Во что выливается «жидкое дерево»

Для того чтобы изготовить что-либо из дерева, мастеру необходимо, взяв полено, удалить все лишнее. Чем сложнее форма, тем больше должна быть первоначальная заготовка. Нужно приложить немало усилий: пилить, строгать, фрезеровать и шлифовать, постепенно приближаясь к поставленной цели.

В этом, собственно говоря, и заключается большая часть современной деревообработки. Именно здесь сосредоточена значительная доля трудозатрат и капиталовложений, и именно здесь скрыты максимальные резервы. До недавнего времени древесина считалась у нас дешевым, чуть ли не бросовым материалом. Рубили везде и столько, сколько могли срубить. Однако в последние годы отношение к древесине начало меняться. Нет уже малоценной древесины — есть ценная и драгоценная, особенно плотная, медленно растущая древесина северных широт. Именно поэтому сегодня весьма актуальными стали технологии, позволяющие максимально полно использовать отходы деревообработки, заменить натуральную древесину не уступающими ей по качеству искусственными заменителями.

Композиты: устаревшие и перспективные
Все предыдущее развитие производства конструкционных материалов поставило нас на порог новой промышленной революции. Наступивший век станет, вероятнее всего, веком композитов. Природные и даже синтетические материалы в их естественном виде уже не вполне удовлетворяют требованиям конструкторов, архитекторов и технологов. Поэтому главная идея при разработке композиций заключается в том, чтобы в сочетании иногда на первый взгляд несовместимых материалов выявить их лучшие качества, и именно в той степени, в которой это необходимо для каждого конкретного случая. До недавнего времени основной сферой применения подобных материалов были космонавтика и авиация. Сегодня повсеместно происходит осознание преимуществ этого направления и реализация его в самой широкой конструктивной и технологической практике. Для строителей и деревообработчиков особую актуальность сегодня приобретают технологии, связанные с производством и применением древесно-полимерных композитов.

Это не только нечто из области высоких технологий, далекое и недоступное. Некоторые из этих материалов давно и прочно закрепились в строительстве, производстве мебели, широко применяются в интерьерном дизайне: это и фанера, и древесностружечные и древесноволокнистые плиты во всем их разнообразии. Так что деревообработчики вовсе не плетутся в хвосте научно-технического прогресса. Действительно, сегодня невозможно представить индустриальное деревообрабатывающее производство без этих замечательных материалов, и скоро они будут еще лучше благодаря революционной технологии изготовления строительных профильно-погонажных изделий, предложенной Австрийским институтом агробиотехнологии. Метод полностью исключает расход деловой древесины. Новая технология получила условное название "жидкое дерево", что достаточно точно отражает суть процесса. Нужно всего лишь засыпать в экструдер особый гранулят, дальнейший же процесс мало чем отличается от известного процесса производства ПВХ-профилей.

Долгая история новой технологии
Строго говоря, экструзию термопластов с использованием древесных наполнителей нельзя считать абсолютно новым изобретением. Начало практических разработок в этой области относится еще к 1977 году, когда в Швеции появилось первое профильное производство такого рода. В то время к готовой смеси на базе ПВХ добавлялось примерно 30% мелко измельченных опилок. Древесные волокна играли роль наполнителя в модифицированной профильной рецептуре на базе ПВХ. После нескольких лет производства новых разработок не последовало. С одной стороны, причиной этого стал незначительный сбыт. С другой — слишком высокий износ технологического оборудования. Сегодня, спустя 25 лет, появились и новые области применения для профилей, и новые соображения относительно их свойств и возможностей переработки.

Что из чего
Современные древесно-полимерные композиционные материалы, предназначенные для переработки методом экструзии, состоят из трех основных компонентов: специально подготовленных частиц измельченной древесины; синтетических или органических термопластичных полимеров или их смесей; комплекса специальных химических добавок (модификаторов), улучшающих потребительские и технологические свойства исходной смеси и готовой продукции. Древесные волокна больше не используются как неполноценный наполнитель, сегодня они являются главным компонентом.

