Производство изделий из древесно-полимерного композита

Сырье и материалы

Появление изделий из древесно-полимерного композита (ДПК) в Европе пришлось на 1970-е годы, и они постепенно завоевали популярность благодаря своим уникальным свойствам. В настоящее время ДПК широко используется для производства террасных досок, хотя его применение не ограничивается этим. Он также находит применение в автомобильной промышленности для создания панелей и в различных элементах уличных конструкций. Например, компания "Keter" выпускает садовые домики из этого материала.

Термин "композит" сам по себе подразумевает смесь двух или нескольких компонентов, включая наполнитель, связующий материал и различные добавки.
Древесная мука, используемая в производстве ДПК, часто является основным наполнителем. Отходы от деревообработки, такие как опилки, сначала измельчаются до определенного размера и проходят через процесс очистки и сушки. Качественная мука должна иметь низкую влажность, обычно не превышающую 3-5%. Если влажность выше, это может привести к замедлению производства или потере качества продукции. Хотя некоторые производственные линии могут обрабатывать муку с более высокой влажностью, опыт показывает, что лучше избегать использования слишком влажной муки.
Поскольку древесная мука способна поглощать влагу из окружающей среды, ее следует хранить в сухом месте и не на долго. Идеальным вариантом является производство муки непосредственно на заводе, однако это не всегда возможно по техническим причинам.

В России для производства ДПК наиболее подходящей является мука из березы и лиственных пород дерева. Она имеет почти белый цвет, что упрощает окрашивание готовых изделий. Кроме того, лиственная древесина содержит меньше смол, что важно при производстве ДПК методом экструзии, так как газовыделение остается на низком уровне.

Мука из хвойной древесины обычно имеет желтоватый оттенок, который становится более заметным в процессе нагревания и может привести к повышенному выделению дыма. Поэтому требуется особое внимание при производстве, чтобы не негативно сказывалось на качестве готовых изделий.

Следует также упомянуть о разнообразии цвета муки. Реальный цвет может значительно отличаться от партии к партии. Поскольку ДПК содержит значительное количество древесной муки, эти оттеночные вариации могут повлиять на окончательный вид изделий. Например, террасная доска из древесно-полимерного композита всегда будет немного отличаться по цвету в разных партиях.

Кроме того, цвет древесины может изменяться под воздействием солнечного света и атмосферных осадков, что также оказывает влияние на цвет готовых изделий.

В некоторых случаях для экономии затрат производители могут заменить древесную муку другими материалами, например, рисовой шелухой. Это практикуется некоторыми китайскими производителями. Рисовая шелуха придает доскам высокую твердость и низкую влагопоглощаемость. Однако у нее есть серьезный недостаток: она не обладает направленной структурой, которая присутствует у древесной муки. В результате физические свойства досок с рисовой шелухой могут значительно отличаться в продольном и поперечном направлениях, особенно в отношении температурных расширений. Проблемы, связанные с этим, известны специалистам, работающим с китайскими досками. Например, летом уложенные на террасу доски могут сжиматься зимой, что приводит к образованию зазоров между ними.

Термопласты

Один из основных компонентов изделий из древесно-полимерного композита (ДПК) - это связующий материал, пластик.

В настоящее время наиболее распространены следующие типы пластиков: полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ) и полипропилен (ПП). Процесс производства отличается для каждого из этих пластиков (особенно для ПВХ), а также отличается состав готового продукта.

Например, из-за технологических особенностей использования ПВХ требуется не менее 50% содержание пластика для получения качественного ДПК. В то же время, для ПП доля пластика может быть сокращена до 25% без потери качества. В нашей компании "Novadeck" мы используем ПЭ в производстве, поэтому я расскажу больше об особенностях производства ДПК на основе ПЭ.

