Технологический процесс, оборудование и инструменты для изготовления профильных деталей из древесно-полимерной композиции (ДПК) методом экструзии. Жидкое дерево своими руками – создаем деревопластик дома Форм из древесного пластика

Пластик является универсальным материалом Он нашел широкое применение в изготовлении разнообразных узлов и деталей как в промышленной, так и в бытовой технике. Изделия из него используют в оформлении интерьеров жилых помещений и офисов.

Разновидность материала, называемая жидким пластиком, позволяет создавать самые разнообразные по форме и размерам поделки. Это дает возможность воплощать в жизнь оригинальные дизайнерские решения. Как сделать жидкий пластик в домашних условиях?

Материалы для изготовления

Чтобы сделать жидкий пластик своими руками, необходимо подготовить следующее:

• контейнер из стекла или металла;
• ацетон;
• пенопласт.

При этом количество используемого ацетона зависит от желаемого объема готового средства.

Если вы хотите сделать жидкий пластик своими руками, рецепт его приготовления будет основан на растворении пенопласта в ацетоне. Для этого используют Он является упаковочной тарой для различной бытовой и электронной техники.

Как сделать жидкий пластик своими руками

Пошаговый рецепт приготовления названного материала выглядит так:

1. Открыть емкость с ацетоном и налить жидкость в стеклянный контейнер так, чтобы ее уровень от дна был равен приблизительно 1 см.
2. Полистирольный пенопласт необходимо поломать на множество мелких кусочков, каждый из которых будет легко размещаться под толщей растворителя.
3. Жидкий пластик своими руками можно сделать, опуская каждый кусок в контейнер и дожидаясь его полного растворения.
4. Пенопласт следует добавлять в емкость до той поры, пока он перестанет плавиться. Затем нужно подождать 5-10 минут, чтобы неиспользованный ацетон испарился.
5. После этого на дне контейнера образуется вязкая масса, которую можно использовать для производства разнообразных изделий.

Зная, как сделать жидкий пластик, помните, что полное затвердение массы продолжается 20-30 часов. Следовательно, изготавливаемую деталь нельзя извлекать из формы в течение данного промежутка времени.

Следует наносить вещество резиновым шпателем небольшого размера. Движения при этом должны быть плавными. Жидкий пластик необходимо растянуть на обрабатываемой поверхности. Если с его помощью заполняют щели, лучше использовать в работах кисти с жестким ворсом. Ими необходимо «проталкивать» смесь в зазоры. После застывания пластика рекомендуется нанести еще один слой вещества.

Описываемое средство давно продается в готовом виде. Его необходимо только разогреть на водяной бане или в специальном оборудовании. Также для этого часто используют строительный фен.

Как правило, жидкий пластик выпускают в плотных упаковках. Его сроки и условия хранения строгие. Температура в помещении, где он находится, не должна опускаться ниже 15 градусов. Иначе средство потеряет эксплуатационные характеристики:

• вязкость;
• эластичность;
• твердость после застывания;
• практичность;
• долговечность.

Стоимость жидкого пластика довольно высока. Именно поэтому лучше сделать его самостоятельно.

Меры предосторожности

Ацетон является весьма опасной жидкостью, которая крайне негативно воздействуетна организм человека. Поэтому жидкий пластик своими руками разрешается изготавливать только при строгом соблюдении следующих мер предосторожности:

1. Перед работой с ацетоном необходимо тщательно изучить инструкцию по его применению. Она указана на этикетке емкости.
2. Следует использовать специальные герметичные защитные очки. Они уберегут глаза в случае попадания капель и испарений жидкости. Работа без них может привести к серьезным травмам глаз.
3. Ацетон токсичен, поэтому пользоваться ним следует только в пределах хорошо проветриваемого помещения. При этом необходимо использовать средства защиты органов дыхания.
4. Это легко воспламеняющееся средство. Поэтому жидкий пластик своими руками делают вдали от источников открытого огня. А при выполнении работ категорически запрещается курение.
5. Остатки ацетона запрещается сливать в систему канализации.
6. По окончании процесса, а также после заливки готового пластика в формы, необходимо тщательно вымыть руки.

