Статьи
Современное оборудование для компаундирования термопластичных древесно-полимерных композитов
Опубликовано: 05.09.2018
Вопрос как лучше производить изделия, прямой экструзией или в двухстадийном процессе, пока еще не получил окончательного разрешения. Свои позитивные стороны есть и в первой и во второй технологиях, а кроме того, происходят постоянные изменения в технике, технологии и организации производства.
Термопластичные древесно-полимреные компаунды уже довольно широко присутствуют на зарубежных рынках, см. например перечень предприятий, занимающихся производством и продажей компаунда для литья и экструзии ДПК, см. приложение.
Термопластичные древесно-полимерные компаунды применяются при экструзии, при литье изделий под давлением и при горячем прессовании.
Комапунд приготавливается из древесной муки или волокна, базовой смолы и необходимых аддитивов. Составы компаундов по видам и количествам ингридиентов могут быть весьма разнообразными. Задача компаундирования - объединение всех компонентов в однородный плотный материал, в котором древесные частицы полностью инкапсулированы внутрь полимерной матрицы, а аддитивы и пигменты равномерно распределены по ее объему. Технически, это довольно сложная задача, особенно - при небольшом количестве довольно вязкой смолы.
От качества компаундирования в большой степени зависит зависит простота дальнейшей экструзии или литья и качество получаемой конечной продукции. В частности, некоторые компаунды можно перерабатывать в дальнейшем на одношнековых экструдерах даже с небольшим соотношением L/D.
Плохое компаундирование, например, приводит к появлению не покрытых смолой древесных частиц на поверхности композита, что, конечном счете, в снижает стойкость готового изделия к неблагоприятным воздействиям, см. фото ( нижний профиль в каждой паре).
В настоящее время используется несколько методов изготовления древесно-полимерных компаундов. В принципе, их может быть довольно много, основанных на различных механических и физических принципах. По теме смешивания и компаундирования существует большая литература, т.к. этот процесс играет важное значение в проблематике любых композиционных материалов, а также в резиновой промышленности, пищевой индустрии, сельскохозяйственном производстве, бетоноведении, фармацевтике и т.д. и т.п. Постоянно появляются новые патенты на эту операцию и новое оборудование.
Для более наглядного понимания принципов и проблем компаундирования я бы предложил читателю зрительно вспомнить знакомый всем процесс приготовления теста для пирогов или хлеба. Например, в хлебопечении лучшим методом замешивания теста до сих пор считается ручной. Это легко объяснимо, т.к. руки способны совершать весьма разнообразные движения и кроме того, обладают высокой чувсивительностью, обеспечивающей полный контроль за состоянием и качеством смеси. Во время приготовления теста пекарь производит следующие манипуляции : перемешивание, сдавливание и сдвиг фрагментов теста.
Подобные манипуляции происходят и при приготовлениии термопластичных компаундов. Только машины работают несколько грубее, больше полагаясь на силу и скорость. Тем не менее инженеры постоянно ищут новые методы компаундирования, способные улучшить равномерность компаунда, уменьшить затраты времени и энергии.
Особенностью процесса компаундирования термопластичных ДПК является необходимость разогрева базовой смолы до пластичного состояния с тем, что бы ее можно было равномерно распределить в промежутках между частицами древесины. Недостаточно нагретая смесь плохо поддается компаундированию, но во избежание деструкции смолы и древесины нельзя допускать и ее перегрева.
Для обеспечения легкого и качественного компаундирования и последующей переработки компаунда в составе смеси должно быть достаточное количество технологических добавок. Функциональные аддитивы добавляются в смесь исходя из предназначения изготавливаемого компаунда.
Примечание. Некоторые аддитивы могут играть сразу несколько ролей.
При компаундировании натуральных волокон желательно избегать их разрыва, т.е. сокращения длины, т.к. в этом случае будут уменьшаться их армирующие свойства в структуре ДПК и, соответственно, изгибная прочность изделия.
В простейшем случае древесно-полимерный компаунд приготовливают в лопастном смесителе вертикального или горизонтального типа, см. например рис 1.
Рис 1. Вертикальные лопастные смесители фирмы Gebruder Lodige Maschinenbau GmbH
Необходимые компоненты загружаются в верхнюю ванну смесителя, подогреваются и тщательно перемешиваются. Подогрев ванны осуществляется при помощи маслянного или электрического нагревателя. Затем полученный расплав выдавливается в нижнюю ванну с водой и там охлаждаются. Производительность смесителя определяется размерами верхней ванны и временем перемешивания (5-6 циклов в час). Размер ванны смесителя может составлять до нескольких кубометров, а производительность до нескольких тонн в час. Подобные смесители широко применяются в пластиковой промышленности и изготавливаются многими фирмами. Они популярны в силу невысокой цены, простоты и надежности конструкции. Однако, даже в их использовании есть много тонкостей, влиящих на процесс компаундирования, например: форма лопастей, скорость движения, температуры верхнего и нижнего бака и пр.
