eng
Выпуск #6/2015
В.Шенбергер, П.Фрах, Х.Бартцш, Д.Глесс
Прецизионные покрытия в промышленном масштабе: требования, технологии, оборудование
Прецизионные покрытия в промышленном масштабе: требования, технологии, оборудование
Просмотры: 4796
Лаборатория прецизионных покрытий Института органической электроники, электронно-лучевых и плазменных технологий общества Фраунгофера разрабатывает технологии нанесения покрытий методом магнетронного напыления и усиленного плазмой CVD для применения в оптике, сенсорике, электронике и других областях.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.60.6.70.74
DOI:10.22184/1993-8578.2015.60.6.70.74
Теги: magnetron sputtering plasma enhanced chemical vapour deposition thin-film coating магнетронное распыление плазмохимическое газофазное осаждение тонкопленочное покрытие
Древесина – превосходный строительный и конструкционный материал, который, однако, имеет определенные недостатки: низкую био-, водо- и термостойкость, горючесть, подверженность растрескиванию и короблению при воздействии влаги и температуры. При применении специальных технологий на производстве и при правильной эксплуатации деревянные изделия и постройки служат человеку сто и более лет. Уместно напомнить, что все химические способы борьбы с гниением и горючестью носят относительно кратковременный характер и, по данным испытаний, отрицательно влияют на механическую прочность древесины.
Резонный интерес деревообработчиков, мебельщиков и строителей к улучшению эксплуатационных и технологических свойств древесины привел к появлению клееных деревянных материалов и конструкций, плитных материалов типа ДСП, ЛВЛ, ОСП, ДВП, МДФ и изделий из модифицированной древесины (ТМД, дестам, лигнамон, кебони, аккойя). В производстве таких композиционных древесных материалов применяются различного рода связующие, клеи и химические активаторы свойств природного древесного вещества. При этом повышение требований к экологической, экономической и эксплуатационной эффективности как новых древесных материалов, так и соответствующих им производственных технологий 21 века приводит к пониманию того, что природная древесина сама по себе является сложным композитом, потребительские свойства которого можно целенаправленно изменять (модифицировать), применяя последние достижения науки и техники.
Натуральный композиционный материал
Постоянно возобновляемое натуральное древесное вещество по своей микроструктуре – великолепный композиционный материал, подобный современным бетонным панелям: арматурные прочные волокна, состоящие из свитых определенным образом микрофибрилл целлюлозы с размерами от 2 до 50 нм, упакованы и ориентированы в лигно-углеводном растворе из лигнина и гемицеллюлоз с размерами от 20 до 80 нм по сечению. При этом гемицеллюлозы можно считать промежуточным межслойным связующим между целлюлозными волокнами и лигнинным основным раствором. Для древесины различных пород исходная лигно-углеводная матрица древесного вещества имеет кристаллическое строго определенное строение на макроструктурном уровне.
Следует отметить, что фрагментарно химический состав природного лигнина и гемицеллюлоз близок (хотя и более сложен) химическому составу связующих, применяемых при производстве древесных материалов, поэтому некоторые компоненты современных смол получают из натуральной древесины, используя дорогостоящие химические технологии. Предприятиям лигнин достается по цене пиломатериала как бы "в нагрузку", так как он часто негативно влияет на дальнейшую переработку в изделия. Поэтому большой практический интерес представляет использование природных компонентов древесного вещества, целенаправленно активируя нужные структурные составляющие биокомпозитной матрицы и доставляя на микроуровне в древесное вещество необходимые реакционноспособные добавки и активаторы. Это позволяет получить новый модифицированный древесный композит с заранее заданными свойствами, без изменения текстурной целостности древесины, ее положительных свойств, и с приданием ей новых, востребованных потребителем эксплуатационных или дизайнерских свойств. При кажущейся сложности такого подхода реально применяемые производственные технологические процессы на специально разработанном оборудовании с автоматизированной системой управления будут понятны подготовленному специалисту и позволят деревообрабатывающему предприятию выйти на новый уровень доходности, применять принципиально новые технологии обработки древесины, создавать новые сектора рынка.
Получение структурно-модифицированного древесного вещества
Для того чтобы превратить лигноуглеводную матрицу из "нагрузки" в "бонус" для современного деревоперерабатывающего предприятия, специалистами ООО "Стройлаб", созданного Ульяновским наноцентром ULNANOTECH в 2012 году, разрабатываются технологические процессы, новое оборудование и материалы, соответствующие критериям технологий 21 века. Основываясь на современных знаниях о микроструктурном строении природной древесины, специалисты лаборатории разрабатывают технологии и оборудование для изготовления изделий из структурно-модифицированного древесного вещества (СМДВ), полученного как в массиве (пиломатериалы), так и в виде отходов производства (опилки, стружка, кора, целлюлозосодержащие отходы промышленных предприятий). Основное направление деятельности – адаптация и внедрение не имеющих аналогов технологий и материалов в промышленное производство с учетом современных требований к продукции.