Применения жидкого пластика в отделке

Для отделки средство используют давно. После его нанесения, на обрабатываемой поверхности возникает эластичная пленка. Она обладает высокой водонепроницаемостью и устойчивостью к ультрафиолетовому воздействию. Защищенный подобной пленкой материал не боится воздействия агрессивных моющих средств. Ровная поверхность обладает приятным блеском и сохраняет свои характеристики на протяжении многих лет.

Жидкий пластик в оконных работах

Большинство вновь установленных пластиковых окон в зоне соединений имеют зазоры. Чтобы исключить подобное явление все детали оконной конструкции, которые соединены между собой, обрабатывают описываемым веществом. Оно после высыхания создает на поверхности эластичную герметичную пленку. Нанесение жидкого пластика на окна своими руками возможно после изготовления материала по указанной выше методике.

Средство в антикоррозийной обработке

Жидкий пластик характеризуется и высокой степенью адгезии с обрабатываемой металлической поверхностью. Это свойство вещества стали использовать в антикоррозийной обработке стали. Жидкий пластик наносят на поверхность без предварительного грунтования. Он высыхает через несколько часов. После этого на поверхности образуется пленка, которая защитит материал от появления ржавчины.

Бизнес идея для организации мелкосерийного производства изделий из различных литьевых материалов в домашних условиях. Благодаря инновационным технологиям сегодня при изготовлении пластиковых изделий можно обойтись без дорогих станков термопласт автоматов. Более того, наладить мелкосерийное мини-производство можно прямо на своем рабочем столе. Данную бизнес идею можно рассматривать в двух направлениях:

1. Как основной бизнес по изготовлению готовых изделий и форм путем литья из:жидкого:
   • пластика;
   • силикона;
   • полиуретана;
   • прозрачных смол и прочих материалов.
2. Изготовление форм как эффективное дополнение к другим видам бизнеса в области:
   • строительства;
   • пищевой промышленности;
   • мыловарения.

В первом и во втором случаи литье в домашних условиях не требует больших вложений финансовых средств. Начать литьевой бизнес можно просто сейчас.

Изготовление с помощью жидких пластиков

Процесс изготовления осуществляется с помощью жидких пластиков и силиконовых форм. Теперь появилась возможность в домашних условиях производить пластиковые изделия мелкими сериями:

• сувенирную продукцию;
• игрушки;
• бижутерию;
• запчасти для автотюнинга;
• запчасти для разных механических устройств;
• обувь;
• посуду.

Существуют компоненты для изготовления деталей из тонкостенного пластика, которыми можно существенно расширить ассортимент продукции и производить детали любой сложности. Например, смешивание двух компонентов марки Axson FASTCAST F32 от французского производителя позволяет получить супер-жидкий пластик, который оттекает мельчайшие складки рельефа формы модели. К тому же он безвредный для детей и не имеет запаха.

Подготовка к производству

Для организации производства потребуется в первую очередь модель-образец. По ней сначала нужно сделать форму из специальных силиконовых или полиуретановых компонентов. С опытом и качеством материалов можно научиться снимать формы с моделей на таком высоком уровне, что будут даже видны отпечатки пальцев на изделиях (при необходимости). То есть копия получиться на уровне идентичности, которую нельзя отличить не вооруженным глазом. Пластиковым изделиям можно придать сложные компаунды с любым рельефом. Если нет готовой модели для образца, а нужно сделать уникальные изделия, ее можно заказать у владельцев 3D принтера. Кстати литье существенно превышает по показателям производительности 3D печати из пластика.

Когда ваше изделие готово его можно оформить с помощью сопутствующей продукции, которая прилагается к жидким пластикам:

• краски для художественных эффектов;
• грунтовки;
• клея.

