влияния активного ила и кавитационного лигнина на физико-механические свойства ДП-БС(Аи) была составлена матрица планирования эксперимента на основе регрессионного дробного математического планирования вида 25-1 (см. табл 5.2).

В качестве независимых факторов были использованы: Z 1 – содержание кавитационного лигнина, %, Z 2 – температура горячего прессования, C, Z 3 – расход активного ила, %, Z 4 – продолжительность выдержки (биоактивации), сут; Z 5 – исходная влажность пресс-сырья, %.

За выходные параметры взяты: плотность (P, кг/м3), прочность при изгибе (П, МПа), твердость (Т, МПа), водопоглощение (В), разбухание (L, %), модуль упругости при изгибе (Eи, МПа), ударная вязкость (А, кДж/м2).

Согласно плану эксперимента были изготовлены образцы в виде дисков и определены их физико-механические свойства. Экспериментальные данные были обработаны и получены изучения уравнении регрессий в виде линейной, полинома 1 и 2 степени с оценкой значимости факторов и адекватности уравнений, которые представлены в табл.5.2-5.4. Таблица 5.2 - Матрица планирования и результаты эксперимента (трехуровневый пятифакторный математический план) а) температуры горячего прессования и содержания кавитационного лигнина; б) расхода иловой смеси и температуры прессования; в) влажности пресс-сырья и продолжительности биоактивации; г) продолжительности биоактивации и содержания кавитационного лигнина.

Установлено, плотность ДП-БС(Аи) при увеличении содержания кавитационного лигнина в пресс-сырье носит экстремальный характер: минимальная плотность 1250 кг/м3 достигается при содержании КЛ - 42%. Зависимость плотности ДП-БС(Аи) от продолжительности биоактивации пресс-сырья также имеет экстремальный характер и максимальное значение достигается при 14 суток биоактивации (рис 5.5в).

Оценка себестоимости готовой продукции

Проведенные исследования по получению ДП-БС, ДП-БС(Аи) и РП-БС (см. гл. 3,4,5) показывают что физико-механические свойства пластика зависят от рецептуры пресс-сырья, вида химического модификатора и условия его изготовления.

В табл. 6.1 приведены физико-механические свойства пластиков (ДП-БС, ДП-БС(Аи) и РП-БС), полученных при рациональных условиях.

Из анализа полученных результатов (табл. 6.1) видно, что для изготовления изделий имеющих высокие физико-механические свойства, рекомендуется пресс-композиция следующего состава: древесные отходы (сосновые опилки), модификатор – пероксид водорода (расход - 1,8%) исходная влажность – 12%.

Для повышения производительности предлагается экструзионный способ, который позволяет изготавливать погонажные изделия.

В диссертационной работе рассмотрено производство плинтуса. Для соблюдения условий, определенных при горячем прессовании в закрытых пресс-формах, экструзионная головка состоит из двух частей (обогреваемая часть головки и вторая – без обогрева). При этом время пребывания пресс-композиции в обогреваемой части экструзионной головки – 10 мин.

Для определения годового объема производства был выполнен расчет производительности экструдера.

Для одношнекового экструдера с переменной (уменьшающейся) глубинной нарезки спирального канала расчет объемной производительности (Q, см3/мин) можно проводить следующим образом :

Здесь А1, В1, С1 – постоянные соответственно прямого и двух обратных потоков при переменной глубине нарезки шнека, см3; Таблица 6.1 – Физико-механические свойства ДП-БС, ДП-БС(Аи) и РП-БС (сводная таблица) № п/п1245 6 Показатель Влажностьпресс-сырья,% Модификатор ДП-БС(Аи) ДП-БС РП-БС 12% (4%-C6H12N4) 12% (1,8%-Н202) КЛ - 3% Расход АИ-37% Влажность - 10% ГЛ - 3% ИМТГФА-4% Влажность - 6% ГЛ - 68% ИМТГФА-2,5% Влажность-17,9% Влажность - 12% ГЛ - 3%Пероксидводорода–0,06%Влажность- 12% ГЛ - 35%Пероксидводорода- 5%Влажность– 12%

