PL215530B1 - Sposób wytwarzania jednowarstwowego wyrobu kompozytowego - Google Patents

Abstract

Sposób wytwarzania jednowarstwowego wyrobu kompozytowego, zwłaszcza kształtki meblowej formowanej na gotowo, polega na zmieszaniu rozdrobnionych cząstek lignocelulozowych, korzystnie w postaci wiórów lub drobnych frakcji lignocelulozowych o wilgotności 6-10%, pochodzących z obróbki skrawaniem surowca drzewnego, o udziale 70-95% wagowych w mieszaninie, oraz ścinków tkanin sztucznych o udziale 5-30% wagowych w mieszaninie, stanowiących odpad kawałkowy po procesach tapicerowania, a uzyskaną mieszaninę zakleja się mieszaniną klejową, na bazie żywicy mocznikowo-formaldehdydowej, przy czym stopień zaklejenia, rozumiany jako stosunek suchej masy kleju do całkowicie suchej masy wióra, wynosi 8-20%, następnie zaklejoną mieszaninę zasypuje się do formy kształtowej i poddaje się prasowaniu przy działaniu ciśnienia w przedziale 1,0-5,0 MPa i temperatury w przedziale 100-170°C przez okres 360÷1800 sekund, a następnie wyprasowany kompozyt schładza się w temperaturze pokojowej przez okres co najmniej 12 godzin.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania jednowarstwowego wyrobu kompozytowego, zwłaszcza kształtki meblowej formowanej na gotowo.

Znane są sposoby wytwarzania meblowych płyt wiórowych, zwłaszcza blatów meblowych, jak ujawniono w opisie polskiego zgłoszenia patentowego P.335191, gdzie w warstwie wiórów umieszcza się odcinki tkanin naturalnych, ułożonych we wzór, stanowiący po sprasowaniu płyty motyw dekoracyjny. Znany jest sposób wytwarzania kompozytów, jak podano w opisie patentowym nr PL 183 478, polegający na wytwarzaniu płyt z polimerów termoplastycznych i cząstek lignocelulozowych, gdzie z surowca wyjściowego usypuje się nasyp i poddaje się go działaniu podwyższonej temperatury i ciśnienia. Sam nasyp natomiast stanowią przemiennie usypane warstwy rozdrobnionego na zimno materiału termoplastycznego oraz warstwy cząstek lignocelulozowych. Metoda charakteryzuje się tym, iż pierwszą i ostatnią warstwę usypuje się z cząstek termoplastów i/lub materiałów zawierających termoplasty. Po uformowaniu kobierca wymusza się uplastycznienie cząstek lignocelulozowych w poszczególnych warstwach oraz plastyczne płynięcie samych już termoplastów, co prowadzi do ich wnikania w przestrzenie między cząsteczkami lignocelulozowymi oraz w ich pory i nierówności. Cały układ warstwowy poddawany jest podwyższonej temperaturze w granicach od 100°C do 250°C i ciśnieniu. Po przeniknięciu uplastycznionych polimerów termoplastycznych w przestrzenie pomiędzy cząstki lignocelulozowe, jak i w ich pory i nierówności, sprasowany kompozyt schładza się w znany sposób. Otrzymany tym sposobem według wynalazku kompozyt charakteryzuje wysoką jakością pod względem jednorodności materiałowej. Poprzez dobór liczby i rodzaju usypywanych warstw można regulować skład materiałowy kompozytu, a także stopień zabezpieczenia przed działaniem, np. wilgoci poprzez dodanie do poszczególnych warstw kobierca odpowiednich środków hydrofobowych. Taki układ warstwowy umożliwia zastosowanie w poszczególnych warstwach cząstek lignocelulozowych o różnym kształcie i wymiarach, a także daje możliwość ich orientowania. Zaletą powyższej metody jest uproszczenie produkcji płyt przez wyeliminowanie etapów granulowania termoplastów oraz mieszania obydwu surowców i następnie homogenizowania mieszaniny. Specyfika wyrobu, uniemożliwia jednak możliwość wykonywania elementów kształtowych, a więc takich, które minimalizują etap obróbki mechanicznej do stopnia umożliwiającego bezpośrednie zastosowanie użytkowe wyrobu po procesie produkcji. Trudności związane z warstwowym usypywaniem kobierca w formach kształtowych eliminują wynalazek, jako przydatną technologię do produkcji kształtek kompozytowych.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania jednowarstwowego wyrobu kompozytowego, umożliwiający uzyskanie gotowej kształtki, przy wykorzystaniu w głównej mierze drzewnego surowca poprodukcyjnego w postaci wiórów, stanowiących bezpośredni odpad po obróbce maszynowej drewna, zwłaszcza po piłowaniu i frezowaniu oraz ścinków tkanin tapicerskich, będących w głównej mierze produktem ubocznym po procesie tapicerowania.

