Способ получения изделий из древесно-полимерных композитов
Владельцы патента RU 2781265:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный лесотехнический университет" (RU)
Изобретение относится к технологии изготовления профильно-погонажных изделий из древесно-полимерных композитов (ДПК) методом экструзии. Способ включает стадию смешения и сушки компонентов ДПК с помощью смесителя, дальнейшую экструзию профильно-погонажных изделий с помощью двухшнекового экструдера при температуре 160-180°С, последующее калибрование и резку профиля, выходящего из двухшнекового экструдера на изделия, после смешения и сушки компонентов ДПК проводят агломерацию древесно-полимерной смеси с помощью пресса-гранулятора при температуре подаваемой в пресс-гранулятор смеси 75-90°С, влажности 1,0-5,0 мас. % и давлении 40-80 МПа. Изобретение обеспечивает повышение производительности и эксплуатационных характеристик готовой продукции на одностадийных экструзионных линиях для производства профильно-погонажных изделий из ДПК. 1 табл., 5 пр.
Изобретение относится к технологии изготовления профильно-погонажных изделий из древесно-полимерных композитов методом экструзии.
Известен ряд способов получения древесно-полимерных композитов, характеризующихся применением экструдеров с секциями ультразвуковой обработки. Применение ультразвука в процессе экструзии позволяет получать древесно-полимерные материалы и изделия с высоким структурным и поверхностным качеством. Также отмечается, что применение ультразвука при получении ДИК значительно повышает прочностные характеристики композитов, приближая их к исходному полимеру (RU №105223, МПК В29С 47/00 (2006.01); RU №112091, МПК В29С 47/00 (2006.01).
Известен способ получения изделий из древесно-полимерного композита на основе пластмасс и дисперсного древесного наполнителя, включающий обработку и смешение компонентов методом трибоактивации в потоке со скоростью частиц от 10 до 40 м/с и последующую экструзию изделий. МПК C08L 97/02 (1995.01).
К недостаткам указанных способов следует отнести локальные перегревы смеси в процессе экструзии, снижение скорости процесса экструзии, а также снижение показателей физико-механических свойств готового материала.
Наиболее близким технических решением является способ получения изделий из древесно-полимерных композитов, который приводится Дж. К. Кимом и К. Палом в книге «Recent Advances in the Processing of Wood-Plastic Composites)) (DOI 10.1007/978-3-642-14877-4, см. Приложение к заявке). Способ предполагает получение ДПК и включает стадии смешения компонентов, сушку, экструзию древесно-полимерного композита. Недостатком способа является поступление в экструдер древесно-полимерных смесей в виде порошка. Вследствие чего необходима организация принудительного питания экструдера из-за образования сводов древесно-полимерной смеси в бункере-дозаторе. Низкая плотность смеси, поступающей на стадию экструзии, является причиной снижения скорости (производительности) всего процесса; уплотнение смеси на первой стадии экструзии сопряженно с разогревом материала вследствие трения частиц наполнителя; локальные перегревы и неравномерное распространение тепловой энергии в материале, является причиной его неоднородности и снижения эксплуатационных свойств готовых изделий.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение производительности и эксплуатационных характеристик готовой продукции на одностадийных экструзионных линиях для производства профильно-погонажных изделий из ДПК.
Техническая задача достигается тем, что способ получения изделий из древесно-полимерного композита, включает стадию смешения и сушки компонентов ДПК с помощью смесителя, дальнейшею экструзию профильно-погонажных изделий с помощью двухшнекового экструдера при температуре 160-180°С, последующее калибрование и резку профиля выходящего из двухшнекового экструдера на изделия, отличающийся тем, что после смешения и сушки компонентов ДПК проводят агломерацию древесно-полимерной смеси с помощью пресса-гранулятора при температуре подаваемой в пресс-гранулятор смеси 75-90°С, влажности 1,0-5,0 мас. % и давлении 40-80 МПа.
При сравнении заявляемого технического решения с прототипом можно предположить, что оно соответствует критерию «новизна».
Способ может быть реализован на известном оборудовании, которое применяется в этой области, поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость».
В процессе предварительной агломерации древесно-полимерной смеси различают три последовательные стадии:
1. Сближение частиц;
2. Образование компактного тела (частицы смеси сближаются настолько, что между ними возникают силы межмолекулярного и электростатического взаимодействия);
3. Объемное сжатие компактного тела.
В процессе экструзии образованные компактные тела разрушаются, что приводит к возникновению дефектов структуры поверхности частиц наполнителя. Эти дефекты выполняют роль активных центров межфазного взаимодействия и положительно влияют на процессы структурообразования композиционного материала, обеспечивая прочность связи в системе наполнитель-матрица, следовательно, можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Пример 1.
Берут непластифицированный суспензионный ПВХ в виде порошка; древесный наполнитель в виде древесной муки 180, полиэтиленовый воск, краситель, дибутилфталат (пластификатор) и краситель при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| ПВХ | 40,0 |
| древесная мука | 49,0 |
| стеарат кальция | 2,5 |
| краситель | 2,5 |
| пластификатор | 6,0 |
Указанные компоненты смешивают и сушат в высокоскоростном смесителе при температуре 105°С до остаточной влажности 1%. Затем древесно-полимерную смесь остужают до температуры 90°С и направляют для предварительной агломерации в пресс-гранулятор. Агломерат переносится в бункер-дозатор двухшнекового экструдера, после чего при температуре 180°С происходит процесс экструзии профильно-погонажных изделий из древесно-полимерного композита.
Пример 2.