Прочность при изгибе, МПа 8 12,8 10,3 9,6 12,0 - 8 9,7 Твердость, МПа 29 29,9 27,7 59 69 20 19 34 Модуль упругости при изгибе, МПа 1038 2909,9 1038,6 732,6 2154 1402 1526 1915 Водопоглощение, % 59,1 148 121,7 43 59 34 143 139 Разбухание, % 6,0 12 8 3 5,0 1,0 7 7,0 1 К – коэффициент геометрической формы головки, К=0,00165 см3; n – частота вращения шнека, n=40 об/мин. где t – шаг нарезки, см принято t = 0,8D; - число заходов нарезки шнека, =1; e – ширина гребня шнека, см; e = 0,08D; – коэффициент геометрических параметров шнека:

Коэффициенты,a,b зависят от геометрической размеров шнека. Их легко рассчитать, если имеется чертеж шнека, из которого берут следующие величины: h1 – глубина спирального канала в начале зоны питания, см; h2 – глубина спирального канала в начале зоны сжатия, см; h3 – глубина спирального канала в зоне дозирования, см; Если размеры шнека неизвестны (за исключением D и L, которые известны из марки экструдера), то принимают h1=0,13D. После этого вычисляют остальные параметры: где L – длина шнека, см; L0 – длина шнека до зоны сжатия, см; где Lн – длина напорной части шнека, см; Lн=0,5L. где і - степень сжатия материала; і=2,1. Полученные результаты расчетов по вышеприведенным формулам позволяют рассчитать некоторые другие параметры шнека.

Древесные отходы сортируются на виброситах (поз.1) от крупных частиц, затем древесные частицы проходят металлоискатель (поз.3). Крупная фракция попадает в молотковую дробилку (поз.2) и после этого возвращается на вибросито (поз.1). С вибросита мелкие частицы пневмотранспортом подаются в циклон (поз.4), а затем в бункер (поз.5), откуда порционным винтовым транспортером подаются в сушилку барабанного типа (поз.6), древесные частицы сушат до влажности 6%. Измельченные древесные отходы поступают в циклон (поз.7), затем в бункер сухих измельченных отходов (поз.8) с винтовым транспортером, посредством которого они подаются на ленточные весы (поз.9).

Приготовление раствора пероксида водорода происходит в баке (поз.10) для смешения с водой. Пероксид водорода дозируется с помощью весов (поз.11). Подача необходимого количества воды регулируется расходомером. Концентрация пероксида водорода должна составлять 1,8%. Ленточные весы подают необходимое количество измельченных частиц древесины в смеситель непрерывного действия (поз.12), куда также поступает определенное количество раствора модификаторов. В смесителе осуществляется тщательное перемешивание компонентов, влажность пресс-сырья должна составлять 12%.

Затем пресс-сырье попадает в распределительную воронку (поз.13), откуда поступает в бункер (поз.14) готового пресс-сырья. Бункер является основным буферным складом для обеспечения бесперебойной работы установок. Бункер (поз.14) снабжен шнековым дозатором (поз.15), при помощи которого осуществляется загрузка готовой композицией в бункер экструзионной установки (поз.16), при помощи которого готовая композиция подается в экструзионную головку.

Канал экструзионной установки (поз.17) разогревается до температуры 1800С, время пребывания в обогреваемой части составляет 10 мин, в необогреваемой так же 10 мин.