Cel ten osiągnięto w sposobie według wynalazku, w którym poddaje się mieszaniu rozdrobnione cząstki lignocelulozowe, korzystnie w postaci wiórów lub drobnych frakcji lignocelulozowych o wilgotności 6 - 10%, pochodzące z obróbki skrawaniem surowca drzewnego, o udziale 70 - 95% wagowych w mieszaninie, oraz ścinków tkanin sztucznych o udziale 5-30% wagowych w mieszaninie, stanowiących odpad kawałkowy po procesach tapicerowania. Uzyskaną mieszaninę zakleja się mieszaniną klejową, na bazie żywicy mocznikowo-formaldehydowej, przy czym stopień zaklejenia, rozumiany jako stosunek suchej masy kleju do całkowicie suchej masy wióra, wynosi 8-20%, następnie zaklejoną mieszaninę zasypuje się do formy kształtowej i poddaje się działaniu ciśnienia w przedziale 1,0 - 5,0 MPa, i temperatury w przedziale 100 - 170°C przez okres 360 - 1800 sekund. Następnie wyprasowany kompozyt schładza się w temperaturze pokojowej przez okres co najmniej 12 godzin. W innej odmianie sposobu wykonania przewidziany jest cykl prasowania wstępnego, poprzedzający cykl prasowania zasadniczego. Ten wstępny cykl trwa 20 - 100 sekund, zaś prędkość zamykania formy w tym cyklu zawiera się w granicach 20 - 100 mm/s, natomiast zakres wstępnego ciśnienia wynosi 0,2 - 1,0 MPa.

Tak ukształtowany proces wytwarzania pozwala na wykorzystanie własności plastycznych cząstek lignocelulozowych oraz własności wiążących włókien tkanin oraz kleju. Gruba frakcja wióra stanowi bazę konstrukcyjną oraz wytrzymałościową dla danego wyrobu natomiast pozostałe dodatki frakcyjne stanowią wypełnienie wyrobu i służą nadaniu właściwej gęstości oraz przepuszczalności. W przeciwieństwie do tradycyjnych płyt wiórowych, gdzie na przekroju poprzecznym występuje zróżnicowanie gęstości płyt, kompozyt w tym przypadku posiada wysoki poziom jednorodności w związku z czym można mówić o tworzywie homogenicznym. Określony dodatek tkaniny do pozostałych frakcji

PL 215 530 B1 wiórów sprawia, iż cała mieszanina w wyniku występowania drobin włóknistych oraz żywicy mocznikowej jest bardziej zwarta z tendencją do mniejszej sypkości surowca.

Taka cecha mieszaniny wyjściowej stwarza większe możliwości przy formowaniu kobierca zwłaszcza w formach kształtowych, a w efekcie prasowanie gotowych już elementów kształtowych netto, to znaczy gotowych już wyrobów o pożądanych kształtach i wymiarach. Przykład sposobu wykonania pokazano na rysunkach, z których fig. 1 przedstawia rysunek poglądowy ułożenia cząstek lignocelulozowych i włókien tkaniny z cząstkami kleju przed sprasowaniem, fig. 2 przedstawia widok tych cząstek po sprasowaniu, fig. 3 przedstawia perspektywiczny gotowego wyrobu, zaś fig. 4 przedstawia powiększenie fragmentu A powierzchni czołowej wyrobu z fig. 3 i opisano poniżej.

Lignocelulozowe cząsteczki 2 zmieszane z cząstkami kleju 1, oraz z włóknami 3 tkaniny, tworzą klejowe wiązania 4 pomiędzy cząstkami lignocelulozowymi a klejem oraz dodatkowe wiązanie 5 pomiędzy cząsteczkami lignocelulozowymi oraz włóknami tkaniny. Te wiązania kształtują i umacniają się po sprasowaniu, jak pokazano na fig. 2. Na powierzchniach wyrobu gotowego widoczne są wyraźnie cząstki 3 tkanin oraz lignocelulozowe cząsteczki 2 w postaci odpadów drzewnych. W powiększeniu przedstawionym na fig. 4 wyraźnie są widoczne różne frakcje wiórów drzewnych, począwszy od dużych cząstek drewna do wiórów mielonych. W pierwszym przykładzie wykonania cząstki lignocelulozowe w postaci wiórów o wilgotności 6% oraz rozdrobnione cząstki poliestrów poddano zmieszaniu, przy czym procentowy udział wagowy cząstek lignocelulozowych wynosił 70% natomiast cząstek poliestrów 30% wagowych. Następnie tak przygotowaną mieszaninę poddano zaklejeniu, mieszaniną klejową na bazie żywicy mocznikowej, przy czym stopień zaklejenia wynosił 8%. Tak powstałą mieszaninę zasypano do formy kształtowej i poddano działaniu ciśnienia wynoszącego 2,0 MPa, i temperatury wynoszącej 100°C w czasie 600 s. Tak wyprasowany kompozyt poddano schłodzeniu w temperaturze pokojowej w celu wyrównania temperatury i wilgotności, przy czym czas schładzania wynosił 12 godzin.