Естественно в некоторых случаях без творчества не обойтись, и придется вручную разрисовать изделия, что может отразиться на производительности. Но создания каждого бизнеса это бесспорно творческий процесс. Ведь управление финансами - это искусство.

Изготавливаем изделие из жидкого пластика

Технология создания идеального мелкого рельефа при изготовлении в силиконовой форме своими руками. Для начала необходимо подготовить все компоненты и материалы. Нам потребуются:

1. Селикон Platinum.
2. Жидкий пластик Axson FASTCAST F18 (цвет белый, имеет консистенцию воды, без запаха!).
3. Краситель для силикона алого цвета.
4. Полиуретановый лак.
5. Весы.
6. Шприц.
7. Пилка-баф.

Надежно закрепляем модель-образец на дне опалубки для формирования формы, с помощью нейтрального воскового пластилина (чтобы избежать подтекания силикона). Красим силикон, из которого получиться готовая форма в алый цвет, чтобы на форме четко было видно качество вымешивания компонентов жидкого, белого на цвет пластика. Полезный совет: чтобы форма была идеальна, следует предварительно модель-образец обмазать силиконом с помощью широкой кисточки. Таким образом, аккуратно заполнить все углубления рельефа компаунды. Только после этого, заливаем форму полностью. Силиконом заполняем всю опалубку. Оставляем на закрепления структуры формы 7-8 часов. Самое трудное позади.

Поздравляем!!! Теперь у вас есть готовая форма для неоднократного производства изделий-копий модели-образца. Перед началом литья убедитесь в том, что форма полностью высушена, дабы избежать образования пузырьков. Потом очень тщательно смешиваем компоненты пластика 1:1 по весу (для этого лучше использовать аптечные или лабораторные электронные весы). Время схватывания 7 минут, но для полного закрепления потребуется еще 20 минут. Этот пластик нейтрален к силикону и не прилипает к нему. Но после многократного использования компаунды со временем, возможно, понадобится смазка-разделитель с защитными свойствами EaseRelease. После истечения необходимого времени достаем готовое изделие, которое скопировано точно по образцу.

Полиуретановые формы для строительства

Вместе с пластиковыми изделиями можно производить формы для литья. Применение литьевых форм в строительстве сейчас очень популярно. Можно производить компаунды для производства строительных материалов. Они долговечны и не требуют обработки специальными разделяющими смазками при изготовлении. Ведь бетон абсолютно нейтрален к полиуретану. Например, жидкие полиуретановые компаунды позволять изготавливать формы для заливки:

• бетонных декоративных изделий (плитки, заборы и др.);
• гипсовых элементов декорации интерьера (балясины, лепины и др.);
• жидкого пластика при создании самых разных изделий (сувениры, игрушки, статуэтки и др.).

Силиконовые формы для кондитера и мыловарения

Применение технологии литья в формах в пищевой промышленности вполне очевидно. Новые инновационные решения в области химии сегодня предлагают жидкие: пластики, силиконы, силиконовые массы, которые соответствуют всем нормам здравоохранения и имеют соответствующие сертификаты. Такими безопасными компонентами можно изготавливать формы для пищевой промышленности. Например, для производства:

• шоколада;
• карамели;
• изомальта;
• льда;
• мастики.

Также компаунды пользуются большим спросом у мыловаров. Они всегда нуждаются в новых оригинальных формах, для создания продаваемых сувениров сделанных из мыла. Совершенно не сложно найти заказчика желающего изготавливать свою продукцию с уникальной формой.

Возможности небольшой бизнес-идеи

Данная бизнес-идея позволяет легко создавать востребованную продукцию своими руками. Готовые работы можно продавать через интернет-магазин. Также можно предоставлять услуги или продавать готовые компаунды для других производителей в других отраслях. Самое главное, что при всех этих широких возможностях домашнего бизнеса стоимость компонентов более чем доступна. Ассортимент компонентов широк и позволяет выбрать необходимые материалы для создания форм или их заливки. Все что потребуется это модель-образец, с которой будет снята форма. Такая бизнес-идея весьма привлекательна для домашнего бизнеса. Она не требует много затрат, позволяет производить полезные товары и увлекает творческим процессом производства.