Отпрессованное изделие (поз.18) направляется на стадию обрезки, выбраковки и сортировки, затем поступает на стадию механической обработки. После стадии контроля, готовые изделия направляется на склад готовой продукции. Рисунок 6.1 Технологическая схема производства изделия в форме плинтуса ДП-БС из отходов деревообработки без добавления связующих методом экструзии

В таблице 6.2 представлен расчет годовой потребности в сырье для производства плинтуса. Предполагаемая годовая производительность линии по производству данного вида продукции составляет 1 тонна. Таблица 6.3 – Расчет потребности в сырье и материалах Вид сырья Норма расхода (1 т), Стоимость 1 кг сырья, руб. Сумма затрат на 1т продукции, тыс.руб. Сосновые опилки 0,945 8 7,56 Техническая вода 0,048 7 0,33 Пероксид водорода 0,007 80 0,56 Итого: 8,45 Сумма затрат для приобретения сырья на одну тонну готовой продукции производства составит 8,456 тысяч рублей. По сравнению с производством данного вида продукции из ДПКТ, которое составила 47,65 тысяч рублей. Таким образом, производство плинтуса из ДП-БС является экономически целесообразным. При производстве 50 т/г экономия по сырью составит 1,96 млн.руб.

УДК 674.812

В.Г. Дедюхин, В.Г. Бурындин, Н.М. Мухин, А.В. Артемов

ПОЛУЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ПРЕССОВАНИЕМ В ЗАКРЫТЫХ ПРЕСС-ФОРМАХ ИЗ ФЕНОПЛАСТОВ БЕЗ ДОБАВЛЕНИЯ СВЯЗУЮЩИХ

Приведены результаты исследований изучения технологических свойств пресс-композиции из древесных частиц без добавления связующих и физико-механических свойств пластиков из этих композиций; изучено влияние низкомолекулярных (органических и неорганических) модификаторов, а также воды в процессе образования пластиков.

Ключевые слова: древесный пластик, карбамид, текучесть по Рашигу, шлифовальная пыль, фанера.

Запас древесины в России оценивается в 80 млрд м3. Степень ее использования составляет 65 ... 70 %, причем химическим и химико-механическим методом перерабатывают всего 15 ... 17 % (мировой уровень - 50 ... 70 %). На гидролизных предприятиях накапливается 1,5 млн т в год гидролизного лигнина в пересчете на сухое вещество .

Одно из рациональных направлений эффективного использования отходов деревообработки - получение из них пресс-материалов (древесных прессовочных масс) на основе феноло- и карбамидоформальдегидных смол . Однако введение в эти композиции от 11 до 35 % синтетических связующих удорожает стоимость плит и делает их экологически не безопасными.

Поэтому большой интерес представляют древесные пластики, получаемые без добавления связующих. Исходным сырьем могут быть не только мелкие древесные частицы, но и гидролизный лигнин и растительные остатки однолетних растений (костра льна и конопли, стебли хлопчатника, солома и др.). В работе А.Н. Минина такой материал назван пьезотермопла-стиком.

В УГЛТУ ведутся работы по получению материалов из древесных и других растительных отходов без добавления связующих: с 1961 г. в открытых пресс-формах (между обогреваемыми плоскопараллельными плитами) -лигноуглеводный древесный пластик , с 1996 г. в закрытых пресс-формах - древесный пластик без связующего (ДП-БС) .

Технология получения плит и изделий из древесных пластиков без связующего не находит широкого применения из-за длительного цикла прессования, так как пластик охлаждают в пресс-форме под давлением (низкая производительность оборудования и оснастки, а расход тепла большой). Нами предложена технология прессования изделий, основанная на использовании выносных пресс-форм и в качестве тепло- и хладоносителя -воздуха. При этом производительность возрастает в 5 и более раз по сравнению с традиционной технологией для таких пресс-материалов, значительно сокращается расход тепла.

Одним из недостатков древесных пресс-композиций без добавления связующих является их низкая текучесть. Например, текучесть ДП-БС из отходов деревообработки (фракция 0 ... 2 мм) по методу прессования плоского образца-диска при влажности 10 % составляет 78 мм, а при 20 % -95 мм ; текучесть по Рашигу данной пресс-композиции при влажности 10 % - 9 мм, а при 20 % - 29 мм.