W drugim przykładzie wykonania cząstki lignocelulozowe w postaci wiórów o wilgotności 10% oraz rozdrobnione cząstki polipropylenu poddano zmieszaniu, przy czym procentowy udział wagowy cząstek lignocelulozowych wynosił 80% natomiast cząstek poliestrów 20%. Następnie tak przygotowaną mieszaninę poddano zaklejeniu, mieszaniną klejową na bazie żywicy mocznikowej, przy czym stopień zaklejenia wynosił 12%. Tak powstałą mieszaninę zasypano do formy kształtowej i poddano cyklowi prasowania wstępnego trwającemu 30 sekund, przy prędkości zamykania formy 20 mm/s, przy ciśnieniu wstępnym 0,4 MPa, a następnie działaniu ciśnienia zasadniczego wynoszącego 4,0 MPa, i temperatury wynoszącej 120°C w czasie 500 s. Tak wyprasowany kompozyt poddano schłodzeniu w temperaturze pokojowej w celu wyrównania temperatury i wilgotności, przy czym czas schładzania wynosił 14 godzin. Głównym surowcem do produkcji elementów kompozytowych jest odpadowy surowiec drzewny w postaci wiórów stanowiący około 70 - 95% udziału wagowego mieszaniny oraz rozdrobnione ścinki z różnego rodzaju materiału odpadowego tapicerskiego. Wiór mokry bądź zrębka stanowi około 15 - 55% ogólnego drzewnego surowca produkcyjnego (uwzględniając masę suchą) reszta natomiast to wiór suchy, który podlegać będzie domieleniu lub zostanie zużyty bezpośrednio do zaklejenia.

Lepiszczem płyty jest mieszanina klejowa na bazie żywicy mocznikowo - formaldehydowej o suchej masie w granicach 62 - 80%. Zakładając zatem różne zaklejenie płyty uwarunkowane rodzajem zastosowanego wióra, a tym samym finalnym przeznaczeniem płyty, przewiduje się zaklejenie w granicach 8 - 20%, co należy rozumieć jako stosunek suchej masy kleju do całkowicie suchej masy wióra.

Z wstępnie przygotowanych i zaklejonych wiórów formowany jest kobierzec w zamkniętej formie albo aluminiowej albo stalowej. Formowanie takie polega na nasypywaniu określonej masy wiórów na podłoże w taki sposób, aby tworzyły one równomierną warstwę. W związku z tym, iż mieszanina zawiera w swoim udziale masowym, drobiny w postaci cząstek włóknistych, to zachowuje ona podwyższone właściwości do formowania w matrycach kształtowych zarówno na długości, szerokości jak i wysokości. Grubość formowanego kobierca jest zazwyczaj od 5 do 15 razy większa od grubości prasowanych elementów, przy czym uzależniona jest ona gęstością finalną wyrobu gotowego w grani₃ cach 500 - 850 kg/m³, oraz rodzajem, kształtem i wymiarem wiórów. Podczas prasowania nie ma zauważalnych zmian położenia wiórów, poza zbliżeniem się cząstek względem siebie oraz ich odkształceniem. Prasowanie kobierca w zależności od grubości elementu może odbywać się dwuetapowo z tzw. prasowaniem wstępnym. W czasie wstępnego prasowania kobierca następuje zbliżenie wiórów i włókien do siebie, co skutkuje zmniejszaniem się wolnych przestrzeni w kobiercu oraz zmniejszeniem