Экология потребления.Наука и техника:Люди научились превращать отходы обработки натуральных материалов в продукцию, опережающую эти материалы по свойствам.Из статьи вы узнаете о совершенно новом материале - древесно-полимерном композите или ДПК.

Последние 40 лет развития промышленности смело можно назвать «эрой комбинированных материалов». Современное оборудование и технологии позволяют соединить, казалось бы, несовместимое: дерево, бетон, пластик, бумага, металл. Все они смешиваются, диффузируются, сплавляются с одной целью - получить новый продукт, сочетающий в себе наилучшие свойства нескольких исходных материалов. Так, среди прочих новинок мы увидели «жидкое дерево».

Что такое «жидкое дерево»

Говоря техническим языком, это экструдированный древесно-полимерный композит (ДПК). Это значит, что древесная составляющая законсервирована с помощью пластика. В такой комбинации материал принимает наилучшие свойства:

1. От дерева - прочность на сжатие, ударопрочность, упругость. При этом древесная составляющая практически бесплатна - в ход идут любые отходы, перемолотые в муку.
2. От пластика - коррозионная устойчивость, гибкость, точность обработки. Полимер обволакивает древесные частицы и устраняет главный недостаток дерева - разрушительные реакции с водой. Полимер в этой технологии - на 90% вторичный пластик, т. е. переработанные отходы.

Технологический процесс прост для понимания, но довольно сложен для исполнения. Полимер (пластик) смешивают в определённой пропорции с древесной мукой и нагревают так, чтобы он расплавился. Затем формуют в экструдере, на вальцах или в пресс-формах и охлаждают. На разных этапах в массу подмешивают около 10 разных присадок - пластификаторы, катализаторы, упрочнители и другие. Все подробности изготовления - сорт древесины и марка пластика, пропорции смеси, присадки, температурные режимы, как правило, составляют производственную тайну. Известно, что все ингредиенты можно приобрести в свободной продаже, а для древесной муки преимущественно выбирают бамбук, лиственницу и другие прочные породы средней ценовой категории.

Для изготовления ДПК создаются специальные многоступенчатые производственные линии. Они состоят из множества устройств и контроллеров. Собрать такой станок своими руками в гараже, к сожалению, не получится. Но можно приобрести готовую производственную линию.

Продукция из ДПК

В настоящее время ассортимент продукции неполон, т. к. материал относительно новый и свойства его до конца не изучены. Однако несколько наиболее востребованных позиций можно упомянуть уже сейчас.

Террасная доска или декинг

Составляет до 70% всей востребованной продукции из ДПК на сегодняшний день. Большая часть поставляемых производственных линий ориентирована на выпуск именно такой доски, т. к. это единственная на данный момент альтернатива дереву. Доска состоит из рамки периметра, рёбер жёсткости внутри и имеет пазогребневую систему крепления. Предлагаются различные цвета.

Преимущества перед традиционным материалом: от дерева доску ДПК выгодно отличает сплошной прокрас и лучшие физические показатели (прочность, гибкость, точность обработки). Многие виды доски ДПК выпускают двусторонними - с рельефами массива дерева и ребристой нарезкой.

Террасная доска ДПК на видео

Облицовочные фасадные панели или планкен

По большому счёту, их можно соотнести с виниловым сайдингом - принцип монтажа и структура панели у них очень похожи. Но панель ДПК значительно толще и жёстче, соответственно, имеет больший вес и лучшие физические свойства.

Преимущества перед традиционным материалом: более прочный и долговечный фасад, пазухи в панелях и толстые стенки лучше удерживают тепло и поглощают шумы.

Заборы, ограды, перилла, балюстрады

Формы малой архитектуры из «жидкого дерева» для декоративной отделки экстерьера и ландшафта. Имеют хорошую несущую способность и пригодны для интенсивной эксплуатации (в людных местах).

