для экструзии древесины в чистом виде.

Ярослав Двойнос, г. Киев, Украина

         Ключевые слова: экструзия, экструдер, пластические массы, древесина, древесная мука, щепа, полимер, червячный пресс, червяк, оборудование, агрегат, инвестиции, Двойнос, Лукач, Радченко, Швед.

         Перспектива создания экструзионного оборудования для переработки древесины без введения добавок очень заманчива, и в принципе уже решена.   Организации [1], занимающиеся этой проблемой уже получили опытные образцы оборудования и самого материала. Как и ожидалось, для этого использовался специальный двухчервячный экструдер и древесная мука. Получение и сушка древесной муки, низкая производительность оборудования в сочетании с высокой стоимостью и быстрым износом подняли стоимость продукции до величины, когда доступен только узкий сегмент рынка.

         С удешевлением технологии стоимость материала снизиться, а производство оборудования станет привлекательным для инвесторов.

         Длительное время мной проводились научно-практические исследования [2, 3, 4, 5] в области экструзионной переработки композиций с содержанием древесины. В настоящий момент я не нашел инвесторов для продолжения работ и публикую их результаты как итоговые для себя.

         Основу древесины составляет лигнин - природный полимер. Также, имеется влага и смолы. Соотношение зависит от породы дерева и условий хранения [6]. Лигнин под воздействием температуры и влаги размягчается и способен к пластической деформации. Особенность заключается в огромном значении возникающих напряжений при деформации. Значения напряжений столь велики, что материал начинает проскальзывать по стенкам рабочих органов, либо в массе материала возникает разрушение и движение массы происходит по поверхности разрушения [7, 8] - так называемое "телескопическое течение". Вследствие проскальзывания материала по стенкам рабочих органов из-за выделяющейся энергии трения возникают локальные перегревы, что ведет к образованию участков деструктированного материала с повышенным содержанием смол и пониженным содержанием влаги. Такие участки, в дальнейшем не способны к пластической деформации. То-же явление сопровождает и "телескопическое течение".

         Существует три способа удержания стабильного ламинарного характера течения древесины в рабочих каналах экструдера.

         Способ первый - снижение эффективной вязкости древесины путем повышения температуры либо добавки пластикаторов. Предел поднятия температуры - 200 ⁰ С [6], добавки при незначительном количестве способствуют пристенному скольжению, при большом количестве прочность полученного материала лимитируется механической прочностью матрицы [13], поскольку волокна древесины имеют между собой малую площадь контакта (они удалены друг от друга). Выраженное пристенное скольжение древесины в рабочих каналах также не способствует хорошему скреплению волокон древесины. Наилучшей добавкой могут выступать вещества, способствующие размягчению лигнина, например аммиак, влага.

         Способ второй - увеличение гидростатического давления в канале, что ведет к увеличению максимального сдвигового напряжения в при стенном слое и в массе материала из условий не разрушения материала и не проскальзывания на стенках канала [7]. Преимуществом данного способа является также то, что при значительном гидростатическом давление частицы древесины проникают друг в друга и образуются устойчивые связи. При достаточном давлении древесина в большей мере проявляет свойства сплошного тела, а не порошка.

         Способ третий - снижение сдвиговых напряжений за счет снижения скорости деформации. Иными словами - существует критическая скорость деформации (зависящая от гидростатического давления), при достижении которой происходит "срыв" потока с ламинарного на пробковое или телескопическое.

         Анализируя все три способа приходим к простому выводу - переработку древесины необходимо осуществлять в одночервячном экструдере, при максимальном давлении и незначительных скоростях деформации. Подчеркну, что одночервячный экструдер необходимо использовать не по причине его меньшей стоимости, а для предотвращения срыва потока массы при взаимном движении рабочих органов.

         Проведя большую экспериментальную работу с экструзией чистой древесины в виде опилок и муки я пришел к выводу об отсутствии причин для запрета использования щепы. При большом давлении щепа прессуется в монолит даже лучше муки, при прессовании которой возникают газовые пустоты, кроме того, дозирование щепы значительно лучше.

         Имеется ограничение на применение хвойных пород - в них очень много смол, что снижает прочность полученного материала и затрудняет проведение качественного процесса экструзии.

         Как известно, процесс экструзии включает не только подготовку расплава материала, но и его формование в заготовку. Люди знающие поймут, что речь идет о перестройке ламинарного течения материала в пробковое именно после формирования профиля заготовки, а не до этого. Из личного опыта скажу, что имеются критические значения угла сужения и расширения канала течения. Если угол расширения большой, то может произойти явление "стик-слип" (прилип-отлип) [9], если сужение резкое - переход к телескопическому течению гарантирован.