Существует множество видов полиэтилена, которые отличаются своими свойствами. Наиболее часто используется полиэтилен низкого давления (ПНД), который применяется в производстве пластиковых труб. Разные марки ПНД имеют некоторые отличия в свойствах. В нашей компании мы стремимся использовать марку "Солен ЕР 0,26-51N" от завода "Салаватнефтехим". Эта марка не является самой дешевой среди марок ПНД, однако ее высокие технические характеристики гарантируют прочность изделий из ДПК и устойчивость к ультрафиолетовому излучению (УФ).

Некоторые производители ДПК, с целью экономии, используют переработанный полиэтилен (вторичный). Это материалы, полученные из переработки отходов, таких как крышки бутылок, пластиковые канистры и промышленные отходы. Вторичный полиэтилен стоит дешевле, однако его использование может быть рискованным. Содержание неизвестных веществ в этой смеси может негативно сказаться на качестве готовых изделий, особенно на их прочности и устойчивости к влаге. Более того, некачественный вторичный материал подвержен разложению под воздействием УФ-излучения и окисления. В таком случае, дефекты могут проявиться через годы, когда изделия начинают трескаться и рассыпаться.

Чтобы предотвратить подобные проблемы в ДПК, изготовленном из вторичного ПЭ, его следует обогащать специальными добавками, такими как УФ-стабилизаторы и антиоксиданты, в больших количествах. Однако стоимость этих добавок существенно увеличивает затраты на производство.

Минеральные наполнители

Минеральные наполнители являются неотъемлемой частью изделий из древесно-полимерного композита (ДПК). Как правило, в качестве минеральных наполнителей используется карбонат кальция, который может быть представлен в виде микрокальцита или технического мела. Компания "Novadeck" использует микрокальцит, произведенный в Греции или Турции и подвергнутый гидрофобизации стеариновой кислотой. Этот компонент добавляется в правильных пропорциях, чтобы улучшить структуру композита, повысить твердость, плотность и водостойкость. Однако использование минеральных наполнителей может увеличить стоимость готового продукта и не является обязательным при производстве ДПК.

Лубриканты

В процессе экструзии ДПК, при высоких температурах и давлении, изделия проходят через форму (фильтр). Чтобы процесс экструзии проходил максимально эффективно и без проблем, используются лубриканты. Эти смазки вводятся в состав ДПК для ускорения процесса "выдавливания" через форму. Чаще всего при производстве ДПК используют стеариновую кислоту или технический воск в качестве лубрикантов. Однако, существуют и другие более совершенные лубриканты, которые могут значительно улучшить технические характеристики готовой продукции. В компании "Novadeck" мы используем свои разработки, подобранные на основе многолетних экспериментов. Правильно подобранные лубриканты не только обеспечивают простоту производственного процесса, но также способны заметно повысить технические параметры и срок службы готового изделия. Некоторые лубриканты, такие как стеарат цинка, необходимо использовать с осторожностью, чтобы избежать нежелательных реакций с другими компонентами ДПК.

Компаундер для ДПК: необходимые добавки и их свойства

При производстве древесно-полимерных композитов (ДПК) важно использовать связующий агент, который позволяет смешать полиэтиленовый (ПЭ) расплав и древесную муку. Именно таким связующим агентом является полиэтиленовый воск. В отсутствие этой добавки, готовая продукция будет непрочной и быстро разрушаться под воздействием воды.

Однако, не все производители ДПК используют полиэтиленовый воск. Проблема заключается в том, что ПЭ и древесные опилки образуют несмешиваемую смесь. Это можно сравнить с куриным бульоном, состоящим из воды и жира, которые не растворяются друг в друге. То же самое происходит с древесной мукой в расплаве полиэтилена.

Для решения этой проблемы существуют специальные добавки, основанные на малеиновом ангидриде, который является капризным и ядовитым веществом. Поэтому в производстве ДПК эти добавки всегда используют в смеси с ПНД (полиэтилен низкого давления). Эта смесь, также называемая прививкой ангидрида к ПНД, выпускается на специализированных производствах.