Дешевым сырьем для изготовления ДП-БС является шлифовальная пыль от производства фанеры (ТТТП-Ф) и древесностружечных плит (ШП-ДСтП). Так при объеме производства ДСтП 100 тыс. м3/год количество образующейся ШП-ДСтП составляет 7,5 тыс. т . В работе показано, что ШП-ДСтП можно использовать в производстве фенопласта марки 03-010-02, соответствующего требованиям ГОСТ 5689-86 (см. таблицу).

Состав и свойства фенопластов на основе древесной муки и ШП-ДСтП

Показатель Значение показателя для наполнителя

Древесная мука ШП-ДСтП

Состав, %:

фенолформальдегидная смола 42,8 37,5

древесный наполнитель 42,6 42,0

уротропин 6,5 7,0

мумия 4,4 -

известь (гидроксид магния) 0,9 0,7

стеарин 0,7 0,6

каолин - 4,4

нигрозин 1,1 -

Свойства:

прочность при изгибе, МПа 69 66...69

ударная вязкость, кДж/см2 5,9 5,9...7,0

электрическая прочность, кВ/см 14,0 16,7.17,2

Зависимость свойств пресс-материала на основе ШП-Ф без добавления связующего от влажности (при влажности 13 % проведена модификация карбамидом): а -сопротивление сдвигу; б - модуль упругости при изгибе; в - текучесть по Рашигу; г - текучесть по диску

Цель данного исследования - разработка рецептуры ДП-БС на основе ШП-Ф и нахождение оптимальных режимов прессования изделий со свойствами, близкими к свойствам фенопласта 03-010-02.

По текучести ДП-БС на основе ШП-Ф значительно уступает фенопластам, поэтому из него можно изготавливать изделия простой конфигурации. Текучесть материала по Рашигу и по диску в зависимости от его влажности приведена на рисунке.

Известно, что модификация древесины аммиаком значительно увеличивает ее пластичность. Оптимальное количество аммиака составляет 5 % . В качестве источника аммиака предложено использовать карбамид, который в условиях прессования разлагается:

1ЧН2 - С - 1ЧН2 + Н20 -> 2Шз + С02. О

Количество аммиака там и углекислого газа туг, образующихся при разложении карбамида тк можно рассчитать по формулам

там = тк /1,765; туг = 0,733 тк.

По нашему мнению, применение карбамида более целесообразно, так как образующийся углекислый газ создает слабокислую среду, что способствует поликонденсации лигнина и легкогидролизуемой части целлюлозы - гемицеллюлоз. Это совпадает с мнением авторов работ .

Вода в процессе получения древесного пластика без добавления связующего необходима как пластификатор древесины и химический реагент, участвующий в реакциях с компонентами древесины.

Согласно , для протекания химических процессов, происходящих при образовании пластика из сосновых частиц при давлении 2,5 МПа, исходная влажность древесины должна составлять 7 ... 9 %. При использовании лиственных пород (осина, ольха) исходная влажность должна быть несколько выше - 10 ... 12 %. Чтобы придать древесине пластичность, содержание влаги, которое зависит от породы древесины и давления прессования, должно быть еще больше.

Кроме того, при использовании в качестве модификатора карбамида необходимо дополнительное количество воды для его разложения (см. вышеприведенную схему). Количество воды для прохождения реакции можно рассчитать по формуле тв = 0,53 там.

Следовательно, при образовании ДП-БС на основе ШП-Ф с использованием в качестве модификатора карбамида оптимальное содержание воды должно составлять около 13 %.