Такие изделия принято было выполнять из дерева (недолговечного и требующего ухода) или бетона (тяжёлого, холодного и не всегда надёжного). Древесно-композитные формы делают сборными, причём все детали проектируют заранее. На месте остаётся только собрать их при помощи болгарки и шуруповёрта. Такой забор не требует мощного фундамента, постоянной окраски. В случае повреждения участка или элемента конструкции, его можно легко заменить, изготовив дополнительно нужное количество деталей.

Общее преимущество - абсолютная нечувствительность к атмосферному износу (влага, мороз, перегрев на солнце), насекомым, грибкам и истиранию.

Общий недостаток - относительно большие колебания при нагреве и охлаждении. Расширение террасной доски ДПК может составлять до 6 мм на 1 м (при постепенном нагреве до +40 °С).

Цены на фасадные панели из «жидкого дерева»

Как выбрать террасную доску из ДПК

Любой вид «жидкого дерева» производится из древесной муки, состав которой не столь важен. Но состав полимера, который добавляется к ней, может иметь решающее значение:

1. Полимер на основе полиэтилена. Проще и дешевле в производстве. Содержит большее количество опилок, за счёт чего он дешевле аналогов. Подвержен УФ-излучению (без присадок).
2. Полимер на основе ПВХ. Более устойчив к перепадам температур, ультрафиолету, большая пожаробезопасность. Долговечнее в 2 раза по сравнению с иными составами.

По типу профиля террасные доски делятся на два типа:

1. Полнотелые. Выдерживают значительные ударные нагрузки. Хорошо подходят для мест с большой проходимостью - летние кафе и веранды, палубы судов, набережные и пирсы.
2. Пустотелые. Имеют малый вес. Подходят для террас частных домов.

По типу соединения доски ДПК делятся на:

1. Шовные. Монтируются с зазором 3–5 мм и предусматривают хороший отвод воды. Крепятся кляммерами из металла или пластика.
2. Бесшовные. Создают сплошную прочную поверхность за счёт обоюдного сцепления. Крепятся саморезами, кляммеры не требуются. Подходят для летних площадок кафе - в зазоры не попадают мелкие вещи, каблуки и т. д.

По типу противоскользящего покрытия или обработки:

1. Обработанные щётками («брашинг» от англ. brush - кисть, щётка). Поверхность, созданная металлической щёткой (искусственное старение).
2. Шлифованные. Поверхность обрабатывается наждачным полотном.
3. Тиснёные. Как правило, исполняются в структуре дерева. Хороший декоративный вид, но в проходимых местах рисунок истирается и это становится заметно.
4. Ко-экструзия. Верхний слой выполняется из высокопрочного состава и структурируется во время экструзии самой доски.
5. Ко-экструзия с глубоким эмбоссингом (от англ. embossing - тиснение). Тиснение на верхнем слое имитирует ценные породы дерева.

На что обратить внимание вне зависимости от выбранного типа доски:

1. Высота рёбер. От неё зависит прочность доски.
2. Количество рёбер жёсткости. Влияет на прочность на изгиб - чем их больше, тем выше прочность.
3. Толщина стенок. Тонкие стенки (2–3 мм) плохо держат ударные нагрузки.
4. Ширина доски. Чем шире доска или панель, тем быстрее и проще монтаж и меньше потребуется креплений.

Видео - как выбрать террасную доску ДПК

Совершенно справедливо можно принимать данные советы по отношению к фасадным панелям и другим изделиям из ДПК для облицовки плоскостей.

Индустрия обеспечивает обывателя возможностью сделать свой выбор - использовать новый натуральный материал, на который идут природные ресурсы (дерево, камень) или применить продукцию переработки вторсырья. Сегодня люди научились превращать отходы обработки натуральных материалов в продукцию, опережающую эти материалы по свойствам. Однако выбор остаётся за человеком - либо утилизировать мусор, приобретая ДПК, либо создавать его всё больше, отдавая предпочтение природным материалам. опубликовано

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.