Обычно композит включает 50-80% древесины. Последние исследования, проведенные в 2003 г., свидетельствуют о принципиальной возможности изготовления материалов с долей древесины до 90%. Иногда такие материалы называют супернаполненными полимерами. Кроме того, увеличение доли древесины, как правило, приводит к уменьшению стоимости готовой продукции, хотя для композитных материалов это, вероятно, не должно быть самоцелью. В состав композиции, помимо опилок, могут входить и другие растительные волокна — например, отходы переработки початков, растительного сырья для текстильной промышленности, отходы производства растительных масел, пенька, лен, сизаль, рисовая шелуха, ореховая скорлупа и даже солома. В производстве могут использоваться любые термопластичные полимеры и их смеси, однако на практике чаще всего применяются полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид. Наряду с этим ряд американских компаний уже приступил к использованию в производстве древесно-полимерных материалов пластиковых промышленных и бытовых отходов (упаковочной пленки, бутылок и т.п.). Еще одним направлением является применение в качестве связующих биологических полимеров: зерновых крахмалов, казеина, продуктов переработки отходов мясной промышленности, отходов кожевенного и бумажного производств и т.п. Помимо значительного удешевления продукта, они делают композиты легкоутилизируемыми и полностью биоразлагаемыми. Примечательно, что все материалы, полученные по технологии "жидкое дерево", пригодны к повторному использованию в тех же процессах. То есть в них с начала и до конца реализуются принципы безотходного производства.

Для управления свойствами композита и технологическим процессом в его состав вводят различные добавки-модификаторы: антиокислители, антимикробные средства, поверхностноактивные, связующие вещества, противоударные модификаторы, смазочные материалы, температурные стабилизаторы, пигменты, огнезащитные средства, светостабилизаторы. Есть примеры использования и вспенивающих агентов, обеспечивающих снижение плотности композитов.

Главной составляющей — особое внимание
Технология получения древесных волокон для наполнения композиции — довольно сложный процесс, конечным продуктом которого являются частицы размерами 90, 120 и 300 мкм. Отходы деревообработки дробятся на ножевых и молотковых дробилках, измельчаются на мельницах тонкого помола, на валковых машинах (типа прокатного стана), на штифтовых мельницах и пр. Затем материал просеивается и фракционируется. При переработке важно сохранить содержание влаги в древесных волокнах на уровне 1-3%, но не ниже, т.к. при этом теряется их гибкость, и вследствие этого ухудшаются свойства профиля. Использование мягких пород дерева, а также отходов сельскохозяйственных культур (стеблей кукурузы, риса, сахарного тростника, маиса и пр.) способствует повышению качества экструдируемых профилей.

Технологические тонкости
Сам процесс экструзии не относится к очень сложным. В специальный измельчающе-смесительный экструдер-гранулятор загружают отдельные компоненты смеси (опилки, стружки, органический краситель, биопластики, химические аддитивы и пр.). После этого смесь в экструдере перемешивается, нагревается в строго определенном режиме, при необходимости гранулируется и поступает в формующий стандартный экструдер. Размягченная масса продавливается через специальную фильеру и попадает в сухие роликовые калибрационные устройства, после этого профиль поступает в гусеничное тянущее устройство, а после него автоматическая пила отрезает профиль по заданному размеру. В полученных таким образом профилях благодаря высокотемпературному процессу и вакуум-аспирации в рабочем цилиндре экструдера полностью отсутствует влага. Профили получаются идеально ровными, гладкими с однородной матовой поверхностью, без сучков, заусениц, искривлений по длине — дефектов, которые обычно присущи деревянной профильно-погонажной продукции.

Чем выше влажность первичных компонентов, тем больше требуется времени для ее удаления, а, следовательно, ниже производительность установки. Стандартные экструдеры, применяемые в производстве полимерных профилей, имеют относительно небольшие отверстия для дегазации, что при повышенных оборотах усложняет выпаривание влаги. Поэтому аппараты для древесноволоконной экструзии снабжены специальными увеличенными отверстиями цилиндрической формы для ускорения сушки материала. Кроме того, формование высоконаполненных полимеров требует специально разработанной оснастки. Формующая головка должна обеспечивать высокое качество профиля. Для технологии экструзии "жидкое дерево" была разработана головка, конструкция которой позволяет ориентировать древесные волокна вдоль направления экструзии, что способствует существенному улучшению механических свойств профиля. При помощи запатентованного инструмента стало возможным перерабатывать материалы, содержащие до 90% наполнителя. Являясь продуктами высоких технологий, эти устройства гарантируют высокое качество продукции и очень удобны в обслуживании.