Предлагаемая технология изготовления продукции из СМДВ предусматривает пропитку исходного сырья раствором модификатора с целью улучшения свойств биополимерной матрицы древесины на микроуровне и пьезотермообработку полуфабриката с получением изделия с нужными потребителю свойствами. В качестве базового модификатора древесного вещества используется активированный водный раствор карбамида, образующий в ходе технологического процесса энергетически активный канал клатрата. Диаметр канала клатрата в узкой части составляет 0,49 нм, в широкой – около 0,6 нм, поэтому комплекс с карбамидом могут образовывать любые вещества, молекулы которых имеют диаметр поперечного сечения меньше диаметра клатрата. Это позволяет технологу подобрать для модификации древесины необходимые целевые добавки: вещества, которые, взаимодействуя со структурными компонентами биополимерной матрицы, придают древесине заданные свойства. Поскольку карбамид является синергистом, то есть соединением, умножающим полезное воздействие добавок, их массовое количество незначительно.
Особенность технологии СМДВ в том, что базовый раствор модификатора полностью совместим с естественной биополимерной матрицей древесного вещества, а его способность доставлять на микроуровне специально подобранные добавки позволяет синтезировать наноразмерные узлы направленного модифицирования древесного вещества без нарушения его природной макротекстуры. Экологичность СМДВ и безопасность технологического процесса гарантированы тем, что карбамид является не только естественным удобрением для растений, но еще и пищевой добавкой (по международной классификации – Е927б). Применяемые в минимальных количествах целевые добавки органично входят в состав древесного вещества и дают возможность адаптировать технологический процесс к любым породам древесины в любом ее состоянии, хотя предпочтительна свежесрубленная древесина.
Следует отметить, что ориентация сетки наноразмерных узлов модифицирования определяется микроструктурой биополимерной матрицы древесины, поэтому режимы пьезотермической обработки должны настраиваться с учетом применяемых целевых добавок, а также размеров и породы обрабатываемого сырья.
Одним из направлений опытно-конструкторских разработок является создание промышленного оборудования, которое позволяет не только варьировать технологические параметры модификации в зависимости от применяемого сырья, но и средствами автоматизированных систем управления и цифровых технологий проводить активную диагностику и коррекцию технологического процесса. Учитывается и то, что в условиях современного дефицита пиломатериалов, дороговизны перевозок, а также снижения себестоимости готовой продукции оборудование СМДВ должно быть не только крупнотоннажным, как, например, для производства ДСП, но и мобильным, доступным по цене для среднего предпринимателя.
Производство погонажных изделий
В сотрудничестве с ведущими российскими производителями оборудования для модифицирования и импрегнации древесины, а также для изготовления ДСП специалисты лаборатории участвуют в нескольких инновационных проектах по выпуску изделий из СМДВ. В частности, в компании Dream Wood (Ульяновск) предполагается ежемесячно выпускать до 250 м3 массивной половой и террасной доски, строительной доски и бруса из СМДВ. Планируется, что эксплуатационные свойства и исходная порода для модифицирования будут согласовываться с заказчиком. В табл.1 приведены проектные эксплуатационные показатели для комплекта террасного покрытия Dream Wood, в табл.2 – сравнительные свойства СМДВ для строительных погонажных изделий.
Экологичный древесно-стружечный материал
Вторым реализуемым инновационным проектом является производство на основе СМДВ экологичного древесно-стружечного материала – ЭДСМ. Предлагаемая технология использования натуральных компонентов древесного вещества позволяет исключить из традиционного техпроцесса производства ДСП токсичные смолы и отходы, утилизировать которые разрешается только на специальных полигонах, снизить энергозатраты, перерабатывать так называемые "старые", пролежавшие несколько лет в отвалах отходы деревообрабатывающих производств. Промышленное внедрение технологии ЭДСМ позволит сократить некоторое количество оборудования, не затрагивая при этом принципиальную схему производственного процесса, а лишь модернизируя стандартное оборудование.
