Древесная мука в производстве ДПК
Галина ПРЕСМАН, к.т.н.,
генеральный директор
ООО «НИЦ ДПК»
Александр ЛИПИЛИН,
директор завода «ТЕХПРИБОР»
Причины роста производства ДПК
Сегодня, когда многие компании, выпускающие «классические» строительные материалы, сталкиваются с трудностями в реализации своей продукции, объемы производства древесно-полимерных композитов (ДПК) продолжают расти. При этом количество погонных метров выпускаемых ДПК-изделий, их ассортимент увеличиваются не только за счет расширения давно существующих на рынке крупных компаний, но также благодаря вновь открывающимся небольшим производствам, располагающими до 6 экструзионных линий.
Чем можно объяснить рост объемов производства ДПК в непростой экономической ситуации? Если не касаться уникальных качеств данной продукции, среди которых выделяются прежде всего точность размеров и устойчивость к влаге, террасный настил из ДПК (декинг), даже с учетом его относительно высокой стоимости, оказывается более выгоден для потребителя по сравнению с натуральной древесиной. В отличие от лесных пиломатериалов террасная доска из ДПК сохраняет привлекательный внешний вид на протяжении длительного времени, не требует обработки антисептиками и периодической окраски.
Однако, несмотря на очевидные преимущества, ДПК имеют и свои недостатки, главный из которых — цена. Одним из способов удешевления композитного материала является снижение стоимости входящих в его состав компонентов — естественно, без ущерба для качества конечных изделий.
С чего лучше начать оптимизацию затрат при производстве ДПК? Очевидно, с ключевого компонента, самого объемного в составе композиции.
Путь снижения затрат — использование древесной муки
Как известно, древесно-полимерный композит представляет собой материал, включающий размолотую древесину, термопластичный полимер, минеральный наполнитель и ряд функциональных добавок.
Несмотря на то, что порошок размолотой древесины (древесная мука) кажется самым простым компонентом из приведенного списка, именно он определяет механические и технологические свойства ДПК, ее плотность, упругость, прочность на изгиб, скорость экструзии и геометрическую стабильность получаемых изделий. При этом немаловажным фактором является использование качественных полимеров в качестве матрицы для древесного наполнителя. Для реализации всего потенциала дорогостоящего полимера необходимо, чтобы в его расплаве были равномерно распределены растительные волокна определенной формы и размеров. В этом и заключается двойная «работа» древесного порошка в ДПК: с одной стороны, он снижает стоимость композита, а с другой, придает ему новые качества, которыми не обладают ни чистые полимеры, ни натуральная древесина.
К сожалению, роль древесного порошка в формировании свойств композита российскими производителями декинга явно недооценивается, в результате чего целлюлозные волокна, которые должны брать на себя функцию армирования композиционного материала в процессе эксплуатации изделий из ДПК, превращаются в «пассивный» наполнитель. Тем не менее во многих публикациях, посвященных ДПК, теме гранулометрического состава древесных порошков уделяется особое внимание. В частности, А.А. Клесов в своей книге «Древесно-полимерные композиты» указывает: «Древесная мука, которая обычно используется в ДПК, имеет размер около 40 меш, то есть примерно 400 мкм. Однако сорта древесной муки классифицируются в определенном диапазоне размеров: 50-150, 100-200, 200-450 и 250-700 мкм. Увеличение размера частиц древесной муки обычно обеспечивает лучшее течение расплава композита [1]. Принимая во внимание, что данная книга была написана на английском языке, не будем придираться к некоторой неточности перевода. В отечественной литературе фракционированные, то есть рассеянные на двух сетках (крупной и мелкой) материалы, принято называть порошками, в то время как термин мука обычно используется для обозначения сыпучих веществ, прошедших через ячейки только одной сетки. Тем не менее сорта древесной «муки», используемые в производстве ДПК, особенно двух последних диапазонов — 200-450 и 250-700 мкм, представляют большой интерес для снижения себестоимости производства террасной доски, с одновременным улучшением ее качества. Остановимся на этом подробней.
Анализ качества и ГОСТ для древесной муки
В результате проведенного авторами статьи исследования выяснилось, что большинство российских производителей ДПК считают, что в своей технологии они используют древесную муку марки «180». Требования, предъявляемые к качеству древесной муки, в том числе ее зерновому составу, содержатся в ГОСТе 16361-87. Согласно этому документу, при рассеве древесной муки марки «180» по методике, указанной в ГОСТе 16362-86, остаток на контрольном сите с размерами ячеек 180 мкм не должен превышать 2%.