На фотографиях показаны гранулы ДПК и формы лопастей смесителей, применяемый фирмой Gebruder Lodige Maschinenbau GmbH (изготовитель смесительного оборудования). В частности, смесители этой фирмы позволяют компаундировать ДПК, содержащие до 85 % древесины.
 |
 |
|
Гранулы ДПК и полипропилена |
Лопасти смесителей для компаундирования ДПК |
Примечание.
Не смотря на внешнюю похожесть лопастных смесителей, выпускаемых различными фирмами, их эффективность может сильно различаться. Это зависит от конструкции лопастей, системы нагрева, охлаждения, возможности управления параметрами процесса и др. факторов. При высокой скорости вращения ротора с лопастями происходит значительный дополнительный разогрев смеси. Поэтому, некоторые высокоскоростные смесители могут обходиться вообще без дополнительного подогрева. При разогреве смеси происходит удаление из древесины некоторого количества влаги.Технологии лопастного компаундирования присущи следующие недостатки:
Древесная мука имеет небольшую насыпную плотность. Поэтому, в начальный период смешивания будет происходить много холостых вращений лопастей смесителя. Качественное перемешивание древесно-полимерной смеси занимает значительное время. Для облегчения и ускорения процесса желательна высокая температура. Она внутри лопастного смесителя распределяется довольно неравномерно. Фактическую температуру смеси измерить технически затруднительно. Все это приводит либо к недостаточной равномерности смеси или к частичной термоокислительной деструкции базовой смолы и природных полимеров древесины. Впоследствии это приводит к некоторой потери прочности и стойкости композита. Компаунд получается не слишком плотным. Внутрь компаунда вовлекается большое количество воздуха. При лопастном компаундировании невозможно равномерно распределить небольшое количество функциональных и технологических добавок по всему объему компаунда. Не все частицы древесины полностью покрыты пленкой смолы.Для изготовления высококачественных изделий компаунд, полученный в лопастных смесителях, желательно в дальнейшем перерабатывать в двухшнековых экструдерах, обладающих хорошими смесительными свойствами и мощной системой дегазации. Для некоторых не слишком ответственных изделий может и не требоваться высокое качество компаундирования. Например, в тех случаях - когда не высоки требования к прочности и стойкости изделий ( интерьерный декор и т.п.). В этом случае компаунд можно перерабатывать и в одношнековых экструдерах.
Принципиально возможно изготавливать древесно-полимерный компаунд и на других типах традиционного смесительного оборудования периодического и непрерывного действия, применяемого в пластиковой и резиновой промышленности, но им присущи многие описанные выше недостатки.
В последнее время, в производстве темопластичных композитных материалом становятся популярными двухшнековые смесители экструзионного типа. Говоря точнее они стали основным типом смесителей для получения ДПК. В двухшнековом смесителе-экструдере частицы компаунда перемешиваются во время перемещения между двумя вращающимися шнеками, которые как бы перетирают компаунд. Под высоким давлением частицы разогретой смолы приобретают пленкообразную форму и обволакивают частицы древесины и и проникают в ее поры.
Так как скорость движения расплава в двухшнековых машинах достигает нескольких метров в минуту, то время пребывания разогретых полимеров в смесителе уменьшается в несколько раз. Кроме того, смешивание осуществляется в замкнутом ограниченном объеме, что уменьшает контакт смеси с кислородом воздуха. Таким образом принципиально уменьшается термоокислительная деструкция полимеров и сохраняются прочностные свойства композита.
В ходе горячего компаундирования в экструдере можно добиться и удаления некоторого количества влаги, содержащейся в древесной муке. Фактически для производства компаунда может применяться тот же экструдер, что для прямой экструзии профилей, только оборудованный гранулирующей головкой. Однако, разрабатываются и специальные двухшнековые машины, предназначенные только для производства компаунда.