Для модификации пресс-композиции на основе ШП-Ф было использовано 9 % мас. карбамида. Это позволило значительно повысить вязкоте-кучие свойства пресс-материала. Например, текучесть по Рашигу, при влажности исходного материала 13 % мас., возросла в 3,5 раза, текучесть по диску - с 75 до 84 мм, модуль упругости при изгибе - с 263 до 364 МПа, а сопротивление сдвигу, определенное согласно , уменьшилось с 2,6 до 1,5 МПа

Таким образом можно сделать следующие выводы:

С использованием метода математического планирования эксперимента вида З2 изучено влияние влажности ШП-Ф {Х\ = 11 ± 5 %) и давления прессования (Х2 = 15 ± 10 МПа) на свойства ДП-БС (температура прессования 170 °С);

При обработке результатов экспериментов получены адекватные уравнения регрессии в виде полинома второго порядка:

¥,(аюг) = 34,9 + 6,6 X! + 16,9 Х2 - 1,4 X? - 4,3 Х22 - 3,0 Хх Х2;

Г2(Д:,) = 34,5 - 21,8 X ~ 76,7 Х2 + 26,3 X2 - 3,8 Х22 + 75,5 X Х2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Базарнова Н.Г. Влияние мочевины на свойства прессованных материалов из древесины, подвергнутой гидротермической обработке / Н.Г. Базарнова, А.И. Галочкин, В.С. Крестьянников // Химия растительного сырья. -1997. - № 1. -С. 17-21.

2. Бурындин В.Г. Изучение возможности использования шлифовальной пыли ДСтП для получения фенопластов / В.Г. Бурындин [и др.] // Технология древесных плит и пластиков: межвуз. сб. - Екатеринбург, УЛТИ, 1994. - С. 82-87.

3. Вигдорович А.И. Древесные композиционные материалы в машиностроении (справочник) / А.И. Вигдорович, Г.В. Сагалаев, А.А. Поздняков. - М.: Машиностроение, 1991.- 152 с.

4. Дедюхин В.Г. Древесные пластики без добавления связующих (ДП-БС): сб. тр., посвященный 70-летию инженерно-экологического факультета УГЛТУ /В.Г. Дедюхин, Н.М. Мухин. - Екатеринбург, 2000. - С. 200-205.

5. Дедюхин В.Г. Исследование текучести древесной пресс-массы без добавления связующего /В.Г. Дедюхин, Н.М. Мухин // Технология древесных плит и пластиков: межвуз. сб. - Екатеринбург: УГЛТА, 1999. - С. 96-101.

6. Дедюхин В.Г. Прессование плитки облицовочной из массы прессовочной без добавления связующего / В.Г. Дедюхин, Л.В. Мясникова, И.В. Пичугин // Технология древесных плит и пластиков: межвуз. сб. - Екатеринбург: УГЛТА, 1997. -С. 94-97.

7. Дедюхин В.Г. Прессованные стеклопластики / В.Г. Дедюхин, В.П. Став-ров. - М.: Химия, 1976. - 272 с.

8. Доронин Ю.Г. Древесные пресс-массы /Ю.Г. Доронин, С.Н. Мирошниченко, И.Я. Шулепов. - М.: Лесн. пром-сть, 1980.- 112 с.

9. Кононов Г.В. Химия древесины и ее основных компонентов /Г.В. Кононов. - М.: МГУЛ, 1999. - 247 с.

10. Минин А.Н. Технология пьезотермопластов /А.Н. Минин. - М.: Лесн. пром-сть, 1965. - 296 с.

11. Отлев И.А. Справочник по производству древесностружечных плит / И.А. Отлев [и др.]. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 384 с.

12. Плитные материалы и изделия из древесины и других одревесневших растительных остатков без добавления связующих /под ред. В.Н. Петри. - М.: Лесн. пром-сть, 1976. - 360 с.

13. Получение, свойства и применение модифицированной древесины.- Рига: Зинатне, 1973.- 138 с.

14. Щербаков А.С. Технология композиционных древесных материалов /А.С. Щербаков, И.А. Гамова, Л.В. Мельникова. - М.: Экология, 1992. - 192 с.

V. G. Dedyukhin, V. G. Buryndin, N.M. Mukhin, A. V. Artyomov Producing Items out of Phenoplasts by Pressing in Closed Press Molds without Adding Binding Agents

The research results of technological properties of presscomposition made of wood particles without adding binding agents and physicomechanical properties of plastics from these compositions are provided. The influence of low-molecular (organic and inorganic) modifiers and water in plastic formation process are studied.