Среди десяти образцов древесной муки разных производителей, отобранных для исследований только один с маркировкой 80 отчасти соответствовал требованиям ГОСТа 16361-87. Остальные образцы имели недопустимо большие остатки на поверхности контрольных сит. Так, древесная мука, позиционируемая ее производителем как «М-120», имела остаток на сите с размером ячеек 200 мкм, превышающий 28%.
Авторы статьи установили, что на сегодняшний день большая часть древесной муки, используемой в производстве ДПК, не соответствует заявленной марке согласно ГОСТу 16362-86, поэтому они работают в соответствии с Техническими условиями. Из этого факта следует, что производители декинга при оценке качества порошка пользуются другими критериями, среди которых, помимо его фракционного состава, также учитывается насыпная плотность, влажность и форма частиц. Совокупность данных характеристик критически важна для составления рабочей формулы композита.
Путаница в обозначении марок древесной муки вводит в заблуждение не только технологов ДПК, но и самих производителей порошков. Излишне «тонкий» размол древесины не только не улучшает качество декинга, но существенно усложняет технологический процесс производства.
Чтобы понять, почему порошок размолотой древесины будет обходиться его производителю дешевле, чем мука марки «180», необходимо рассмотреть два взаимосвязанных процесса: механический размол древесины и «работу» фракционированного порошка в полимерной матрице.
Портрет идеального порошка
Попробуем составить портрет «идеального» для ДПК древесного порошка. Прежде всего он имеет узкий, или по-другому «прерывистый», зерновой состав. В нем отсутствуют частицы размерами больше 250 мкм, которые ухудшают внешний вид декинга, но при этом в нем нет и очень мелких (менее 120 мкм), которые, сцепляясь друг с другом, препятствуют равномерному армированию полимерной матрицы, снижают текучесть расплава, уменьшают скорость экструзии профиля, увеличивают его усадку. Такой порошок, состоящий из частиц размерами 100-200 мкм, называется фракционированным.
Оборудование для производства древесной муки используется специализированное: дробилки для первичной обработки древесных отходов, мельницы для дальнейшего измельчения, ситовые установки для классификации муки по фракциям, сушилки для удаления избыточной влаги и установки для пневматической транспортировки.
В упомянутой выше книге А.А. Клесова приведены следующие «границы» фракционирования порошка: «Как правило, размер частиц наполнителя (включая целлюлозу) для ДПК подбирается путем просеивания, причем он находится в интервале между 40 и 80 меш (около 0,35 и 0,18 мм). Частицы больше 40 меш считают «надситовым материалом», меньше 80 меш рассматривают как «мелочь». Мелочь в древесной муке может быть размером от 10 до 100 мкм» [2].
Определившись с размерами частиц идеального порошка, обратимся к их форме, точнее ее коэффициенту. А.А. Клесов дает следующее определение: «Коэффициент формы — это отношение длины волокна к его толщине. Для древесной муки это отношение составляет около 3:1- 4:1. Обычно длинные волокна, ориентируясь вдоль потока, дают композиционный материал с повышенными механическими свойствами по сравнению с композиционными материалами, наполненными коротким волокном. Другими словами, более высокий коэффициент формы приводит к улучшению свойств при изгибе. В результате в ДПК целлюлозное волокно является основным воспринимающим нагрузку компонентом, и, чем больше волокон ориентируются вдоль течения, тем выше свойства при изгибе материала» [3].
Сказанное выше указывает на то, что излишне мелкие частицы древесной муки с малым значением коэффициента формы не только не улучшают рабочие характеристики ДПК, но и, напротив, ухудшают их. При этом основная часть энергии затрачивается мельницами именно на размол целлюлозных волокон до размеров, исчисляемых десятками или даже единицами микрон.
Правильный размол
Насколько дорого обходится производителям древесной муки ее ненужное и даже вредное «переизмельчение»? Один из наиболее авторитетных специалистов в данном вопросе Н.А. Борисов в своей книге «Технология и организация производства древесной муки тонкого помола» приводит следующие данные: «Расход электроэнергии составляет от 500 до 1000 кВт·ч на 1 тонну муки в зависимости от номера и состава производства. Так, в пересчете на тонну муки марки «180» по ГОСТу 911-62 (сегодня по ГОСТу 16361-87 — Прим. авторов) расход электроэнергии составляет 700 кВт·ч» [4].
Даже во времена, когда киловатт-час стоил меньше 2 рублей, производство древесной муки марки «180», отвечающей требованиям ГОСТа, обходилось недешево. С учетом современных цен для предприятий, расположенных в центральном регионе России, затраты на электроэнергию составляют примерно треть отпускной стоимости древесной муки марки «180»!