Инициаторы проекта предполагают также разработку и создание опытно-промышленной мобильной линии для производства ЭДСМ. Современные технологии производства ДСП с целью снижения себестоимости продукции требуют больших мощностей. Однако это приводит к проблемам по снабжению сырьем и росту затрат из-за увеличения логистических издержек на перевозку балансов, причем часто это – деловая древесина. Возить же опилки и вовсе нерентабельно. Мобильная линия для производства ЭДСМ может быть размещена в непосредственной близости от крупных деревообрабатывающих комбинатов, а по мере выработки накопленных запасов сырья – перевозиться к очередному заказчику для удаления терриконов опилок и щепы. Таким образом, логистика сырья сведется к поставкам сравнительно небольшого объема модификатора в стандартной таре с предприятия-производителя.
Универсальный модифицированный древесный модуль
Перспективные направления ОКР связаны со строительством высококачественного недорогого жилья с применением универсального модифицированного древесного модуля (УМДМ), который представляет собой безклеевое соединение двух профилированных брусков из СМДВ (стенок) с помощью дискретных, расположенных с определенным шагом закладных вставок (связок). Размеры модуля унифицированы и позволяют собирать как стеновые элементы конструкции дома, так и элементы пола, перекрытий и несущих конструкций, лестницы, крышу и т.д. Во внутренних пустотах можно размещать коммуникации (электро-, водо- и газопроводы) с последующим заполнением утеплителем из пористых плит СМДВ.
Строительные элементы, изготовленные из модифицированной древесины дешевых пород, позволят снизить стоимость дома, значительно повысить его прочностные и эксплуатационные качества, огне-, био-, влагостойкость при отсутствии необходимости дополнительной отделки и очень значительном сроке эксплуатации.
Переработка затопленной древесины
Важным ресурсосберегающим направлением является создание технологии переработки затопленной древесины. Объем топляка в российских реках, который может быть использован в качестве деловой древесины в строительстве и мебельной промышленности, – более 30 млн. м3. Более 50 млн. м3. экономически выгоднее перерабатывать в измельченном состоянии в ЭДСМ. Эти объемы не востребованы целлюлозно-бумажными комбинатами так как по своим физико-химическим свойствам не подходят для существующей технологии. Большие объемы топляка и полузатопленной древесины вызывают серьезные проблемы с точки зрения и экологии, и эксплуатации гидротехнических сооружений. В настоящее время при их переработке применяются утилизационное сжигание, пиролиз, получение пеллет.
По данным ЦНИИ Лесосплава стоимость промышленного подъема одного кубометра топляка на берег составляет в среднем 3500 руб., а стоимость кубометра высушенного топляка в бревне для производства мебели доходит до 4000 долл. Проблема состоит в том, что бревно топляка очень затратно высушивать по известным технологиям, а при хранении в штабелях на месте подъема оно растрескивается уже через двое суток. При измельчении топляка качество опилок не устраивает производителей ДСП, поэтому такое сырье обычно сжигается.
Технология СМДВ позволяет использовать эти объемы (свыше 85 млн. м3) как в виде массива, так и в виде опилок. Для решения проблемы хранения топляка на берегу целесообразно создание специального предварительно пропитанного активным модификатором полотна, которым бревна будут укутываться сразу после подъема, что исключит растрескивание древесины.
Резонный интерес деревообработчиков, мебельщиков и строителей к улучшению эксплуатационных и технологических свойств древесины привел к появлению клееных деревянных материалов и конструкций, плитных материалов типа ДСП, ЛВЛ, ОСП, ДВП, МДФ и изделий из модифицированной древесины (ТМД, дестам, лигнамон, кебони, аккойя). В производстве таких композиционных древесных материалов применяются различного рода связующие, клеи и химические активаторы свойств природного древесного вещества. При этом повышение требований к экологической, экономической и эксплуатационной эффективности как новых древесных материалов, так и соответствующих им производственных технологий 21 века приводит к пониманию того, что природная древесина сама по себе является сложным композитом, потребительские свойства которого можно целенаправленно изменять (модифицировать), применяя последние достижения науки и техники.
Натуральный композиционный материал
Постоянно возобновляемое натуральное древесное вещество по своей микроструктуре – великолепный композиционный материал, подобный современным бетонным панелям: арматурные прочные волокна, состоящие из свитых определенным образом микрофибрилл целлюлозы с размерами от 2 до 50 нм, упакованы и ориентированы в лигно-углеводном растворе из лигнина и гемицеллюлоз с размерами от 20 до 80 нм по сечению. При этом гемицеллюлозы можно считать промежуточным межслойным связующим между целлюлозными волокнами и лигнинным основным раствором. Для древесины различных пород исходная лигно-углеводная матрица древесного вещества имеет кристаллическое строго определенное строение на макроструктурном уровне.