Ниже показан процесс приготовления гранулированного компаунда, с использованием древесной муки и других растительных волокон, выпускаемого немецкой фирмой Haller Formholz на оборудовании собственной конструкции.
|
Этап 1: Подача материала Гравиметрическая подача волокна в главный двухшнековый экструдер (co-rotating) Влажность до 15 %, нет необходимости предварительной сушки. Длина волокна до 5 мм Могут быть использованы почти все виды натуральных волокон. |
 |
Этап 2: Удаление влаги Мягкая сушка волокна Минимальное повреждение волокна Отсутствие перегрева волокна |
|
Этап 3: Пластификация полимеров и аддитивов Гравиметрическая подача полимера и аддитивов Одновременное дозирование различных аддитивов Высокая эффективность благодаря использованию отдельного экструдера для смолы (co-rotating twin-screw extruder) Высокая эффективность использования аддитивов |
Этап 4: Компаундирование волокна и смолы Каждая частичка древесины или волокно полность покрывается смолой Гомогенная смесь, без комков волокон и смолы Высокая температура не повреждает волокно вследствие короткого времени пребывания его в экструдере |
Этап 5: Окончательное удаление влаги |
|
Этап 6: Гранулирование компаунда Чистый, свободный от пыли гранулированный компаунд Отличные технологические свойства компаунда. Хорошая траспортабельность благодаря высокой насыпной плотности (около 500 кг/м3) Окончательная влажность компаунда около 2% |
Примечание. При переводе этой таблицы я старался сохранить стиль оригинала.
Заметим, что на 3-й позиции полимер подогревается и попадает в главный экструдер уже в расплавленном виде. Дегазация (удаление пара) в этой установке осуществляется дважды - первый раз на стадии уплотнения древесной муки, второй раз - в процессе смешивания муки со смолой, что позволяет использовать древесину с влажностью до 15 %.
Приготовленный таким образом высококачественный компаунд может быть в дальнейшем переработан на стандартных литьевых машинах и на одношнековых экструдерах.
Уже многие фирмы изготавливают двухшнековые машины для компаундирования ДПК, но в каждой есть свои особенности, касающиеся формы шнеков, устройства дегазации, управления и пр.
Шнеки этих экструдеров могут иметь не только традиционные винтовые поверхности, но и участки сложных геометрических форм, в которых поток компаунда значительно изменяет направление и характер движения, что способствует лучшей гомогенизации компаунда. См. фотографии ниже
Шнеки экструдера могут иметь несколько таких участков, см. например фото. компаундера американской фирмы Twin Screw Extruders Incorporated (выделено красными стрелками)
Японская фирма Creative Technology & Extruder Co. в своей новой установке разработанной для компаундирования ДПК использует оригинальную схему экструдера, в которой комбинируется двухшнековый экструдер-смеситель на входе и одношнековый - на выходе.
Компундерная установка фирмы Creative Technology & Extruder Co.
Новым типом смесителя для компаундирования ДПК является смесительно-гранулирующий комплек Palltruder, разработанный, немецкой фирмой Pallmann Maschinenfabrik GmbH & Co. KG ( совместно с фирмой Colortronic). Комплекс предназначен специально для изготовления гранулированного древесно-композитного материала, получившего название PallWood, содержащего до 80 процентов древесины. Внешний вид получаемого компаунда и установки, см. рисунок и фото.
Гранулированный древесно-полимерный композит PallWood ® и производственная установка Palltruder®
Дозирование компонентов гравиметрическое. Влажность используемой древесины до 8 %. Мощность установки от 200 до 2 000 кг час готовых композитных гранул. Схема машины показана на рисунке.
Компоненты поступают из дозирующей системы на вращающийся шнек, который подает их в зону смешивания, как показано на следующем рисунке и фото.
Разогрев смеси осуществляется благодаря действию сил трения, а компаундирование происходит под давлением в зазоре между диском и специальными твердыми трущими пластинами ( образно можно сравнить лопасть диска с ладонью, а трущую пластину с пальцем руки).
Схема установки приведена ниже
Установка оснащается системой гравиметрического дозирования компонентов, см. схему и фотографию ниже.
Новую конструкцию смесителя для приготовления компаундов представила американская фирма Draisewerke. Этот высокоскоростной термокинетический смеситель-компаундер получил название Gelimat ( High Speed Thermokinetic Mixer/Compounder).
 |
 |
|
Gelimat с открытой крышкой смесителя |
Gelimat в рабочем положении |
Достоинствами термокинетических миксеров являются очень малое время приготовления компаунда ( не более 30 секунд), возможность получения смесей с наполнением древесиной до 85 %, полная автоматизация процесса, хорошее качество компаундирования, небольшие капиталовложения и удельные затраты.
Примечание. Более подробно об истории шнековых смесителей и компаундеров и принципах работы можно почитать в книге Х. Германна " Шнековые машины в технологии", которая имеется в библиотеке.
В иcследованиях отмечается также возможность использования для приготовления ДПК компаундов и дисковых мельниц ( Szego mill), используемых, например в бумажной и др. промышленностях.
Автор статьи: Абушенко Александр Викторович