         Также важны процессы калибровки и охлаждения, поскольку массу может просто разорвать от скопившегося внутри пара и сжатых газов.

         На мой взгляд [10, 11], наиболее целесообразно использовать экструдер с глубиной канала не менее 30 мм, диаметром червяка (не цилиндра) 200 мм, шагом винтовой нарезки - 70 мм, движение материала от центра к краям шнека (снижение затрат на упорный подшипник редуктора, расположенного в центре экструдера). Скорость вращения шнека - до 1 об/мин.

         При таких параметрах скорость сдвига в канале не будет превышать 0,3 с^-1. Необходимо добиться давления порядка 1500 бар при температуре 170-190 ⁰ С и соответствующей влажности древесины. Ожидаемая производительность - 70 кг/час (с двух загрузочных окон).

         Профиль цилиндра вызывает у меня сомнения, особенно в части зазора с гребнем червяка.

         Установленная мощность двигателя - не менее 50 кВт.

         Плотность полученного материала - не менее 1250 кг/м³, механическая прочность - 120 % прочности исходного материала.

         Данный подход можно применить не только к переработке древесины, но и к переработке изношенных шин [12], ПВХ в смоле, брикетированию отходов (возможно использование программы расчета параметров течения в канале одночервячного экструдера по математической модели, описанной в [2, 11]).

1. Миани М. Машины и оборудование для производства полимерных листов и пластин из полиолефинов с древесной мукой. Вестник внешторга Италии. - 1993.-№5.-с.1-18.

2. Двойнос Я. Г. Процессы переработки композиционных материалов экструзионным методом. Дис. … к-та техн. наук.- Киев, 1999. 198с.

3. Агрегат для изготовления изделий из композиций наполненных органическими волокнистыми материалами. Заявка №94107216 от 10.10.94. Заявитель: Двойнос Я. Г., др.

4. Экструдер для приготовления композиций из полимеров и органических наполнителей. Заявка №95010350 от 24.01.95. Заявитель: Двойнос Я. Г., др.

5. Пат. 2050287 Российской Федерации. Композиционный материал на основе целлюлозосодержащего наполнителя/ Бутко В.Г., Залерцов О.А., Гузик А.В., Долгий Э.М., Магазий П.Н., Двойнос Я.Г. (Украина).- Опубл. 20.12.95.- 4с.

6. Лукач Ю.Е., Радченко Л.Б., Магазий П.Н., Двойнос Я.Г. Переработка композиций термопластов с органическими волокнистыми наполнителями методом экструзии// Киев. политехн. ин-т.- Киев, 1995.- 7с. Деп. в ГНТБ Украины 13.04.95, №827-Ук95.

7. Гладышев В.И., Чепура И.В., Генералов М.Б. Методика расчета расходно-напорных характеристик роторного пресса с учетом пристенного скольжения скольжения на неподвижной стенке.// Химическое и нефтяное машиностроение. 1995. №8. С. 1-4.

8. Двойнос Я. Г., Радченко Л. Б., Сезонов В. Н. Дослідження процесів переробки деревнонаповнених полімерів екструзійним методом// Хiм. промисловiсть України.- 1998.- №4.- с. 55-58.

9. Тадмор З., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров. пер. под ред. Торнера Р.В.- М.: Химия, 1984.- а)с. 319-322, б)с. 307.

10. Воскресенский А.М., Войцеховский В.Б., Коугия Ф.А. Моделирование переработки в одночервячных машинах полимеров с произвольной аномалией вязкости. //Химическое и нефтяное машиностроение. 1995. №1. С. 13-17.

11. Численное решение плоской математической модели течения неньютоновской жидкости в канале одночервячного экструдера/ Двойнос Я.Г., Радченко Л.Б.; Нац. техн. ун-т Украины “Киев. политехн ин-т” - Киев, 1997.- 12с.: ил.- Библиогр.: 7 назв.- Рус.- Деп. В ГНТБ Украины Рег.№515-Ук97    от   22.09.97

12. Двойнос Я. Г., Бондаренко В. Н., Радченко Л. Б., Лукач Ю.Е., Сезонов М.В. Новое оборудование для переработки изношенных шин// Экотехнологии и ресурсосбережение.- 1999.- №2.- с. 73-75.

13. Двойнос Я. Г., Радченко Л. Б., Сезонов В. Н., Швед Н. П. Реологические и физико-механические свойства древесно-полиэтиленовой композиции// Экотехнологии и ресурсосбережение.- 1998.- №2.- с. 35-39.