Следует отметить, что фрагментарно химический состав природного лигнина и гемицеллюлоз близок (хотя и более сложен) химическому составу связующих, применяемых при производстве древесных материалов, поэтому некоторые компоненты современных смол получают из натуральной древесины, используя дорогостоящие химические технологии. Предприятиям лигнин достается по цене пиломатериала как бы "в нагрузку", так как он часто негативно влияет на дальнейшую переработку в изделия. Поэтому большой практический интерес представляет использование природных компонентов древесного вещества, целенаправленно активируя нужные структурные составляющие биокомпозитной матрицы и доставляя на микроуровне в древесное вещество необходимые реакционноспособные добавки и активаторы. Это позволяет получить новый модифицированный древесный композит с заранее заданными свойствами, без изменения текстурной целостности древесины, ее положительных свойств, и с приданием ей новых, востребованных потребителем эксплуатационных или дизайнерских свойств. При кажущейся сложности такого подхода реально применяемые производственные технологические процессы на специально разработанном оборудовании с автоматизированной системой управления будут понятны подготовленному специалисту и позволят деревообрабатывающему предприятию выйти на новый уровень доходности, применять принципиально новые технологии обработки древесины, создавать новые сектора рынка.
Получение структурно-модифицированного древесного вещества
Для того чтобы превратить лигноуглеводную матрицу из "нагрузки" в "бонус" для современного деревоперерабатывающего предприятия, специалистами ООО "Стройлаб", созданного Ульяновским наноцентром ULNANOTECH в 2012 году, разрабатываются технологические процессы, новое оборудование и материалы, соответствующие критериям технологий 21 века. Основываясь на современных знаниях о микроструктурном строении природной древесины, специалисты лаборатории разрабатывают технологии и оборудование для изготовления изделий из структурно-модифицированного древесного вещества (СМДВ), полученного как в массиве (пиломатериалы), так и в виде отходов производства (опилки, стружка, кора, целлюлозосодержащие отходы промышленных предприятий). Основное направление деятельности – адаптация и внедрение не имеющих аналогов технологий и материалов в промышленное производство с учетом современных требований к продукции.
Предлагаемая технология изготовления продукции из СМДВ предусматривает пропитку исходного сырья раствором модификатора с целью улучшения свойств биополимерной матрицы древесины на микроуровне и пьезотермообработку полуфабриката с получением изделия с нужными потребителю свойствами. В качестве базового модификатора древесного вещества используется активированный водный раствор карбамида, образующий в ходе технологического процесса энергетически активный канал клатрата. Диаметр канала клатрата в узкой части составляет 0,49 нм, в широкой – около 0,6 нм, поэтому комплекс с карбамидом могут образовывать любые вещества, молекулы которых имеют диаметр поперечного сечения меньше диаметра клатрата. Это позволяет технологу подобрать для модификации древесины необходимые целевые добавки: вещества, которые, взаимодействуя со структурными компонентами биополимерной матрицы, придают древесине заданные свойства. Поскольку карбамид является синергистом, то есть соединением, умножающим полезное воздействие добавок, их массовое количество незначительно.
Особенность технологии СМДВ в том, что базовый раствор модификатора полностью совместим с естественной биополимерной матрицей древесного вещества, а его способность доставлять на микроуровне специально подобранные добавки позволяет синтезировать наноразмерные узлы направленного модифицирования древесного вещества без нарушения его природной макротекстуры. Экологичность СМДВ и безопасность технологического процесса гарантированы тем, что карбамид является не только естественным удобрением для растений, но еще и пищевой добавкой (по международной классификации – Е927б). Применяемые в минимальных количествах целевые добавки органично входят в состав древесного вещества и дают возможность адаптировать технологический процесс к любым породам древесины в любом ее состоянии, хотя предпочтительна свежесрубленная древесина.
Следует отметить, что ориентация сетки наноразмерных узлов модифицирования определяется микроструктурой биополимерной матрицы древесины, поэтому режимы пьезотермической обработки должны настраиваться с учетом применяемых целевых добавок, а также размеров и породы обрабатываемого сырья.
Одним из направлений опытно-конструкторских разработок является создание промышленного оборудования, которое позволяет не только варьировать технологические параметры модификации в зависимости от применяемого сырья, но и средствами автоматизированных систем управления и цифровых технологий проводить активную диагностику и коррекцию технологического процесса. Учитывается и то, что в условиях современного дефицита пиломатериалов, дороговизны перевозок, а также снижения себестоимости готовой продукции оборудование СМДВ должно быть не только крупнотоннажным, как, например, для производства ДСП, но и мобильным, доступным по цене для среднего предпринимателя.