Берут непластифицированный суспензионный ПВХ в виде порошка; древесный наполнитель в виде древесной муки 180, полиэтиленовый воск, краситель, дибутилфталат (пластификатор) и краситель при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| ПВХ | 40,0 |
| древесная мука | 49,0 |
| стеарат кальция | 2,5 |
| краситель | 2,5 |
| пластификатор | 6,0 |
Указанные компоненты смешивают и сушат в высокоскоростном смесителе при температуре 105°С до остаточной влажности 2,5%. Затем древесно-полимерную смесь остужают до температуры 85°С и направляют в пресс-гранулятор для предварительной агломерации при давлении 40 МПа. Агломерат переносится в бункер-дозатор двухшнекового экструдера, после чего при температуре 180°С происходит процесс экструзии профильно-погонажных изделий из древесно-полимерного композита.
Пример 3.
Берут непластифицированный суспензионный ПВХ в виде порошка; древесный наполнитель в виде древесной муки 180, полиэтиленовый воск, краситель, дибутилфталат (пластификатор) и краситель при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| ПВХ | 40,0 |
| древесная мука | 49,0 |
| стеарат кальция | 2,5 |
| краситель | 2,5 |
| пластификатор | 6,0 |
Указанные компоненты смешивают и сушат в высокоскоростном смесителе при температуре 105°С до остаточной влажности 5%. Затем древесно-полимерную смесь остужают до температуры 75°С и направляют в пресс-гранулятор для предварительной агломерации при давлении 40 МПа. Агломерат переносится в бункер-дозатор двухшнекового экструдера, после чего при температуре 180°С происходит процесс экструзии профильно-погонажных изделий из древесно-полимерного композита.
Пример 4.
Берут непластифицированный суспензионный ПВХ в виде порошка; древесный наполнитель в виде древесной муки 180, полиэтиленовый воск, краситель, дибутилфталат (пластификатор) и краситель при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| ПВХ | 40,0 |
| древесная мука | 49,0 |
| стеарат кальция | 2,5 |
| краситель | 2,5 |
| пластификатор | 6,0 |
Указанные компоненты смешивают и сушат в высокоскоростном смесителе при температуре 105°С до остаточной влажности 1,5%. Затем древесно-полимерную смесь остужают до температуры 35°С и направляют в пресс-гранулятор для предварительной агломерации при давлении 80 МПа. Агломерат переносится в бункер-дозатор двухшнекового экструдера, после чего при температуре 160-180°С происходит процесс экструзии профильно-погонажных изделий из древесно-полимерного композита.
Пример 5.
Берут непластифицированный суспензионный ПВХ в виде порошка; древесный наполнитель в виде древесной муки 180, полиэтиленовый воск, краситель, дибутилфталат (пластификатор) и краситель при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| ПВХ | 40,0 |
| древесная мука | 49,0 |
| стеарат кальция | 2,5 |
| краситель | 2,5 |
| пластификатор | 6,0 |
Указанные компоненты смешивают и сушат в высокоскоростном смесителе при температуре 105°С до остаточной влажности 0,5%. Затем древесно-полимерную смесь остужают до температуры 75°С и направляют в пресс-гранулятор для предварительной агломерации при давлении 40 МПа. Агломерат переносится в бункер-дозатор двухшнекового экструдера, после чего при температуре 180°С происходит процесс экструзии профильно-погонажных изделий из древесно-полимерного композита.
Для проведения испытаний были изготовлены образцы древесно-полимерных композитов по примерам 1-5. В качестве прототипа были использованы образцы композитов того же состава, что и в примерах 1-5, полученные на том же оборудовании, но в которых древесно-полимерные смеси не подвергалась предварительной агломерации. Твердость по Бринеллю, модуль упругости при сжатии образцов определялись с помощью твердомера модели БТШПСП У 42 по ГОСТ 4670-67. Определение ударной вязкости и предела прочности при консольном изгибе проводились на приборе «Динстат-Дис» по ГОСТ 17036-71. Водопоглощение определялось по ГОСТ 19592. Результаты испытаний физико-механических свойств образцов ДПК представлены в таблице.
Как видно из примеров конкретного выполнения, у образцов ДПК, полученных предлагаемым способом по сравнению с прототипом возрастают показатели твердости и жесткости (модуля упругости при сжатии), а также показатель прочности при изгибе, являющийся важнейшим для профильно-погонажных изделий. Показатели ударной вязкости и водопоглощения за 24 часа сопоставимы с уровнем аналогичных показателей прототипа. Увеличение плотности материалов, полученных по предлагаемому способу, по сравнению с прототипом косвенно характеризует возросшую однородность структуры композитов, вследствие улучшения распределение частиц наполнителя в полимерной матрице и снижения количества дефектов, вызванных локальными перегревами материала в процессе экструзии. Кроме того, введение в технологический процесс стадии предварительной агломерации древесно-полимерной смеси позволяет значительно увеличить производительность процесса экструзии: для композиции, описанной в примере 1, скорость процесса экструзии возросла на 22% по сравнению с прототипом, а для композиции, описанной в примере 2 на 18%.
Таким образом заявляемое изобретение позволяет увеличить производительность процесса экструзии на 14-22% и повысить физико-механические свойства материала.
Способ получения изделий из древесно-полимерных композитов, включающий стадии смешения и сушки компонентов ДПК с помощью смесителя, дальнейшей экструзии профильно-погонажных изделий с помощью двухшнекового экструдера при температуре 160-180°С, последующее калибрование и резку профиля, выходящего из двухшнекового экструдера на изделия, отличающийся тем, что после смешения и сушки компонентов ДПК проводят агломерацию древесно-полимерной смеси с помощью пресса-гранулятора при температуре подаваемой в пресс-гранулятор смеси 75-90°С, влажности 1,0-5,0 мас. % и давлении 40-80 МПа.
