Это - персональный сайт

Russian languige and English (down)

Теоретические предпосылки создания нового оборудования
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]).
Прошу писать отзывы на e-mail: yaroslav44@narod.ru, yaroslav44@rambler.ru, звонить на мобильный телефон: +07-903-1663755. До 01.05.03 г. нахожусь в командировке по России (контракт).


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.


Theoretical preconditions of creation of the new equipment
for extrusion wood in the pure state.
Yaroslav Dvoinos, Kiev, Ukraine

Key words: extrusion, extruder, plastics, wood, a wood flour, torment, a chip, polymer, worm, the equipment, the unit, investments, Dvoinos, Lukach, Radchenko, Shved.

The Prospect of creation extrusion the equipment for processing wood without introduction of additives is very tempting, and basically is already solved. The Organizations [1] engaged in this problem already have received pre-production models of the equipment and the material. As expected, for this purpose it was used special two-worm extruder and a wood flour (torment). Reception and drying of a wood flour (torment), low productivity of the equipment in a combination to high cost and fast deterioration have lifted cost of production up to size when the narrow segment of the market is accessible only.
With more cheaply technologies cost of a material to decrease, and manufacture of the equipment becomes attractive to investors.
Long time I carried out (spent) scientific - practical researches [2, 3, 4, 5] in area extrusion processings of compositions with the maintenance (contents) of wood. At the present moment I have not found investors for continuation of works and I publish their results as final for myself.
The Basis of wood makes lignin - natural polymer. Also, there is a moisture and pitches. The parity (ratio) depends on breed of a tree and conditions of storage [6]. Лигнин under influence of temperature and a moisture it is softened and it is capable to plastic deformation. Feature consists in huge value of arising pressure (voltage) at deformation. Values of pressure (voltage) are so great, that the material starts to slide on walls of working bodies, or in weight of a material there is a destruction and movement of weight occurs on a surface of destruction [7, 8] - so-called " telescopic current ". Owing to to slide material on walls of working bodies because of allocated energy of friction arise local over heating, that conducts to formation(education) of sites destruction a material with the raised (increased) maintenance (contents) of pitches and the lowered moisture content. Such sites, further are not capable to plastic deformation. Too the phenomenon accompanies and " telescopic current ".
There Are three ways of deduction of stable laminar character of current of wood in working channels экструдера.
The Way the first - decrease (reduction) of effective viscosity of wood by rise in temperature or additives of plasticators. A limit of a raising of temperature - 200 0C [6], additives at insignificant quantity (amount) promote about a wall to sliding, at a plenty durability of the received material is limited by mechanical durability of a matrix [13] as fibres of wood have among themselves the small area of contact (they are removed from each other). Expressed about a wall sliding of wood in working channels also does not promote a good fastening of fibres of wood. As the best additive the substances promoting a softening lignin, for example ammonia, a moisture can act.
The Way of the second - increase of hydrostatic pressure in the channel that conducts to increase of the maximal shift pressure (voltage) in at a wall layer and in weight of a material from conditions not destructions of a material and not to slide on walls of the channel [7]. Advantage of the given way is also that at significant hydrostatic pressure of a particle of wood will penetrate each other and steady communications (connections) are formed. At sufficient pressure wood in the greater measure shows properties of a continuous body, instead of a powder.
The Way the third - decrease (reduction) of shift pressure (voltage) due to decrease (reduction) of speed of deformation. Differently - there is a critical speed of deformation (dependent on hydrostatic pressure) at which achievement there is "failure" of a stream with laminar on pith or telescopic.
Analyzing all three ways we come to a simple conclusion - processing of wood is necessary for carrying out in one-worm extruder,