PL 215 530 B1 się jego grubości. Przy zastosowaniu form kształtowych zamkniętych w kobiercu wytwarza się także wysokie ciśnienie nagromadzonego powietrza. Do odprowadzania gazów na etapie zamykania i wygrzewania wypraski, służą specjalne wykonane kanały odpowietrzające (odgazowujące), które zapobiegają zniszczeniu elementów na skutek rozprężenia gazów w momencie otwierania formy. Generalnie formy kształtowane są w ten sposób, aby matryca stanowiła prawą, czyli lepszą stronę wypraski, z uwagi na to, iż w niewielkim stopniu następuje przemieszczanie się drobnych wiórów w kierunku prostopadłym do powierzchni matrycy. Tego typu zjawisko jest korzystne w przypadku rozróżniania lewej i prawej strony elementu i pożądanie w ten sposób lepszej jakościowo prawej strony elementu. Cykl prasowania wstępnego, na który składa się załadunek i prasowanie, jest krótki i trwa około 20 - 100 sekund i stosowany jest w zasadzie tylko kiedy forma nie posiada odpowiednich kanałów odgazowujących lub jest prasowany gruby element. Prędkość zamykania formy w tym czasie powinien zawierać się w granicach 20 - 100 mm/s natomiast zakres wstępnego ciśnienia powinien wynosić 0,2 - 1,0 MPa. W czasie wstępnego prasowania kobierca następuje zbliżenie się wiórów do siebie oraz ich odkształcenie. Drobne wióry mają mniejszą tendencję do gromadzenia się w dolnej części formy w porównaniu ze zwykłą płytą formowaną na blachach obiegowych, z uwagi na dodatkowe wiązania wytworzone poprzez włókna materiału. Kolejny etap to prasowanie zasadnicze, które następuje zaraz po etapie prasowania wstępnego. Zasadnicze prasowanie ma na celu ostateczne nadanie kształtu formowanej z mieszaniny kompozytowej wyprasce. Nacisk właściwy na kobierzec o ciśnieniu jednostkowym w granicach 1 + 5 MPa oraz przy działaniu podwyższonej temperatury w granicach 100 - 170°C, wywołuje jego zagęszczenie a tym samym odkształcenie się wiórów drewna. Wraz z upływem czasu prasowania, który uzależniony jest od grubości i kształtu wypraski (6 - 30 min), sprężystość cząstek drewna maleje, natomiast zwiększa się ich plastyczność. Po osiągnięciu założonej grubości kobierca, klej rozprowadzony punktowo na cząstkach zaczyna wiązać ze sobą poszczególne rozdrobnione cząstki zarówno lignocelulozowe jak i włókniste z tkanin zachowując w ten sposób kształt wypraski. Im grubszy wyrób, tym dłuższy powinien być czas działania podwyższonej temperatury. Podobna sytuacja zachodzi w przypadku większej złożoności kształtu prasowanego wyrobu. Tu pożądanie jest wydłużenie czasu działania podwyższonej temperatury przy jednoczesnym zmniejszeniu ciśnienia jednostkowego. W przypadku prasowania przy niskim ciśnieniu, osiągnięcie końcowego kształtu odbywa się w znacznie dłuższym czasie, ale odpowiednio wystarczającym aby ogrzać kobierzec i wywołać odkształcenie plastyczne wiórów nadając w ten sposób odpowiedni kształt wyprasce. Wilgotność wiórów oraz woda w kleju może być czynnikiem, którym możemy regulować dynamikę przegrzewania wsadu jednak nie powinna być ona za duża i w przypadku wiórów powinna się ona zawierać w granicach 5 - 20%, w zależności jednak od grubości końcowej elementu i stopnia skomplikowania kształtu.

Kompozyty wyprodukowane z cząstek lignocelulozowych oraz z tworzyw sztucznych znajdują zastosowanie przede wszystkim w meblarstwie jako siedziska krzeseł i taboretów, ale także w budownictwie oraz w przemyśle opakowań.

Claims (2)

1. Sposób wytwarzania jednowarstwowego wyrobu kompozytowego, zwłaszcza kształtki meblowej formowanej na gotowo, znamienny tym, że poddaje się mieszaniu rozdrobnione cząstki lignocelulozowe, korzystnie w postaci wiórów lub drobnych frakcji lignocelulozowych o wilgotności 6 - 10%, pochodzące z obróbki skrawaniem surowca drzewnego, o udziale 70 - 95% wagowych w mieszaninie, oraz ścinków tkanin sztucznych o udziale 5 - 30% wagowych w mieszaninie, stanowiących odpad kawałkowy po procesach tapicerowania, a uzyskaną mieszaninę zakleja się mieszaniną klejową, na bazie żywicy mocznikowo-formaldehydowej, przy czym stopień zaklejenia, rozumiany jako stosunek suchej masy kleju do całkowicie suchej masy wióra, wynosi 8 - 20%, następnie zaklejoną mieszaninę zasypuje się do formy kształtowej i poddaje się prasowaniu przy działaniu ciśnienia w przedziale 1,0 - 5,0 MPa, i temperatury w przedziale 100 - 170°C przez okres 360 - 1800 sekund, a następnie wyprasowany kompozyt schładza się w temperaturze pokojowej przez okres co najmniej 12 godzin.

2. Sposób wytwarzania jednowarstwowego wyrobu kompozytowego według zastrz. 1, znamienny tym, że cykl prasowania zasadniczego jest poprzedzony cyklem prasowania wstępnego, trwającym 20 - 100 sekund, zaś prędkość zamykania formy w tym cyklu zawiera się w granicach 20 - 100 mm/s, natomiast zakres wstępnego ciśnienia wynosi 0,2 - 1,0 MPa.