Производство погонажных изделий
В сотрудничестве с ведущими российскими производителями оборудования для модифицирования и импрегнации древесины, а также для изготовления ДСП специалисты лаборатории участвуют в нескольких инновационных проектах по выпуску изделий из СМДВ. В частности, в компании Dream Wood (Ульяновск) предполагается ежемесячно выпускать до 250 м3 массивной половой и террасной доски, строительной доски и бруса из СМДВ. Планируется, что эксплуатационные свойства и исходная порода для модифицирования будут согласовываться с заказчиком. В табл.1 приведены проектные эксплуатационные показатели для комплекта террасного покрытия Dream Wood, в табл.2 – сравнительные свойства СМДВ для строительных погонажных изделий.
Экологичный древесно-стружечный материал
Вторым реализуемым инновационным проектом является производство на основе СМДВ экологичного древесно-стружечного материала – ЭДСМ. Предлагаемая технология использования натуральных компонентов древесного вещества позволяет исключить из традиционного техпроцесса производства ДСП токсичные смолы и отходы, утилизировать которые разрешается только на специальных полигонах, снизить энергозатраты, перерабатывать так называемые "старые", пролежавшие несколько лет в отвалах отходы деревообрабатывающих производств. Промышленное внедрение технологии ЭДСМ позволит сократить некоторое количество оборудования, не затрагивая при этом принципиальную схему производственного процесса, а лишь модернизируя стандартное оборудование.
Инициаторы проекта предполагают также разработку и создание опытно-промышленной мобильной линии для производства ЭДСМ. Современные технологии производства ДСП с целью снижения себестоимости продукции требуют больших мощностей. Однако это приводит к проблемам по снабжению сырьем и росту затрат из-за увеличения логистических издержек на перевозку балансов, причем часто это – деловая древесина. Возить же опилки и вовсе нерентабельно. Мобильная линия для производства ЭДСМ может быть размещена в непосредственной близости от крупных деревообрабатывающих комбинатов, а по мере выработки накопленных запасов сырья – перевозиться к очередному заказчику для удаления терриконов опилок и щепы. Таким образом, логистика сырья сведется к поставкам сравнительно небольшого объема модификатора в стандартной таре с предприятия-производителя.
Универсальный модифицированный древесный модуль
Перспективные направления ОКР связаны со строительством высококачественного недорогого жилья с применением универсального модифицированного древесного модуля (УМДМ), который представляет собой безклеевое соединение двух профилированных брусков из СМДВ (стенок) с помощью дискретных, расположенных с определенным шагом закладных вставок (связок). Размеры модуля унифицированы и позволяют собирать как стеновые элементы конструкции дома, так и элементы пола, перекрытий и несущих конструкций, лестницы, крышу и т.д. Во внутренних пустотах можно размещать коммуникации (электро-, водо- и газопроводы) с последующим заполнением утеплителем из пористых плит СМДВ.
Строительные элементы, изготовленные из модифицированной древесины дешевых пород, позволят снизить стоимость дома, значительно повысить его прочностные и эксплуатационные качества, огне-, био-, влагостойкость при отсутствии необходимости дополнительной отделки и очень значительном сроке эксплуатации.
Переработка затопленной древесины
Важным ресурсосберегающим направлением является создание технологии переработки затопленной древесины. Объем топляка в российских реках, который может быть использован в качестве деловой древесины в строительстве и мебельной промышленности, – более 30 млн. м3. Более 50 млн. м3. экономически выгоднее перерабатывать в измельченном состоянии в ЭДСМ. Эти объемы не востребованы целлюлозно-бумажными комбинатами так как по своим физико-химическим свойствам не подходят для существующей технологии. Большие объемы топляка и полузатопленной древесины вызывают серьезные проблемы с точки зрения и экологии, и эксплуатации гидротехнических сооружений. В настоящее время при их переработке применяются утилизационное сжигание, пиролиз, получение пеллет.
По данным ЦНИИ Лесосплава стоимость промышленного подъема одного кубометра топляка на берег составляет в среднем 3500 руб., а стоимость кубометра высушенного топляка в бревне для производства мебели доходит до 4000 долл. Проблема состоит в том, что бревно топляка очень затратно высушивать по известным технологиям, а при хранении в штабелях на месте подъема оно растрескивается уже через двое суток. При измельчении топляка качество опилок не устраивает производителей ДСП, поэтому такое сырье обычно сжигается.
Технология СМДВ позволяет использовать эти объемы (свыше 85 млн. м3) как в виде массива, так и в виде опилок. Для решения проблемы хранения топляка на берегу целесообразно создание специального предварительно пропитанного активным модификатором полотна, которым бревна будут укутываться сразу после подъема, что исключит растрескивание древесины.
Отзывы читателей