Выходом из этого экономического тупика может стать предложенный тем же Н.А. Борисовым прогрессивный технологический процесс производства древесной муки, принципы которого не потеряли своей актуальности и в наши дни. Основной идеей Н.А. Борисова стала одноступенчатая схема размола, в рамках которой большая часть продукта размола (в идеале, весь объем), выходящего из мельницы, после его мультисепарации «превращается» в товарные марки древесной муки. При этом количество возвращаемых в мельницу на дополнительное измельчение крупных частиц не должно превышать 25% от объема загружаемого сырья. Приведем цитату: «В технологическом процессе применена одноступенчатая схема размола с использованием мельниц молотковых для тонкого помола и двухступенчатая схемка просева. Это позволяет выпускать не только муку самого высокого качества по тонкости (№140 и 100), но и муку специальных кондиций, например, для производства двуокиси титана, с отсевом частиц размером 60 мкм и мельче» [5].
Напомним, что, по мнению специалистов, для ДПК настолько тонкие и, соответственно, дорогие марки древесной муки не нужны. В современных реалиях процесс производства порошков древесной муки может выглядеть следующим образом.
Предварительно подготовленное сырье влажностью менее 5% загружается в размалывающую машину на базе молотковых мельниц «ДМ-1 М», «В77-2» (завод «Волна революции»), «Одал-Х7Т» или автоматизированной мельницы «МИКРОКСИЛЕМА» (завод «ТЕХПРИБОР») с ситовыми вкладышами, имеющими относительно крупные отверстия диаметром 3-5 мм. Полученная в результате размола бессортная мука поступает на рассев №1, где из ее массы выделяются частицы размерами меньше 200 мкм. Более крупные частицы, называемые «сходами» или «крупкой», возвращаются в размалывающую машину для дополнительного помола. Полученный на рассеве №1 порошок, зерновой состав которого соответствует параметрам древесной муки марки «250» (ГОСТ 16361-87, остаток на сите — 025, не более 3,5%), поступает на механический или вибровоздушный рассев №2, оснащенный сеткой с размером ячеек 120 мкм [6]. Товарными продуктами второго рассева являются сортовая мука марки «120» (ГОСТ 16361-87, остаток на сите 01, не более 11%) и фракционированный порошок для ДПК марки Ф согласно ТУ 16.10.22-006-92992044-2025.
При правильной организации процесса 35% массы продукта размола составляет сортовая мука марки «120», 45% — фракционированный порошок марки Ф и 20% — сходы, возвращаемые на дополнительный помол.
Экономический эффект рассматриваемой схемы выражается, во-первых, в снижении расхода электроэнергии, так как тонкому размолу подвергаются, в первую очередь, осенне-зимние слои древесины, в то время как фракционированный порошок состоит из более прочных частиц, трудно поддающихся измельчению (весенне-летние слои древесины). Во-вторых, рыночная стоимость древесной муки «честной» марки «120» (ГОСТ 16361-87) в 2-3 раза выше цен на низкокачественные подделки марки «180».
Востребованная в некоторых технологиях особенно тонкая мука специальной кондиции имеет еще более высокую стоимость. В свою очередь, фракционированный порошок марки Ф согласно ТУ 16.10.22-006-92992044-2025, улучшающий характеристики ДПК, может быть реализован по обычной, рыночной цене.
Рассмотренная выше технология производства порошков древесной муки наиболее востребованных на сегодняшний день марок прошла апробацию в условиях действующих предприятий, в том числе по выпуску ДПК-профилей, в том числе на ведущем предприятии отрасли. Размол сырья с последующим двухступенчатым разделением порошков выполнялся на автоматизированной мельнице «МИКРОКСИЛЕМА», оборудованной вибровоздушным сепаратором модели «СЕППАРАТ» [7].
Сравнительная оценка технологичности применения порошка древесной муки при производстве изделий из ДПК была проведена в «Научно-инновационном центре «Древесно-полимерные композиты»» под руководством Галины Пресман [8][9]. Результаты проведенных исследований показали, что при использовании сепарированного порошка древесной муки сократилось время смешения компонентов в горячем миксере на 5 мин. Для процесса прямой экструзии (без использования гранулятора) — это очень важный экономический и технологический показатель, особенно для крупных предприятий с количеством линий более 10. Кроме того, улучшился внешний вид изделий за счет более глубокой гомогенизации компонентов смеси и, как следствие, повысилось качество продукции в целом.
Теоретически обосновано и подтверждено на практике, что применение фракционированных порошков древесной муки в производстве изделий из ДПК улучшает их рабочие характеристики, увеличивает производительность оборудования, снижает себестоимость композита, повышая тем самым его конкурентоспособность на строительном рынке.