Красители

Для окрашивания изделий из ДПК всегда используют красители. Без них, изделия будут иметь грязно-желтый цвет, что малопривлекательно. Обычно, для этой цели используют порошковые железноокисные пигменты, которые производятся в Китае. Для окрашивания в черные тона можно также применять технический углерод, который обеспечивает отличную защиту от УФ-излучения.

Существуют также "мастербатчи" - концентраты в виде гранул, которые позволяют расширить гамму цветовых решений. Однако, они стоят дорого. Некоторые цвета, такие как "Серый", практически невозможно выполнить с использованием порошковых пигментов. Для этого используют мастербатчи.

УФ стабилизаторы, антиоксиданты

УФ стабилизаторы и антиоксиданты необходимы для обеспечения устойчивости готовой продукции к УФ-излучению и окислению. Они добавляются в смесь в очень небольшом количестве.

Дополнительные добавки для ДПК

Помимо основных компонентов, перечисленных выше, некоторые производители ДПК могут также использовать дополнительные добавки. Например, антипирены, которые повышают огнестойкость материала, или биоцидные добавки, предотвращающие образование плесени. Однако, эффективность этих добавок в разумных количествах не всегда значительна. Кроме того, следует учитывать, что некоторые биоцидные добавки могут иметь токсические свойства.
Антипирины - это вещества, которые способны замедлить распространение огня и увеличить пожарную безопасность материала. Они добавляются в ДПК с целью улучшения его огнестойкости. Однако, эффективность антипиренов может быть ограничена и зависит от конкретных условий эксплуатации изделий. Поэтому, при использовании антипиренов, необходимо проводить тщательное тестирование и контроль качества, чтобы обеспечить соответствие требованиям безопасности.

Биоцидные добавки могут использоваться для предотвращения образования плесени и гниения в изделиях ДПК, особенно в условиях повышенной влажности или наличия органических загрязнений. Однако, следует быть осторожными с выбором биоцидных добавок, так как некоторые из них могут иметь токсичность для человека или окружающей среды. При использовании биоцидных добавок в производстве ДПК необходимо соблюдать соответствующие нормы и регуляции, а также проводить тщательное исследование и контроль качества продукции.

Производственный процесс

Производство изделий из ДПК является достаточно сложным процессом, который требует применения специализированного оборудования и квалифицированного персонала. В связи с этим, многие попытки организовать производство ДПК "в гараже" в России заканчиваются выпуском некачественной продукции и закрытием таких кустарных цехов.

Производственный процесс начинается со смешивания компонентов, которое осуществляется по отдельности в замесах. Обычно вес одного замеса составляет около 100 кг, который зависит от конструкции используемого миксера. Далее компоненты взвешиваются и засыпаются в верхний бак миксера, который герметично закрывается. При этом происходят два процесса: перемешивание смеси специальной мешалкой и ее разогрев. Разогрев смеси происходит за счет силы трения от работы мощной мешалки и от нагрева самого бака миксера за счет расположенных во внешнем кожухе нагревательных элементов.
Нагрев смеси необходим для удаления влаги, лучшего перемешивания и подготовки смеси. В процессе замеса должен полностью расплавиться и перемешаться с остальными компонентами лубрикант, а гранулы полиэтилена должны частично расплавиться. Температурный режим процесса контролируется с пульта управления. После завершения горячей части смешивания, смесь сбрасывается через клапан в нижний бак миксера, который охлаждается специальным контуром с водой. Затем остывшая смесь засыпается в мешки и отвозится в цех экструзии. Однако, долго хранить смесь нельзя, так как она может набрать влагу, и готовая продукция получится низкого качества.

Экструзия

Компания "Novadeck" использует для производства погонажных изделий из ДПК, двухстадийные каскадные экструдеры. Каждый станок состоит из двух независимых экструдеров, расположенных один над другим.

Принцип работы экструдера на первый взгляд кажется простым - разогретая смесь подается сверху и за счет вращающегося спирального шнека под высоким давлением выдавливается через форму - фильеру. Однако это только на первый взгляд.