Древесные пластики - пластифицированные древесные материалы с улучшенными физико-механическими свойствами, получаемые комбинированной механической, термической и химической обработкой сырья. Древесные пластики делят на:

1) древесину прессованную (лигностон);

2) древеснослоистые пластики (лигнофоль, дельта-древесина, балинит, арктилит и др.);

3) древеснопластические массы.

Древесина прессованная (пластифицированная) - натуральная древесина (чаще всего берёза, реже бук, граб, клён и др.), уплотнённая при давлении 15-30 Мн/м2 (150-300 кгс/см2) и температуре до 120°С. Уплотнение проводят различными способами: вдавливанием заготовки в пресс-форму меньшего диаметра, обжатием заготовки между плитамигидравлического пресса или в съёмной прессформе, прессованием предварительно согнутых пластинок древесины. Для повышения влагостойкости и стабильности формы Древесные пластики заготовки древесины перед уплотнением пропитывают синтетическими смолами. Получить влагостойкую прессованную древесину можно без пропитки синтетическими смолами, усилив тепловую обработку заготовки на стадии пластификации; при этом в древесине образуются смолообразные продукты изменения лигнина и гемицеллюлоз.

Прессованную древесину выпускают в виде досок, брусков, плит, втулок и др. Эта древесина обладает высокой ударной прочностью, пластичностью, малым коэффициентом трения и повышенной влагостойкостью. Прессованную древесину применяют для изготовления деталей машин, работающих при ударных нагрузках, а также антифрикционных деталей.

Древеснослоистые пластики - материалы на основе тонкого древесного листа (шпона) лиственных пород. Для получения этих пластиков берёзовый (реже буковый или липовый) шпон пропитывают (иногда промазывают) растворами термореактивных синтетических смол, просушивают, собирают в пакеты и прессуют на этажных гидравлических прессах с обогревом при давлении 10-17,5 Мн/м2 (100-175 кгс/см2) и температуре 120-150°С. Для повышения прочности и эластичности этих пластиков их армируют металлической сеткой, фольгой, прорезиненной тканью и др. Добавки графита и масла улучшают антифрикционные свойства пластиков. Заготовки из древеснослоистых пластиков перерабатывают в изделия механической обработкой (распиловкой, строганием и др.). Эти пластики обладают хорошими механическими, в том числе антифрикционными, и электроизоляционными свойствами, устойчивы к действию многих химических реагентов.

Древеснослоистые пластики применяют как конструкционный материал в машинои судостроении, как электроизоляционный и конструкционный материал для производства деталей аппаратуры высокого напряжения. Они пригодны для изготовления гибочных штампов, оправок, а при условии смазки водой и при температуре трения не выше 60°С - тяжелонагруженных подшипников.

Древеснопластические массы - цельнопрессованные профильные изделия или плиточные материалы, изготовленные в пресс-формах горячим прессованием измельчённой древесины (опилок, стружек, волокон, обрезков шпона), пропитанной растворами синтетических смол и высушенной. В некоторых случаях древесину предварительно подвергают частичному гидролизу кислотой или пропаркой под давлением или же обработке щёлочью. Древеснопластические массы обладают высокой механической прочностью, антифрикционными и электроизоляционными свойствами. Эти материалы применяют в производстве профильных цельнопрессованных изделий (вкладышей и втулок подшипников, зубчатых колёс, кабельных муфт, электроизоляционных деталей, колпачков ректификационных колонн и др.), а также паркетных плиток и др.

Генель С. В., Древесные пластики в технике, М., 1959;

Прессованная древесина и древесные пластики в машиностроении. Справочник, под ред. А. Г. Ракина, М.-Л., 1965.

Всем привет!

У нас продаже появилось много интересных пластиков для декоративной 3D печати. Сегодня мы расскажем вам о новинке – Wood от компании FiberForce. Цена катушки 0,5 кг. - 3500 рублей.