Одно из главнейших преимуществ процесса — возможность производства облегченных пустотелых профилей, что ведет к снижению материальных затрат, удешевлению и ускорению строительства. Внутри пустот прокладывают электрические провода, кабели, отопительные трубы, располагают специальные защелки, позволяющие, например, монтировать плинтус без гвоздей и шурупов. Такие конструкции при необходимости легко разобрать, не ломая, и сохранить для дальнейшего использования. В то же время традиционный плинтус, оторвав монтировкой, использовать второй раз затруднительно.

Полезные добавки
При введении в состав сырья антипиренов и антисептиков получают профиль, защищенный на всю глубину от огня и гниения. Такой защиты не дают даже самые эффективные пропитки для дерева.
Если в состав компаунда включены гидрофобные добавки, получаемые профили будут весьма устойчивы к сырости. Именно благодаря необыкновенной влагостойкости в США самую широкую популярность приобрели так называемые декинг-продукты. Для нашего рынка это пока совсем неизвестная группа товаров. Декинг — это перебравшаяся на сушу высококачественная палубная доска, ставшая в США и Канаде важным элементом прибрежной и приусадебной архитектуры. Традиционное дерево при эксплуатации в подобных условиях нужно менять каждые 5 лет. Сильные антисептики и фунгициды токсичны, а пластик слишком дорог. Поэтому декинги, изготавливаемые путем экструзии из высокопрочных древесно-полимерных композитов, и стали на американском рынке двигателем развития этой технологии.

Возможны варианты
При использовании листовой экструзионной фильеры можно экструдировать листы шириной до 3 метров и различной толщины — то есть заменить устаревшую и энергозатратную технологию производства листов ДСП и ДВП. Профили можно декорировать всеми известными способами: фанеровать шпоном, ламинировать пленками и листовыми пластиками, красить любыми красками и лаками. Механическая обработка профилей традиционна: резка, сверление, шлифовка и т.п.
В настоящее время разработаны и испытаны специальные оконные профили, экструдированные по технологии "жидкое дерево". Теплотехнические и физико-механические характеристики производимых из них окон намного превосходят аналогичные показатели как традиционных деревянных, так и деревянных "улучшенной" конструкции с заполнением стеклопакетами. При этом они дешевле и при развитии технологии имеют значительный резерв к дальнейшему снижению цены.

Справедливости ради
Справедливости ради нужно отметить, что древесно-полимерные профили не лишены на сто процентов недостатков, присущих натуральному дереву. Они могут изменять цвет под действием света и несколько набухать (обратимо) в условиях повышенной влажности. Но эти недостатки могут быть устранены и, в принципе, не вызывают особых проблем при использовании готового продукта.

Перспективы очевидны
Итак, внедрение экструзии по технологии "жидкое дерево" означает возможность выдавливать из смеси измельченной древесины и пластика любые формы, по своим свойствам находящиеся посередине между пластмассой и деревом, с производительностью, свойственной пластмассовой индустрии. Сегодня европейский рынок подобных материалов практически свободен, если не считать нескольких "демонстрационных" производств. Однако промышленное производство древесных композитов уже начинает набирать обороты, и в скором времени ожидается его беспрецедентный рост. По данным различных источников, объем мирового производства древесно-полимерных композитов в 2002 году составил около 520 тыс. тонн на сумму около $750 млн. Ожидается, что в 2006 году объем продаж подобных материалов в мире превысит $1,5 млрд, т.е. темпы его роста составят около 20% в год. Игнорирование этих цифр представляется крайне недальновидным. Уже прижившиеся в США древесноволокнистые полимеры довольно скоро получат распространение в Европе, но, по-видимому, самый перспективный рынок этого экологически чистого материала сформируется в Японии, где все чаще возникают сомнения по поводу безопасности применения ПВХ и других пластиков в жилищном строительстве.

Могут ли новые древесно-полимерные профили потеснить традиционные плитные материалы? В этом нет нужды. Ведь именно грамотное сочетание плит и современных композитов создает дополнительные возможности в эффективном применении и тех, и других. Возвращаясь к началу разговора, можно сказать, что "жидкое дерево" — это материал, которого давно ждали и конструкторы, и архитекторы, и производственники. Необходимо только увидеть его новые возможности, понять их и правильно реализовать.

Людмила АЛЕКСЕЕВА