Сначала смесь через загрузочный бункер подается на вход первого экструдера - пластификатора. Он имеет два шнека небольшого диаметра, расположенных рядом внутри гильзы сложной формы и вращающихся в одну и туже сторону. Гильза при этом нагревается специальными нагревательными элементами до разных температур в разных частях экструдера. Это сделано для приготовления и пластификации смеси. В пластификаторе происходит важнейшая для производства ДПК часть процесса - благодаря наличию компатибилизаторов древесная мука, ПЭ, другие компоненты смешиваются и слипаются. Кроме того, пластификатор по ходу гильзы имеет несколько зон дымоудаления, через которые отводятся газы, выделяющиеся при нагревании смеси.

Смесь выходит из пластификатора с фактурой пластилина и выдавливается кусками во второй, основной экструдер. Этот экструдер имеет один большой и длинный шнек сложной формы, задача которого сжать смесь до высокого давления (иногда несколько десятков атмосфер) и выдавить через закрепленную на конце экструдера фильеру. Температурные режимы в нескольких зонах вдоль экструдера контролируются специальной системой управления, а скорости подачи смеси в пластификатор, скорость работы пластификатора и скорость работы экструдера также контролируются.

Во время прохождения смеси через экструдер она сжимается, что приводит к ее дополнительному нагреву. Чтобы не допустить перегрева, шнек экструдера имеет полую конструкцию и охлаждается изнутри водой.

После экструдера жидкая смесь ДПК под высоким давлением поступает в специальную форму - фильеру, которая состоит из большого количества пластин. В них методом электроэрозии вырезаны каналы, по которым течет расплав. После этого пластины собираются в пачку и стягиваются мощными болтами. Часть фильеры, в которую поступает смесь из экструдера, подогревается специальными нагревательными элементами, чтобы обеспечить необходимую для работы всего станка текучесть расплава. Несколько последних пластин фильеры активно охлаждаются водой, чтобы получить уже твердый профиль.

Однако и этого мало. Готовый профиль проходит через калибратор - охлаждаемую водой металлическую форму, которая дополнительно охлаждает профиль перед тем, как он попадет в ванну с водой длиной несколько метров. Именно там доска застывает и набирает прочность. После этого готовый профиль отпиливается по размеру и складывается в штабеля.

Щетковка

Производство композитной древесно-полимерной доски (ДПК) - это сложный и многоэтапный процесс. В процессе экструзии лубриканты, содержащиеся в смеси ДПК, выдавливаются на поверхность профиля, обеспечивая смазку между материалом и стенками фильеры. После остывания доски на поверхности образуется тонкий слой воска, который придает материалу приятный цвет и глянцевую поверхность.

Однако такая "вощеная" поверхность неустойчива к царапинам, стирается и выцветает. Чтобы предотвратить это, производители обязательно производят щетковку рабочей поверхности профиля. Этот процесс заключается в обработке поверхности ДПК металлическими щетками, которые удаляют слой воска и слегка "царапают" поверхность изделия. Это позволяет скрыть незначительные царапины и повреждения, возникающие в процессе эксплуатации на улице.

Тиснение

Некоторые изделия из ДПК имеют текстуру дерева, которая создается при помощи тиснения. Тиснильный станок представляет собой массивный стальной барабан с гравированным на его поверхности рисунком, имитирующим фактуру дерева. Этот барабан нагревается до высокой температуры и вращается, проходя по поверхности доски, оставляя на ней рельефный отпечаток.

Контроль качества

Производство ДПК требует выполнения многих условий одновременно: правильного сочетания компонентов, верных температурных режимов и правильного давления расплава. При нарушении производственного процесса возможно появление брака. Важно, чтобы лаборатория производственного контроля вычислила эти дефекты и не допустила попадание некачественной продукции на склад.

В компании "Novadeck" каждая партия ДПК проходит обязательные тесты на геометрию, плотность и водостойкость. Прочность доски проверяется на специальном станке. Благодаря отлаженной процедуре производства и постоянному контролю, компания "Novadeck" гарантирует высокое качество выпускаемой продукции.