Фирма FiberForce была основана в 2013 году в Италии. Помимо ABS и PLA FiberForce производит несколько видов спец.пластиков, в частности FiberForce Carbon , который мы уже довольно давно поставляем в Россию и который отлично зарекомендовал себя

Неоспоримое достоинство этих пластиков – они не вызывают проблем при печати, и вы сразу получаете готовое изделие, имитирующее цвет металла или дерева.

Например, ESUN eAfill или eCopper . С этими пластиками стоит внимательнее относится к настройке печатных параметров. Неправильные параметры могут привести к засору сопла. Для «вскрытия» наполнителя иногда может потребоваться дополнительная обработка изделия после печати.

Wood от компании FiberForce относится ко второму виду декоративных пластиков. В основе пластика используется обычный PLA с наполнением из древесной пыли.

Пруток на ощупь шероховатый, с интересным матовым цветом светлой древесины.

Рекомендуемая температура сопла для печати около 200 градусов, столика - 50-60 градусов. Хотя пластик отлично липнет к печатным платформам, не имеющим подогрева. Главное не забудьте включить вентилятор для обдува модели=)

При печати пластик очень приятно пахнет свежими опилками.

В отличии от похожего пластика LAYWOO-D3, Fiber Wood не меняет свой цвет при изменении температуры печати, не засоряет сопло и очень стабилен при печати.

LAYWOO- D3 – удавалось стабильно печатать только, применяя сопла большого диаметра (от 0,8).

Спустя 40 минут печати получаем вот такую симпатичную машинку)

Поверхность изделий выглядит очень красиво. За счет матовости материала почти не видно слоев.

Удивительно, но наша баночка внутри до сих пор пахнет деревом=)

Изделия из FiberWood отлично шкурятся и обрабатываются.

Итоги

Самым главным достоинством FiberWood от Fiber Force можно назвать то, что в отличие от других аналогичных материалов, которыми мы печатали, риск забивания сопла минимизирован. И всё благодаря оптимальному (небольшому) содержанию древесной пыли. Этот декоративный пластик не доставил нам хлопот и хорошо себя проявил при печати. Несмотря на то что основой Fiber Wood является PLA пластик, он отлично шкурится, режется и обрабатывается. Это оказалось приятным плюсом.

Он отлично подходит для создания декоративных элементов, художественных объектов или повседневных предметов «под дерево».

1. Описание и химический состав
2. Соотношение полимера и дерева
3. Преимущества материала

На строительстве и при изготовлении мебели применяются новые высокотехнологичные материалы с улучшенными свойствами, по сравнению с обычными того же класса, а цена их ниже. Один из таких материалов – древесно-полимерный композит (ДПК). Сейчас он широко распространен, что связано с доступностью и невысокой ценой. Он дешевле, чем обычное дерево, но обладает такой же прочностью.

При изготовлении композита используют натуральную древесину и полимер, который не вредит здоровью человека. Обычно ДПК получают методом литья, что существенно повышает его прочность.

Композит можно использовать при укладке настила. Он применяется при установке перил на открытых террасах, в беседках, на балконах, поскольку устойчив к перепадам температур, любым осадкам, механическому воздействию. Это делает ДПК универсальным. Материал имеет красивую структуру.

ДПК распространен в США, где его активно применяют при строительстве коттеджей . Технологию производства, характеристики важно знать, если выбрали этот материал. Если знать особенности процесса изготовления жидкого дерева, то можно изготовить композит своими руками.

Описание и химический состав

Древесно-полимерный композит, который называют жидким деревом, представляет собой искусственный материал, получаемый в результате смешивания дерева и мономера. В процессе изготовления происходит экструзия, образующая полимер. Подобным способом изготавливают полимерную доску, по прочности превосходящую обычное дерево, но немного уступающую керамической плитке. Сами доски приобретают форму в процессе литья.

Производится «жидкое дерево» путем добавления к стружке связующих полимеров: полистирола, полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида. Название «жидкое дерево» ДПК получил из-за гибкости и пластичности .

«Жидкое дерево» применяют в производстве половых досок, сайдинга, труб (для водопровода, канализации), мебели.

В химический состав ДПК входят всего 3 компонента:

1. Мелкие частицы древесины (стружка, опилки, измельченное дерево, аброформ, в дешевых моделях попадается жмых от семян подсолнечника, измельченная фанера). Количество присадки может колебаться в составе от 1/3 до 4/5 общей массы.
2. Полимерная добавка – поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП).
3. Специальные химические добавки, которые значительно улучшают технические свойства, внешний вид (красители, лаки). Объем этих добавок составляет 0,1–4,5% общей массы.

Соотношение полимера и дерева

Пропорции соотношения полимера и дерева могут быть разными. Подбор осуществляется с учетом того, какие технические показатели ДПК требуются.

Дерево (аброформ) к полимеру относится как 2:1. Такое соотношение придает ДПК свойства древесины – масса будет содержать больше волокон дерева. Доски из такого материала будут набухать от влаги, что существенно снижает срок эксплуатации во влажном климате. Для средней полосы и юга России оно составит 5–10 лет. ДПК получается относительно хрупким, что ограничивает его применение, однако стройматериал имеет красивую текстуру дерева и «рифленую» поверхность.

Соотношение дерева к полимеру, как 2:3, значительно ухудшает внешний вид доски ДПК, что ограничивает использование досок в декоративных целях. На ощупь доска напоминает обычный пластик, а поверхность становится более гладкой (иногда скользкой).

Если древесно-полимерный композит имеет соотношение волокон дерева (аброформ) к полимеру 1:1, доска приобретает оптимальные характеристики . Текстура получается красивой, с шероховатой поверхностью, нескользкой. Упрощается процесс литья: не требуется греть составляющие до нужной температуры. Приготовление ДПК этим способом не передает свойства дерева материалу: он не впитывает влагу, не набухает, относительно прочен в применении.

Жидкое дерево разливают в специальные формы, которые предусматривают наличие шипов и пазов для крепления досок.

Преимущества материала

ДПК устойчив к воздействию ультрафиолета: он не растрескивается, не деформируется. Он не изменяет свою структуру при низких температурах воздуха, воздействии влаги, кислот и других негативных сред.

Материал устойчив к воздействию плесени, в ДПК не заводятся насекомые, он не является приманкой для мышей, крыс и прочих грызунов. Для большей устойчивости его могут покрывать специальной полимерной пленкой.

Еще один плюс – более высокая прочность (позволяет выдерживать более 5 ц на 1 м 2). Это дает возможность размещать на досках любую тяжелую мебель.

Жидкое дерево – гибкий материал, который легко поддается обработке . Его можно распиливать, обстругивать. Это учитывается в производстве полимеров или в процессе литья.

Жидкое дерево – экологически чистый материал, поскольку используемый аброформ и полимер не выделяют ядовитых веществ и не представляют опасности для человека. ДПК не горюч и не поддерживает горение.

Возможно ли изготовить его самостоятельно?

Сделать «жидкое дерево» (аброформ) в домашних условиях можно, при этом ДПК, изготовленный своими руками, будет обладать нужными характеристиками. Заготовки подойдут для реставрационных работ (мебель), грубого полового настила для вспомогательных помещений, беседок, террас.

Чтобы изготовить жидкое дерево, надо взять древесные опилки и измельчить их при помощи домашних мельниц или кофемолок . В смесь добавляют клей ПВА (соотношение опилок и клея 70:30). Полученная смесь должна быть густой. Чтобы материал имел нужный цвет, рекомендуется добавить краску (эмаль) подходящего цвета.

Полученная масса – аналог ДПК. Материал можно наносить на поврежденные участки паркета, ламината, мебели.

Если залить пол таким материалом, то под него надо сделать опалубку, а саму смесь подготовить в нужном объеме. Затем можно приступать к заливке. Рекомендуемая толщина будущей доски – 50 мм.